姚學(xué)健,毛錫玉，韓　峰

(1.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013；2.山東水利技師學(xué)院，山東 淄博 255130；

3.山東水務(wù)混凝土外加劑有限公司，山東 濟(jì)南 250210)

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塑性混凝土滲透系數(shù)檢測技術(shù)

姚學(xué)健1,毛錫玉2，韓峰3

(1.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013；2.山東水利技師學(xué)院，山東 淄博 255130；

3.山東水務(wù)混凝土外加劑有限公司，山東 濟(jì)南 250210)

摘要：塑性混凝土作為新型高性能混凝土材料由于發(fā)展時(shí)間晚，其滲透性能檢測和評(píng)價(jià)尚待完善。本文針對(duì)塑性混凝土的性能特點(diǎn)，在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，就滲透原理、試驗(yàn)設(shè)備裝置設(shè)計(jì)、過程參數(shù)選擇以及結(jié)果處理進(jìn)行分析論證，提出了先確定極限滲透坡降，后檢測滲透系數(shù)，合理取值，以真實(shí)反應(yīng)其滲透性能。該法可對(duì)工程實(shí)體取芯、塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行檢測和確認(rèn)。

關(guān)鍵詞：塑性混凝土；滲透系數(shù)；技術(shù)要素

塑性混凝土是一種以膨潤土、黏土等摻和材料取代普通混凝土中的大部分水泥而形成的具有一定柔性的混凝土。塑性混凝土具有彈性模量低、極限應(yīng)變大、彈強(qiáng)比小等優(yōu)點(diǎn)。在水利電力工程上，設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍如下：抗壓強(qiáng)度1～5 MPa，彈性模量小于3 000 MPa,允許滲透比降50～60，滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s。近幾年來，塑性混凝土防滲墻施工技術(shù)日臻成熟，被廣泛用于河道堤防、水庫圍壩等地下加固防滲工程。由于塑性混凝土發(fā)展時(shí)間晚，抗?jié)B性能的檢測還沒有建立相應(yīng)的方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)近些年來對(duì)塑性混凝土檢測案例，分析總結(jié)了穩(wěn)定滲流法檢測滲透系數(shù)的技術(shù)要素，該法具有應(yīng)力狀態(tài)、滲透條件明確，結(jié)果準(zhǔn)確，簡便快捷等優(yōu)點(diǎn)。

1滲透系數(shù)檢測原理

塑性混凝土為一種多孔介質(zhì)，組份主要包括水泥、膨潤土或黏土、粉煤灰、水、外加劑以及砂石骨料等材料，力學(xué)特性介于土和普通混凝土之間。經(jīng)驗(yàn)證明在多孔介質(zhì)中，達(dá)西定律也是適用的[1]，其物理意義為單位高度的塑性混凝土在單位水頭作用下，單位時(shí)間內(nèi)透過單位面積的水量,或表示單位水力梯度下水在塑性混凝土孔隙中的平均滲流速度(單位時(shí)間內(nèi)的滲透深度)。穩(wěn)定滲流法是利用達(dá)西定律，通過對(duì)塑性混凝土試件或芯樣采用滲透檢測裝置取得通過試件的水量，進(jìn)而得出滲透系數(shù)。

達(dá)西定律的公式

(1)

式中:K為滲透系數(shù)，cm/s；Q為t時(shí)間內(nèi)通過試件的水量，cm3；L為試件高度，cm；A為試件截面積， cm2；H為作用水頭，cm；t為滲透時(shí)間，s。

滲透比降的公式

(2)

(3)

式中：J為水力比降；J極為滲透破壞極限水力比降。

將式(2)帶入(1)可寫為

(4)

對(duì)同一種規(guī)格型號(hào)的塑性混凝土材料來說，在滲透破壞極限水力比降(最大水力比降)范圍內(nèi)，滲透系數(shù)應(yīng)該是一個(gè)常量。

2滲透系數(shù)測試裝置設(shè)計(jì)

常規(guī)土工滲透試驗(yàn)運(yùn)用的是達(dá)西穩(wěn)定滲流原理[2]，但是常規(guī)的土工滲透試驗(yàn)儀施加的滲透壓力有限，滲透試驗(yàn)時(shí)間極長(一般試驗(yàn)至少需要300 h以上)也很難解決試樣側(cè)壁的滲漏問題[3]。普通混凝土滲透試驗(yàn)方法有兩種，逐級(jí)加壓法和相對(duì)滲透系數(shù)法?；炷林鸺?jí)加壓法試驗(yàn)結(jié)果粗略，不能準(zhǔn)確地反映塑性混凝土的實(shí)際抗?jié)B能力，并且試驗(yàn)的最終結(jié)果得不到滲透系數(shù)。相對(duì)滲透系數(shù)法，其物理意義不明確，是由滲透高度折算得到，滲透高度測量偏差較大，該法更多是用來對(duì)普通混凝土抗?jié)B性能的復(fù)核比較，用作評(píng)價(jià)塑性混凝土的滲透系數(shù)并不恰當(dāng)[4]。

由于滲透系數(shù)的物理意義非常明確,國內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)塑性混凝土穩(wěn)定滲流試驗(yàn)設(shè)備及方法進(jìn)了大量研究,清華大學(xué)等很多科研機(jī)構(gòu)開發(fā)研制了不同型式的滲透檢測裝置。該儀器功能應(yīng)具備以下特性：①結(jié)構(gòu)功能符合達(dá)西定律；②試樣密封后的滲透條件、應(yīng)力狀態(tài)明確；③提供穩(wěn)定、可控的壓力源，量程0～0.5 MPa,分辨率0.01 MPa；④準(zhǔn)確測量單位時(shí)間段的試樣滲出水量。經(jīng)過測試證明在塑性混凝土滲透極限水力坡降范圍內(nèi)，滲透流量與水力坡降基本上呈線性關(guān)系，符合塑性混凝土的一般滲透規(guī)律，測得滲透系數(shù)是可靠的，塑性混凝土滲透儀試驗(yàn)原理見圖1、圖2。

圖1　塑性混凝土滲透儀試驗(yàn)原理圖

圖2　試樣受力狀態(tài)示意圖

3過程參數(shù)的選取

3.1試件形狀與尺寸

塑性混凝土試件形狀應(yīng)與設(shè)備裝置相吻合，方便安裝拆卸，側(cè)表面易于密封，不能產(chǎn)生繞滲或側(cè)滲。參照土工滲透試驗(yàn)和全級(jí)配普通混凝土滲透系數(shù)試驗(yàn)方法，試件應(yīng)為圓柱形。試件的尺寸方面，試樣直徑和高度應(yīng)不小于最大骨料粒徑的3.5倍[5]，現(xiàn)場鉆孔取芯的試件，其直徑應(yīng)為100 mm，且不宜小于骨料最大粒徑的3倍；也可采用小直徑的芯樣試件，但其直徑應(yīng)70～75 mm,且不得小于骨料最大粒徑的2倍[6]。目前，塑性混凝土均為泵送施工工藝，粗骨料為一級(jí)配，粒徑范圍5～20 mm,因此滲透系數(shù)試樣直徑優(yōu)選為100 mm，高度100 mm?？紤]到粗骨料多級(jí)配，試樣直徑可選用150 mm,高度120 mm或150 mm。

3.2滲透壓力與加壓時(shí)間

由于塑性混凝土強(qiáng)度較低，如果加載的滲透壓力小，試件不滲水，測不到檢測結(jié)果。如滲透壓力大，在塑性混凝土達(dá)到臨界比降前，所加載的水壓力可能已超過其抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致試件被壓碎，因此滲透壓力的選取對(duì)滲透系數(shù)影響極大。

滲透壓力選取計(jì)算公式

(5)

式中：H為試驗(yàn)作用水頭；K為取值系數(shù)，取0.6；J極、L同式(1)。

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，隨著滲透壓力的增加，當(dāng)K>0.6時(shí)，滲透系數(shù)有減小的趨勢，呈現(xiàn)不穩(wěn)定數(shù)值，主要原因是滲透壓力改變了塑性混凝土內(nèi)不穩(wěn)定的毛細(xì)管道。根據(jù)中國水利水電基礎(chǔ)工程局及清華大學(xué)的研究成果，塑性混凝土的極限水力坡降可達(dá) 286～500。考慮到塑性混凝土強(qiáng)度低，試驗(yàn)中滲透壓力大小的選取不一定合適，建議先做試件的極限滲透坡降(破壞試驗(yàn))，再做滲透系數(shù)，該法參數(shù)相互銜接，結(jié)果更趨合理，可全面評(píng)價(jià)塑性混凝土的滲透性能。塑性混凝土試驗(yàn)過程中滲透壓力和滲透時(shí)間的選取參考值見表1。

表1　塑性混凝土滲透系數(shù)試驗(yàn)過程壓力、時(shí)間參考值

3.3滲透流量

經(jīng)上述滲透壓力調(diào)試，當(dāng)3個(gè)試件全部滲水后，連接好積水瓶，測量單位時(shí)間內(nèi)的出水量，即滲透流量。

(6)

式中：q為滲透流量，其他同上。

每4～8 h讀取一次積水量，直至每個(gè)試件等時(shí)段內(nèi)出水量相近時(shí)方可停止試驗(yàn)。將式(6)帶入式(4)

(7)

(8)

從式(8)可以看出，對(duì)于截面積一定的試件，滲透流量q與水力比降J成線性關(guān)系，當(dāng)滲透壓力增加到一定數(shù)值時(shí)，如果滲水量急劇變化，滲水中出現(xiàn)顆粒物或顏色混濁導(dǎo)致試件破碎，表示已經(jīng)達(dá)到最大水力降或滲透破壞水力比降。

3.4結(jié)果處理

塑性混凝土制作試件和現(xiàn)場鉆孔芯樣滲透系數(shù)的結(jié)果處理應(yīng)區(qū)別對(duì)待，目的是以反映真實(shí)情況。制作試件，可參照普通混凝土試件制作和養(yǎng)護(hù)規(guī)定執(zhí)行，每組3塊試件，3塊試件測值的平均值作為該組試件的滲透系數(shù)。當(dāng)3個(gè)試件中的滲透系數(shù)最大值或最小值之一與中間值之差超過100%，取其他2塊的平均值。當(dāng)3個(gè)試件中的滲透系數(shù)最大值或最小值與中間值之差均超過100%，該組試驗(yàn)應(yīng)重做。制作試件主要是考慮制作或養(yǎng)護(hù)過程中的人為失誤因素，同時(shí)考慮到影響滲透系數(shù)因素多，差值在1個(gè)量級(jí)內(nèi)是可取的。對(duì)于鉆孔芯樣，應(yīng)按照每組3塊試件測值的平均值作為該組試件的滲透系數(shù)，因?yàn)榉从车氖菍?shí)際質(zhì)量情況。

4結(jié)論

(1) 穩(wěn)定滲流檢測法建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上，利用達(dá)西定律能夠定量分析塑性混凝土的抗?jié)B指標(biāo)，對(duì)指導(dǎo)塑性混凝土參數(shù)設(shè)計(jì)，改善材料配合比，評(píng)價(jià)工程質(zhì)量起到了技術(shù)支撐。

(2) 提出了塑性混凝土檢測系數(shù)檢測設(shè)備裝置設(shè)計(jì)的基本要求：壓力源穩(wěn)定、可控、準(zhǔn)確，試件圍封好，滲水量計(jì)量準(zhǔn)確，操作簡便、快捷，易于掌握。

(3) 根據(jù)塑性混凝土抗壓強(qiáng)度低的特點(diǎn)，先做塑性混凝土極限水力比降，然后再合理確定試驗(yàn)所采用的滲透壓力和穩(wěn)壓時(shí)間，該法操作性更趨合理，可全面反應(yīng)出塑性混凝土的滲透性能指標(biāo)。

(4) 塑性混凝土滲透系數(shù)檢測技術(shù)日趨成熟，盡快編制水利行業(yè)檢測規(guī)范，以促進(jìn)高性能混凝土的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]Scheidegger A E.The Physics of Flow through Porous Media(王鴻勛等譯，多孔介質(zhì)中的滲流物理) [M].北京石油工業(yè)出版社，1982.

[2]中華人民共和國水利部.土工試驗(yàn)規(guī)程：SL 237—1999[S].北京：中國水利水電出版社，1999.

[3]宿輝．塑性混凝土抗?jié)B測試方法及性能評(píng)價(jià)研究[J]．農(nóng)村水利水電，2007( 10)：91-93．

[4]張禾，姚坤，王飛.一種測定塑性混凝土滲透系數(shù)的試驗(yàn)裝置[J].水利水電技術(shù),2012(6):97-99.

[5]中華人民共和國水利部.水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程：SL 352—2006[S].北京：中國水利水電出版社1999.

[6]中國建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程：CECS 03:2007[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2007.

Detection technique of plastic concrete permeability coefficient

YAO Xuejian1, MAO Xiyu2, HAN Feng3

(1.ShandongSurveyandDesigninstituteofWaterConservancy,Ji’nan250013,China;2.ShandongTechnicianCollegeofWaterConservancy,Zibo255130,China;3.ShandongShuiwuConcreteAdmixtureCo.,Ltd,Ji’nan250210,China)

Abstract：As a new type of high performance concrete materials, the permeability testing and evaluation of plastic concrete is yet to be improved due to the later development time. In this paper, the osmosis principle, the testing equipment design ,the process parameter selection and the result processing are analyzed for the performance characteristics of plastic concrete on the basis of practical experience. It is proposed to test permeability coefficient and reasonable value after determining the limit seepage slope in order to reflect its permeability. It is used to test and conform the engineering entity core and the design of plastic concrete mixture ratio.

Key words：plastic concrete；permeability coefficient；technical elements

中圖分類號(hào)：TU528.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)01-0035-03

作者簡介：姚學(xué)健(1970-)，男，高級(jí)工程師，主要從事水利工程質(zhì)量檢測與評(píng)價(jià)方面的工作。E-mail:13306406033@126.com