重晶石掺量对重混凝土渗透性能的影响

侯景鹏,付雪晴,徐涵思

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.东北电力大学教务处,吉林 吉林 132012)

重混凝土又称防辐射混凝土或核反应堆混凝土[1]，能有效屏蔽原子核辐射、有毒废弃物及放射线造成的伤害，被广泛应用于国防工程的建设中，改善重混凝土的耐久性对提高结构性能和延长结构的服役寿命有重要的现实意义[2-3].

外界水分与混凝土接触时，水在压力差和毛细孔的表面张力作用下向混凝土内部迁移，发生渗透现象.混凝土水渗透系数是衡量耐久性的关键参数.国内外学者对混凝土的抗渗透性开展了大量研究，徐宝维[4]通过掺入粉煤灰和高效减水剂以改善混凝土的内部孔结构，提高整体抗渗性.M.I.Khan[5]用硅灰等量替代8%～12%的水泥，得到理想的混凝土抗渗透性.丁一宁[6]研究纤维对带裂缝混凝土渗透性能的影响，发现其渗透率与同等裂缝宽度的素混凝土相比有不同程度的降低.王强[7]对比了不同养护方式对混凝土表层渗透性的影响，结果表明混凝土的表层抗渗透性与湿养护时间成正比.

本文取C30混凝土，模拟二维截面中粗骨料在富勒级配下的实际分布状态及内部流体的运动情况，研究重晶石替代卵石粗骨料百分比对混凝土内部水分传输机理的影响，进而评价水渗透系数，确定重混凝土的理论配合比.

1 算法模型建立

选用C30卵石混凝土，材料性能如下：P.O32.5的水泥，富余系数为1.00，粗骨料最大粒径20 mm；砂率28%；水灰比0.38.拌合物坍落度为35 mm～50 mm，密度为2 400 kg/m3，具体配合比，如表1所示.边长为150 mm的正方体试件中粗、细骨料用量，如表2所示.

表1 混凝土配合比

表2 粗细骨料用量

在模拟混凝土骨料分布时，假设骨料为球型，用一个随机平面截取试块，截面上骨料呈圆形.由表2计算该试件中粗、细骨料所占体积比为45.54%、17.78%，粗骨料占截面的72%，满足普通混凝土骨料面积占截面之比为60%～75%的要求[8].

采用富勒级配计算各级粒径粗骨料的质量，选取常用粒径：5 mm、10 mm、15 mm和20 mm.

富勒级配公式为

p=100(d/D)1/2，

(1)

公式中：p为质量筛余百分率；D为最大骨料粒径；d为常用骨料粒径[9].

计算出不同粒径粗骨料在截面内的数量，如表3所示.

表3 不同粒径骨料在截面内的数量

建立150×150 mm2混凝土截面，利用MATLAB在0 mm～150 mm之间随机生成横、纵坐标，按二维随机分布模型投放骨料，投放标准为：根据骨料的粒径和个数从大骨料开始投放，且新骨料不与原有骨料重叠或凸出投放域，最后检验骨料面积百分比是否达到要求.骨料最终投放分布状态如图1所示.做残差分析，残差曲线如图2所示，收敛结果满足要求.

图1 骨料投放分布图图2 残差曲线

2 重晶石防辐射混凝土水渗透性能模拟

2.1 建模及数值模拟重混凝土内部云图

根据二维截面模型中骨料投放分布状态，对平面内157粗颗骨料进行编号，定义重晶石替换比为权重.为保证变量的唯一性，对不同模型选用相同的渗流速度入口边界条件、外部压力出口边界条件.修改密度、空隙率、吸水率和硬度等参数，建立骨料替换比为20%、30%和40%的重晶石混凝土骨料模型，结合重晶石与水泥砂浆粘接带参数，模拟对应内部流体压力场、渗流速度场和速度矢量云图结果，如图3～图6所示.

对比不同重晶石替换百分比的混凝土内部流体压力场云图，发现压力值分布沿渗透方向整体呈逐渐减小的趋势，垂直渗透方向的骨料两侧压力场大体呈对称分布.保持骨料大小、形状和位置不变，改变重晶石体积替换比，混凝土内部压力场无明显变化，普通卵石混凝土内部压力范围为-3.34e-01 Pa～2.08e+00 Pa，骨料替换比为20%、30%和40%的重晶石混凝土内部压力平均值为-3.31e-01 Pa～2.08e+00 Pa，差别小于1%，忽略不计.

观察渗流速度场云图，由于骨料的阻碍和边界效应，骨料-水泥砂浆界面过渡区内流体速度很小，且成对称分布.过渡区以外的流体沿渗透方向形成微连通通道，随重晶石替换比的增加，通道逐渐收窄，内部渗流速度场明显减小，普通卵石混凝土内部速度为1.40e-03 m/s～2.80e-02 m/s，骨料替换比为20%、30%和40%的重晶石混凝土内部速度分别为4.22e-04 m/s～8.43e-03 m/s，1.41e-04 m/s～2.81e-03 m/s，1.40e-04 m/s～2.80e-03 m/s，较普通卵石混凝土减小一个数量级，且随着骨料替换比的增加，下降幅度减小.

从压力场云图可以确定截面内各处流体的速度矢量，在出口边界处由于内外压强差产生反向压力，从速度矢量云图中发现流体有反渗透趋势甚至出现局部回流现象.重晶石具有高密实性，与水泥砂浆有较强的粘结力，能改变材料的孔结构和水分传输机理，使渗流过程受阻，渗流方向发生明显曲折变化，混凝土中流体运动速度减小，进而改善混凝土的抗渗性.

2.2 确定重晶石最优替换百分比

渗透系数一方面取决于材料本身，另一方面取决于流体的性质[10]，计算公式为

(2)

μ=0.001 779/(1+0.033 66t+0.000 221t2)

.

(3)

由公式(2)计算骨料替换百分比为20%、30%和40%下重混凝土的水渗透系数分别为1.156×10-7m/s、9.44×10-8m/s和7.96×10-8m/s，比普通混凝土降低82%、86%和88%.变化趋势如图7所示，随着骨料替换比的增加，混凝土的水渗透系数降低，且下降幅度随骨料替换比的增大而减小.综合考虑经济和抗渗性能评价指标，最佳重晶石骨料替换百分比为30%.

3 结 论

(1)基于二维随机分布模拟普通卵石混凝土骨料在富勒级配下的分布状态，得到混凝土二维截面粗骨料的实际分布情况.

(2)随重晶石替换比的增加，重混凝土内部流体速度明显减小，速度矢量方向发生曲折变化，抗渗性能得到改善；但压力场无明显的变化.

(3)重晶石的掺入，使重混凝土相对水渗透系数降低，改善了结构的耐久性.综合考虑，最佳重晶石骨料替换百分比为30%.