多维荷载对不同含水率混凝土渗透性的影响

2019-04-24周军霞

长江科学院院报 2019年4期

张彬，杨硕，周军霞

（辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000）

1 研究背景

大坝、桥墩、海上建筑物等混凝土结构均处于水环境之中，且受到轴压、围压荷载的作用，混凝土介质的渗透性在荷载的作用下有很大差异，而混凝土的渗透性直接影响其结构的耐久性，故混凝土的渗透性是备受关注的热点内容。

国内外对混凝土渗透性进行了大量的研究。Djerbi等［1］首先提出了以O2为渗透介质测定混凝土渗透系数的Cembureau法；桂强等［2］研究了水泥基材料气体渗透机理、渗透性测试原理与方法以及气体渗透性的预测模型；李新宇等［3］研究了水工碾压混凝土渗透系数随渗透历时延长的变化及原因；刘洪珠等［4］研究了轴压荷载作用对混凝土渗透性的影响；李永靖等［5］对煤矸石混凝土试件进行气渗性能试验，研究了煤矸石混凝土的气渗性能变化规律；洪雷等［6］研究了素混凝土在单轴持续荷载作用下混凝土的渗透性变化规律，并提出了相应的数学模型；张朝辉等［7］分析了混凝土渗透性与耐久性之间的关系，并提出了提高和改进混凝土抗渗性的方法。

上述研究主要针对单一或无应力状态下的混凝土，但在工程中混凝土均会承受复杂的荷载作用，处于不同工况下的混凝土的含水率也有较大差异，因此研究不同含水率、承受多维荷载混凝土的渗透性是很有必要的。采用ZYS-1煤岩多功能三轴渗透仪进行三轴渗透性试验，研究了不同含水率混凝土在多维荷载（即轴压、围压、孔隙压）上升过程中渗透系数的变化趋势。

2 试验方案

2.1 原材料与混凝土配合比

水泥选用阜新大鹰水泥制造有限公司生产的P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，水为阜新自来水，粗骨料为5～40 mm连续级配碎石，细骨料为连续级配河沙。质量配合比为m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（石）＝1∶0.59∶2.32∶4.60，其 28 d抗压强度为45.6 MPa；混凝土透气系数测试试件尺寸为50 mm×50 mm×100 mm，试件成型标准养护24 h后拆模，继续标准养护至28 d龄期，养护完毕后制备成含水率为0%，1.5%，3.0%，4.5%的试样，进行透气性试验。

2.2 混凝土透气性试验装置及原理

本试验采用辽宁工程技术大学自行研制的ZYS-1煤岩多功能三轴渗透仪。该试验装置系统由三轴应力加载系统、气体孔隙压力加载系统、流量监测系统3部分组成，如图1所示。

混凝土试样由固、液、气三相组成，本试验仪器采用气相渗透方法对混凝土的渗透性进行测试，而气相渗透只适用于非饱和试样，这与达西定律的饱和水相渗透不符，本文采用许越［8］修正后的达西定律，即

图1 ZYS-1煤岩多功能三轴渗透仪Fig．1 ZYS-1 multifunction triaxial osmometer for coal-rock

式中：v为气体流速（m／s）；K为固有渗透率（m2）；μ为气体黏滞系数（Pa·s）；PA为进气端压力（Pa）；PB为出气端压力（Pa），即大气压 P0；L为试件长度（m）。

则渗透系数的表达式为

式中：K′为渗透系数（mD）；Pa，Pb为出口端气体压力（Pa，即大气压力）；Q为渗流量（cm3／s）；L′为试样长度（cm）；μ′为氮气动力黏度，μ′＝17.544×10-7Pa·s；P为孔隙压（Pa）；A为试样横截面积（mm2）。

经试验测得本试验所用混凝土的饱和含水率为4.82%。本试验方案控制参数：围压范围为3～11 MPa，轴压范围为4～18 MPa，孔隙压设定为2.0 MPa和2.5 MPa。具体的试验方案见表1。

3 试验结果分析

3.1 轴压对混凝土渗透性的影响

分别对图2（a）与图2（b）混凝土试样渗透系数变化曲线进行分析可以得出：围压为3 MPa时，在轴压逐级加载过程中，混凝土试样的渗透系数均呈现减小的趋势，且在加载前期减小较快；孔隙压为2.0 MPa与2.5 MPa的2组混凝土试样渗透系数变化范围在1.25～1.68 mD，最大渗透系数改变量为0.43 mD；在轴压作用下混凝土的渗透系数存在一个压力阈值（本试验为16 MPa），当轴压逼近此阈值时，混凝土的渗透系数减小速率逐渐趋于定值，压力阈值的大小与混凝土的配比、内部微观结构、原材料的特性等因素有关。

表1 多维荷载试验方案Table 1 Multidimensional load test schemes

图2 轴压加载下混凝土渗透系数变化曲线（围压为3 MPa）Fig．2 Curves of permeability coefficient of concrete under axial compression in the presence of 3 MPa confining pressure

轴压作用在混凝土的2个端面，混凝土的受力面积较小，因此加载轴压对混凝土试样渗透性的影响程度有限。采用Origin数学处理软件对图2中曲线数据进行拟合可得，渗透系数与轴压呈明显的一阶负指数关系。

渗透系数K′与轴压P1的关系拟合公式为

式中 A，t，y0均为拟合参数。

3.2 围压对混凝土渗透性的影响

分别对图3（a）与图3（b）混凝土试样渗透系数变化曲线进行分析可以得出：渗透系数的变化呈非线性下降趋势，前期下降速度快，后期下降速度平缓；轴压为12 MPa时，当围压从3 MPa增加到4 MPa，混凝土渗透系数数值改变量最大，下降了60%；当围压从4 MPa增加到8 MPa时，混凝土渗透系数变化速度相对于前一区段来说有显著降低，下降了30%；当围压从8 MPa增加到11 MPa时，渗透系数的数值逐渐趋于定值；孔隙压为2.0 MPa与2.5 MPa的2组混凝土在加载围压过程中渗透系数变化范围在0.01～1.78 mD，最大渗透系数改变量为1.13 mD，为轴压加载下最大渗透系数改变量0.43 mD的2.6倍，因此混凝土渗透系数对围压的敏感度更高；在围压作用下混凝土的渗透系数同样也存在压力阈值，且与轴压作用下的变化规律相一致。

选取3个围压变化区段，对混凝土渗透系数的变化情况进行分析可得：混凝土在未施加围压时其内部包含较多的孔隙，可供气体渗透的路径较多；在加载围压的过程中，混凝土的体积被迅速压缩造成混凝土的孔隙迅速减小，混凝土中气体的渗透路径也随之迅速减少，进而使混凝土的渗透系数骤然降低；在围压加载的中后期混凝土内部的孔隙空间被压缩得较为致密，气体渗透路径的变化对围压的敏感度降低，即混凝土的内部孔隙逐渐趋于定值且不再随围压的改变而产生大幅度变化，因此可供气体渗透的路径也趋于稳定，所以混凝土的渗透系数最终趋于定值。

图3 围压加载下混凝土渗透系数变化曲线（轴压为12 MPa）Fig．3 Curves of permeability coefficient of concrete under confining pressure in the presence of 12 MPa axial compression

使用Origin数学处理软件对图3中曲线进行回归分析可得混凝土的渗透系数与围压之间也呈现出明显的一阶负指数关系。

渗透系数K′与围压P2的关系拟合公式为

式中A，t，y0均为拟合参数。

3.3 孔隙压对混凝土渗透性的影响

分别对图4（a）与图4（b）进行分析可得，在围压或轴压一定时，在孔隙压为2.5 MPa时混凝土渗透系数始终大于孔隙压为2.0 MPa时的渗透系数，即在孔隙压的作用下混凝土能够扩大气体渗透的有效路径使其渗透系数增大。

图4 不同孔隙压下混凝土渗透系数变化曲线Fig．4 Curves of permeability coefficient of concrete under varied pore pressure

对于同一混凝土试件而言，当围压或轴压增大到某值时，其渗透系数几乎不再随孔隙压的增加而产生明显的变化，其数值都趋于定值。产生这种现象的原因是：孔隙压增大，改变了通过岩体孔隙的气体流量，而增加围压，则是改变了岩体内部气体的渗透路径。当围压逐渐增大，岩体内气体渗透路径减少，即使增加再多气体，也没有充足的路径可以通过，因此增加孔隙压不会对渗透结果产生较大的影响。

3.4 含水率对混凝土渗透性的影响

通过对图5（a）与图5（b）混凝土渗透系数变化曲线进行分析比较可得：含水混凝土的渗透系数始终小于干燥状态下混凝土的渗透系数，其原因为含水混凝土孔隙中的一部分被水填充，导致测试气体渗透路径减少，从而导致混凝土渗透系数降低。从图6（a）与图 6（b）可以看出：当孔隙压为2.0 MPa时，在轴压的作用下同一含水率混凝土的渗透系数逐渐降低且变化速率呈现递减趋势；不同含水率的混凝土渗透系数的变化速率也呈现出同一种变化规律，即随着含水率的增加，混凝土在同一轴压变化范围内其渗透系数的变化速率在逐渐降低，相邻2个含水率的混凝土渗透系数在同一轴压变化范围内的差值逐渐缩小；当轴压加载至16 MPa时，不同含水率混凝土的渗透系数都趋于同一定值且彼此间数值的波动范围在0.05 mD之内；同样，在围压的作用下也呈现出此规律，但与轴压作用不同的是，不同含水率混凝土的渗透系数之间的差值存在较大的差异，以围压加载至11MPa时为例，干燥状态的混凝土渗透系数为0.45 mD，而含水率为4.5%的混凝土渗透系数则为0.01 mD，因此含水率对围压作用下混凝土的渗透性影响较大。