水利工程混凝土抗渗方法试验研究

赵金凤

(盘锦市大洼区水利技术推广中心，辽宁 盘锦 124200)

目前混凝土广泛地应用在我国的工程建设中，无论是房屋建筑工程、地下结构工程还是水利水电工程，混凝土都是重要的建筑原材料，因此对于工程中混凝土的质量检测试验研究具有很重要的作用。如图1所示，在工程上由于混凝土渗透性的作用，导致路面、桥梁破坏的情况比比皆是。渗透性是混凝土这一类多孔介质的主要性质，混凝土内部的裂纹和孔洞的大小、数量、联通和分布情况，对水在混凝土中渗透具有重要的影响作用。目前已经有众多学者对混凝土的渗透性能进行了研究，并取得了一定的研究成果。胡晓鹏等学者对受冻混凝土进行了研究，研究了不同的起冻时刻对混凝土的强度、损伤、弹性模量等的影响规律和机理。陆春奇等学者对不同涂层的混凝土进行了防水抗渗研究，研究表明进行涂层的混凝土的防水性能有了大幅度的提高。陈立军等学者通过对不同孔径尺寸的的混凝土进行研究，探讨了不同的孔径尺寸对混凝土的抗渗性能的影响。易成等学者对混凝土的抗渗性能进行了介绍，对今后混凝土的发展前景进行了探讨，提出了抗渗性能应该更加关注由于荷载、微裂纹等导致抗渗性能劣化的问题。吴绍章分析了影响混凝土抗渗性能的因素，提出了采用混凝土渗透系数评定混凝土抗渗性的问题。陈雯龙对水工混凝土的耐久性问题进行了研究，从材料选择、工程设计等方面给出了具体的措施。任仓钰、王强、戴龙、张林明等学者也对这方面的工作进行了研究。

1 透气法渗透试验研究

1.1 透气法理论分析

混凝土“Torrent渗透法”适用的假设条件：①假设混凝土为均质混凝土，且混凝土块中孔隙均处于大气压下。②测试中压力沿孔隙流过的路径均为线性分布。③空气在空腔之间的流动是线性分布的按Poiseuille方程计算：

(1)

PV=nRT

(2)

式中，dV—进入内室空腔中的空气容量；L与PⅠ和时间t—线性关系；Pa—大气压；μ—流体的黏性系数。

由公式(1)、(2)得：

(3)

进行化简得：

(4)

将公式(4)两边同时对t0到t1上进行积分，得：

(5)

1.2 透水法理论分析

达西通过分析大量数据，发现渗流量q与圆筒断面积A和水头损失△h呈以下关系：

(6)

式中，i=Δh/l—水力梯度；k—渗透系数。

(7)

(8)

式中，D—渗水距离，cm；H—压力水头，cm。

许多学者根据Darcy定律进行积分，得出恒压渗透的渗透系数表达式：

(9)

式中，Kr—相对渗透系数，cm/h；D—平均渗水高度，cm；H—水压力；T—恒压时间，h；a—混凝土吸水率。

相对渗透系数按下式计算：

(10)

式中，Di—第i个试件的平均渗水高度，mm。

1.3 试件制作

混凝土采用水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、减水剂和膨胀剂制成，配合比详见表1。

表1 混凝土试块配合比 单位：kg/m3

对混凝土块进行立方体抗压强度试验，如图2所示，测试结果见表2。

表2 混凝土立方体抗压强度

图2 抗压强度试验

2 试验结果

2.1 渗水法试验结果

通过试验研究发现，试块从中部断裂，试验结束后打开试件，采用记号笔对水痕进行标记，如图3所示，大部分水痕呈抛物线型，也有一部分水痕呈直线型，加载速度对实验的影响较大。

图3 水痕形状试验图

由图3可知，混凝土的水痕主要分为抛物线型和直线型两种水痕形状，抛物线型水痕主要呈现中间低两边高的形式，主要是两方面的原因造成的：①由于振捣方式不均匀，导致混凝土中孔洞和裂隙分布不均匀，致使在混凝土中心位置孔隙较为集中，因此导致在渗水试验中出现抛物线型水痕。②由试验装载方式导致的，装载时密封接触不严实，出现侧向渗漏。

直线型水痕与抛物线型水痕正好相反，直线型水痕分布均匀，水痕从左到右高差不大，说明混凝土振捣较为均匀，混凝土块中孔洞和裂隙分布较为均匀，因此在进行渗水试验中混凝土试块水痕较为均匀。两种水痕与实际情况也较为相似。

通过采用Minitab对试验数据进行统计分析可知，试验数据基本呈正态分布，C30P6混凝土试块直方图呈孤岛型，最大值和最小值与一四和三四分位数区间都较短，说明数据分布较为集中，混凝土试块深度分布在50～100mm的范围内。

C30P8混凝土试块分布呈双峰形态分布，数据分布较为分散。中位数分布于矩形中间偏左位置，数据总体分布偏右，渗透深度大致分布在24～55mm的范围内，由此发现C30P6混凝土和C30P8混凝土试块渗透深度分布范围具有重叠的部分。

2.2 透气法试验统计分析

如图4所示，通过Minitab对压力差最大值与影响深度进行线性和非线性拟合，分析发现二者之间大体呈线性关系，如下式所示：

Lg=-0.2806+2.116ΔPmax

(11)

式中，ΔPmax—压力差最大值；Lg—影响深度，m。

图4 压力差最大值与影响深度的关系

如图5所示，由Minitab拟合结果可知，最大压力差和渗透系数呈指数关系，对试验数据进行拟合，如下式所示：

(12)

式中，ΔPmax—压力差最大值；k—渗透系数。

图5 最大压力差与渗透系数关系曲线图

3 结论

(1)混凝土试块渗水试验发现混凝土的水痕主要分为抛物线型和直线型两种形状，抛物线型水痕主要是由于振捣方式不均匀，导致混凝土中孔洞和裂隙分布不均匀和试验装载方式导致的，装载时密封接触不严实，出现侧向渗漏导致。直线型水痕表明混凝土振捣较为均匀，混凝土块中孔洞和裂隙分布较为均匀，因此在进行渗水试验中混凝土试块水痕较为均匀。

(2)C30P6和C30P8混凝土试块试验数据主要呈正态分布，C30P6混凝土试块直方图呈孤岛型，数据分布较为集中，混凝土试块深度分布在50～100mm范围内。C30P8混凝土试块分布呈双峰形态分布，数据分布较为分散，渗透深度大致分布在24～55mm的范围内。

(3)透气法得到压力差最大值与影响深度之间大体呈线性关系，最大压力差和渗透系数呈指数关系。