呂 攀，王泉貴，李大望,2

(1．深圳大學 土木工程學院，廣東 深圳 518060；2.深圳大學 廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，廣東 深圳 518060)

海水圍壓下混凝土抗?jié)B透性能的試驗研究

呂 攀1，王泉貴1，李大望1,2

(1．深圳大學 土木工程學院，廣東 深圳 518060；2.深圳大學 廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，廣東 深圳 518060)

采用深海多維壓力模擬裝置，研究不同水灰比、不同試件尺寸條件下，不同圍壓的海水在硬化混凝土及水泥砂漿中的滲透規(guī)律。結果表明：三維海水壓力下，有無圍壓對混凝土滲透吸水有很大影響，圍壓壓力值越大，其滲透吸水量越大；隨著圍壓作用時間的增加，圍壓大小對滲透吸水的影響逐漸下降；水灰比較小的混凝土試件浸水后的吸水量較小且更快趨于穩(wěn)定；混凝土試件的尺寸較小時其滲水率較高，在相同圍壓值下，尺寸較小的試件滲透較為充分；無粗骨料的砂漿吸水能力比混凝土大，硬化混凝土比相同配合比的砂漿密實，抗?jié)B透能力更強。

混凝土；深海模擬；圍壓滲透；耐久性；抗?jié)B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?jié)B性能對混凝土的耐久性起著重要作用[1-2]，一旦混凝土的抗?jié)B性能不好，混凝土結構將會遭受有害物質(zhì)侵蝕，其耐久性下降，影響工程的正常使用，對某些特殊工程甚至可能產(chǎn)生巨大風險[3-5]。水泥基材料的耐久性很大程度上取決于有害離子能否以水為媒介進入多孔材料[6]，滲透性則是表征混凝土耐久性的一個最基本的材料屬性，滲透能力作為混凝土宏觀性能，能夠衡量腐蝕性物質(zhì)滲入混凝土的快慢程度[7]。

目前國內(nèi)外已取得諸多研究成果。Picandet,V.等人[8]在滲透試驗中利用可以精確測定滲透率的剛性壁滲透儀，研究了新拌水泥漿體的水化受水灰比、有效應力等的影響，進而確定其滲透性；Banthia N.等人[9]利用一種滲透壓力裝置，研究了壓力對混凝土早齡期滲透性的影響，得出結論：當壓縮應力低于某一閾值時，其滲透性會降低，但當應力超過該閾值，滲透性將顯著增加；張李黎等[10]在抗?jié)B試驗中，對比研究了不同混凝土強度，不同水灰比等影響因素。目前用來確定材料吸水率、內(nèi)部水分遷移或者分布規(guī)律的方法主要有核磁共振(NMR)、傳感器技術、伽馬射線以及中子成像技術(NR)等。但這些方法試驗流程和數(shù)據(jù)分析都很復雜，所需設備一般也很難實現(xiàn)。國內(nèi)外研究者更多采用稱重法，即測量一定時間間隔內(nèi)試件單位面積累計吸水質(zhì)量變化來評估材料的抗侵蝕性能[11]。本文也將采用稱重法，依托壓力劣化裝置[12]研究不同海水圍壓下混凝土和砂漿的滲透吸水性能，對比分析水灰比、圍壓值、尺寸大小等影響因素。

1 試驗設計

1.1試件原材料

水：普通自來水。水泥：硅酸鹽水泥(P·Ⅱ52.5R)。骨料：細骨料為中國廣西天然粗河砂；粗骨料為粉碎型花崗巖，依據(jù)國家標準[13]測試其基本性能，基本參數(shù)見表1。

表1 骨料基本參數(shù)

1.2配合比

依據(jù)國家設計規(guī)程[14]，并參考相關文獻[15-16]，確定混凝土配合比如表2所示，同時為了便于對比混凝土試件與砂漿試件在抗?jié)B性能上的差異，在同等配合比下，兩者應減少不必要的變量，故砂漿試件配合比只在混凝土配合比的基礎上去掉石子，其余成分含量保持一致。

表2 三種不同水灰比的混凝土施工配合比方案

1.3試驗方法

分別制作50 mm×50 mm×50 mm、100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土試件和50 mm×50 mm×50 mm的立方體砂漿試件，在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護56 d后，對試件幾何尺寸、抗壓強度、干濕密度、數(shù)量進行測試與統(tǒng)計，結果見表3。對混凝土試件和砂漿試件進行海水長期滲透吸水試驗，即取4組混凝土和砂漿試件，前3組分別放入0.3 MPa、0.6 MPa和0.9 MPa的充滿海水的壓力劣化裝置中，第4組放入無圍壓的海水中，以作對比。此后，每隔24 h取出試件，稱重，并記錄數(shù)據(jù)，隨后放入裝置，重復操作一直持續(xù)14 d。

表3 56 d養(yǎng)護后試件基本性能指標

注：編號說明xx-yy-zz，其中xx項中，Cr指混凝土，M指砂漿；yy項指水灰比；zz項指立方體試件尺寸。

2 試驗結果及分析

依托壓力劣化裝置，對混凝土和砂漿試件，分別進行了三維海水壓力試驗，并分析水灰比、圍壓、尺寸對其影響，同時對比分析混凝土試件與砂漿試件抗?jié)B性能的差異。

2.1水灰比影響

不同水灰比的100 mm立方體混凝土試件無圍壓情況下長期浸水，其吸水量、相對浸水量隨時間的變化見圖1。

圖1 不同水灰比的混凝土試件無圍壓時的滲透吸水曲線

由圖1(a)可知：自下而上的曲線彼此分離明顯，分別對應水灰比為0.35，0.45，0.55的混凝土立方體試件，即水灰比越小的試件，同等時間下其吸水量越大，抗?jié)B性越弱。由圖1(b)可知：各試件的相對浸水量隨著時間增加逐漸減少，3 d后，其相對浸水量快速降低，4 d后基本穩(wěn)定，逐步達到飽和狀態(tài)。綜合分析圖1可知：水灰比較小的混凝土試件因具有較高的抗壓強度、較為密實、浸水通道較為狹窄且滲水量較少，更易趨于穩(wěn)定；在滲透吸水試驗中，混凝土越密實，其滲透吸水能力越弱，抗?jié)B性越好。

2.2圍壓影響

混凝土試件在4種不同圍壓下長期浸水時，其單位體積滲水率隨時間的變化見圖2。自下而上各曲線分離明顯，分別對應的圍壓值為0、0.3 MPa、0.6 MPa和0.9 MPa。這表明，圍壓值較大的混凝土試件浸水后的單位體積滲水率較大且更快的趨于穩(wěn)定；圍壓值較小的混凝土試件浸水后的單位體積滲水率較小，且隨著時間的增加逐步增大。圍壓值較大的情況下，長期加載使得海水較快地進入混凝土占據(jù)其內(nèi)部孔隙，易于飽和，這時圍壓時間對混凝土長期吸水影響較為微弱(如0.9 MPa)；而圍壓值較小時，長期加載使得海水緩慢地進入混凝土并逐漸飽和，這時圍壓時間對混凝土長期吸水影響較為顯著(如無圍壓時)。由此可知，有無圍壓對混凝土滲透吸水有較大影響；且圍壓值越大，其滲透吸水量越大；隨著圍壓時間的延長，圍壓強度對滲透吸水的影響在逐漸下降。結果表明，加壓對加速滲透具有明顯效果。

圖2 不同圍壓下混凝土試件滲透吸水曲線

2.3尺寸影響

不同尺寸混凝土試件的滲水率隨時間的變化見圖3。

圖3 不同尺寸混凝土試件滲透吸水曲線

由圖3可知：同一圍壓值，同等水灰比的情況下，50 mm×50 mm×50 mm立方體混凝土試件的滲水率均比100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試件高，且差異明顯，這表明：長期圍壓作用下，尺寸較小的試件其吸水率較高，浸水程度較高；在相同圍壓下，其滲透較為充分?？梢?，在長期滲透吸水時，“尺寸效應”依然存在。

2.4混凝土與水泥砂漿的區(qū)別

同一圍壓下，混凝土與砂漿試件的單位表面積滲水率隨時間的變化見圖4。

圖4 50 mm立方體混凝土試件和砂漿試件滲透吸水曲線

由圖4可知：在0.6 MPa、0.9 MPa圍壓長期浸水作用下，同一尺寸、不同水灰比的立方體混凝土試件均比砂漿試件單位表面積滲水率小。表明在水泥、細骨料和用水量均相同的長期浸水情況下，有無粗骨料對混合膠凝材料的吸水性能有較大影響。

3 結論

本文依托壓力劣化器，對比研究了三維海水圍壓下試件滲透吸水影響因素，主要結論如下：

(1)同一圍壓作用下，水灰比對滲透吸水影響明顯，水灰比較小的混凝土試件浸水后的吸水量較小且更快趨于穩(wěn)定。

(2)在0、0.3 MPa、0.6 MPa和0.9 MPa 4種海水圍壓作用下，有無圍壓對混凝土滲透吸水有很大影響，且圍壓值越大，其滲透吸水量越大；隨著圍壓時間的延長，圍壓對滲透吸水的影響逐漸下降。

(3)長期滲透吸水中存在尺寸效應，在相同圍壓值下，尺寸較小的試件滲透更為充分。

(4)有無粗骨料對滲透吸水具有明顯影響，在同等條件下，砂漿試件滲透吸水量比混凝土試件大。

[1] 孫偉.現(xiàn)代結構混凝土耐久性評價與壽命預測[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2015.

[2] 王學志, 鄭淑文, 賀晶晶,等. 基于抗?jié)B性的纖維混凝土耐久性評價體系[J]. 混凝土與水泥制品, 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] 高書言. 水工混凝土建筑物抗?jié)B性的研究[J]. 中國科技縱橫, 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] 張李黎, 柳炳康, 胡波. 再生混凝土抗?jié)B性試驗研究[J]. 合肥工業(yè)大學學報：自然科學版, 2009, 32(4):508-510.

[11] 朱方之，趙鐵軍，王鵬剛，等. 混凝土毛細吸水影響因素探討[J]. 西安建筑科技大學學報, 2012, 44(5): 627-631.

[12] 李大望，黃桐，邢鋒，等.一種海洋混凝土劣化模擬裝置[P].實用新型，2014授權，專利號：ZL201420063542.9.

[13] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準：JGJ/52-2006[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[14] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 普通混凝土配合比設計規(guī)程：JGJ/55-2011[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[15] 趙鐵軍，馮乃謙. 高性能混凝土的配合比[J]. 混凝土，1994(2):5-10.

[16] 陳桂秀. 淺談普通混凝土配合比設計方法[J]. 科技風, 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

國家自然科學基金項目(51278303) ；廣東省教育廳重大項目(2014KZDXM051)

呂 攀(1992—),男，四川德陽人，碩士研究生。

李大望(1963—),男，河南洛陽人，教授，博士生導師。

1674-7046(2017)04-0024-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.005

TU528.1

A