压力作用下混凝土渗透性与尺寸变化研究

汪晓霞

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603)

压力作用下混凝土渗透性与尺寸变化研究

汪晓霞

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603)

渗透性是评价混凝土耐久性的一个重要指标，通过混凝土的渗透性可以评价混凝土的耐久性。采用三轴渗透试验测定不同压力条件下混凝土的渗透系数和尺寸的变化，分析混凝土渗透系数和尺寸随压力变化的趋势。结果表明：混凝土的渗透性与尺寸受外部压力影响，混凝土渗透系数随压力的增大而减小，其变化趋势符合幂函数形式；混凝土的渗透系数随试样两端水头差增大而增大，呈指数函数形式递增；试样直径和高度随外部压力的增大而减小，符合幂函数形式。

混凝土；渗透系数；三轴渗透试验

作为最常用的土木工程结构形式之一，混凝土应用于建筑工程已有150年的历史，但大量钢筋混凝土结构由于各种原因而提前失效。渗透性是评价混凝土耐久性的一个重要指标，是指气体、液体或者离子在压力、化学势或者电场作用下，在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度。混凝土渗透性决定了各种气体、液体和可溶性有害物质渗入结构体内的速度。故混凝土渗透性与耐久性密切相关，可以通过混凝土的渗透性来评价混凝土的耐久性[1-2]。学者们对混凝土抗渗性能和耐久性的关系进行了的研究，分析了集料、水胶比、掺合料、引气、龄期、养护及环境条件、孔结构等方面对混凝土渗透性的影响[3-6]，而不同埋深(或水下深度)下压力对混凝土渗透性的影响还未明确。本文采用渗透试验进行压力对混凝土渗透性的影响试验，探讨其变化规律。

1 试验方法及原理

混凝土材料是一种复杂的多孔材料，具有渗透性[7]。物质(液体、气体或离子)通过混凝土的传输过程可以定义为吸水性、渗透性和扩散3 类[8]。基于不同的传输过程，混凝土渗透性的测试方法大致可以分做 3 类，即吸水性试验、渗透性试验和离子扩散试验[9]。

混凝土埋于土下或水下，在周围压力梯度的作用下水会进入混凝土内部，在混凝土内部空隙中运动。因此，本文主要考虑混凝土的透水性，采用直观、可靠的水渗透性试验方法进行研究。目前常用的混凝土水渗透试验有渗水高度法、渗水标号法和渗透系数法[10]。混凝土的渗透性较小，采用渗水高度法、渗水标号法用时较长，也难以测试不同压力下混凝土渗透性的变化，因此选择渗透系数法，采用常规三轴仪进行试验。

试验设备由水压稳定系统和试样箱密封容器两部分组成(见图1)，渗水压力最大10 MPa。其原理：首先，对试样预加一较小轴压PZ，然后施加围压至一恒定值PW，再向试样施加反压PF作为进水水头，出水水头由体变管提供，则试样两端形成渗透压差，从而导致液体通过试样进行渗透。试样采用乳胶膜进行侧壁止水，试验过程中保持PW比PF大20 kPa[11]。

混凝土的三轴渗透试验符合一维渗透原理，其计算公式为

(1)

式中：kt为水温为t℃下混凝土试样的渗透系数(需进行温度校正换算成20 ℃下的标准渗透系数)，cm/s；ΔV为渗流量，cm3；H为试样的高度，cm；A为试样的横截面面积，cm2；Δh为试样两端水头差，cm；Δt为渗透时间，s。

2 试验方案

取某已建地下工程所用的混凝土，选取早龄期、中龄期与晚龄期的混凝土块，进行现场取芯。试样直径Φ3.91 cm、高H8.00 cm。反压设置为100 kPa，围压进行200，400，…，1 200 kPa分级施加， 模拟不同埋深(或水下深度)的压力变化； 同时为了观测不同渗透压对渗透系数的影响，进行围压1 200 kPa、反压分别为100，200，300，400 kPa的一组试验。

在渗透试验前需先做好试样的饱和与密封。将试样装置于压力室后，提升压力室底座使得试样与轴向压力传感器轻微接触，将围压调至20 kPa进行试样预压，使得乳胶膜紧贴试样外侧，然后将围压和反压调至所需压力(如围压200 kPa、反压100 kPa)，观测并记录渗透间隔时间及体变管的水位变化，同时记录试验过程中渗透水的水温。当水位稳定上升时，表示试样已经饱和并进行稳定渗透，测读3 次渗出水量。试验结束后将围压和反压调为0 kPa，迅速取出试样，量取试样直径Φ′与高度H′，按式(1)计算其渗透系数(此时试样面积和高度应采用试验后试样的直径Φ′与高度H′进行计算)，取平均值。本级压力试验后再进行上述过程，进行下一级压力的试验。

3 试验结果及分析

3.1 渗透系数与围压的关系

在反压为100 kPa、围压为200，400，…，1 200 kPa条件下不同龄期的混凝土试样的渗透系数如表1所示。

表1 不同围压条件下试样的渗透系数 (nm/s)

由表1可知：①混凝土的渗透系数随龄期的增大逐渐减小，晚龄期混凝土的渗透系数约为早龄期的1/3；这是由于早期混凝土硬化过程较快，水化物反应未完全结束，混凝土内部孔隙较多，随着龄期的增大，混凝土水化物反应逐步减少，混凝土内部孔隙逐渐被填充或形成封闭空隙，渗透通道减少，则混凝土的抗渗透能力随龄期的增大逐步增强；②各龄期的混凝土渗透系数随外部压力的增大而减小，围压为800 kPa时的渗透系数减小到围压为200 kPa时的1/10；外部压力会增加混凝土内部应力，混凝土体积减小，内部孔隙被堵塞，封闭空隙增多，导致渗透性减弱，则混凝土抗渗能力随外部压力的增大而增强； ③在相同围压变化值时， 早龄期混凝土的渗透系数变化幅度比晚龄期的大， 如围压200 kPa时早龄期混凝土的渗透系数是围压1 200 kPa时的14.1倍，晚龄期混凝土的则为11.9倍；外部压力对早龄期混凝土渗透性的影响程度比晚龄期混凝土的大。

为便于分析混凝土的渗透系数与围压条件的关系，绘制PW～k关系图，并根据渗透系数与外部压力的变化趋势，采用幂函数进行拟合(见图2)，函数形式为k=aPWb，其中k为不同围压下的渗透系数，a、b为拟合参数。不同龄期的拟合参数及相关系数R2如表2所示。函数的R2值皆大于0.97，计算值与试验观测值相关程度较好，函数可用于拟合混凝土的渗透系数与围压的关系。各龄期混凝土的渗透系数随围压的增大而呈负幂函数形式减小，在围压较小时(如小于400 kPa)混凝土的渗透系数受围压影响显著，减小较快，而后随着围压的持续增大(如大于600 kPa)混凝土渗透系数变化趋于平缓；随着围压的进一步增大(如大于1 000 kPa)，各龄期混凝土的渗透系数差别减小，且皆趋近于0，此时渗透系数受围压的影响不大，各龄期混凝土的抗渗能力趋于稳定。

表2 不同围压下渗透系数拟合参数值

3.2 渗透系数与反压的关系

在围压1 200 kPa、 反压为100， 200， 300， 400 kPa条件下不同龄期的混凝土的渗透系数如表3所示。 在围压一定的情况下，各龄期混凝土的渗透系数随反压的增大逐渐增大，这是由于反压的增大使得混凝土内部渗透压力增大，混凝土所受有效应力减小，同时渗透压力的增大使得部分混凝土内部封闭通道转变为渗透通道，从而增强混凝土的渗透性。

表3 不同反压条件下试样的渗透系数 (nm/s)

为便于分析混凝土的渗透系数与反压条件的关系，绘制PF～k关系图，并根据渗透系数与反压的变化趋势，采用指数函数进行拟合(见图3)，函数形式为k=cedPF，式中c、d为拟合参数。不同龄期的拟合参数与相关系数R2如表4所示。函数拟合程度较好，其R2值皆大于0.90。

表4 不同反压下渗透系数拟合参数值

3.3 试样尺寸与围压的关系

进行不同压力条件试验后混凝土试样的尺寸变化如表5所示。

表5 不同围压条件下试样的尺寸

注：围压为0时为试样原尺寸。

由表5可知，随外部压力增大混凝土的内部应力增大，结构更密实；试样的直径和高度随外部压力的增大而减小。绘制Φ～PW关系图(见图4)与H～PW关系图(见图5)， 根据试样尺寸随围压的变化趋势， 采用幂函数进行拟合(见图4～图5)；其中试样直径变化函数形式：Φ=Φ0PWe，其中Φ为试验后试样直径，Φ0为试样原直径，e为拟合参数；试样高度变化函数形式：H=H0PWf，其中H0为试样原高度，f为回归系数。不同龄期的拟合参数及相关系数R2如表6所示。拟合函数的计算值与试验观测值相关程度较好，其R2值皆大于0.90，采用幂函数拟合混凝土的尺寸与围压的关系是可行的。各龄期混凝土的尺寸随围压的增大而呈负幂函数形式减小，在围压较小时混凝土的尺寸受围压影响较大，直径和高度的减小较快，而后随着围压的持续增大混凝土的尺寸变化趋于平缓；随着围压的进一步增大，各龄期混凝土的尺寸受围压的影响不大，尺寸变化趋近于0，混凝土的体积趋于恒定值。

表6 不同围压下试样尺寸拟合参数值

4 结论

混凝土耐久性与其渗透性密切相关，混凝土的渗透系数与尺寸随外部压力而变，在进行混凝土耐久性评价时需考虑外部压力条件的影响。①混凝土渗透系数随外部压力的增大而减小，其变化趋势符合幂函数形式；②混凝土的渗透系数随试样两端水头差增大而增大，呈指数函数形式递增；③试样直径和高度随外部压力的增大而减小，其变化符合幂函数形式。

[1] 张誉，蒋利学，张伟平，等. 混凝土结构耐久性概论[M].上海：上海科学技术出版社，2003：10-14.

[2] 牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京：科学出版社，2003：4-6.

[3] R K DHIR. Near surface characteristics of concrete： intrinsic permeability [J].Magazine of Concrete Researeh，1989，41(147)：87-97.

[4] TSUGIYAMA， TW BREMNER. Determination of chloride diffusion coefficient and gas permeability of concrete and the relationship [J]. C.C.R，1996，26(5)：781-790.

[5] 高润东， 许清风， 李向民， 等. 高温后混凝土抗氯离子渗透性能的试验研究[J]. 建筑材料学报， 2014， 17(4)： 690-694.

[6] 吴迎春， 管小军. 从混凝土渗透性评价混凝土耐久性[J].广东建材，2008(9)：48-50.

[7] 赵铁军. 混凝土渗透性[M].北京： 科学出版社， 2006：1-4.

[8] LONG A E， HENDERSON G D， MONTGOMERY F R. Why assess the properties of near-surface concrete[J].Construction and Building Materials，2001，15(2)： 65-79.

[9] 董必钦， 徐建芝. 混凝土渗透性试验方法进展研究[J]. 混凝土，2008(1)：40-44.

[10] 杨钱荣， 朱蓓蓉. 混凝土渗透性的测试方法及影响因素[J]. 低温建筑技术，2003(5)：7-10.

[11] 宋新江. 基于常规三轴仪测定水泥土渗透系数方法研究[J]. 江淮水利科技， 2010(6)：19-25.

(责任编辑：何学华，吴晓红)

Permeability and Scale Change of Concrete under Pressure

WANG Xiao-xia

(Anhui hydropower Vocational Technical College, Hefei Anhui 231603, China)

Permeability is one of the important indexes to evaluate the durability of concrete. The durability of concrete can be evaluated by the permeability of concrete. The permeability and scale change of concrete under different pressure were tested by triaxial permeability experiment. The trend of concrete permeability coefficient and scale change with pressure were analyzed. The results showed that permeability and scale change of concrete are affected by external pressure, the concrete permeability coefficient decreases with the increase of pressure, and the change trend is in the form of power function. The permeability coefficient of concrete increases with the increase of water head difference between the two ends of the sample, and the increment is in exponential function. The diameter and height of the sample decrease with the increase of the external pressure, which is in the form of power function.

concrete; permeability coefficient; triaxial permeability experiment

2015-01-19

汪晓霞(1983-)，女，安徽潜山人，讲师，硕士，研究方向：土木工程建筑结构。

TU528.041

A

1672-1098(2015)03-0067-04