水泥基材料渗透系数测定方法及试验装置

戴　维, 付传清,2,3, 刘佳敏, 黄彦鑫, 金南国

(1. 浙江大学 建筑工程学院, 浙江 杭州　310058; 2. 浙江工业大学 建筑工程学院,浙江 杭州　310014;3. 浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室, 浙江 杭州　310014)



水泥基材料渗透系数测定方法及试验装置

戴维1, 付传清1,2,3, 刘佳敏1, 黄彦鑫1, 金南国1

(1. 浙江大学 建筑工程学院, 浙江 杭州310058; 2. 浙江工业大学 建筑工程学院,浙江 杭州310014;3. 浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室, 浙江 杭州310014)

介绍了一种基于Darcy定律测定水泥基材料渗透系数的测定方法和试验装置。该试验装置包括试验筒体、注水增压单元、渗水量测定单元和带有控制面板的控制器。该装置能够有效保证密封性能,准确控制恒定压力,可以用于研究试件高度和截面面积对渗透系数的影响,适用于不同孔隙率水泥基材料的渗透性试验,真正达到用稳定流动法测定渗透系数的要求。

水泥基材料； 渗透系数； 孔隙率； 试验装置

混凝土是一种非均质多孔材料,其渗透性与混凝土结构耐久性密切相关[1-2]。混凝土的渗透性决定了侵蚀介质侵入混凝土的难易程度,直接决定着水泥基材料的碳化、离子侵蚀、钢筋锈蚀和抗冻融等性能,是影响混凝土结构物耐久性的重要因素之一[3-5]。研究水泥基材料的渗透性能,可为基于全寿命周期的混凝土结构设计提供基础支持,具有重要意义。

1　混凝土渗透性测定简述

国内外测定多孔材料渗透性的方法主要基于达西定律(Darcy’s Law),且测定主要针对岩土材料[6-7]。李守臣等[8]采用有限元模拟研究了岩土材料渗透系数与孔隙率的关系；Deek等[9]采用试验方法研究了含有有机物和矿物的多孔非均质土层的渗流和溶质传输问题；Morin[10]根据现场渗流观测数据研究了砂土和砂砾含水层的渗透系数与孔隙率的关系；Hunt[11-12]研究了非饱和土壤渗透系数的分形特征,并利用连续逾渗理论建立了非饱和土渗流的分形模型本构关系。然而,与岩土材料相比,水泥基材料的孔隙率却低得多,通常其孔径尺寸在微米和纳米尺度,孔隙迂曲度高、连通性低。因此,若要将水分从水泥基材料试件一侧渗透到另一侧,有非常大的难度,即使在高压水的作用下,孔隙水要渗透过一定厚度的水泥基材料需要十几天甚至数十天。水渗透过水泥基材料到达另一侧后,其渗流流量非常小,单位时间内渗流流量很难收集并精确测定。基于此,国内外目前尚无测定水泥基材料渗透系数的标准方法和装置。

我国《混凝土质量控制标准》(GB50164)给出了半定量评价混凝土抗渗性能的方法——渗透深度法和抗渗标号法,即在施加水压一定时间后将混凝土劈开量取水分渗入混凝土的深度,或记录水分由试件一侧渗透到另一侧的时间,以判断该混凝土是否符合工程应用要求。由于上述方法属于半定量分析,无法精确测定水泥基材料的渗透系数,该法主要针对工程应用,不足以用于测定材料的渗透系数等科学研究。张禾等[13]介绍了一种新研制的适用于测定塑性混凝土渗透系数的方法,但与《混凝土质量控制标准》(GB50164)中测定混凝土抗渗透性方法类似,也属于半定量法。钱吮智等[14]发明了一套恒定压力下测定混凝土中水渗透系数的测试装置,由于采用空压机压缩空气间接施加水压并采用电子天平称量渗透水的质量,难以适用于孔隙率低或不同尺寸的混凝土等材料渗透系数的测定，通常考虑荷载作用对水泥基材料渗透性的影响,主要是考虑垂直于荷载方向的渗透性。顾冲时等[15]发明了一种荷载作用下水分渗透系数的测定方法,该方法对低孔隙率试样同样存在局限性。

本文设计了测定水泥基材料渗透系数的试验装置并给出具体测定方法,可用于测定某种水泥基材料的渗透系数,特别是测定具有尺寸效应或不同孔隙率的水泥基材料渗透系数,可满足用稳定流动法测定不同尺度和不同密实度的水泥基材料渗透系数的要求。

2　设计框架

本水泥基材料渗透系数试验装置由试验桶体、注水增压单元、渗水量测定单元和带有控制面板的控制器4部分组成,其结构框图见图1。试验桶体内装有试件,试验桶体的进水口与注水增压单元连通；渗水量测定单元与试验桶体的出水闸阀连接；控制器包括时间控制单元和压力控制单元,压力控制单元信号输入端与设置在试验桶体内的压力传感器相连,控制器的信号输出端与注水增压单元的增压泵的控制端相连。

图1　结构框图

3　装置构成

为了满足不同孔隙率水泥基材料渗透系数测定的要求,设计了如图2(a)和图2(b)两套系统,分别用于测定低孔隙率和高孔隙率水泥基材料的渗透系数。

3.1试验桶体

试验桶体包括支架、两端带有盖板的压力桶以及装于压力桶内的压盘。压力桶的盖板示意图及试验桶体示意图分别见图3和图4(图中零部件的编号与图2联排)。试验桶体上下放置,方向不同,对应向上和向下渗水,分别对应低孔隙率和高孔隙率的试件,并采用高精度测水表测定渗水水量。

试验桶体包括两端敞口的桶体、第1盖板和第2盖板。第1盖板上设有出水闸阀和第1排气泄水闸阀,第2盖板上设有第2排气泄水闸阀；第1盖板、第2盖板密封夹在压力桶两端,第1盖板、第2盖板通过带有第1螺母的第1螺栓密封固接；第1盖板、第2盖板内表面均设有一圈环形凹槽,环形凹槽内配有相应的第1密封圈,且环形凹槽内有若干道同心条状凸起。环形凹槽的宽度为20 mm,深度为6 mm；第1密封圈、第2密封圈均采用5 mm厚的高韧度硅胶加工而成。压力桶内的试验水压力范围为0～5 MPa。

压盘通过带有第2螺母的第2螺栓与第1盖板内表面固接,压盘与第1盖板之间夹有试件,保持试件与压盘以及第1盖板接触处密封；压盘与试件之间、第1盖板与试件之间均夹有可以根据试件大小进行调整的第2密封圈。压力桶安装在支架上,盖板上设有用于与渗水量测定单元连通的出水闸阀和排气泄水阀；压盘中心设有通孔,并且压盘与其中一块盖板固接,试件夹在压盘与盖板之间；压力桶桶壁上设有连通压力桶内外的进水管,进水口通过三通阀与注水增压单元连通。

3.2增压系统

增压系统包括与外界水源连通的进水管、进水箱、增压泵、高压贮水箱、连接管。进水箱与增压泵的进水口管道连接,增压泵的出水口与高压贮水箱管道连接,高压贮水箱的出水口通过连接管与三通阀其中一个接口连通,进水管与三通阀的另一个接口相连接。

图2　水泥基材料渗透系数测定装置示意图

图3　试验桶体盖板示意图

图4　试验桶体示意图

3.3渗水量测定系统

渗水量测定系统包括用于测量低孔隙率试件的装置(第1测试装置)和测量高孔隙率试件的装置(第2测试装置),第1盖板装在试验桶体上端时对应安装第1测试装置；第1盖板装在试验桶体下端时对应安装第2测试装置。第1测试装置包括连接软管、用于固定测水表的铁架台、测水表阀门和测水表,第一盖板安装在压力测试桶上端开口处,连接软管的下端与出水闸阀连接,上端与测水表连接；并且测水表的下部安装一个测水表阀门。第2测试装置包括连接软管、收集瓶和电子天平,第一盖板安装在压力测试桶下端开口处,连接软管的上端与出水闸阀连接,下端伸入收集瓶内,收集瓶放置在电子天平上。

4　试验装置的工作过程

本测定试验装置的工作过程包括以下步骤:

(1) 试件预处理:将养护后的待测试件侧壁用石蜡密封。

(2) 安装试验桶体:将预处理后的试件装在试验桶体内,保证试件与试验桶体接触处以及整个试验桶体完全密封；然后将试验桶体的进水口通过三通阀与注水增压单元连通,将试验桶体的出水闸阀与渗水量测定单元连通。

(3) 试验桶体安装完毕后,通过进水管向试验桶体中注水至排气泄水阀有水流出时,停止注水,在控制器面板中设置压力参数后启动程序,增压泵启动,等到渗水量测定单元中的读数增加速率达到稳定状态后开始记录一定时间间隔内渗水量测定单元读数差值,所得结果取平均值即为流量Q。

根据Darcy定律,渗透系数计算公式为

(1)

式中,Q为指定试件内单位时间内透过试件水流量(cm3/s)；L为试件的厚度(cm)；A为水流通过试件的总截面积(cm2)；ΔP为压力差,因不考虑出水端压力,此处压力差值即为试验设定的施加水压力(MPa)。

(4) 试验结束后,先关闭增压泵,待压力全部卸载完成,再将试验桶体的水排出,取下试件。

测定低孔隙率混凝土材料的渗透系数时，由于低孔隙率水泥基材料渗水速率低,采用精度较高的测水表测定渗水量。对于高孔隙率的水泥基材料如轻质混凝土,只需将试验桶体方向上下颠倒,如图2(b)所示。渗水量测定由收集瓶和电子天平测定。

5　结语

本试验装置可以有效保证密封性能,能准确控制恒定压力,且水压力能达到低孔隙率水泥基材料渗透性试验的要求,从而实现用稳定流动法测定渗透系数的目的。该试验装置还可以用于研究试件高度和截面面积对渗透系数的影响,从而确定水泥基材料渗透性的尺寸效应,且适用于不同孔隙率水泥基材料的渗透性试验。试验方法在一定程度上克服了目前国内外在水泥基材料渗透性测试方法上的不足,可以真正达到用稳定流动法测定渗透系数的要求,从而满足水泥基材料渗透系数测定的实验教学或科研需求。

References)

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Methods and test apparatus of permeability coefficient determination with cement-based materials

Dai Wei1, Fu Chuanqing1,2,3, Liu Jiamin1, Huang Yanxin1, Jin Nanguo1

(1. College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2. College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China;3. Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology of Zhejiang Province,Hangzhou 310014, China)

A test method based on Darcy’s law and test apparatus utilized for determination of the permeability coefficient with cement-based materials were introduced. Test apparatus is assembled by a cylinder,a water injection booster unit,a water percolating capacity measurement unit and a controller with control panel. The apparatus is designed with good tightness and accurate control of constant pressure,and can be used to study the influence of specimen height and cross-section area on permeability,then the size-effect of cement-based materials on permeability coefficient can be determined. The used test method in permeability determination can overcome the shortage in some degree existed in previous study,and it can be used to determine the permeability coefficient of cement-based materials by the steady flow method.

cement-based material; permeability coefficient; porosity; test apparatus

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.025

TU528-33

A

1002-4956(2016)6-0094-04

2015-12-16修改日期：2016-01-30

国家重点基础研究发展计划资助(973计划)项目(2015CB655103)；国家自然科学基金资助项目(51308503，514784192016)；中国博士后基金特等资助项目(2015T80615)；中国博士后基金面上项目(2014M551743)

戴维(1991—)，男，浙江嘉兴，硕士研究生，主要从事混凝土结构耐久性研究

E-mail：chqfu@zju.edu.cn

付传清(1982—)，男，山东潍坊，博士，讲师，硕士生导师，主要从事混凝土材料及混凝土结构耐久性研究.

E-mail：chuanqingfu@126.com