不同水膠比和不同粉煤灰摻量下混凝土滲透性試驗研究

王曉凡

(河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056001)

1 概 述

水利工程中混凝土大壩常常分區澆筑，不同區域內的混凝土所要求的性能不一樣，壩體底部混凝土由于長期處于應力與水壓力的共同荷載作用下，所以其底部要求混凝土的抗滲性更高。大壩混凝土在應力與水壓力的作用下，其滲透性表現出很大的差異，水膠比和粉煤灰兩種因素對混凝土的抗滲性能也具有一定的影響，所以研究不同水膠比和不同粉煤灰摻量的混凝土在應力和水壓力作用下的滲透性變化具有一定的工程指導意義。

國內外專家學者對混凝土的滲透性進行了大量的試驗研究，夏才初[1]等采用測定巖石滲透系數的方法——瞬態法成功測定混凝土的滲透系數，并得到混凝土滲透系數與應力的經驗關系公式。王鳳波[2]等通過實驗得出混凝土試件在相同滲壓、不同圍壓作用下的滲透率特征曲線，以及在圍壓升降循環過程中混凝土試件滲透率的變化曲線。趙鐵軍[3]等研究了高性能混凝土的強度與滲透性的關系，得出純水泥混凝土的強度與滲透性之間有很大的相關性，礦渣混凝土和粉煤灰混凝土的強度與滲透性之間相關性很差，換句話說，高性能混凝土的強度通常不能反映其滲透性。李在允[4]通過混凝土試件凍融循環試驗和交流電滲透性電阻試驗探究不同水灰比和不同粉煤灰摻率對混凝土抗滲性能的影響。陳立軍[5]等測試了混凝土在常壓狀態下不同水泥粒度和水膠比對混凝土滲透性的影響。研究表明在一定氣干條件下，水泥粒度越細，水膠比越低，混凝土在毛細孔壓力作用下的滲透性越大。方永浩[6]等用以受壓彈簧為荷載的壓力-滲透實驗裝置研究持續單向荷載作用對混凝土的水滲透性的影響，結果表明混凝土的滲透系數與其抗壓強度存在較好的相關性。前人做了大量與混凝土滲透性有關的試驗，所研究的影響因素和試驗方法各不相同。本文在總結前人研究的基礎上，通過測定巖石滲透系數的方法來探究不同水膠比和不同粉煤灰摻量對施加恒定軸向應力、相同孔壓以及相同圍壓作用下混凝土試件滲透性的影響。

2 測量原理及試驗方法

國內外關于混凝土滲透系數或滲透率測定的研究很多，有關混凝土滲透系數的測定方法也有很多，常見的有傳統透水法、滲透深度法、直流電量法和CH2Cl2浸泡法。這些測定評價方法均有其各自的局限性，且試驗起來比較繁瑣。迄今為止，對混凝土滲透性的評價方法尚無一個統一的標準。因為混凝土制品與巖石類材料具有相似的物理力學性質，所以可以采用測定巖石滲透率的方法來評價混凝土的抗滲性能。實驗室關于測定巖石滲透系數的實驗方法也有很多種，大致可歸為兩類方法：瞬態法和穩態法。穩態法又稱常壓頭法，即在一定壓頭下測量流出的水量，根據一定時間內試件的滲水量用滲流理論計算材料的滲透系數或滲透率；瞬態法是在試件上施加一定壓力差，測定在一定時間間隔內壓力差的衰減規律,根據壓力差-時間曲線計算材料的滲透率或滲透系數。對于滲透率較高的材料，因其流量較大而易于測定，用穩態法較好；對于中低滲透率的材料，常因流量微小而難以測定，宜用瞬態法。因為混凝土滲透性較小，本試驗采用瞬態法[1]。根據經典的達西定律，可以采用下式計算試件的固有滲透率k：

(1)

式中：μ為流體的動力黏滯系數；△P為試件上下游的水頭壓力差；Q為注入水的流量；L和A分別為試樣的長度和橫截面積。

3 物理實驗

3.1 試驗材料

試驗所用材料及物理性能參數見表1。

表1 試驗所用材料及物理性能參數

3.2 試驗配合比

本試驗共設計15組不同水膠比(0.4、0.5、0.6)和不同粉煤灰摻量(0%、5%、10%、15%、20%)的混凝土配合比設計方案，采用粉煤灰等量替代水泥作為膠凝材料，細骨料選用河砂，篩分粒徑小于2.5 mm，粗骨料選用邯鄲市采石場生產的碎石，篩分粒徑為5～10 mm，具體配合比設計見表2。

表2 試驗配合比設計

3.3 試件制備與養護

試驗試件采用巖石試驗機規定的標準圓柱體(50 mm×100 mm)，根據配合比設計方案按照混凝土試件澆筑規范制備15組試件，因模具有限，分4次澆筑，每組澆筑4個相同試塊，共計60個。制備好的試件放置混凝土標準養護室養護24 h后拆模，因為用穩態法測定混凝土滲透系數必須保證混凝土的含水量是飽和的，所以采用水中養護方式，既滿足了混凝土養護條件濕度在95%以上，又使試件處于飽和狀態。待達到混凝土28 d養護齡期后準備進行滲透試驗，先每組選取一個試件做混凝土單軸抗壓強度試驗，得出28 d的抗壓強度和應力應變關系曲線，為混凝土滲透試驗施加軸壓提供一個可估的應力加載區間。

3.4 試驗儀器的原理與簡介

試驗在TAW-2000電液伺服巖石力學試驗系統上進行，見圖1、圖2。該系統有3套獨立的閉環控制系統,在計算機控制下,該系統可分別實現對軸壓、圍壓和孔壓的加載控制和穩壓。整個試驗過程中用計算機程序來進行控制和數據采集,試驗過程如下[8]:

圖1 TAW-2000巖石三軸試驗機示意圖

圖2 滲透性實驗示意圖

①將巖石試件(直徑50 mm,高度100 mm)裝到加載架上,手動控制使試件上端輕微接觸上壓頭(顯示器上載荷讀數為0.05～0.5 kN)；②運行計算機程序,使試件在載荷控制方式下以一定的加載速率加載到5～10 kN；③落下三軸缸，向三軸缸充油直到充滿；④在計算機程序控制下,電液伺服系統按一定加壓速率先施加圍壓到一預定值,并在以后的全過程保持不變,再施加試件兩端的孔壓到一預定值；⑤降低試件一端的孔壓,以便在試件兩端形成滲透壓差,在滲透壓差作用下液體通過試件兩端滲流,滲透壓隨之減少,計算機實時記錄滲透壓差的變化；⑥根據達西定律計算試件滲透率K；⑦增加軸壓,使軸壓達到預定的加載值。

3.5 試驗結果

在參考夏才初[1]等的試驗加載方案上采用施加軸向應力15MP，圍壓5MP，孔壓4MP，滲透壓在1.5～2.0MP，試驗過程中保持軸壓、圍壓、孔壓不變，15組試件均分別進行滲透試驗。由于試驗設備的限制，本試驗只對試樣軸向方向滲透率進行測量。試驗數據整理見圖3。

圖3 單軸壓縮試驗試件最大應力圖

從圖3中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加試件的最大應力值變化很小，但總體上粉煤灰摻量的增加使試件的強度降低。當粉煤灰摻量增加到20%時，試件的最大應力值降低得比較明顯，這是因為采用等量粉煤灰代替水泥后，粉煤灰的強度沒有水泥大，導致試件的整體強度降低。通過對比3種水膠比的最大應力值可以發現，試件水膠比為0.4的最大應力值最大，水膠比為0.6的最大應力值最小，可以得出隨著水膠比的增大，試件的最大應力在減小，即強度在降低，這是由于水泥用量過大，水泥不能夠充分水化，從而試件強度較低。

不同水膠比試件的滲透率變化見圖4-圖6。

圖4 水膠比為0.4試件的滲透率變化

圖5 水膠比為0.5試件的滲透率變化

圖6 水膠比為0.6的試件滲透率變化

1) 從圖4、圖5、圖6對比中可以看出，隨著水膠比的增大，試件的滲透率在增大，由于水膠比的變化對混凝土孔結構的影響很大，水膠比越小，混凝土水泥水化反應較徹底，使得其內部孔隙較少，從而滲透率相對較低。在軸壓、孔壓和圍壓共同作用下，滲透率先是隨時間上升到一個峰值，然后下降趨于穩定。混凝土試件本身具有很多微小孔隙，當滲透水隨初始時間在試件表面流動時，試件表面上微小孔裂隙由于受到水壓的作用，孔隙變大，使得試件的滲水量變大，從而試件在前期的滲透率急劇上升；隨試件滲流的進行，混凝土長時間處于水中，其內部孔隙已被水分子填滿，試件滲流遇到較大阻力，從而滲透率上升較緩慢。另一方面，滲透水在滲流過程中攜帶著的一些微小物質填充了混凝土的孔隙以及內部裂縫，從而改善了混凝土內部的孔隙結構，使得試件的滲透率降低；而隨著試件滲流的繼續，滲透率的變化趨于穩定，這是由于混凝土內部的密實度較強，滲透水流進試件內部后產生了穩定的滲流通道。

2) 從圖4、圖5、圖6中可以發現，粉煤灰摻與不摻以及摻量多少對試件的滲透率具有很大的影響，并且隨著粉煤灰摻量的增加，試件的滲透率明顯在減小，當摻量為20%時試件的滲透率減小得尤為顯著。由于粉煤灰本身的顆粒性質與水泥水化共同作用下，填充在水泥漿體的孔隙結構中，使混凝土試件的孔徑明顯變小，孔隙率降低，使得試件的礦物組成得到改善并加強了自身的密實度，從而降低了試件的滲透率，加強了試件的抗滲性能。從粉煤灰摻量為0%、5%、10%、15%、20%對改善試件的滲透性來看，摻量越大，試件的滲透率越低。

4 試驗結論

1) 在軸壓、孔壓和圍壓3種荷載的共同作用下，隨著水膠比的增大，試件的滲透率在增大，從而試件的抗滲性能變差。

2) 在軸壓、孔壓和圍壓3種荷載的共同作用下，粉煤灰摻與不摻對試件的滲透率影響很大。隨著粉煤灰摻量的增加，試件的滲透率明顯減小，而且摻量為20%時試件的滲透率較不摻降低的更為顯著。

3) 對試件進行單軸壓縮試驗，得到試件各水膠比對應下粉煤灰摻量的極限荷載強度。結果發現，水膠比越大，試件極限荷載強度越低；粉煤灰摻量的大小對試件的強度有一定影響，尤其粉煤灰摻量達到20%時試件的極限荷載強度降低比較明顯。所以，對具有強度要求和抗滲要求的實際工程要合理選取水膠比和粉煤灰摻量。

5 展 望

用測定巖石滲透率的方法來評價混凝土的滲透性，實驗過程時間較長，但得出的結果較為直接、精確。混凝土的滲透性與施加在其上的應力荷載有很大關系，而且實際工程中，大多的混凝土結構都處于較大的應力荷載下。比如混凝土大壩經常承受由于水位變化產生的水壓升降循環荷載，這時考慮這種條件下的大壩混凝土滲透性能對評價大壩安全穩定很有必要。因為測定巖石滲透率的滲流系統可以對軸壓、圍壓、孔壓進行單獨控制，所以可以在此套系統上進行試件的軸壓水平控制、孔壓水平控制以及圍壓水平控制，還可以在試件極限荷載內進行軸壓、孔壓、圍壓的升降循環，測定試件在3種荷載控制條件下對應的滲透率或者滲透系數對評價實際工程的安全穩定具有指導意義。