摘要 用自行設計的混凝土滲透試驗裝置研究了混凝土滲透參數的演變規律。發現在壓力水作用下，混凝土在短時間內滲透速率達到最大，隨后就逐漸降低并趨向于穩定值。根據試驗結果提出了混凝土滲透系數的時變模型。
關鍵詞 混凝土 滲透 混凝土滲透試驗裝置 時變模型
中圖分類號: T528 文獻標識碼: A
0 引 言
滲流溶蝕是水工混凝土構筑物破壞的主要形式之一。水工混凝土在水壓力的作用下，會發生滲透和滲流，后者會引以混凝土中水泥石組成的溶蝕破壞，因此滲透性是水工混凝土構筑物中最為關注的特性之一。由于混凝土的水滲透性較低，通常用混凝土在特定試驗條件下能承受的（水不滲透）最大或在一定水壓下持續一段時間后的滲透高度來表征混凝土的抗水滲透性能[1]，也有用氣體滲透性表征滲透性的[2-3]，而對混凝土滲透以后的滲透性研究較少。阮燕[4]等研究了在1.2～2.8 MPa水壓下面板混凝土的滲透溶蝕過程，發現滲透系數隨滲透歷時的延長而降低，逐漸趨于某一特定值。但文獻[4]未提供關于滲透系數經時變化規律的更多信息。
筆者曾用自行設計的混凝土滲透試驗裝置研究了持續壓荷載作用下混凝土的滲透性與荷載的關系[5]，本文仍采用該裝置研究持續水壓力下混凝土的滲透性的經時變化規律。
1 實 驗
1.1原材料與試件
1用南京龍潭水泥廠生產的P·O 32.5級水泥，南京熱電廠的Ⅱ級粉煤灰，細度模數為2.5的河砂，最大粒徑10 mm的石灰巖碎石及自來水按表1所示配合比配制混凝土，成型成內、外直徑分別為30 mm 和110 mm的圓筒形試件，每組試樣成型六個，其中兩個用于滲透試驗，三個用于強度測定，另一個備用。試件在混凝土標準養護室養護28 d后，用切割機將試件兩頭截去，得到高度為110 mm的試件。取其中三個試件測定混凝土試件抗壓強度，結果見表1。
1.2 實驗方法
實驗所用混凝土滲透試驗裝置見圖1。該裝置使用4根對稱布置大噸位壓縮彈簧作為加壓部件。裝置工作時由高立柱壓力試驗機對彈簧加壓，壓力值大小則由讀取壓力機表盤數值來控制，到達規定壓力值時立即將螺栓擰緊并關閉壓力機，此時試件所受的外部壓荷載就由彈簧提供了。由于彈簧彈力受混凝土變形等因素的影響很小、保壓性能良好并且應力損失小、不受外部斷電等干擾因素的影響，故可以進行長時間的壓應力狀態下混凝土滲透溶蝕等性能的研究[5]。彈簧產生的壓力通過鋼板、球座、上壓板傳遞作用到試件上。上壓板內部鉆一φ 5 mm的小孔，在鋼墊板外設接口用銅管接至砂漿抗滲儀壓力水出口，壓力水由砂漿抗滲儀提供并流經銅管和上壓板內部的小孔作用于圓筒形試件的內表面，水壓由砂漿抗滲儀上的壓力表調節控制。試件外表面浸在注滿水有機玻璃套筒中，套筒上方用橡膠皮蓋住以避免蒸發。套筒上有一控制水位的溢流孔，用一塑料管連接溢流孔和放于低處的量筒，這樣透過環型試件壁的滲透水量可以通過量筒收集。
試驗時試件先用環氧樹脂砂漿粘貼在上下兩塊鋼墊板上，待環氧樹脂硬化后進行真空飽水, 以便在試驗時盡快達到滲透穩定。在本研究中分別對試件施加5MPa的軸向壓力，對C1和C2混凝土所施加的穩定水壓分別為0.8 MPa和1.2MPa，即試件中水力梯度分別為20MPa和30MPa，水壓過高（對C1和C2分別超過1.2MPa和2.0MPa）時，試件會很快被水擊穿。
加用穩態法測量混凝土滲透系數時，由于其滲透性很小，要使足量的水透過混凝土以保證測量精度，因此每次累積4 h的滲透水量，用電子天平稱取其質量，并計算4 h內的平均滲透系數。
根據單位時間的滲透水量計算混凝土試件的滲透系數。對圓環形試件滲透系數計算公式由達西公式推導得。達西公式為.[6]：
式中：
Q—單位時間內的流量（cm3/s）；
K—滲透系數(cm/s)；
A—過水面積(cm2)；
ΔP—水流入面和流出面間的水頭差（cm）；
L—滲透距離(cm)。
上式未考慮溫度對液體粘度的影響。
達西公式要求孔隙平行不發生橫向滲透，對于混凝土這種內部孔結構復雜且不斷變化的材料是做不到的，但目前國內外學者認為達西定律對于水泥混凝土還是適用的，對圓環形試件我們假設僅發生徑向滲透，對式（1）作微分得式（2）
即：
再對式（2）兩邊作積分，
這樣就得到圓環形試件滲透系數計算公式（3），
式中K—滲透系數(cm/s)；
Q—單位時間內收集的水流量(cm3/s)；
r2—環狀試件的外半徑(cm)；
r1—環狀試件的內半徑(cm)；
h—環狀試件的高度(cm)；
Δp—水流入面和流出面間的水頭差(cm)。
2 結果與討論
2.1 滲透現象與滲透系數變化
圖2是兩組混凝土試件（每組兩個）滲透系數K隨時間t的變化。從試件透水開始，可以觀測到滲水量短時間內會有一段波動變化的過程，但其總趨勢是顯著增加。這是由于在混凝土試件在受水壓作用后，開始只是局部透水，隨著時間的延長，透水面上各部分均開始透水，或者較大的水力梯度形成了一些原本封閉的孔打開，造成孔結構的一些改變而造成的。水量很快到達最大值后即開始下降，圖2的滲透時間均是從滲水量達最大值開始計時。
滲透系數在達到最大值后隨時間下降可能有下列原因：①被壓力水沖下的碎顆粒及雜質隨水流在一些部位沉淀堵塞；②水泥熟料的持續水化和一些可溶性物質如氫氧化鈣，發生碳化反應而生成碳酸鈣或沿滲流通道結晶，使滲流量減小。
本試驗的觀測結果表明滲透系數下降最明顯的是在滲透出水達到最大值后約40~60h以內，其后仍會隨著滲透時間的增加比較平緩的下降。
試件C1和C2比較，C1不僅開始透水的時間比C3早，滲水后亦能較快達到最大流量。同時從圖中也發現滲透相對平穩階段所用時間也比C3試件少。這宏觀上與強度、水灰比、水泥用量有關，微觀上則與其中孔的尺寸、分布、連通以及集料與水泥石的界面微觀結構密切相關。
從圖2還可看出，無論是C1和C3，同一配合比的兩個試件實驗數據都呈現出一定的離散性。這也說明了就滲透性而言，混凝土是一種很不均勻的材料。本試驗試件尺寸比較小、混凝土存在缺陷等偶然因素可能也是一個重要原因，而且由于實驗周期比較長，發生意外的概率也比較高。
2.2滲透時變模型與穩定性的分析
對于各組混凝土試件，可以看出的滲透系數隨著滲透時間增加而減小這一現象有一定規律性，且各條曲線形式大體相同，試驗數據雖有一定離散性但在一個數量級，對各組試件的的滲透系數與時間關系按式（4）擬合，
式中：t—時間（h）；
k—滲透系數（10-10cm/s）；
k∞、、b—擬合參數，見表2。 a
從表2中可以看出，由式（4）擬合曲線與實驗結果擬合較好，相關系數R2大于0.95。因此式（4）較好地反映了水工混凝土滲透系數的時變過程：滲透系數隨滲透時間呈負指數函數減小，開始時滲透系數迅速減小，隨著滲透時間的增加則滲透系數下降越來越平緩，當滲透時間足夠長時，式（4）右邊第2項趨向于0，因此k∞即為預期的穩定滲透系數。
這里要特別指出的是，本試驗是在滲水量最大值后才能開始計算滲流的滲流量的經時過程，由此推得滲透系數隨滲透時間增加而減小的規律。而在實際工程中，當壩體混凝土出現隱患病害、或高應力比（≥60%）以及高水力梯度，使裂縫的自愈現象逐漸消失（即裂隙中CaCO3的被滲流水析出）等情況時，滲透系數會顯著增大.
3 結 論
（1） 當水力梯度低于某個臨界值時，混凝土在短時間內滲透速率達到最大，隨后就逐漸降低并趨向于穩定值。
（2.） 混凝土的滲透系數隨滲透時間的減小近似呈負指數函數規律。
參考文獻
1 中華人民共和國國家經濟貿易委員會. 中華中華人民共和. 2001-12-26
2 PICANDET V, KHELIDJ A, BASTIAN G. Effect of axial compressive damage on gas permeability of ordinary and high-performance concrete [J]. Cem Concr Res, 2001,31（11）：1 525
3 TAKAFUMI S, THEODORE W B, THOMAS A H. Effect of stress on gas permeability in concrete [J]. ACI Mater J, 1996, 93（5）：443
4 阮燕，方坤河，吳玲. 混凝土的滲透溶蝕特性研究 [J]. 水力發電學報，2001，（1）：31
5 方永浩，李志清，張亦濤. 持續壓荷載作用下混凝土的滲透性[J].硅酸鹽學報，2005, 33（10）：1281
6 顧慰慈 著.滲流計算原理及應用.北京:中國建材工業出版社,2000
