摘要 用自行設(shè)計(jì)的混凝土滲透試驗(yàn)裝置研究了混凝土滲透參數(shù)的演變規(guī)律。發(fā)現(xiàn)在壓力水作用下，混凝土在短時(shí)間內(nèi)滲透速率達(dá)到最大，隨后就逐漸降低并趨向于穩(wěn)定值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了混凝土滲透系數(shù)的時(shí)變模型。
關(guān)鍵詞 混凝土 滲透 混凝土滲透試驗(yàn)裝置 時(shí)變模型
中圖分類號(hào): T528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
0 引 言
滲流溶蝕是水工混凝土構(gòu)筑物破壞的主要形式之一。水工混凝土在水壓力的作用下，會(huì)發(fā)生滲透和滲流，后者會(huì)引以混凝土中水泥石組成的溶蝕破壞，因此滲透性是水工混凝土構(gòu)筑物中最為關(guān)注的特性之一。由于混凝土的水滲透性較低，通常用混凝土在特定試驗(yàn)條件下能承受的（水不滲透）最大或在一定水壓下持續(xù)一段時(shí)間后的滲透高度來(lái)表征混凝土的抗水滲透性能[1]，也有用氣體滲透性表征滲透性的[2-3]，而對(duì)混凝土滲透以后的滲透性研究較少。阮燕[4]等研究了在1.2～2.8 MPa水壓下面板混凝土的滲透溶蝕過(guò)程，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)隨滲透歷時(shí)的延長(zhǎng)而降低，逐漸趨于某一特定值。但文獻(xiàn)[4]未提供關(guān)于滲透系數(shù)經(jīng)時(shí)變化規(guī)律的更多信息。
筆者曾用自行設(shè)計(jì)的混凝土滲透試驗(yàn)裝置研究了持續(xù)壓荷載作用下混凝土的滲透性與荷載的關(guān)系[5]，本文仍采用該裝置研究持續(xù)水壓力下混凝土的滲透性的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1原材料與試件
1用南京龍?zhí)端鄰S生產(chǎn)的P·O 32.5級(jí)水泥，南京熱電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度模數(shù)為2.5的河砂，最大粒徑10 mm的石灰?guī)r碎石及自來(lái)水按表1所示配合比配制混凝土，成型成內(nèi)、外直徑分別為30 mm 和110 mm的圓筒形試件，每組試樣成型六個(gè)，其中兩個(gè)用于滲透試驗(yàn)，三個(gè)用于強(qiáng)度測(cè)定，另一個(gè)備用。試件在混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后，用切割機(jī)將試件兩頭截去，得到高度為110 mm的試件。取其中三個(gè)試件測(cè)定混凝土試件抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表1。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)所用混凝土滲透試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。該裝置使用4根對(duì)稱布置大噸位壓縮彈簧作為加壓部件。裝置工作時(shí)由高立柱壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)彈簧加壓，壓力值大小則由讀取壓力機(jī)表盤數(shù)值來(lái)控制，到達(dá)規(guī)定壓力值時(shí)立即將螺栓擰緊并關(guān)閉壓力機(jī)，此時(shí)試件所受的外部壓荷載就由彈簧提供了。由于彈簧彈力受混凝土變形等因素的影響很小、保壓性能良好并且應(yīng)力損失小、不受外部斷電等干擾因素的影響，故可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土滲透溶蝕等性能的研究[5]。彈簧產(chǎn)生的壓力通過(guò)鋼板、球座、上壓板傳遞作用到試件上。上壓板內(nèi)部鉆一φ 5 mm的小孔，在鋼墊板外設(shè)接口用銅管接至砂漿抗?jié)B儀壓力水出口，壓力水由砂漿抗?jié)B儀提供并流經(jīng)銅管和上壓板內(nèi)部的小孔作用于圓筒形試件的內(nèi)表面，水壓由砂漿抗?jié)B儀上的壓力表調(diào)節(jié)控制。試件外表面浸在注滿水有機(jī)玻璃套筒中，套筒上方用橡膠皮蓋住以避免蒸發(fā)。套筒上有一控制水位的溢流孔，用一塑料管連接溢流孔和放于低處的量筒，這樣透過(guò)環(huán)型試件壁的滲透水量可以通過(guò)量筒收集。
試驗(yàn)時(shí)試件先用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿粘貼在上下兩塊鋼墊板上，待環(huán)氧樹(shù)脂硬化后進(jìn)行真空飽水, 以便在試驗(yàn)時(shí)盡快達(dá)到滲透穩(wěn)定。在本研究中分別對(duì)試件施加5MPa的軸向壓力，對(duì)C1和C2混凝土所施加的穩(wěn)定水壓分別為0.8 MPa和1.2MPa，即試件中水力梯度分別為20MPa和30MPa，水壓過(guò)高（對(duì)C1和C2分別超過(guò)1.2MPa和2.0MPa）時(shí)，試件會(huì)很快被水擊穿。
加用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量混凝土滲透系數(shù)時(shí)，由于其滲透性很小，要使足量的水透過(guò)混凝土以保證測(cè)量精度，因此每次累積4 h的滲透水量，用電子天平稱取其質(zhì)量，并計(jì)算4 h內(nèi)的平均滲透系數(shù)。
根據(jù)單位時(shí)間的滲透水量計(jì)算混凝土試件的滲透系數(shù)。對(duì)圓環(huán)形試件滲透系數(shù)計(jì)算公式由達(dá)西公式推導(dǎo)得。達(dá)西公式為.[6]：
式中：
Q—單位時(shí)間內(nèi)的流量（cm3/s）；
K—滲透系數(shù)(cm/s)；
A—過(guò)水面積(cm2)；
ΔP—水流入面和流出面間的水頭差（cm）；
L—滲透距離(cm)。
上式未考慮溫度對(duì)液體粘度的影響。
達(dá)西公式要求孔隙平行不發(fā)生橫向滲透，對(duì)于混凝土這種內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不斷變化的材料是做不到的，但目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為達(dá)西定律對(duì)于水泥混凝土還是適用的，對(duì)圓環(huán)形試件我們假設(shè)僅發(fā)生徑向滲透，對(duì)式（1）作微分得式（2）
即：
再對(duì)式（2）兩邊作積分，
這樣就得到圓環(huán)形試件滲透系數(shù)計(jì)算公式（3），
式中K—滲透系數(shù)(cm/s)；
Q—單位時(shí)間內(nèi)收集的水流量(cm3/s)；
r2—環(huán)狀試件的外半徑(cm)；
r1—環(huán)狀試件的內(nèi)半徑(cm)；
h—環(huán)狀試件的高度(cm)；
Δp—水流入面和流出面間的水頭差(cm)。
2 結(jié)果與討論
2.1 滲透現(xiàn)象與滲透系數(shù)變化
圖2是兩組混凝土試件（每組兩個(gè)）滲透系數(shù)K隨時(shí)間t的變化。從試件透水開(kāi)始，可以觀測(cè)到滲水量短時(shí)間內(nèi)會(huì)有一段波動(dòng)變化的過(guò)程，但其總趨勢(shì)是顯著增加。這是由于在混凝土試件在受水壓作用后，開(kāi)始只是局部透水，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，透水面上各部分均開(kāi)始透水，或者較大的水力梯度形成了一些原本封閉的孔打開(kāi)，造成孔結(jié)構(gòu)的一些改變而造成的。水量很快到達(dá)最大值后即開(kāi)始下降，圖2的滲透時(shí)間均是從滲水量達(dá)最大值開(kāi)始計(jì)時(shí)。
滲透系數(shù)在達(dá)到最大值后隨時(shí)間下降可能有下列原因：①被壓力水沖下的碎顆粒及雜質(zhì)隨水流在一些部位沉淀堵塞；②水泥熟料的持續(xù)水化和一些可溶性物質(zhì)如氫氧化鈣，發(fā)生碳化反應(yīng)而生成碳酸鈣或沿滲流通道結(jié)晶，使?jié)B流量減小。
本試驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果表明滲透系數(shù)下降最明顯的是在滲透出水達(dá)到最大值后約40~60h以內(nèi)，其后仍會(huì)隨著滲透時(shí)間的增加比較平緩的下降。
試件C1和C2比較，C1不僅開(kāi)始透水的時(shí)間比C3早，滲水后亦能較快達(dá)到最大流量。同時(shí)從圖中也發(fā)現(xiàn)滲透相對(duì)平穩(wěn)階段所用時(shí)間也比C3試件少。這宏觀上與強(qiáng)度、水灰比、水泥用量有關(guān)，微觀上則與其中孔的尺寸、分布、連通以及集料與水泥石的界面微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。
從圖2還可看出，無(wú)論是C1和C3，同一配合比的兩個(gè)試件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出一定的離散性。這也說(shuō)明了就滲透性而言，混凝土是一種很不均勻的材料。本試驗(yàn)試件尺寸比較小、混凝土存在缺陷等偶然因素可能也是一個(gè)重要原因，而且由于實(shí)驗(yàn)周期比較長(zhǎng)，發(fā)生意外的概率也比較高。
2.2滲透時(shí)變模型與穩(wěn)定性的分析
對(duì)于各組混凝土試件，可以看出的滲透系數(shù)隨著滲透時(shí)間增加而減小這一現(xiàn)象有一定規(guī)律性，且各條曲線形式大體相同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)雖有一定離散性但在一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)各組試件的的滲透系數(shù)與時(shí)間關(guān)系按式（4）擬合，
式中：t—時(shí)間（h）；
k—滲透系數(shù)（10-10cm/s）；
k∞、、b—擬合參數(shù)，見(jiàn)表2。 a
從表2中可以看出，由式（4）擬合曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好，相關(guān)系數(shù)R2大于0.95。因此式（4）較好地反映了水工混凝土滲透系數(shù)的時(shí)變過(guò)程：滲透系數(shù)隨滲透時(shí)間呈負(fù)指數(shù)函數(shù)減小，開(kāi)始時(shí)滲透系數(shù)迅速減小，隨著滲透時(shí)間的增加則滲透系數(shù)下降越來(lái)越平緩，當(dāng)滲透時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，式（4）右邊第2項(xiàng)趨向于0，因此k∞即為預(yù)期的穩(wěn)定滲透系數(shù)。
這里要特別指出的是，本試驗(yàn)是在滲水量最大值后才能開(kāi)始計(jì)算滲流的滲流量的經(jīng)時(shí)過(guò)程，由此推得滲透系數(shù)隨滲透時(shí)間增加而減小的規(guī)律。而在實(shí)際工程中，當(dāng)壩體混凝土出現(xiàn)隱患病害、或高應(yīng)力比（≥60%）以及高水力梯度，使裂縫的自愈現(xiàn)象逐漸消失（即裂隙中CaCO3的被滲流水析出）等情況時(shí)，滲透系數(shù)會(huì)顯著增大.
3 結(jié) 論
?。?） 當(dāng)水力梯度低于某個(gè)臨界值時(shí)，混凝土在短時(shí)間內(nèi)滲透速率達(dá)到最大，隨后就逐漸降低并趨向于穩(wěn)定值。
?。?.） 混凝土的滲透系數(shù)隨滲透時(shí)間的減小近似呈負(fù)指數(shù)函數(shù)規(guī)律。
參考文獻(xiàn)
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