重晶石摻量對(duì)重混凝土滲透性能的影響

侯景鵬,付雪晴,徐涵思

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.東北電力大學(xué)教務(wù)處,吉林 吉林 132012)

重混凝土又稱防輻射混凝土或核反應(yīng)堆混凝土[1]，能有效屏蔽原子核輻射、有毒廢棄物及放射線造成的傷害，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防工程的建設(shè)中，改善重混凝土的耐久性對(duì)提高結(jié)構(gòu)性能和延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的服役壽命有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-3].

外界水分與混凝土接觸時(shí)，水在壓力差和毛細(xì)孔的表面張力作用下向混凝土內(nèi)部遷移，發(fā)生滲透現(xiàn)象.混凝土水滲透系數(shù)是衡量耐久性的關(guān)鍵參數(shù).國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土的抗?jié)B透性開(kāi)展了大量研究，徐寶維[4]通過(guò)摻入粉煤灰和高效減水劑以改善混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高整體抗?jié)B性.M.I.Khan[5]用硅灰等量替代8%～12%的水泥，得到理想的混凝土抗?jié)B透性.丁一寧[6]研究纖維對(duì)帶裂縫混凝土滲透性能的影響，發(fā)現(xiàn)其滲透率與同等裂縫寬度的素混凝土相比有不同程度的降低.王強(qiáng)[7]對(duì)比了不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土表層滲透性的影響，結(jié)果表明混凝土的表層抗?jié)B透性與濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間成正比.

本文取C30混凝土，模擬二維截面中粗骨料在富勒級(jí)配下的實(shí)際分布狀態(tài)及內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)情況，研究重晶石替代卵石粗骨料百分比對(duì)混凝土內(nèi)部水分傳輸機(jī)理的影響，進(jìn)而評(píng)價(jià)水滲透系數(shù)，確定重混凝土的理論配合比.

1 算法模型建立

選用C30卵石混凝土，材料性能如下：P.O32.5的水泥，富余系數(shù)為1.00，粗骨料最大粒徑20 mm；砂率28%；水灰比0.38.拌合物坍落度為35 mm～50 mm，密度為2 400 kg/m3，具體配合比，如表1所示.邊長(zhǎng)為150 mm的正方體試件中粗、細(xì)骨料用量，如表2所示.

表1 混凝土配合比

表2 粗細(xì)骨料用量

在模擬混凝土骨料分布時(shí)，假設(shè)骨料為球型，用一個(gè)隨機(jī)平面截取試塊，截面上骨料呈圓形.由表2計(jì)算該試件中粗、細(xì)骨料所占體積比為45.54%、17.78%，粗骨料占截面的72%，滿足普通混凝土骨料面積占截面之比為60%～75%的要求[8].

采用富勒級(jí)配計(jì)算各級(jí)粒徑粗骨料的質(zhì)量，選取常用粒徑：5 mm、10 mm、15 mm和20 mm.

富勒級(jí)配公式為

p=100(d/D)1/2，

(1)

公式中：p為質(zhì)量篩余百分率；D為最大骨料粒徑；d為常用骨料粒徑[9].

計(jì)算出不同粒徑粗骨料在截面內(nèi)的數(shù)量，如表3所示.

表3 不同粒徑骨料在截面內(nèi)的數(shù)量

建立150×150 mm2混凝土截面，利用MATLAB在0 mm～150 mm之間隨機(jī)生成橫、縱坐標(biāo)，按二維隨機(jī)分布模型投放骨料，投放標(biāo)準(zhǔn)為：根據(jù)骨料的粒徑和個(gè)數(shù)從大骨料開(kāi)始投放，且新骨料不與原有骨料重疊或凸出投放域，最后檢驗(yàn)骨料面積百分比是否達(dá)到要求.骨料最終投放分布狀態(tài)如圖1所示.做殘差分析，殘差曲線如圖2所示，收斂結(jié)果滿足要求.

圖1 骨料投放分布圖圖2 殘差曲線

2 重晶石防輻射混凝土水滲透性能模擬

2.1 建模及數(shù)值模擬重混凝土內(nèi)部云圖

根據(jù)二維截面模型中骨料投放分布狀態(tài)，對(duì)平面內(nèi)157粗顆骨料進(jìn)行編號(hào)，定義重晶石替換比為權(quán)重.為保證變量的唯一性，對(duì)不同模型選用相同的滲流速度入口邊界條件、外部壓力出口邊界條件.修改密度、空隙率、吸水率和硬度等參數(shù)，建立骨料替換比為20%、30%和40%的重晶石混凝土骨料模型，結(jié)合重晶石與水泥砂漿粘接帶參數(shù)，模擬對(duì)應(yīng)內(nèi)部流體壓力場(chǎng)、滲流速度場(chǎng)和速度矢量云圖結(jié)果，如圖3～圖6所示.

對(duì)比不同重晶石替換百分比的混凝土內(nèi)部流體壓力場(chǎng)云圖，發(fā)現(xiàn)壓力值分布沿滲透方向整體呈逐漸減小的趨勢(shì)，垂直滲透方向的骨料兩側(cè)壓力場(chǎng)大體呈對(duì)稱分布.保持骨料大小、形狀和位置不變，改變重晶石體積替換比，混凝土內(nèi)部壓力場(chǎng)無(wú)明顯變化，普通卵石混凝土內(nèi)部壓力范圍為-3.34e-01 Pa～2.08e+00 Pa，骨料替換比為20%、30%和40%的重晶石混凝土內(nèi)部壓力平均值為-3.31e-01 Pa～2.08e+00 Pa，差別小于1%，忽略不計(jì).

觀察滲流速度場(chǎng)云圖，由于骨料的阻礙和邊界效應(yīng)，骨料-水泥砂漿界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)流體速度很小，且成對(duì)稱分布.過(guò)渡區(qū)以外的流體沿滲透方向形成微連通通道，隨重晶石替換比的增加，通道逐漸收窄，內(nèi)部滲流速度場(chǎng)明顯減小，普通卵石混凝土內(nèi)部速度為1.40e-03 m/s～2.80e-02 m/s，骨料替換比為20%、30%和40%的重晶石混凝土內(nèi)部速度分別為4.22e-04 m/s～8.43e-03 m/s，1.41e-04 m/s～2.81e-03 m/s，1.40e-04 m/s～2.80e-03 m/s，較普通卵石混凝土減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，且隨著骨料替換比的增加，下降幅度減小.

從壓力場(chǎng)云圖可以確定截面內(nèi)各處流體的速度矢量，在出口邊界處由于內(nèi)外壓強(qiáng)差產(chǎn)生反向壓力，從速度矢量云圖中發(fā)現(xiàn)流體有反滲透趨勢(shì)甚至出現(xiàn)局部回流現(xiàn)象.重晶石具有高密實(shí)性，與水泥砂漿有較強(qiáng)的粘結(jié)力，能改變材料的孔結(jié)構(gòu)和水分傳輸機(jī)理，使?jié)B流過(guò)程受阻，滲流方向發(fā)生明顯曲折變化，混凝土中流體運(yùn)動(dòng)速度減小，進(jìn)而改善混凝土的抗?jié)B性.

2.2 確定重晶石最優(yōu)替換百分比

滲透系數(shù)一方面取決于材料本身，另一方面取決于流體的性質(zhì)[10]，計(jì)算公式為

(2)

μ=0.001 779/(1+0.033 66t+0.000 221t2)

.

(3)

由公式(2)計(jì)算骨料替換百分比為20%、30%和40%下重混凝土的水滲透系數(shù)分別為1.156×10-7m/s、9.44×10-8m/s和7.96×10-8m/s，比普通混凝土降低82%、86%和88%.變化趨勢(shì)如圖7所示，隨著骨料替換比的增加，混凝土的水滲透系數(shù)降低，且下降幅度隨骨料替換比的增大而減小.綜合考慮經(jīng)濟(jì)和抗?jié)B性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，最佳重晶石骨料替換百分比為30%.

3 結(jié) 論

(1)基于二維隨機(jī)分布模擬普通卵石混凝土骨料在富勒級(jí)配下的分布狀態(tài)，得到混凝土二維截面粗骨料的實(shí)際分布情況.

(2)隨重晶石替換比的增加，重混凝土內(nèi)部流體速度明顯減小，速度矢量方向發(fā)生曲折變化，抗?jié)B性能得到改善；但壓力場(chǎng)無(wú)明顯的變化.

(3)重晶石的摻入，使重混凝土相對(duì)水滲透系數(shù)降低，改善了結(jié)構(gòu)的耐久性.綜合考慮，最佳重晶石骨料替換百分比為30%.