骨料參數對混凝土滲透性影響的試驗研究

史衍慧

（博樂市農村飲水安全供水總站，新疆 博樂 833400）

混凝土是當前最重要的建筑工程材料，在水利、鐵路、建筑、橋梁等領域具有愈加廣泛的應用[1]。一般來說，混凝土的強度和密實性愈高，耐久性也就更好。但是，在水利工程等嚴酷使用環境下，高強度混凝土未必具有高耐久性[2]。基于此，近年來水工混凝土研究逐漸由高強度轉向耐久性方面。顯然，對水工混凝土，特別是寒區環境下的水工混凝土而言，滲透性對混凝土的耐久性存在重要影響[3]。混凝土是由骨料、水泥、砂等基本材料以及裂隙和空洞組成的，具有顯著的非均質復合材料，因此其組成材料和相關缺陷對混凝土的滲透性存在顯著影響[4]。但是，目前關于水工混凝土滲透性的研究主要集中于宏觀層面，也就是將其視為單一、均質的材料，而難以對細觀層面上的材料不均勻性造成的滲流特征差異[5]。因此，本文利用實驗室試驗的方法，分析骨料特征參數對混凝土滲流影響。

1 試驗設計

1.1 試驗設備與材料

本次試驗的滲透系數測定采用的是南通市測量儀器儀表廠生產的SL352-01滲透系數測定儀，該儀器主要由試件密封容器和水壓穩定平衡兩大系統組成，測量誤差在5%以內，完全可以滿足試驗測定要求。

試驗材料為不同骨料參數的混凝土試件，每組不同參數制作3個試件。在試件制備過程中首先按配比稱量好水泥、石子和砂并干拌至均勻，然后加入減水劑和纖維材料繼續攪拌，最后加入自來水攪拌均勻。將拌制均勻的混凝土倒入模具搗振成型，最后放入混凝土標準養護箱中養護[6]。

試驗用密封材料為瀝青和AB膠[7]。其中，瀝青為唐山永豐防水材料有限公司生產的一級防水瀝青；AB膠為上海華宇化工有限公司生產的高性能結構AB膠。試驗中使用的密封圈為廣州威寧橡膠廠生產的135 mm×5 mm規格O型橡膠密封圈。

1.2 試驗步驟

根據試驗目的和實驗設備的使用要求，確定如下試驗步驟：

（1）實驗前將混凝土試件放入水中浸泡2 d，取出后擦拭掉表面的多余水分、松散物和雜質。

（2）將試件放入試驗容器，在其下部瀝入80℃的瀝青并在四周涂抹均勻，高度應為試件高度的2/3，在上部填入AB膠，保證試驗中的密封防水作用。

（3）在密封材料徹底冷卻之后，將容器置于試驗儀器的支撐框架內，并在頂面凹槽部位放好密封圈，然后旋緊緊固螺栓，使容器具有良好的密閉性。

（4）接通水源管線和壓力源，對容器注水排出容器內的空氣，待空氣完全排出后關閉排氣閥，將壓力調節至恒定值。

（5）試驗壓力從0.2 MPa開始，每間隔1 min增加0.1 MPa的壓力，直至試件底部全部滲水[8]。然后保持壓力值不變，每隔1 min讀取一次滲透水量。當單位時間滲透水量不再增加時停止試驗。

（6）所有試驗結束之后，對試驗數據進行整理和計算，獲得滲透系數。

1.3 計算原理

實驗過程中以達西定律為依據，不同組別的開裂纖維混凝土滲透系數的計算公式如下：

式中：K為滲透系數，cm/s；L為試件厚度，mm，這里為200 mm；A試件上表面面積cm2，這里為78.5 cm2；ΔH為水位差，mm，這里為500 mm；Q為單位時間滲流量，cm3/s；V為滲流體積，mL；T為對應的滲流時間，s。

1.4 計算方案

混凝土骨料的主要細觀特征參數有骨料形狀、同級配骨料粒徑、骨料含量、骨料級配以及最大骨料粒徑等。為了獲得各個參數對混凝土滲透性的影響，研究中采用正交試驗的方法，固定其余參數，對其中一個參數設計不同的因素水平并進行模擬計算，根據計算結果，對不同參數的具體影響展開分析。

2 計算結果與分析

2.1 骨料形狀和粒徑的影響

為了研究骨料形狀與單級配骨料粒徑這兩個混凝土骨料的主要參數特征對混凝土滲透性的影響，研究中固定骨料含量為30%、對骨料形狀為圓形、橢圓形以及不規則卵型，單級配骨料粒徑為5 mm～10 mm、10 mm～20 mm、20 mm～30 mm、30 mm～40 mm等不同水平下的混凝土滲透性進行正交實驗，結果見表1。

表1 骨料形狀和粒徑正交模擬實驗結果

由表1的計算結果可知，在其他參數不變的情況下，圓形骨料混凝土的滲透率最大，橢圓形次之，不規則卵型的滲透率最小。原因是骨料的形狀越規則，滲透水流繞行的阻力就越小，因此混凝土的滲透性就越強。但是，三種不同形狀骨料的混凝土滲透率相差不大，說明骨料的形狀對混凝土的滲透性的影響極為有限?；诖?，出于簡化研究過程的考慮，后續模擬計算僅針對圓形骨料展開。

從骨料粒徑的影響來看，混凝土的滲透率隨著骨料粒徑的增大呈現出先減小后增大的趨勢。究其原因，主要是小粒徑骨料的數量相對較多，因而界面過渡區面積增大，鑒于該區域的滲透率較大，因此最終造成混凝土滲透率增大。但是，隨著骨料粒徑的進一步增大，混凝土內部滲流路徑的曲折度會顯著降低，因此總體滲透性會明顯提高。因此，過大或過小的骨料粒徑都不利于提高混凝土的抗滲性，要提高混凝土的抗滲性，就需要選擇合適的骨料粒徑。

2.2 骨料含量的影響

研究中針對圓形骨料，選擇10 mm～20 mm單級配骨料粒徑，設定10%、20%、30%、40%、50%、60%等6種不同的骨料含量進行混凝土試件滲透率的進行計算，結果見表2。由表2可知，在其余參數不變的情況下，隨著骨料含量的增加，混凝土模型的滲透率呈現出顯著下降的趨勢，但是在骨料含量超過50%的情況下，滲透率的下降速率會有所降低。究其原因，骨料含量有十分明顯的稀釋、曲折和界面過渡效應，進而對混凝土的滲透率產生比較明顯的影響。隨著骨料含量的增加，不僅可以有效阻斷滲透水流，還可以增加水流的曲折度，延長水流路徑，因此混凝土的滲透性會顯著降低。當骨料含量超過50%以后，界面過渡區的效應會明顯提升，因此滲透率的降低顯著趨緩。

表2 不同骨料含量滲透率模擬計算結果

2.3 骨料級配的影響

骨料級配不僅會對水工混凝土的和易性和經濟性存在十分顯著的影響，同時也會對混凝土的滲透性造成影響。為了研究這一影響的具體特征，研究中選擇5 mm～40 mm的粗骨料進行不同級配的混凝土滲透率研究，不同骨料級配的設計方案見表3。

表3 骨料級配設計

對不同級配、不同骨料含量下的混凝土滲透率進行計算，結果見圖1。混凝土中的骨料在影響滲透率方面存在正反兩方面的作用。根據前文論述，骨料的邊界曲折性及其自身的不透水性可以起到顯著的減緩水流滲透作用，有助于降低混凝土的滲透率；另一方面，相鄰界面的連通性以及骨料表面過渡區的高滲性則有助于加速滲透水流的流動，進而提升混凝土的滲透率。顯然，當第一方面起主要作用時，混凝土的滲透率就會隨著骨料含量的增加而減小，圖1的結果也從側面印證了這一點。此外，在骨料含量小于50%的情況下，如果骨料含量不變，滲透系數最小、抗滲性能最佳的是連續級配，而間斷級配2的滲透系數最大，抗滲性能最差。究其原因，連續級配混凝土的骨料顆粒從大到小連續存在，大骨料被小骨料擠開進而形成良好的密實度和堆積密度，孔隙空間密集而復雜，不利于水流的滲流。間斷級配2以小粒徑骨料為主，因此造成界面數量較多，滲流系數較大。綜上，骨料級配是混凝土滲透性的重要影響因素，在實際工程中應該根據實際情況，選擇合理的級配。

圖1 不同級配混凝土滲透率計算結果

3 結論

混凝土的滲透性是影響工程耐久的重要因素，是水利工程設計必須要考慮的重要方面。本文以數值模擬的方法，研究了骨料特征參數對混凝土滲流影響，并獲得如下主要結論：

（1）在其他參數不變的情況下，圓形骨料混凝土的滲透率最大，橢圓形次之，不規則卵型最小，但是骨料形狀對混凝土的滲透性的影響極為有限。

（2）混凝土的滲透率隨著骨料粒徑的增大呈現出先減小后增大的趨勢，要提高混凝土的抗滲性，就需要選擇合適的骨料粒徑。

（3）在其余參數不變的情況下，隨著骨料含量的增加，混凝土模型的滲透率呈現出顯著下降的趨勢，但是在骨料含量超過50%的情況下，滲透率的下降速率會有所降低。

（4）在骨料含量小于50%的情況下，抗滲性能最佳的是連續級配，建議在工程設計中選擇。