海水围压下混凝土抗渗透性能的试验研究

吕 攀，王泉贵，李大望,2

(1．深圳大学 土木工程学院，广东 深圳 518060；2.深圳大学 广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东 深圳 518060)

海水围压下混凝土抗渗透性能的试验研究

吕 攀1，王泉贵1，李大望1,2

(1．深圳大学 土木工程学院，广东 深圳 518060；2.深圳大学 广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东 深圳 518060)

采用深海多维压力模拟装置，研究不同水灰比、不同试件尺寸条件下，不同围压的海水在硬化混凝土及水泥砂浆中的渗透规律。结果表明：三维海水压力下，有无围压对混凝土渗透吸水有很大影响，围压压力值越大，其渗透吸水量越大；随着围压作用时间的增加，围压大小对渗透吸水的影响逐渐下降；水灰比较小的混凝土试件浸水后的吸水量较小且更快趋于稳定；混凝土试件的尺寸较小时其渗水率较高，在相同围压值下，尺寸较小的试件渗透较为充分；无粗骨料的砂浆吸水能力比混凝土大，硬化混凝土比相同配合比的砂浆密实，抗渗透能力更强。

混凝土；深海模拟；围压渗透；耐久性；抗渗性

Abstract：The seepage law of different confining pressure seawater in hardened concrete and cement mortar was studied by using deep-sea multidimensional pressure simulation device. The results show that under the three-dimensional seawater pressure, there is a great influence on the seepage of concrete, and the greater the confining pressure is, the greater the osmotic water absorption is. With the increase of confining pressure time, the influence of confining pressure on osmotic water absorption decreases gradually. The less water-cement ratio of concrete specimens is smaller and more stable after soaking. When the size of the concrete specimen is small, the seepage rate is higher, and under the same confining pressure, the small size specimen is more fully penetrated. Mortar with no coarse aggregate can absorb water more than concrete, hardened concrete is denser than the same proportion of mortar, and has stronger impermeability.

Keywords：concrete; deep-sea simulation; confining pressure infiltration; durability; impermeability

混凝土的抗渗性能对混凝土的耐久性起着重要作用[1-2]，一旦混凝土的抗渗性能不好，混凝土结构将会遭受有害物质侵蚀，其耐久性下降，影响工程的正常使用，对某些特殊工程甚至可能产生巨大风险[3-5]。水泥基材料的耐久性很大程度上取决于有害离子能否以水为媒介进入多孔材料[6]，渗透性则是表征混凝土耐久性的一个最基本的材料属性，渗透能力作为混凝土宏观性能，能够衡量腐蚀性物质渗入混凝土的快慢程度[7]。

目前国内外已取得诸多研究成果。Picandet,V.等人[8]在渗透试验中利用可以精确测定渗透率的刚性壁渗透仪，研究了新拌水泥浆体的水化受水灰比、有效应力等的影响，进而确定其渗透性；Banthia N.等人[9]利用一种渗透压力装置，研究了压力对混凝土早龄期渗透性的影响，得出结论：当压缩应力低于某一阈值时，其渗透性会降低，但当应力超过该阈值，渗透性将显著增加；张李黎等[10]在抗渗试验中，对比研究了不同混凝土强度，不同水灰比等影响因素。目前用来确定材料吸水率、内部水分迁移或者分布规律的方法主要有核磁共振(NMR)、传感器技术、伽马射线以及中子成像技术(NR)等。但这些方法试验流程和数据分析都很复杂，所需设备一般也很难实现。国内外研究者更多采用称重法，即测量一定时间间隔内试件单位面积累计吸水质量变化来评估材料的抗侵蚀性能[11]。本文也将采用称重法，依托压力劣化装置[12]研究不同海水围压下混凝土和砂浆的渗透吸水性能，对比分析水灰比、围压值、尺寸大小等影响因素。

1 试验设计

1.1试件原材料

水：普通自来水。水泥：硅酸盐水泥(P·Ⅱ52.5R)。骨料：细骨料为中国广西天然粗河砂；粗骨料为粉碎型花岗岩，依据国家标准[13]测试其基本性能，基本参数见表1。

表1 骨料基本参数

1.2配合比

依据国家设计规程[14]，并参考相关文献[15-16]，确定混凝土配合比如表2所示，同时为了便于对比混凝土试件与砂浆试件在抗渗性能上的差异，在同等配合比下，两者应减少不必要的变量，故砂浆试件配合比只在混凝土配合比的基础上去掉石子，其余成分含量保持一致。

表2 三种不同水灰比的混凝土施工配合比方案

1.3试验方法

分别制作50 mm×50 mm×50 mm、100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土试件和50 mm×50 mm×50 mm的立方体砂浆试件，在标准养护室养护56 d后，对试件几何尺寸、抗压强度、干湿密度、数量进行测试与统计，结果见表3。对混凝土试件和砂浆试件进行海水长期渗透吸水试验，即取4组混凝土和砂浆试件，前3组分别放入0.3 MPa、0.6 MPa和0.9 MPa的充满海水的压力劣化装置中，第4组放入无围压的海水中，以作对比。此后，每隔24 h取出试件，称重，并记录数据，随后放入装置，重复操作一直持续14 d。

表3 56 d养护后试件基本性能指标

注：编号说明xx-yy-zz，其中xx项中，Cr指混凝土，M指砂浆；yy项指水灰比；zz项指立方体试件尺寸。

2 试验结果及分析

依托压力劣化装置，对混凝土和砂浆试件，分别进行了三维海水压力试验，并分析水灰比、围压、尺寸对其影响，同时对比分析混凝土试件与砂浆试件抗渗性能的差异。

2.1水灰比影响

不同水灰比的100 mm立方体混凝土试件无围压情况下长期浸水，其吸水量、相对浸水量随时间的变化见图1。

图1 不同水灰比的混凝土试件无围压时的渗透吸水曲线

由图1(a)可知：自下而上的曲线彼此分离明显，分别对应水灰比为0.35，0.45，0.55的混凝土立方体试件，即水灰比越小的试件，同等时间下其吸水量越大，抗渗性越弱。由图1(b)可知：各试件的相对浸水量随着时间增加逐渐减少，3 d后，其相对浸水量快速降低，4 d后基本稳定，逐步达到饱和状态。综合分析图1可知：水灰比较小的混凝土试件因具有较高的抗压强度、较为密实、浸水通道较为狭窄且渗水量较少，更易趋于稳定；在渗透吸水试验中，混凝土越密实，其渗透吸水能力越弱，抗渗性越好。

2.2围压影响

混凝土试件在4种不同围压下长期浸水时，其单位体积渗水率随时间的变化见图2。自下而上各曲线分离明显，分别对应的围压值为0、0.3 MPa、0.6 MPa和0.9 MPa。这表明，围压值较大的混凝土试件浸水后的单位体积渗水率较大且更快的趋于稳定；围压值较小的混凝土试件浸水后的单位体积渗水率较小，且随着时间的增加逐步增大。围压值较大的情况下，长期加载使得海水较快地进入混凝土占据其内部孔隙，易于饱和，这时围压时间对混凝土长期吸水影响较为微弱(如0.9 MPa)；而围压值较小时，长期加载使得海水缓慢地进入混凝土并逐渐饱和，这时围压时间对混凝土长期吸水影响较为显著(如无围压时)。由此可知，有无围压对混凝土渗透吸水有较大影响；且围压值越大，其渗透吸水量越大；随着围压时间的延长，围压强度对渗透吸水的影响在逐渐下降。结果表明，加压对加速渗透具有明显效果。

图2 不同围压下混凝土试件渗透吸水曲线

2.3尺寸影响

不同尺寸混凝土试件的渗水率随时间的变化见图3。

图3 不同尺寸混凝土试件渗透吸水曲线

由图3可知：同一围压值，同等水灰比的情况下，50 mm×50 mm×50 mm立方体混凝土试件的渗水率均比100 mm×100 mm×100 mm立方体混凝土试件高，且差异明显，这表明：长期围压作用下，尺寸较小的试件其吸水率较高，浸水程度较高；在相同围压下，其渗透较为充分。可见，在长期渗透吸水时，“尺寸效应”依然存在。

2.4混凝土与水泥砂浆的区别

同一围压下，混凝土与砂浆试件的单位表面积渗水率随时间的变化见图4。

图4 50 mm立方体混凝土试件和砂浆试件渗透吸水曲线

由图4可知：在0.6 MPa、0.9 MPa围压长期浸水作用下，同一尺寸、不同水灰比的立方体混凝土试件均比砂浆试件单位表面积渗水率小。表明在水泥、细骨料和用水量均相同的长期浸水情况下，有无粗骨料对混合胶凝材料的吸水性能有较大影响。

3 结论

本文依托压力劣化器，对比研究了三维海水围压下试件渗透吸水影响因素，主要结论如下：

(1)同一围压作用下，水灰比对渗透吸水影响明显，水灰比较小的混凝土试件浸水后的吸水量较小且更快趋于稳定。

(2)在0、0.3 MPa、0.6 MPa和0.9 MPa 4种海水围压作用下，有无围压对混凝土渗透吸水有很大影响，且围压值越大，其渗透吸水量越大；随着围压时间的延长，围压对渗透吸水的影响逐渐下降。

(3)长期渗透吸水中存在尺寸效应，在相同围压值下，尺寸较小的试件渗透更为充分。

(4)有无粗骨料对渗透吸水具有明显影响，在同等条件下，砂浆试件渗透吸水量比混凝土试件大。

[1] 孙伟.现代结构混凝土耐久性评价与寿命预测[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2015.

[2] 王学志, 郑淑文, 贺晶晶,等. 基于抗渗性的纤维混凝土耐久性评价体系[J]. 混凝土与水泥制品, 2015(1):46-51.

[3] Lynsdale C J, Cabrera J G. New gas permeameter for measuring the permeability of mortar and concrete[J]. Magazine of Concrete Research, 1988, 40(144):177-182.

[4] 高书言. 水工混凝土建筑物抗渗性的研究[J]. 中国科技纵横, 2011(12):84-84.

[5] Babu K G, Rao G S N. Efficiency of fly ash in concrete with age[J]. Cement & Concrete Research, 1996, 26(3):465-474.

[6] C Lu, JH Cahyadi. Permeability and pore structure of OPC paste[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(2): 277-282.

[7] Phung Q. T, Maes N. Determination of water permeability of cementitious materials using a controlled constant flow method[J]. Construction and Building Materials, 2013, 47(5): 1488-1496.

[8] Picandet V, Rangeard D. Permeability measurement of fresh cement paste[J]. Cement and Concrete Research, 2011, 41(3): 330-338.

[9] Banthia N, Biparva A, Mindess S . Permeability of concrete under stress[J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(9): 1651-1655.

[10] 张李黎, 柳炳康, 胡波. 再生混凝土抗渗性试验研究[J]. 合肥工业大学学报：自然科学版, 2009, 32(4):508-510.

[11] 朱方之，赵铁军，王鹏刚，等. 混凝土毛细吸水影响因素探讨[J]. 西安建筑科技大学学报, 2012, 44(5): 627-631.

[12] 李大望，黄桐，邢锋，等.一种海洋混凝土劣化模拟装置[P].实用新型，2014授权，专利号：ZL201420063542.9.

[13] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准：JGJ/52-2006[S]. 北京:中国建筑工业出版社，2006.

[14] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 普通混凝土配合比设计规程：JGJ/55-2011[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[15] 赵铁军，冯乃谦. 高性能混凝土的配合比[J]. 混凝土，1994(2):5-10.

[16] 陈桂秀. 浅谈普通混凝土配合比设计方法[J]. 科技风, 2010(2): 144.

Experimentalstudyonseepageresistanceofconcreteunderseawaterconfiningpressure

Lü Pan1, WANG Quan-gui1, LI Da-wang1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,China; 2.KeyLaboratoryofDurabilityofCivilEngineeringofGuangdongProvince,Shenzhen518060,China)

2017-06-10

国家自然科学基金项目(51278303) ；广东省教育厅重大项目(2014KZDXM051)

吕 攀(1992—),男，四川德阳人，硕士研究生。

李大望(1963—),男，河南洛阳人，教授，博士生导师。

1674-7046(2017)04-0024-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.005

TU528.1

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