芯样混凝土抗渗等级快速测定装置及方法

朱成龙，李文博，鲁文斌

（1.铜陵市县乡公路管理处， 安徽 铜陵市 241400；2.中南大学土木工程学院， 湖南 长沙 410075）

1 混凝土标准抗渗试验设备及方法

抗渗等级是评价混凝土透水性的重要指标，是地下工程混凝土质量检测的重要内容。混凝土抗渗等级的测定方法有水压力法、氯离子渗透法、透气法等。目前我国公路、铁路、水利等各行业测定混凝土抗渗等级主要采用水压力法［1－3］，使用的设备是混凝土渗透仪，如图1所示。混凝土渗透仪的标准试模是高度150mm、顶面直径175mm、底面直径185 mm的圆台。由于试验时需要从试件断面施加较大水压，而这个压力只能通过试模侧面对试件的约束来平衡，这就要求试件与试模间的间隙很小。试件制作时除了要在侧面用纯石蜡密封外，还需要用压力机将试件慢慢压入试模，否则容易出现漏水造成试验失败。因而，这种试验设备和方法只能适用于预制试件的试验，而且对试件加工尺寸要求极高。

图1 混凝土渗透仪及试模

对于已经施工完成的混凝土，如果要测试其抗渗等级，只能对芯样混凝土进行测试。考虑取芯的困难性，同时也考虑取芯对原结构的影响，现场取芯的尺寸一般较小，多为直径100，75mm或更小。由于芯样直径不符合混凝土渗透仪的尺寸要求，无法直接进行试验，如何测试芯样混凝土的抗渗等级是困扰实体工程抗渗性评价的一个问题。此外，按照标准抗渗试验方法，水压由0.1MP a开始，每8h增加一级，直至6个试件中的3个出现渗透现象，才能最终确定混凝土的抗渗等级，因此试验耗时很长。

为了解决芯样混凝土抗渗等级测试问题，朱海琦［4］曾提出了在小直径芯样外包裹其它材料以达到标准试件尺寸的解决方法，如图2所示。

图2 芯样混凝土外包成标准试件

具体方法为：将芯样混凝土切割并打磨成高度和直径均为150mm的圆柱体试样；利用试模将试样包裹成为标准试样，如图2所示；按照标准试样进行试验。这种方法对填充材料有很高的要求，作者认为填充材料应具备下列几个条件［4］：填充材料本身硬化速度较快；填充材料硬化后本身不能透水或经相应处理后不透水；填充材料硬化后的强度必须满足试验要求；填充材料与芯样黏结必须足够牢固。此外，笔者认为该方法还存在以下不足：由于增加了外包裹材料，其抗渗性不明确，被测试试件的抗渗等级也就很难确定；这种方法同样存在标准试验中存在的试件放入、密封困难的问题；对于工程中常见的直径100mm芯样或更小的芯样，填充材料厚度大，难以保证包裹质量。因此，这种填充或包裹方法，并不能彻底解决芯样混凝土抗渗试验的问题。

2 芯样混凝土抗渗试验新装置及方法

2.1 芯样混凝土抗渗试验新装置

要测试芯样混凝土的抗渗等级，新装置要解决2个方面的问题。首先是尺寸问题，试模必须为圆柱体，其直径与取芯机芯筒直径相同；其次是水压平衡问题，采用圆柱体试件，不能像圆台试件一样依靠试模与试件的侧面约束来解决；第三，最好还能解决试验时间过长的问题。

根据上述要求，笔者研究设计了一款芯样混凝土抗渗试验新装置，如图3所示，该装置由以下几部分组成。

图3 芯样混凝土抗渗试验装置

（1）芯筒：采用不锈钢管加工而成，直径和取芯机的芯筒一致，如内径为100mm，两端分别加工内螺纹，一端和锁定底座连接，一端和加压底座连接。

（2）锁定底座：锁定底座设置外螺纹，类似筒状结构，与芯筒用螺纹连接，底座壁厚不小于15mm，用于承托锁定芯样，平衡水压力。

（3）加压底座：加压底座一端设置外螺纹，与芯筒螺纹连接，另一端采用封闭底板，底板中央开孔连接加压管路，管路上设压力表和阀门。

（4）为了保证两端底座的密封性，在底座与芯样间放置橡胶垫圈，通过底座与试件压缩垫圈起到防水效果。

2.2 芯样混凝土渗透试验步骤

（1）芯样加工。把现场取芯的芯样两端磨平，高度取100mm。

（2）底座安装。将锁定底座旋进芯筒，旋进深度根据试件长度调节。

（3）试件装入。在试件周边涂抹一层密封胶（本文采用卡夫特厌氧胶K－0262），密封胶要求完全覆盖试件侧面，防止水从侧面渗出，密封胶干透之后，再涂抹一层密封胶，将试件放入芯筒内，为了确保芯筒与试件密封（不透水而不需受力），在芯样周边再滴入密封胶，确保填充满。

（4）试件装入后放置24h，或者放入烘箱直接烘干。

（5）加压底座安装。旋入加压底座，连接加压管路和压力表。

（6）加压试验。启动加压泵，直接加压至预定抗渗等级对应的水压力，记录渗透时间，通过下文方法确定其抗渗等级。

3 抗渗等级的确定

尹元章［5］通过混凝土抵抗液体渗透所消耗的工作能量来衡量混凝土的抗渗能力，并建立了所消耗工作能量与抗渗标号（即抗渗等级之间的关系），文献［6］通过对比试验证实了相关研究结论。为了理论体系更合理，本文认为有必要并可以对文献［5－6］的相关定义及理论进行表述上的梳理。

液体在混凝土渗透是一个做功的过程，需要消耗一定的工作能量。这个工作能量可以称为抗渗工能值（G）。液体渗透消耗的抗渗工能值与液体压力（P）和压力作用时间（t）的乘积。反映混凝土抗渗能力的指标，可定义为单位（抗渗）工能值，即有压液体渗透单位长度混凝土所需的最小工作能量（g）。

根据上述定义，抗渗工能值G的计算公式为：

式中：G——抗渗工能值；

P——液体压力；

t——液体压力对渗透物质的作用时间。

单位工能值g的计算公式为：

式中：g——单位工能值；

P——液体压力；

T——渗透试件的最小时间；

l——试件的高度。

据此，参考文献［5－6］通过试验及理论分析获得的抗渗等级与单位工能值的关系（参见表1，有表述上的修改），可以通过试验确定混凝土抗渗等级。

4 工程试验实例

在某隧道渗漏水治理工程中，为了检测评价隧道衬砌的抗渗性能，从衬砌边墙两个代表性位置取芯进行测试。芯样直径100 mm，取芯深度300 mm，每段芯样加工成两个100mm高的试件，如图4所示，其中一个用于抗压强度检测，一个用于抗渗等级测定。

表1 抗渗工能值与抗渗标号之间的换算

图4 抗渗试验

试验时直接施加1MP a水压并保持恒定，两个试件透水经历的时间分别为6.02h和6.26h，平均历时6.14h。

计算得：

根据G10或g值查表1得抗渗标号为S1，可见抗渗能力远低于设计值S6。

5 结 语

在役混凝土的抗渗等级是土木工程安全状态检测与评估的重要指标之一，本文研制了一种芯样混凝土抗渗等级测定装置，不仅解决了芯样混凝土无法进行抗渗等级试验的问题，还大大缩短了试验时间，在工程应用中有推广前景。下一步仍需要通过大量试验和统计分析来确定抗渗等级确定方法的可靠性。

［1］GBT50082－2009.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法［S］.

［2］JTGE30－2005.公路工程水泥及水泥混凝土试验规程［S］.

［3］SL352－2006.水工混凝土试验规程［S］.

［4］朱海琦，徐 斐.芯样混凝土抗渗性能检测试验研究［J］.技术与市场，2012，19（2）：11－12.

［5］尹元章.混凝土抗渗性能快速测定［J］.混凝土与水泥制品，1982（4）：25－27.

［6］89204部队试验室.混凝土抗渗标号快速测定探讨［J］.建筑技术，1983（7）：41－43.