凍融條件下水工混凝土滲透性演化試驗研究

譚 鵬，程慶超，童富果

(1.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；2.浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引 言

混凝土面板作為混凝土面板堆石壩的重要防滲結構，大壩的安全穩定和運行壽命與面板的滲透性直接相關[1]。我國北方地區多個混凝土面板堆石壩工程實踐表明，凍融破壞是促使混凝土防滲性能弱化和使用壽命縮短的原因之一[2-5]，遭受凍融破壞的混凝土面板會表現出不同規模的表面剝落和裂紋損傷、張裂等情況[6]。混凝土面板的滲透性與其自身的水膠比、粉煤灰摻量以及引氣劑含量等因素相關，同時也受到凍融作用的影響。

水滲透性測試相比透氣性和離子滲透性檢測，其測試方法簡單、直觀、較為可靠，且混凝土只要具有良好的抗水性，通常就可以滿足抗滲性的要求[7]，因此，國內外針對混凝土滲透性的研究著重于透水性。現行主要的水滲透試驗方法主要有穩定流動法、抗滲標號法和滲透深度法。穩定流動法通過測定流過混凝土的流速以及流量，再依據達西定律求得其滲透系數，然而，由于該方法要求試驗在穩定且緩慢的單向流中進行，致使試驗誤差較大[8]；抗滲標號法是我國目前采用的抗滲指標，但該方法不便于在水工建筑物上使用[9]；滲透深度法適用于低滲透性的混凝土，并且對于一些采用表面處理的混凝土并不適用[10]。近年來，Autoclam測試方法[11]因其耗時短，能快速、較好反應一般混凝土的滲透性能，得到了大量的應用。但是，該方法也存在一定的不足之處：測試接觸面無法保證固定統一，對測試結果影響較大；該方法沒有考慮測試試件的尺寸影響；由于凍融破壞的作用，導致儀器與混凝土表面的密封性得不到保證等。

基于此，本文采用室內快速凍融試驗和Autoclam滲透性測試儀，解決了Autoclam滲透性測試儀與凍融后試件接觸面的密封性無法保證等問題，對常見水工混凝土水膠比、加引氣劑、摻粉煤灰等工況進行凍融循環下的滲透性試驗，研究了受凍融破壞后混凝土的滲透性演化規律，探索了滲透性與抗壓強度之間的相關性，為混凝土受凍融破壞后的特性測評提供參考。

1 水滲透性測試試驗

1.1 試驗原材料及混凝土配合比

根據謝凱軍等人[12]提出的，寒冷地區壩體外部上、下游水位變化區及以上部位水工混凝土的水膠比應盡量控制在0.45～0.55范圍內的要求，本文設計0.47、0.50、0.53三種水膠比工況，混凝土配合比見表1。

表1 混凝土設計配合比

水泥為P.O 42.5華新普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為襄陽發電廠生產的Ⅱ級粉煤灰；細骨料為人工砂，細度模數為2.71，屬中砂；粗骨料為花崗巖碎石，粒徑5～20 mm；減水劑為高效聚羥酸減水劑，引氣劑為江蘇蘇博特新材料公司生產的AIR202型引氣劑，取實驗室自來水作拌和用水。

1.2 試驗測試原理及方法

傳統測試混凝土滲透性的方法多種多樣，常見評價混凝土滲透性的方法主要以水、氣、離子的滲透情況以及利用抗壓強度來表征混凝土的滲透性[11，13]。本文采用依據達西定律推導的多孔介質滲流毛細管模型，運用穩定流態法推求材料的滲透系數，即

(1)

式中，Kq為相對滲透系數；Q為滲水量；a為混凝土吸水率；T為恒壓所用時間；H為試件靜水壓力；A為測試試件橫截面積。

按照表1所示設計配合比，結合GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，每組澆筑18個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 試塊，成型后移入HBY-28B型水泥恒溫恒濕標準養護箱中養護24 h后拆模養護28d(溫度20 ℃，相對濕度95%)。

依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定的快凍法，養護28 d后將充分飽水的試件進行凍融循環試驗，試件中心溫度控制在-18～5 ℃(±2 ℃)范圍內，每次凍融循環過程持續時間為3 h左右，在凍融過程中試件處于完全浸水狀態。

每凍融循環25次(即當凍融次數N=0，25，50，75，100，125，150，175，200時)取出預埋設不透水鋼環的混凝土立方體試塊進行水滲透性測試，試驗儀器為Autoclam滲透性測試儀。每凍融循環50次(即當凍融次數N=0，50，100，150，200時)每組任取3個未埋設不透水鋼環試件進行單軸抗壓強度測試，單次凍融循環過程在3 h左右完成，凍融過程中控制試件的中心溫度在-18～5 ℃(±2 ℃)范圍內，記錄試驗數據。

1.3 試驗改進方法和措施

Autoclam混凝土滲透性測試儀在現場和實驗室條件下均可使用，試驗過程中該設備保持混凝土頂部的壓力為恒定狀態，并自動記錄測試過程中試件的吸水量，最終得到混凝土的吸水率。為解決試件隨凍融次數的增加而不斷剝落等問題，本試驗于混凝土試件內預埋不透水鋼環，利用螺栓螺母將試件固定在儀器與底板之間以保證儀器與試件的接觸穩定及密封性。

混凝土試件在凍融前，需將其充分飽和后再放置于快速凍融試驗機內進行快速凍融。飽和過程通常為將養護好的試件完全浸沒于水中4 d左右[14]，耗時長且無法保證試件得到充分飽和。本試驗利用真空泵和不銹鋼耐壓容器組裝簡易的真空飽和裝置，基本方法是：設定數字壓力控制表上下限，調節真空泵在低于下限值時自動工作，使耐壓容器完全處于真空狀態，維持12 h后打開水閥往容器內通水，使試件飽和。

2 試驗結果和分析

2.1 水滲透性試驗結果

不同凍融循環次數下各組試件每次水滲透性測試試驗的測試時間為15 min，選取對應凍融次數下的10 min水滲透量，見表2。

表2 混凝土試件平均水滲透量

2.2 水滲透系數的反演計算

在三維滲流有限元分析[15]的基礎上，運用Seep3D構建試件1∶1三維模型，假定混凝土為材料1，不透水鋼環為材料2，形狀假設為六邊形。按照1.0×10-10～1.0×10-6m/s輸入材料1滲透系數，而材料2滲透系數設定為極小值1.0×10-14m/s，模擬鋼環內部材料1的穩定滲流情況，0.5 m滲透水頭截面云圖見圖1。滲水量與滲透系數之間的關系如圖2所示，進而由實測試驗滲水量內插得到相應的滲透系數。

圖1 0.5 m滲透水頭截面云圖(單位：cm)

圖2 滲透系數與滲流量關系

2.3 凍融作用下配合比對混凝土滲透性和抗壓強度的影響

2.3.1水膠比對混凝土滲透性的影響

圖3 3種水膠比混凝土滲透系數隨凍融次數變化曲線

3種水膠比混凝土滲透系數隨凍融次數變化曲線如圖3所示。可以看出，水膠比為0.47、0.50、0.5的3組混凝土試件，其滲透系數隨凍融次數的增加均表現為指數型式增長，經200次凍融循環后，滲透系數分別由凍融前的1.626 42×10-9、3.009 81×10-9、5.514 88×10-9m/s增加到1.971 33×10-8、2.695 75×10-8、5.898 11×10-8m/s。可見，在凍融循環作用下，相同條件下水膠比越小，混凝土的滲透性就越弱。對比水膠比0.47與0.50的滲透系數變化情況，同一凍融次數下，兩者相差不是很大，說明僅采取降低水膠比的措施，對混凝土滲透性的改變不是很明顯。

2.3.2粉煤灰對混凝土滲透性的影響

如圖4所示，凍融循環約170次前，摻粉煤灰混凝土的滲透系數均高于不摻粉煤灰的，170次后則情況相反，且不摻粉煤灰的增長速率加快；另外，隨凍融次數的增加，摻粉煤灰混凝土的滲透系數逐漸增大，增長速率先增大后減小。

圖4 水膠比0.5，不同摻加劑混凝土滲透系數隨凍融次數變化曲線

2.3.3引氣劑對混凝土滲透性的影響

從圖4可以看出，在凍融循環150次以前，加引氣劑混凝土的滲透系數增長不明顯，其后，滲透系數才出現明顯的增大，這表明摻引氣劑能明顯的改善混凝土的孔隙結構，增強其抗滲效果。進一步，在粉煤灰和引氣劑雙摻的情況下，凍融次數達到200次時，其滲透系數由未凍融前的2.233 99×10-9m/s增大到凍融后的8.786 41×10-9m/s，變化不是很明顯。在凍融50次以前，雙摻混凝土的滲透系數要大于加引氣劑的，當超過75次后，雙摻混凝土的滲透系數僅有略微的增長，直至凍融循環200次增加到8.786 41×10-9m/s。

3 混凝土滲透性與抗壓強度的相關性分析

隨著凍融次數的不斷增加，試件微裂紋擴張、表面剝落等現象越來越嚴重，試件的抗壓強度不斷降低。

3.1 滲透系數與抗壓強度相關性模型的提出

對凍融循環后混凝土水滲透性與抗壓強度試驗結果歸一化處理后，相對抗壓強度、相對滲透系數與凍融次數的關系如圖5、6所示。從圖5、6可見，相對抗壓強度、相對滲透系數均隨凍融次數的增加而逐漸增大。

圖5 相對抗壓強度與凍融次數關系曲線

圖6 相對滲透系數與凍融次數關系曲線

由圖6可看出，滲透系數與凍融次數的變化存在指數關系，相關性系數分別為R2=0.984 9，R2=0.965 9，R2=0.968 5，其衰變速率dKn/dN與凍融循環的滲透系數差成正比，即

(3)

Kn=λ1K0eaN

(4)

式中，λ1為滲透系數衰變系數；Kn，K0為凍融后、未凍融前的滲透系數；a為待定系數；N為凍融循環次數。

以水膠比為0.50的混凝土試件水滲透性測試結果為基準，對試驗測試所得結果進行最小二乘分析，求得滲透系數衰變系數λ1=0.983 2。則相對滲透系數與凍融循環次數的相關關系為

(5)

同理，相對抗壓強度與凍融次數同樣呈現出指數關系，即

(6)

式中，λ2為衰變系數；b為待定系數；Mn，M0為凍融后和未凍融前的抗壓強度。

以水膠比為0.50的混凝土試件測試結果作為基準值，對試驗所得200次內凍融循環的抗壓強度試驗結果進行最小二乘分析，衰變系數λ2=0.876 8，相對抗壓強度與凍融循環次數的相關關系為

(7)

3.2 確定相關關系的修正系數

根據ω=0.47、0.50、0.53三種水膠比下的水滲透性測試結果，確定相對滲透系數與凍融次數關系的水膠比修正系數kω1=a，以ω=0.50 的試驗結果為基準，對3種工況下的結果進行歸一化處理。經回歸計算，修正系數kω1與水膠比的關系為

kω1=0.077 3ω-0.026 1 (R2=0.97)

(8)

同理，根據3種水膠比下抗壓強度試驗結果，確定相對抗壓強度與凍融次數關系之間的水膠比修正系數kω2=b，經回歸計算得修正系數kω2與水膠比的關系為

kω2=0.032 8ω-0.012 4 (R2=0.99)

(9)

3.3 相關關系的建立

綜上所述，在考慮水膠比修正情況下，由式(5)、(8)可得相對滲透系數與凍融次數的相關關系為

(10)

由式(7)、(9)相對抗壓強度與凍融次數相關關系為

(11)

令

ρ1=Kn/K0，ρ2=Mn/M0

(12)

根據上述推導，修正后，相對滲透系數與相對抗壓強度相關關系為

(13)

式中，m、n、d為3個待求參數。

根據滲透系數及抗壓強度對應的試驗數據，結合MATLAB最小二乘參數界定方法，結果為m=36.259 1，n=6.347 3，d=5.721 4，R2=0.968，回歸均值總偏離接近1，得出的參數即為最優解，將參數代入得相對滲透系數與相對抗壓強度相關關系為

ρ1=36.259 1e-6.347 3·ωρ2-5.721 4·ω

(14)

式中，ω為混凝土水膠比。

由式(14)可知，在水膠比一定的情況下，相對滲透系數與相對抗壓強度之間呈現出良好的冪函數關系，將抗壓強度試驗數據帶入式(12)、(14)，計算得到的相對滲透系數與試驗實測結果偏差情況如圖7所示。

圖7 相對滲透系數實測值與計算值對比

4 結 論

(1)采用Autoclam混凝土滲透性測試儀測定了凍融循環作用后流入混凝土試件的滲水量，通過真空飽和和植入圓形不透水鋼環等方法，解決了試件飽和耗時長和凍融破壞造成的試件表面剝落、不平整問題。結合Seep3D軟件，模擬了混凝土試件1∶1的三維滲流過程，得到了滲透系數與滲水量之間的關系，通過內插計算得到了與試驗數據對應的滲透系數。

(2)隨凍融循環次數的增加，混凝土的滲透系數呈現指數增長趨勢，速率逐漸增大，高凍融次數下不摻外加劑混凝土的滲透系數變化幅度較為劇烈；其他條件相同情況下，水膠比越小，混凝土的抗滲性能越好；而同時摻加粉煤灰和引氣劑能明顯提升混凝土在整個凍融循環過程中的抗滲性。

(3)混凝土的相對滲透系數與相對抗壓強度之間存在良好的相關性，本文建立了考慮水膠比修正的相對滲透系數與相對抗壓強度關系，并對本試驗數據進行了偏差驗證，計算結果與實測結果吻合良好；在相關情況下，可以通過滲透系數推求凍融后混凝土的抗壓強度。