塑性混凝土渗透系数检测技术

姚学健,毛锡玉，韩　峰

(1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013；2.山东水利技师学院，山东 淄博 255130；

3.山东水务混凝土外加剂有限公司，山东 济南 250210)



塑性混凝土渗透系数检测技术

姚学健1,毛锡玉2，韩峰3

(1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013；2.山东水利技师学院，山东 淄博 255130；

3.山东水务混凝土外加剂有限公司，山东 济南 250210)

摘要：塑性混凝土作为新型高性能混凝土材料由于发展时间晚，其渗透性能检测和评价尚待完善。本文针对塑性混凝土的性能特点，在实践经验的基础上，就渗透原理、试验设备装置设计、过程参数选择以及结果处理进行分析论证，提出了先确定极限渗透坡降，后检测渗透系数，合理取值，以真实反应其渗透性能。该法可对工程实体取芯、塑性混凝土配合比设计进行检测和确认。

关键词：塑性混凝土；渗透系数；技术要素

塑性混凝土是一种以膨润土、黏土等掺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。塑性混凝土具有弹性模量低、极限应变大、弹强比小等优点。在水利电力工程上，设计指标范围如下：抗压强度1～5 MPa，弹性模量小于3 000 MPa,允许渗透比降50～60，渗透系数小于1×10-6cm/s。近几年来，塑性混凝土防渗墙施工技术日臻成熟，被广泛用于河道堤防、水库围坝等地下加固防渗工程。由于塑性混凝土发展时间晚，抗渗性能的检测还没有建立相应的方法和技术标准。根据近些年来对塑性混凝土检测案例，分析总结了稳定渗流法检测渗透系数的技术要素，该法具有应力状态、渗透条件明确，结果准确，简便快捷等优点。

1渗透系数检测原理

塑性混凝土为一种多孔介质，组份主要包括水泥、膨润土或黏土、粉煤灰、水、外加剂以及砂石骨料等材料，力学特性介于土和普通混凝土之间。经验证明在多孔介质中，达西定律也是适用的[1]，其物理意义为单位高度的塑性混凝土在单位水头作用下，单位时间内透过单位面积的水量,或表示单位水力梯度下水在塑性混凝土孔隙中的平均渗流速度(单位时间内的渗透深度)。稳定渗流法是利用达西定律，通过对塑性混凝土试件或芯样采用渗透检测装置取得通过试件的水量，进而得出渗透系数。

达西定律的公式

(1)

式中:K为渗透系数，cm/s；Q为t时间内通过试件的水量，cm3；L为试件高度，cm；A为试件截面积， cm2；H为作用水头，cm；t为渗透时间，s。

渗透比降的公式

(2)

(3)

式中：J为水力比降；J极为渗透破坏极限水力比降。

将式(2)带入(1)可写为

(4)

对同一种规格型号的塑性混凝土材料来说，在渗透破坏极限水力比降(最大水力比降)范围内，渗透系数应该是一个常量。

2渗透系数测试装置设计

常规土工渗透试验运用的是达西稳定渗流原理[2]，但是常规的土工渗透试验仪施加的渗透压力有限，渗透试验时间极长(一般试验至少需要300 h以上)也很难解决试样侧壁的渗漏问题[3]。普通混凝土渗透试验方法有两种，逐级加压法和相对渗透系数法。混凝土逐级加压法试验结果粗略，不能准确地反映塑性混凝土的实际抗渗能力，并且试验的最终结果得不到渗透系数。相对渗透系数法，其物理意义不明确，是由渗透高度折算得到，渗透高度测量偏差较大，该法更多是用来对普通混凝土抗渗性能的复核比较，用作评价塑性混凝土的渗透系数并不恰当[4]。

由于渗透系数的物理意义非常明确,国内许多学者针对塑性混凝土稳定渗流试验设备及方法进了大量研究,清华大学等很多科研机构开发研制了不同型式的渗透检测装置。该仪器功能应具备以下特性：①结构功能符合达西定律；②试样密封后的渗透条件、应力状态明确；③提供稳定、可控的压力源，量程0～0.5 MPa,分辨率0.01 MPa；④准确测量单位时间段的试样渗出水量。经过测试证明在塑性混凝土渗透极限水力坡降范围内，渗透流量与水力坡降基本上呈线性关系，符合塑性混凝土的一般渗透规律，测得渗透系数是可靠的，塑性混凝土渗透仪试验原理见图1、图2。

图1　塑性混凝土渗透仪试验原理图

图2　试样受力状态示意图

3过程参数的选取

3.1试件形状与尺寸

塑性混凝土试件形状应与设备装置相吻合，方便安装拆卸，侧表面易于密封，不能产生绕渗或侧渗。参照土工渗透试验和全级配普通混凝土渗透系数试验方法，试件应为圆柱形。试件的尺寸方面，试样直径和高度应不小于最大骨料粒径的3.5倍[5]，现场钻孔取芯的试件，其直径应为100 mm，且不宜小于骨料最大粒径的3倍；也可采用小直径的芯样试件，但其直径应70～75 mm,且不得小于骨料最大粒径的2倍[6]。目前，塑性混凝土均为泵送施工工艺，粗骨料为一级配，粒径范围5～20 mm,因此渗透系数试样直径优选为100 mm，高度100 mm。考虑到粗骨料多级配，试样直径可选用150 mm,高度120 mm或150 mm。

3.2渗透压力与加压时间

由于塑性混凝土强度较低，如果加载的渗透压力小，试件不渗水，测不到检测结果。如渗透压力大，在塑性混凝土达到临界比降前，所加载的水压力可能已超过其抗压强度，导致试件被压碎，因此渗透压力的选取对渗透系数影响极大。

渗透压力选取计算公式

(5)

式中：H为试验作用水头；K为取值系数，取0.6；J极、L同式(1)。

在实践中发现，随着渗透压力的增加，当K>0.6时，渗透系数有减小的趋势，呈现不稳定数值，主要原因是渗透压力改变了塑性混凝土内不稳定的毛细管道。根据中国水利水电基础工程局及清华大学的研究成果，塑性混凝土的极限水力坡降可达 286～500。考虑到塑性混凝土强度低，试验中渗透压力大小的选取不一定合适，建议先做试件的极限渗透坡降(破坏试验)，再做渗透系数，该法参数相互衔接，结果更趋合理，可全面评价塑性混凝土的渗透性能。塑性混凝土试验过程中渗透压力和渗透时间的选取参考值见表1。

表1　塑性混凝土渗透系数试验过程压力、时间参考值

3.3渗透流量

经上述渗透压力调试，当3个试件全部渗水后，连接好积水瓶，测量单位时间内的出水量，即渗透流量。

(6)

式中：q为渗透流量，其他同上。

每4～8 h读取一次积水量，直至每个试件等时段内出水量相近时方可停止试验。将式(6)带入式(4)

(7)

(8)

从式(8)可以看出，对于截面积一定的试件，渗透流量q与水力比降J成线性关系，当渗透压力增加到一定数值时，如果渗水量急剧变化，渗水中出现颗粒物或颜色混浊导致试件破碎，表示已经达到最大水力降或渗透破坏水力比降。

3.4结果处理

塑性混凝土制作试件和现场钻孔芯样渗透系数的结果处理应区别对待，目的是以反映真实情况。制作试件，可参照普通混凝土试件制作和养护规定执行，每组3块试件，3块试件测值的平均值作为该组试件的渗透系数。当3个试件中的渗透系数最大值或最小值之一与中间值之差超过100%，取其他2块的平均值。当3个试件中的渗透系数最大值或最小值与中间值之差均超过100%，该组试验应重做。制作试件主要是考虑制作或养护过程中的人为失误因素，同时考虑到影响渗透系数因素多，差值在1个量级内是可取的。对于钻孔芯样，应按照每组3块试件测值的平均值作为该组试件的渗透系数，因为反映的是实际质量情况。

4结论

(1) 稳定渗流检测法建立在科学的基础上，利用达西定律能够定量分析塑性混凝土的抗渗指标，对指导塑性混凝土参数设计，改善材料配合比，评价工程质量起到了技术支撑。

(2) 提出了塑性混凝土检测系数检测设备装置设计的基本要求：压力源稳定、可控、准确，试件围封好，渗水量计量准确，操作简便、快捷，易于掌握。

(3) 根据塑性混凝土抗压强度低的特点，先做塑性混凝土极限水力比降，然后再合理确定试验所采用的渗透压力和稳压时间，该法操作性更趋合理，可全面反应出塑性混凝土的渗透性能指标。

(4) 塑性混凝土渗透系数检测技术日趋成熟，尽快编制水利行业检测规范，以促进高性能混凝土的发展。

参考文献：

[1]Scheidegger A E.The Physics of Flow through Porous Media(王鸿勋等译，多孔介质中的渗流物理) [M].北京石油工业出版社，1982.

[2]中华人民共和国水利部.土工试验规程：SL 237—1999[S].北京：中国水利水电出版社，1999.

[3]宿辉．塑性混凝土抗渗测试方法及性能评价研究[J]．农村水利水电，2007( 10)：91-93．

[4]张禾，姚坤，王飞.一种测定塑性混凝土渗透系数的试验装置[J].水利水电技术,2012(6):97-99.

[5]中华人民共和国水利部.水工混凝土试验规程：SL 352—2006[S].北京：中国水利水电出版社1999.

[6]中国建设标准化协会.钻芯法检测混凝土强度技术规程：CECS 03:2007[S].北京:中国计划出版社,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

中图分类号：TU528.32

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)01-0035-03

作者简介：姚学健(1970-)，男，高级工程师，主要从事水利工程质量检测与评价方面的工作。E-mail:13306406033@126.com