塑性混凝土抗?jié)B性試驗及滲透系數(shù)測試方法

宋致軍，申 勇，張尚芳

（1.山東水發(fā)黃水東調(diào)工程有限公司，山東 濟南250000；2.山東省水利科學研究院，山東 濟南250014）

塑性混凝土是一種新型的防滲材料，《水工塑性混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5303-2013）[1]中提出了實驗室檢測塑性混凝土抗?jié)B性能的抗?jié)B等級、相對滲透系數(shù)和滲透系數(shù)三種試驗方法。前兩種試驗的檢測設(shè)備可利用混凝土抗?jié)B儀完成，但該儀器卻不適用于滲透系數(shù)試驗，山東省水利科學研究院研制的塑性混凝土滲透儀在結(jié)構(gòu)特性上符合滲透系數(shù)試驗裝置的技術(shù)要求，具有較高的測試精度和可靠性。

1 塑性混凝土抗?jié)B性能試驗方法

1.1 抗?jié)B等級試驗

該方法與目前我國對普通混凝土抗?jié)B等級的評定方法基本一致。儀器設(shè)備采用的是混凝土抗?jié)B儀，試件規(guī)格為上口直徑175 mm，下口直徑185 mm，高150 mm 的截頭圓錐體。試驗采用6個試件，從試塊底部逐級增加水壓力，以停止試驗時記錄下的水壓力換算成塑性混凝土的抗?jié)B等級。試驗過程簡單直觀，結(jié)果粗略，存在抗?jié)B等級相同但實際抗?jié)B性能相差很大的現(xiàn)象。因此，該試驗無法準確地反映塑性混凝土的實際抗?jié)B能力。

1.2 相對滲透系數(shù)試驗

塑性混凝土相對滲透系數(shù)的測定是通過測量塑性混凝土在恒定水壓力下的滲水高度計算出來的。試驗設(shè)備、試件規(guī)格及密封防滲方式與抗?jié)B等級試驗相同。試驗方法是將混凝土抗?jié)B儀的水壓力一次加到規(guī)定值，保持恒壓24 h，卸壓后用壓力機將試件劈開，分別測量10 等分點的滲水高度，取其平均值作為該試件的滲水高度，折算出相對滲透系數(shù)。這種方法是一種快速抗?jié)B試驗法，由于采用了一次性加壓，加速了試驗進程，縮短了試驗時間，因此以往在研究塑性混凝土抗?jié)B性時多采用該法。但是，塑性混凝土是非勻質(zhì)材料，把一個劈裂斷面上平均滲水高度當作整個試件的滲水高度，在取值上存在簡化，相對滲透系數(shù)的準確性得不到保證。并且，塑性混凝土相對滲透系數(shù)與其強度有關(guān)，強度越大滲透系數(shù)越小，試驗測得的塑性混凝土滲透系數(shù)的準確性很容易受到試驗水壓大小和恒壓時間長短的影響[2]。因此，相對滲透系數(shù)法大多應(yīng)用于不同塑性混凝土試件的抗?jié)B性比較。

1.3 滲透系數(shù)試驗

滲透系數(shù)試驗是測量一段時間內(nèi)壓力水流過塑性混凝土試件的滲流量，根據(jù)達西（Darcy）定律確定其滲透系數(shù)。采用兩個試件為一組，試驗設(shè)備、試件規(guī)格及密封防滲方式與上述兩種試驗相同。根據(jù)設(shè)計要求的水力坡降，計算試驗時的水壓力，一次加壓至計算的水壓力，開始記錄時間。用足夠多的濾紙覆蓋有滲水試件表面，間隔1～2 h 取出濾紙稱重，記錄連續(xù)6 個時段的滲水量，計算各時段的滲透系數(shù)，以數(shù)值居中的4個測值的平均值作為試驗結(jié)果。滲透系數(shù)試驗采用的是基于穩(wěn)定滲透法的達西定律，其物理意義非常明確，因而用該方法得到的滲透系數(shù)，數(shù)據(jù)真實可靠。但是，受試驗裝置影響，混凝土抗?jié)B儀進行塑性混凝土滲透系數(shù)試驗還存在較多問題。

2 塑性混凝土滲透系數(shù)試驗存在的問題

一是試件是使用螺旋加壓器壓入試模中的，由于塑性混凝土的強度相對較低，在壓樣過程中極有可能對試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，形成滲水通道，影響試驗結(jié)果的準確性。

二是為了保證密封止水效果，混凝土抗?jié)B儀試件采用了上、下口直徑不同的截頭圓錐體，達西定律中的試件截面積，只能用平均截面積替代而非恒定的過流面積。

三是混凝土抗?jié)B儀缺少集水裝置，滲出水靠濾紙吸附，6～12 h 的試驗時間，其滲出水的損耗（蒸發(fā)、滴落）會直接影響結(jié)果的準確性。

3 塑性混凝土滲透系數(shù)測試裝置

塑性混凝土滲透系數(shù)試驗裝置應(yīng)該具備的功能特性包括：在結(jié)構(gòu)上必須符合達西定律；試件的應(yīng)力狀態(tài)明確，滲透面積恒定；試驗裝置能有效解決繞滲問題；對試件施加的滲透壓力穩(wěn)定可靠。根據(jù)這一特性，在沒有專用于塑性混凝土滲透系數(shù)測定儀器和相應(yīng)試驗方法的背景下，國內(nèi)許多科研單位進行了大量研究，自制測定塑性混凝土滲透系數(shù)的儀器設(shè)備。山東省水利科學研究院研制的塑性混凝土滲透儀（發(fā)明專利號：ZL 201110191480.0），解決了塑性混凝土滲透系數(shù)試驗設(shè)備存在的問題，通過在京滬高鐵、南水北調(diào)工程等實際工程中的應(yīng)用，取得了良好效果[3]。

3.1 塑性混凝土滲透儀的工作原理

塑性混凝土滲透儀的工作原理如圖1 示。試件側(cè)面涂密封膠，外裹橡皮膜，在壓力室內(nèi)對試件施加周圍壓力。滲透壓力是利用氣壓將水箱內(nèi)的水壓入試件底部，滲透水由下而上透過試件排入量水管，讀取量水管刻度，可得到一段時間內(nèi)的滲透流量，按達西定律計算出試件的滲透系數(shù)。

3.2 塑性混凝土滲透儀的結(jié)構(gòu)特點

1）儀器原理符合達西定律，能夠準確測量滲透水量，滲透系數(shù)測值可靠。

圖1 塑性混凝土滲透儀工作原理圖

2）試件由下而上滲透出水，應(yīng)力條件明確，試件為圓柱形，滲透面的截面積為定值。

3）壓力室中周圍壓力始終大于滲透壓力，避免了試樣出現(xiàn)繞滲的現(xiàn)象，密封止水效果好。

4）氣壓在水箱內(nèi)轉(zhuǎn)換為水壓，可對試件高度方向施加穩(wěn)定的滲透壓力。

該滲透儀研制成功后，已應(yīng)用于南水北調(diào)東線調(diào)蓄水庫等工程的防滲墻配合比試驗和截滲墻的滲透系數(shù)檢測中，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。大量的工程實例驗證了該試驗設(shè)備具有檢測數(shù)據(jù)可靠、適用性強、操作簡便等特點，能滿足塑性混凝土、水泥土、灰漿材料等防滲墻體的滲透系數(shù)試驗要求。

4 結(jié) 語

綜上所述，塑性混凝土抗?jié)B等級試驗完全套用了水工混凝土的抗?jié)B試驗方法，結(jié)果粗略，不建議作為塑性混凝土抗?jié)B性能的評定指標；塑性混凝土相對滲透系數(shù)是通過滲水高度折算出來的，物理意義不明確，并且受試驗水壓和恒壓時間等外在因素的影響較大，建議用做試件之間的抗?jié)B比較；塑性混凝土滲透系數(shù)試驗，滲透條件明確，所得結(jié)果可靠，但難點在于暫時沒有定型的專用設(shè)備。建議下一步在相關(guān)檢測實驗室中，加速推進成熟產(chǎn)品的應(yīng)用，落實完善與之配套的試驗方法。