水力梯度作用下水在混凝土中的渗流研究.pdf

施 工 安 全Maritime Safety 水上安全163作者简介：汪沈平，男，硕士，助理工程师，研究方向为多孔介质渗流。水力梯度作用下水在混凝土中的渗流研究汪沈平（中船勘察设计研究院有限公司，上海 200333）摘要：为探究水在混凝土材料中的渗透规律，使用渗透仪开展混凝土渗透试验。以不同强度的混凝土构件作为对照，通过在混凝土内外产生不同的水压差，探究水力坡度作用下混凝土内水的渗流规律，并对试验结果进行了拟合，求得不同强度的混凝土试件的渗透系数和起始水利坡度。试验结果表明：水在混凝土内的渗流规律可以用带有起始水力坡度的达西定律进行描述，水在混凝土中的渗流具有起始水力梯度，起始水力梯度的大小与混凝土自身的性质有关，但表现为混凝土的渗透系数越小，起始水力梯度越大。该试验对混凝土的渗透模型提供了数据支撑。关键词：混凝土；低渗透介质渗流；水力坡度0 引言由于混凝土耐久性的问题；提前发生劣化的混凝土结构所要进行的维护和重建工作给日益紧张的资源与能源供应提供巨大的负担1。钢筋混凝土结构的耐久性问题是协调经济发展与资源能源之间矛盾的关键，是实现社会可持续发展的核心问题，提高钢筋混凝土结构的耐久性已经无法避免，刻不容缓。影响混凝土耐久性的各种破坏过程均与水相关，因此混凝土的渗透性是评价混凝土耐久性的重要指标。混凝土作为复杂的多相材料，且其内部的渗流结构会随着胶凝材料里碱性物质的水化而不断发生改变。孔隙内水的渗流也促进了水化产物的发育，其试件在经过水渗流前后的质量变化量和流入流出水的变化量相关性良好，其一部分渗流的水分用于水化反应的消耗之中，一部分水存留于未饱和孔隙内并转化为自由水。因此对混凝土的水渗透性及其内部的渗流规律的探究难度增大了。国内外研究者2都很早曾发现低渗透介质（致密的固结黏土层以及特殊集配的土内，岩芯）中的非达西现象，并尝试用建模的方式对其现象进行描述，国内外的不同学者也提出了经过试验数据检验的理论模型。低渗透介质中（介质渗透率小于 10 15m2），利用含有起始水力坡度的扩展形式的达西定律来表征水在其内部的渗流是非常常见的3-5。混凝土作为典型的低渗透介质，水在其中的渗流规律可通过实验来揭示。1 水力梯度作用下混凝土内部水渗流规律1.1 渗流试验与数学模型混凝土属于固结型低渗透多孔介质3，其内部水在压力梯度作用下会在孔隙内部形成渗流，为探究水在混凝土内部的渗流规律，开展了混凝土的渗流试验。使用中国生产型号为 PH4.0 型混凝土渗透仪为混凝土试件提供水压。PH4.0 型渗透仪广泛使用在测定混凝土的抗渗性能的试验中，其利用 90W 电机为水泵充压，用管道将压力水送到各个试件下方，渗透仪最大工作压力为 4MPa，通过电控芯片自动恒压（详见图 1）。图 1 混凝土渗透仪示意施 工 安 全水上安全 2023 年 第 7 期164使用渗透仪配套铸铁制模具，制备上底面直径175mm，下底面直径 185mm，高 150mm 的圆台型试件。同时制备 100mm100mm100mm 的同配合比的立方体试件。采用型号为 PO42.5 的普通波特兰水泥，水泥的化学成分如表 1。为让水更加自由地在混凝土中渗流达到减减少验时间，更强试验效果的目的，制备具有较高渗透性能的混凝土试件。参考过去学者对探究混凝土水渗透性所制备的试件6，设计出两组水胶比分别为 0.65 和 0.5的混凝土试件。使用级配合格的当地河沙，根据 GB/T146842022建设用砂7的规定测定河砂的表观密度，细度模数和颗粒级配为了排除搅拌时带入氯离子对试验的结果产生干扰，配置用水均采用去离子水并且搅拌用的粗骨料在配置前预先用去离子水洗净并放入烘箱中晾干。称量所需要的砂，石和水泥，先干搅拌后放入一半质量水，搅拌 2min 后加入早强减水剂和剩余的水，早强减水剂可以减少拌和是水的用量，增加砂浆的流动性并且极大地减少养护所需的试件，减水剂是通过增加混凝土中的填充水，提高有效拌和水来提高混凝土的流动性，因此可以不改变原来混凝土的配合比，提高混凝土拌合物的和易性。本次试验采用减水率与水泥相容性良好的聚羧酸系高效减水剂，为透明无色液体，无沉淀，本减水剂在混凝土养护 7d 时，其强度可达到 28d 强度的 90%，试件的配合比如表 2 所示。试件浇筑成型后 24min 拆模后即放入养护室（20 1，90%湿度）养护。7d 后取出试件。为了检测试件的成型状况，将立方体试件脱模清理完表面之后进行抗压强度测试，测试的结果如表 3。为提高圆台型试件内部的饱和度，增大试件渗透性，提高试验速度，将圆台试件转移至真空饱水机中进行饱水处理。自动真空饱水机北京耐尔得仪器厂提供，编号为 NEL-VJH，抽压到达 24h 后，内部的真空度到 1MPa。由于试件的厚度较大，且本仪器主要用于快速氯离子迁移试验中，用以饱和厚度为 3cm 的混凝土片，该试件还需在渗透仪上进行渗流饱和。饱水处理后，将试样的外部套上乳胶膜，以防止加压时漏水。最后利用万能试验机，以 3kN/s 的速度对试样加压，考虑到试件最小抗压强度为 165kN，为保证试件安全，取 120kN 作为最大压力，压力加至 120kN 后稳压 3min，使试块完全压入抗渗仪钢模之中。将装进钢膜的试块用螺栓固定在到混凝土渗透仪加压平台上，压入钢膜的试块用螺栓固定在到混凝土渗透仪加压平台上，由于混凝土为低渗透介质，其渗透性极低，且普通情况下水泥颗粒的不断水化，导致其内部的渗流结构时刻处于非稳定的状态，当渗透的水压从小到大增长时，其内部在较低的水力梯度作用下无法形成相互连通的孔道，混凝土自身渗透性的变化对试验结果影响较大，因此实验的水压力由大至小而施加。启动混凝土渗透仪恒压 0.7MPa，使混凝土试件内部孔隙迅速被击穿使渗透性相对稳定，直到 2 个试件顶部透水，逐步减小渗透仪的水压，当流量稳定后（每 3h 流量基本不变），每 8 或 12h 读取流量。钢模和试件的结合体在混凝土渗透仪上用铆钉相连，底部用挤压防水胶圈的方式进行水密性处理，保证增加压力后水无法从其底部深处，而试件周围表 1 水泥的化学成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2ONa2O20.874.873.5964.472.132.520.650.11表 2 试件的配合比与处理方式标号水灰比水早强剂砂碎石水泥A10.651754.0357621144260.5A20.651754.0357621144260.5B10.51955.8357491125383.2B20.51955.8357491125383.2表 3 混凝土抗压强度组编号水灰比1 号试件/kN2 号试件/kN3 号试件/kNA0.5200.4203.9207.9B0.65165169.5168施 工 安 全Maritime Safety 水上安全165使用黄油和乳胶膜的方式也保证了环向周围的密封性（图 2 所示）。当水流达到稳定之后，根据试验的数据，混凝土中水的渗流速度可以表示为 （1）式中：v 为水平均流速；Q 为流量；t 为渗流时间；A为面积，m2；k 为介质渗透系数；为溶液的黏滞系数，MPas。1.2 水在混凝土中的渗流规律绘制水力梯度-流速曲线并对试验数据进行拟合。如图 3 所示，拟合而成的渗流曲线有 2 个主要特点：1）具有起始水力坡度（曲线不过原点），当外部的水力坡度小于试件的起始水力坡度时，混凝土中的渗流速度为 0。2）当水力坡度大于起始水力坡度时，渗流速度和压力梯度近似呈线性关系。这和低渗透介质中水的渗流规律非常相似，低渗透介质中（介质渗透率小于 110-15m2），利用含有起始水力坡度的扩展形式的达西定律来表征水在其内部的渗流是非常常见的8-10。混凝土的渗透系数小于一般意义上的低渗透介质，其水流的非达西性也更明显20，即为 （2）式中：J 为水力坡度；J1为试件的起始水力坡度，MPa/cm。这里使用水力传导系数 K 来表征介质的在特定流体的渗透属性，K 与介质渗透率 k 的关系为 （3）式中：K 为水动力传导系数，m/s；为流体的密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2。表 4 试件渗流特性表编号曲线/（MPa/cm）K/（m/s）0.5y=0.7787x-0.001822.3410-32.16210-100.6y=0.86476x-0.00333.8210-32.40110-102 分析混凝土中渗流曲线的起始水力坡度产生的原因可图 2 渗流试验示意图图 3 渗流规律曲线水力坡度/（MPa/cm）水力梯度/（MPa/cm）y=0.86476x-0.0033（R2=0.74623）y=0.7787x-0.00182（R2=0.8755424）量筒钢模实验液压压力混凝土样品螺母175150施 工 安 全水上安全 2023 年 第 7 期166能有两点。1）混凝土本身没有从顶面到底面完全连通的孔隙，较低的水力梯度无法完全打通其内部的孔隙，因此无法形成连续稳定的渗流。2）水在细小毛细管时，水体可被分为靠近管道中心的体相流与靠近管道表面的界面流11，体相流指的是不受界面影响的流体，而界面流产生的原因是水体和界面的相互作用，当管径越小时，其界面流对整个流体的影响就越大，使其黏度不再是常数，因此体现出宾汉姆（Bingham）流体的性质。3 结束语探究了水力坡度影响下混凝土内氯离子运移的规律。通过试验探究了水在水力坡度的作用下在混凝土中的运动规律，利用试验加解析手段对 0.02MPa/cm 水力坡度下的混凝土中氯离子分布情况进行分析，开展压汞实验对水力梯度作用下混凝土的孔隙结构展开分析。研究认为：1）水在混凝土内的渗流规律可以用带有起始水力坡度的达西定律进行描述。2）水在混凝土中的渗流具有起始水力梯度，起始水力梯度的大小与混凝土自身的性质有关，但表现为混凝土的渗透系数越小，起始水力梯度越大。3）起始水力坡度产生的原因可能为混凝土本身没有从顶面到底面完全连通的孔隙，较低的水力梯度无法完全打通其内部的孔隙，因此无法形成连续稳定的渗流。水在细小毛细管时，水体可被分为靠近管道中心的体相流与靠近管道表面的界面流，体相流指的是不受界面影响的流体，而界面流产生的原因是水体和界面的相互作用，当管径越小时，其界面流对整个流体的影响就越大，使其黏度不再是常数，因此体现出Bingham 流体的性质。4 参考文献1 中国腐蚀成本 编委会.中国腐蚀成本 M.北京:科学出版社,2017.2 姚约东,葛家理.石油非达西渗流的新模式 J.石油钻采工艺,2003(5):40-42,95.3 黄延章.低渗透多孔介质中的非线性渗流理论 J.力学与实践,2013,35(5):1-8.4 刘凯,文章,梁杏,等.一维低渗透介质非达西渗流实验 J.水动力学研究与进展,2013,28(1):81-87.5 OLSENHW.DeviationsfromDarcysLawinsaturatedclays 1J.Soil Science Society of AmericaJournal,1965,29(2):135-140.6 BANTHIAN,BIPARVAA,MINDESSS.PermeabilityofconcreteunderstressJ.Cement&ConcreteResearch,2005,35(9):1651-1655.7 GB/T146842022:建设用砂 M.北京:中国建筑工业出版社.2011.8 齐添,谢康和,胡安峰,等.萧山黏土非达西渗流性状的试验研究 J.浙江大学学报(工学版),2007,41(6):1023-1028.9 方坤河,阮燕,曾力,等.混凝土允许渗透坡降的研究 J.水力发电学报,2000,19(2):8-16.10 方永浩,岑奕侃,赵伟,等.混凝土的渗透性经时变化规律研究 C/中国硅酸盐学会.第十届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文摘要集.北京:中国硅酸盐学会，2007：57.11 方坤河,阮燕,曾力.混凝土允许渗透坡降的研究 J.水力发电学报,2000,19(2):8-16.