水工混凝土抗渗性能的影响因素探讨

2013-04-25肖延亮李光伟

水电站设计 2013年1期

肖延亮，李光伟，张洋

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

混凝土的耐久性，与水和其它有害液体、气体向其内部流动的数量和范围等有关，所以抗渗性被认为是评价混凝土耐久性的重要指标。一般认为，渗透性是导致混凝土品质恶化的主要因素，大多数造成混凝土劣化的物理的、化学的侵蚀都是有害介质通过水的侵入而发生的［1］。混凝土渗透性越低，抵抗水和侵蚀性介质侵入的能力就越强，其耐久性就越好，所以低渗透性是混凝土耐久性的第一道防线［2］。水利水电工程，通过修筑拦河大坝抬高河流的水位，从而达到发电、灌溉、防洪等目的。要求大坝具有较高的水密性，防止水工结构漏水是工程建设所要达到的目标。然而水工混凝土上游面承受较高的水头，而下游面承受的水头则较小，在水力梯度作用下，水会沿着渗透通道迁移，一方面会造成水量的损失，另一方面会对混凝土结构产生侵蚀作用，使结构的耐久性降低。

2 水工混凝土抗渗性能的影响因素

水泥完全水化所需的水量折算成水灰比大致为0.23，而水工混凝土几乎不可能采用如此小的水灰比。由于水灰比过小，混凝土的自收缩很大，混凝土容易开裂，且混凝土拌和物和易性较难满足施工性能要求，因此水工混凝土实际采用的水灰(胶)比远高于0.23。混凝土用水量超过混凝土水化极限用水量的1～3倍，大量的水是水化反应所不需要的，多余的水分在混凝土水化过程中会形成孔隙，成为库水的渗透通道。本文将从混凝土本体与施工质量两方面论述影响水工混凝土抗渗性能的因素。

2.1 混凝土本体抗渗性能的影响因素

2.1.1 混凝土密实度

提高混凝土密实度可以提高混凝土抗渗性。在混凝土生产、施工的各个环节要采取正确、有效的措施来提高混凝土的密实度。

当砂率为最佳砂率时，可使混凝土在较低用水量时获得最佳的施工和易性。混凝土最佳砂率可通过室内试验和现场配合比调整试验获得。如果混凝土使用砂率过小，则不能在粗骨料的周围形成足够的砂浆层起到润滑和填充作用，也会降低混凝土的施工和易性，混凝土不易振捣密实;混凝土粘聚性、保水性变差，容易使混凝土在浇筑过程中出现较大的泌水，从而导致混凝土抗渗性降低。如果砂率过大，会使骨料的总表面积及空隙率增大，要使混凝土达到相同的坍落度，需增加混凝土的单位体积用水量，从而提高混凝土的胶凝材料的用量，增加了混凝土因温升过高而产生裂缝的风险。如不改变用水量，则混凝土的流动性降低，造成施工振捣不密实，影响抗渗性。由于水工混凝土常常采用较大粒径的粗骨料，容易出现骨料与砂浆的分离现象，如不做好平仓工作，会造成混凝土拌和物分布不均匀，影响水工混凝土的浇筑密实度，从而影响混凝土的抗渗性能。

粉煤灰是水工混凝土最常用的掺合料，一般掺量在30%左右。由于粉煤灰的早期水化程度较低，因此掺粉煤灰混凝土的早期抗渗性能比不掺粉煤灰混凝土略低。粉煤灰的以下三种效应均能使混凝土孔隙减少:①形态效应，粉煤灰混凝土的铝硅酸盐玻璃微珠，可填充水泥浆体孔隙，提高混凝土的抗渗性;②活性效应，粉煤灰中活性成分SiO2、Al2O3在后期与水泥的水化物反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，降低了混凝土的孔隙率，改善了孔结构，提高了混凝土的抗渗性;③微集料反应，粉煤灰中的微细颗粒分布于水泥颗粒之间，有利于水泥的水化反应，增加了混凝土的密实性，提高混凝土的抗渗性。水工混凝土的设计龄期一般采用90d或180d，因此掺粉煤灰水工混凝土设计龄期时的抗渗性比不掺粉煤灰混凝土优。

2.1.2 水胶比

一般情况下，骨料的抗渗性较高，水泥砂浆的抗渗性是影响混凝土抗渗性能的主要因素。吴中伟教授曾将混凝土中的孔隙划分为四级［2］:孔径在20nm以下为无害孔级;孔径在20～50nm为少害孔级;孔径在50～200nm为有害孔级;孔径在200nm以上为多害孔级。孔径小于50nm的孔数量可能反映凝胶数量的多少，而凝胶数量越多则混凝土的强度越高，抗渗性越好。随着混凝土水胶比的增加，混凝土中的孔隙率会增加，且无害孔和少害孔的比例降低，而有害孔和多害孔的比例增加。混凝土的抗渗性能会随着混凝土水胶比的增加而降低。有研究表明(如图1所示)［3］，水灰比从0.5增加到0.7，渗透系数增加100多倍甚至更多;水灰比从0.65降至0.55，渗透系数降至原来的1/3。在水工混凝土设计中，有耐久性要求的混凝土常常对最大水胶比作出限制。在满足施工要求且控制胶材用量的情况下，应尽量选择较低的水胶比，高效减水剂的使用是达到这一目的的好办法。

图1 混凝土抗渗系数与水灰比的关系

2.1.3 骨料粒径

在水胶比相同情况下，骨料的最大粒径越大，混凝土的渗透系数越高，抗渗性能越低。水在一定的水力梯度作用下，会沿着混凝土中水泥浆体的连通孔隙渗透，在渗透过程中遇到粗骨料，由于通常情况下骨料的渗透性极低，水会绕着骨料与水泥浆体的界面运动。其一，骨料粒径越大，混凝土渗透的平均路径越短，混凝土的抗渗性能越低;其次，湿筛混凝土的界面结合比全级配混凝土好，可使二级配混凝土抗渗性能比四级配混凝土优，由于水的密度低于水泥浆体，在混凝土振捣施工时，水会在浮力作用下向上运动，水在上浮过程中遇到粗骨料时，会在骨料下方形成水隙而影响界面粘结性能，骨料粒径越大，界面的粘结性能越低。如表1的抗渗试验，全级配采用φ450mm×450mm的圆柱体试件，湿筛混凝土采用φ150mm×150mm的圆柱体试件，试验研究成果表明，在相同水压力作用下，全级配渗透系数比湿筛二级配混凝土的高一个数量级。

表1 混凝土渗透系数影响试验结果

2.1.4 含气量

研究表明［4］，引气剂的掺入，能够在混凝土中引入适量的细小、均匀且独立而不相通的气泡，有效隔断了混凝土中的毛细孔通道，防止水分渗透，从而增强混凝土的抗渗性能。气泡的形态和大小对混凝土抗渗性能有较大影响。如果引入的含气量过高，反而会导致混凝土抗渗性能的下降，当混凝土含气量达到6%～8%时，混凝土抗渗性能出现急剧下降。这主要是因为引入过多的气孔，难以完全封闭，它们相互之间会形成连通孔隙。采用聚羧酸配制有抗冻要求的混凝土时，混凝土含气量较难控制，且容易引入直径较大的有害气泡，会使混凝土中孔隙连通，对混凝土的抗渗不利。室内试验发现，引气剂掺量稍微提高，混凝土含气量急剧增加，混凝土会在1MPa水压力下1h左右即被击穿。因此，如何控制混凝土中的含气量和气泡大小是混凝土引气技术的关键。

2.2 施工质量

2.2.1 湿养护龄期

合理的养护可使混凝土的强度更高、抗渗性更好。早期养护条件的不同，对混凝土后期的抗渗透性能影响显著，说明在不同的养护条件下，混凝土的水化硬化过程发生了不同的变化［5］。根据 Mehta的研究，只有100nm以上的连通孔才对混凝土的抗渗性有害。在混凝土早期水化阶段，如果养护不及时，水分迅速蒸发，可由外向内引发混凝土内部的水分迁移，这种迁移作用和持续的迁移过程，势必在硬化混凝土中形成了大量100nm以上的连通孔甚至出现微裂缝，必然会降低混凝土的抗渗性能;而对于标准养护或及时水养护的混凝土，由于水泥可以持续得到水化所需要的水，水化物不断消耗孔隙中的水而降低混凝土的孔隙率，增加密实性，从而提高混凝土的抗渗透能力。

另有研究成果表明，按抗渗要求设计的混凝土，如果没有及时充分的养护，抗渗等级仅达到P3;而按不抗渗设计的混凝土，如果加强早期养护，其抗渗等级可达到P14。可见，及时充分的湿养护，对混凝土抗渗性能的影响明显。

2.2.2 裂缝控制

裂缝的产生，不但会使结构的承载力下降，还将大大提高建筑物的透水性。由于裂缝的渗透能力远远高于混凝土孔隙，裂缝产生可能影响水工建筑物的正常蓄水。因此，设计合理的水工混凝土配合比，在水工混凝土施工过程中，做好混凝土表面的保护，降低混凝土因内外温差过大而产生裂缝;采用适当的温控措施，通过控制混凝土的最高温升和温降幅度，降低混凝土因温度应力过大而产生裂缝;进行较好的湿养护，防止混凝土因干缩过大而出现裂缝;通过以上措施，可以降低裂缝出现的几率。如出现裂缝，需采取适当的修补措施;如处理不当，会成为水渗漏的路径，影响水利水电工程正常蓄水。

2.2.3 层面结合

受混凝土运输能力和施工强度的限制，水工混凝土每仓浇筑需分几层才能完成。为保证浇筑块内的各浇筑层能够形成一个整体，应在下层混凝土未初凝之前覆盖上层混凝土;否则，已初凝的混凝土表面将产生乳皮，在振捣中无法消失，上、下层混凝土间形成薄弱结合面，则抗渗性能将会明显降低［6］。

为了防止混凝土因温度应力而产生裂缝，对水工大体积混凝土采用分缝分块浇筑。3m浇筑层厚是目前水工混凝土常采用的层厚，层与层之间存在一定的浇筑间歇时间，间歇时间的长短需进行专门的论证。混凝土每仓浇筑完毕或因其他原因不能继续浇筑时，则应立即封仓停止浇筑，待混凝土强度达2.5MPa后，可用压力水、风砂枪等将表面混凝土刷成毛面，清洗干净，继续浇筑。然而由于各种原因，上下层混凝土的浇筑时间间隔超过了规定的间歇时间，需用水泥砂浆对层面进行处理，改善层面的抗渗性能;否则，混凝土的浇筑层面将成为混凝土的渗漏通道。