水工混凝土抗氯离子渗透特性试验研究_徐方.pdf

以位于余干县黄金埠镇境内信江左岸的金埠圩为背景，采用 NEL 法展开水工混凝土试件制备及抗氯离子渗透性能试验，通过配合比、矿物掺合料、水灰比、混凝土龄期等因素，分析混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律。结果表明，混凝土抗氯离子渗透性能是耐久性分析及设计的关键，采用湿筛小试件混凝土抗渗指标表征水工大体积混凝土抗渗性能并不真实，如必须采用湿筛小试件混凝土抗渗指标，则必须考虑水工大体积混凝土抗渗性能所存在的尺寸效应。关键词：水工混凝土；抗氯离子渗透特性；试验；配合比中图分类号：TU528文献标识码：B0 引 言水利工程建设中常常面临堤坝混凝土耐久性问题，水工堤坝混凝土耐久性受到诸多因素的影响，破坏机理也较为复杂，但就其实质而言都与混凝土渗透特性有关。结合水工堤坝所处环境、所发挥的作用及使用寿命，堤坝混凝土在抗渗性能方面的要求比普通混凝土更高。我国目前的水工堤坝通常采用三级或四级配混凝土，骨料粒径最大达到 120150mm，混凝土重量中粗骨料占比在60%70%，但当前水工混凝土技术要求及质量检测均将大体积混凝土经湿筛除去粒径在 40mm 以上骨料后成型小试件，并进行抗渗标号测试和抗渗性能评价。这种处理会使混凝土中粗骨料含量减少 12倍，混凝土配合比也会随之发生较大变化，进而造成试验结果和抗渗性能的差异。为此，以位于余干县黄金埠镇境内信江左岸的金埠圩为依托，对堤身、堤基和穿堤建筑物除险加固过程中所使用的水工混凝土渗透性能展开试验分析，为水工混凝土抗渗性能评价及水利工程施工质量提升提供保证。1 试验材料及配合比设计1.1 试验材料为展开水工混凝土抗渗性能试验，必须准备好水泥、粉煤灰、砂石骨料等试验材料，其中水泥采用的是强度等级 52.5 的普通硅酸盐水泥，其基本物理力学性能见表 1；粉煤灰则为取自工程所在地某电厂的级粉煤灰，其表观密度为 2.3g/cm3，需水量 94.0%，细度 15.9%，28d 强度比为 78.5%；砂石骨料则选用大理岩和正长岩加工而成的人工骨料，性能具体见表 2。试验材料物理力学性能均满足水工混凝土试验规程 SL352-2018相关规定。表 1 普通硅酸盐水泥物理力学性能表观密度/g（cm3）-1比表面积/kg-1凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa安定性初凝终凝3d28d3d28d3.21339554521.849.44.38.4合格文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期 2022-02-23作者简介 徐方（1988-），男，江西余干人，工程师，从事水利工程规划、设计、管理工作。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.030 26 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）表 2 砂石骨料物理力学性能母岩岩性骨料类型表观密度/g（cm3）-1压碎指数/%针片状含量/%吸水率/%细度模数大理岩粗骨料2.6925.74.30.87/细骨料2.72/1.342.21正长岩粗骨料2.7815.98.70.54/细骨料2.77/1.212.341.2 混凝土配合比设计以用量 400kg/m3 的水泥为混凝土胶凝材料，用水量按照 180kg/m3 确定，为分析水工混凝土强度受不同矿物掺加料的影响程度，应分别采取以下几种胶凝材料方案：无矿物掺合料掺加；用25%粉煤灰代替水泥；用 8%硅灰代替水泥。将以上 3 种方案分别编号为 SY1、SY2、SY3，每种方案中不同水灰比再细化编号，设计配合比及试验结果具体，如表 3 所示。表 3 设计配合比及试验结果试件编号水灰比材料用量/kg（cm3）-1电导率/mScm-1渗透系数/10-8cms-1水泥砂石粉煤灰硅粉SY1-10.3450620000.7495.05SY1-20.4420630000.8385.61SY1-30.5360640001.4539.74SY1-40.6328650001.58610.52SY1-50.7300660002.27815.23SY1-60.8514670002.92619.44SY2-10.338462012800.5873.78SY2-20.433663011400.6714.51SY2-30.530064010000.8145.43SY2-40.62906509200.9006.04SY2-50.72456608001.0266.78SY2-60.82286707501.2848.64SY3-10.34736200400.4753.21SY3-20.44266300350.5863.95SY3-30.53686400320.7434.98SY3-40.63316500280.8265.54SY3-50.73026600260.9996.71SY3-60.82676700221.1247.552 试验方法为保证试验结果的准确性，此次试验主要采用NEL 法，该测试方法是由清华大学路新瀛教授在电迁移及离子扩散等基础上所提出的水工混凝土渗透性能试验检测技术，后来也被称为饱盐混凝土电导率法，该方法也是我国混凝土结构耐久性设计及施工指南 CCES01-2018所推荐的方法1。试验开始前将水工混凝土制成直径 100mm、厚度 50mm的圆柱体，因再生粗骨料表明粗糙且多孔隙、多棱角，故在混凝土搅拌过程中使骨料外部裹覆矿物掺合料。具体而言，将粗细骨料混合后持续搅拌23min，加入拌和用水后再搅拌 23min，以使粗骨料吸水饱和；添加矿物掺合料后搅拌 23min，最后添加剩余的水泥和水。经过以上处理，使骨料外部均匀裹覆矿物掺合料的同时，还能保证矿物掺合料充分吸收界面区 Ca(OH)2后生成水化硅酸钙凝胶。将制备好的混凝土试件在标准养护条件下养护至 28d 龄期，此后按照设计尺寸切分试件，切割好后放入真空饱盐设备中抽真空 3h 并饱盐 18h，使试件成为仅含有氯离子的导电“粒子元件”；将试件取出后固定于 2 个紫铜电极之间，并向其施加110V 的直流电，在 1015min 时间内检测试件两端电压以及过试件电流，并进行试件电导率计算2。水工混凝土试件氯离子渗透系数可根据Nemst-Einstein 方程进行计算，将试件视为固体电解质，则混凝土中带电粒子渗透系数便主要取决于其偏电导3。公式如下：22iiiiRTtDZ F C=（1）式中：Di为粒子渗透系数，cm2/s；R为气体常数；T 为绝对温度，；it为粒子迁移数；为混凝土试件电导率；iZ为电荷数；F 为法拉第常数；Ci为水工混凝土试件中氯离子浓度，mol/cm3。根据式（1），为准确确定水工混凝土试件渗透系数，必须先确定出相应粒子迁移数，结合此次试验过程，水工混凝土试件需要在真空设备中经4mol/L 的 NaCl 溶液饱盐处理，为简化分析，可假定该迁移数接近 1.0。试件饱盐后的电导率经下式计算：itVA=（2）式中：i为测试电流，mA；t为试件厚度，cm；V为测试电压，V；A为混凝土试件面积，cm2。3 试验结果及分析根据对试验过程的分析看出，影响水工混凝土抗渗性能的因素主要有材料组分及配合比、工作环境、混凝土水灰比、骨料特性、混凝土龄期及含气量、荷载与变形作用、微裂缝宽度等方面。其中，27 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）水灰比、混凝土龄期、骨料特性及含气量是主导性因素，其余因素均直接或间接与这几个因素有关。3.1 混凝土水灰比水灰比属于混凝土密实性和渗透性判定的宏观性指标，混凝土结构的抗渗性主要与水泥浆液硬化后的孔隙大小及分布情况有关，硬化后的水泥浆液内孔隙率越大，渗透系数自然越大，抗渗性能也越差。结合相关研究，混凝土内孔隙可分成以下等级：孔径不超出 20nm 为无害孔级；孔径位于 2050nm为少害孔级；孔径在 50200nm 为有害孔级；孔径超出 200nm 则为多害孔级。随着混凝土水灰比的增大，其孔隙率随之增加，无害孔和少害孔之比随之降低，有害孔和多害孔之比增大，混凝土结构抗渗性能随水灰比的增大而呈降低趋势4。当混凝土水灰比从 0.5 增大至 0.7 时，渗透系数增大倍数达到 100 多倍；而当水灰比从 0.65 降至 0.55 时，渗透系数降幅仅为原来的 30%。根据不同水灰比下水工混凝土抗渗性能的试验与分析，在水灰比取 0.43 的情况下，大、小试件水工混凝土渗透系数之比为2.5，而在水灰比取0.55时，大、小试件水工混凝土渗透系数之比增大为4.1。表明，大体积水工混凝土渗透系数对混凝土水灰比较为敏感。故在控制胶材用量并考虑施工要求的基础上，应使用高效减水剂降低降低水灰比，以提升混凝土材料的耐久性。3.2 混凝土龄期一般情况下，随着水工混凝土养护龄期的增大，其渗透系数随之减小，主要原因在于混凝土材料中的水泥所发生的水化作用是长期的，而水化至一定程度后这种作用速度便会减缓，与此同时，新生水化物会持续占据水泥结构中的毛细孔结构，使毛细孔之间的连通性持续减弱，水泥浆液硬化后的渗透系数也随之降低。根据对不同龄期水工混凝土抗渗性能的试验可以看出，随着龄期的推延，水工混凝土渗透系数呈减小趋势，抗渗性能不断提升。就试件尺寸影响混凝土渗透性能方面，在混凝土 28d 龄期时，大小试件渗透系数比取 6.58，而当混凝土180d龄期时，大小试件渗透系数比降至1.41。表明，水工混凝土早晚龄期渗透系数差异较大。3.3 含气量将一定量引气剂掺入混凝土中，通过搅拌可以产生大量稳定、均布、封闭的微小气泡，以切断混凝土结构内毛细孔的连续性，阻隔毛细孔通道，起到减小和控制裂缝持续延伸发展的作用。根据对不同含气量影响抗渗性能程度的试验及分析看出，含气量从 3.5%增大至 5.5%，水工混凝土渗透系数降幅可达到 36.0%58.1%，而当含气量从2.5%增大至 4.5%，水工混凝土渗透系数降幅可达到 73.2%90.0%。此外，通过向水工混凝土中掺加引气剂以提升含气量，能显著提升水工混凝土抗渗性能，且具体的影响程度随着混凝土水灰比的增大而增大。3.4 母岩岩性采用不同母岩所加工成的骨料在吸水率、粗糙程度、凹凸程度、强度等方面均存在差异，进而会影响水工混凝土渗透性能。结合金埠圩除险加固工程实际，针对相同混凝土强度等级下不同母岩岩性人工骨料水工混凝土抗渗性能进行了试验与分析。根据试验结果，水工混凝土渗透系数随骨料吸水率的增大而呈降低趋势，抗渗性能提升，主要原因在于吸水率高的骨料可吸收水泥浆液部分水分，使周围水灰比降低，形成弱界面的不利因素得到消除后水泥浆液渗透性也随之降低。3.5 矿物掺合料根据对水工大体积混凝土细观结构的分析，水泥砂浆、骨料及两者粘结界面是影响混凝土抗氯离子渗透性能的主要方面。混凝土中的水泥材料水化后主要生成氢氧化钙晶体和水化硅酸钙凝胶，其中，水化硅酸钙凝胶比表面积大且颗粒粒径小，可与混凝土结构中的其余构造较好粘结；而氢氧化钙晶体比表面积小且颗粒粒径大，结晶后板面会覆盖在骨料表层，遭受氯盐腐蚀的可能性也较大。所以，氢氧化钙晶体含量越高，对混凝土渗透性能越不利；而水化硅酸钙凝胶占比及质量越大，水工混凝土渗透性能也越好。通过掺加矿物掺合料，改善水工混凝土抗氯离子渗透性能的机理可从两个方面解释：一方面，矿物掺合料中 Al2O3、SiO2等活性成分可与氢氧化钙发生火山灰反应，进而生成水化铝酸钙和水化硅酸钙凝胶，使氢氧化钙晶体的不利影响降低、水工混凝土渗透性能改善；另一方面，矿物掺合料对水工（下转第 72 页）72 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）期均为中营养，可知总磷能够达到地表水类标准，总氮均为劣类水，应该引起重视，采取措施消除影响；叶绿素 a 的含量变化不大，8、9 月含量稍有升高；高锰酸盐指数 9 月份含量较大。参考文献：1 周宇.碧流河水库富营养化分析与评价 J.水土保持应用技术，2020(06)：39-40.2 刘振宇.石佛寺水库水质富营养化评价 J.水土保持应用技术，2019(02)：21-22.3 全占东.基于生态水文理念下的流域水资源评价 J.黑龙江水利科技，2016(12)：108-111.4 丛子健，李娜.农业耕作措施对旱坡地面源污染物拦截的影响 J.水土保持应用技术，2021(01)：22-24.5 李选彧.基于改进有限差分算法 ELM 模型的径流模拟 J.水土保持应用技术，2021(03)：18-19.6 胡庆武.OBS-3A 浊度仪在锦州地区含沙量测验中的初探 J.水土保持应用技术，2021(04)：38-40.混凝土结构具有填充效应，混凝土属于多组分多相复杂结构体系，各组分之间存在一定的紧密堆积难度，组分颗粒之间的空隙受到矿物掺合料填充后胶凝材料级配可得到改善，混凝土密实度及渗透性能也会因水泥浆体及界面结构的致密性而提升5。硅灰比表面积是粉煤灰及矿渣比表面积的 38倍和 50 倍，故其火山灰效应也更加显著，在混凝土中掺加硅灰后能促进水泥生成更多的水化硅酸钙凝胶；此外，硅灰粒径均值明显小于粉煤灰和矿渣，能发挥更好的空隙填充效果。3.6 水工混凝土抗渗性能的尺寸效应根据以上试验，水工大体积混凝土渗透系数及抗渗性能的变动趋势与湿筛小试件混凝土一样，均随着水灰比的降低和龄期的增大而减小，但是水工大体积混凝土的渗透系数取值远大于湿筛小试件混凝土渗透系数；且在其他条件不变的情况下，前者为后者的 1.4112.8 倍，这意味着两者之间存在一定程度的尺寸效应。这种尺寸效应包含两方面含义，一方面指骨料粒径增大而对混凝土抗渗性能产生的影响程度；另一方面则指混凝土体积增大对其抗渗性能的影响程度。通过分析水灰比和水工混凝土渗透系数尺寸效应的关系，在以大理岩为母岩制备骨料时，水灰比从 0.42 增大至 0.55，尺寸效应系数增大倍数可达到 1.5 倍，而以正长岩为母岩所制备的人工骨料，水灰比从0.45增大至0.53，尺寸效应系数仅增大1.2倍，表明水工混凝土渗透系数尺寸效应与水灰比呈正向变动关系。相反，水工混凝土渗透系数尺寸效应随混凝土龄期的增大而减小。总之，水工混凝土渗透系数尺寸效应系数并非恒定值，其取值主要与水灰比和龄期有关。4 结 论综上所述，为保证水工堤坝大体积混凝土施工质量及抗渗性能，必须结合工程实际展开大体积混凝土抗渗特性试验研究，对水工混凝土抗渗性能展开准确评估。文章应用NEL方法展开水工混凝土抗氯离子渗透性能试验，根据试验结果，随着混凝土水灰比的增大、混凝土养护龄期的延长、含气量增加、骨料吸水率增大、矿物掺合料的使用，混凝土渗透系数均减小，抗渗性能得到提升。但是该试验方法预饱和技术因试件干燥时微裂缝的存在，会对混凝土原有孔隙结构造成损害，反而使其渗透性增大；溶液在试件结构中也无法分布均匀，对于大体积水工混凝土内部很难达到完全饱和。此类问题只能随着试验技术及试验设备的不断发展而逐步 解决。参考文献：1 张晶.双掺纤维膨胀剂水工混凝土抗裂性能试验研究 J.吉林水利，2021(06):35-37.2 范华峰，翟盛通，张坤强，等.外掺花岗岩石粉对水工混凝土抗渗、抗冻性能的影响 J.混凝土，2021(04):61-66.3 任玉杰.三种掺粉煤灰水工混凝土抗渗性能对比试验研究 J.水利科学与寒区工程，2021，4(02):42-45.4 肖延亮，袁琼，周钟.水工混凝土限制水灰比研究J.水电站设计，2020，36(03):95-99.5 宋峰.水工混凝土表面不同防护材料抗渗性能对比试验研究 J.江苏水利，2020(03):43-46，50.（上接第 27 页）