塑性混凝土抗渗性试验及渗透系数测试方法

宋致军，申 勇，张尚芳

（1.山东水发黄水东调工程有限公司，山东 济南250000；2.山东省水利科学研究院，山东 济南250014）

塑性混凝土是一种新型的防渗材料，《水工塑性混凝土试验规程》（DL/T 5303-2013）[1]中提出了实验室检测塑性混凝土抗渗性能的抗渗等级、相对渗透系数和渗透系数三种试验方法。前两种试验的检测设备可利用混凝土抗渗仪完成，但该仪器却不适用于渗透系数试验，山东省水利科学研究院研制的塑性混凝土渗透仪在结构特性上符合渗透系数试验装置的技术要求，具有较高的测试精度和可靠性。

1 塑性混凝土抗渗性能试验方法

1.1 抗渗等级试验

该方法与目前我国对普通混凝土抗渗等级的评定方法基本一致。仪器设备采用的是混凝土抗渗仪，试件规格为上口直径175 mm，下口直径185 mm，高150 mm 的截头圆锥体。试验采用6个试件，从试块底部逐级增加水压力，以停止试验时记录下的水压力换算成塑性混凝土的抗渗等级。试验过程简单直观，结果粗略，存在抗渗等级相同但实际抗渗性能相差很大的现象。因此，该试验无法准确地反映塑性混凝土的实际抗渗能力。

1.2 相对渗透系数试验

塑性混凝土相对渗透系数的测定是通过测量塑性混凝土在恒定水压力下的渗水高度计算出来的。试验设备、试件规格及密封防渗方式与抗渗等级试验相同。试验方法是将混凝土抗渗仪的水压力一次加到规定值，保持恒压24 h，卸压后用压力机将试件劈开，分别测量10 等分点的渗水高度，取其平均值作为该试件的渗水高度，折算出相对渗透系数。这种方法是一种快速抗渗试验法，由于采用了一次性加压，加速了试验进程，缩短了试验时间，因此以往在研究塑性混凝土抗渗性时多采用该法。但是，塑性混凝土是非匀质材料，把一个劈裂断面上平均渗水高度当作整个试件的渗水高度，在取值上存在简化，相对渗透系数的准确性得不到保证。并且，塑性混凝土相对渗透系数与其强度有关，强度越大渗透系数越小，试验测得的塑性混凝土渗透系数的准确性很容易受到试验水压大小和恒压时间长短的影响[2]。因此，相对渗透系数法大多应用于不同塑性混凝土试件的抗渗性比较。

1.3 渗透系数试验

渗透系数试验是测量一段时间内压力水流过塑性混凝土试件的渗流量，根据达西（Darcy）定律确定其渗透系数。采用两个试件为一组，试验设备、试件规格及密封防渗方式与上述两种试验相同。根据设计要求的水力坡降，计算试验时的水压力，一次加压至计算的水压力，开始记录时间。用足够多的滤纸覆盖有渗水试件表面，间隔1～2 h 取出滤纸称重，记录连续6 个时段的渗水量，计算各时段的渗透系数，以数值居中的4个测值的平均值作为试验结果。渗透系数试验采用的是基于稳定渗透法的达西定律，其物理意义非常明确，因而用该方法得到的渗透系数，数据真实可靠。但是，受试验装置影响，混凝土抗渗仪进行塑性混凝土渗透系数试验还存在较多问题。

2 塑性混凝土渗透系数试验存在的问题

一是试件是使用螺旋加压器压入试模中的，由于塑性混凝土的强度相对较低，在压样过程中极有可能对试件的内部结构造成破坏，形成渗水通道，影响试验结果的准确性。

二是为了保证密封止水效果，混凝土抗渗仪试件采用了上、下口直径不同的截头圆锥体，达西定律中的试件截面积，只能用平均截面积替代而非恒定的过流面积。

三是混凝土抗渗仪缺少集水装置，渗出水靠滤纸吸附，6～12 h 的试验时间，其渗出水的损耗（蒸发、滴落）会直接影响结果的准确性。

3 塑性混凝土渗透系数测试装置

塑性混凝土渗透系数试验装置应该具备的功能特性包括：在结构上必须符合达西定律；试件的应力状态明确，渗透面积恒定；试验装置能有效解决绕渗问题；对试件施加的渗透压力稳定可靠。根据这一特性，在没有专用于塑性混凝土渗透系数测定仪器和相应试验方法的背景下，国内许多科研单位进行了大量研究，自制测定塑性混凝土渗透系数的仪器设备。山东省水利科学研究院研制的塑性混凝土渗透仪（发明专利号：ZL 201110191480.0），解决了塑性混凝土渗透系数试验设备存在的问题，通过在京沪高铁、南水北调工程等实际工程中的应用，取得了良好效果[3]。

3.1 塑性混凝土渗透仪的工作原理

塑性混凝土渗透仪的工作原理如图1 示。试件侧面涂密封胶，外裹橡皮膜，在压力室内对试件施加周围压力。渗透压力是利用气压将水箱内的水压入试件底部，渗透水由下而上透过试件排入量水管，读取量水管刻度，可得到一段时间内的渗透流量，按达西定律计算出试件的渗透系数。

3.2 塑性混凝土渗透仪的结构特点

1）仪器原理符合达西定律，能够准确测量渗透水量，渗透系数测值可靠。

图1 塑性混凝土渗透仪工作原理图

2）试件由下而上渗透出水，应力条件明确，试件为圆柱形，渗透面的截面积为定值。

3）压力室中周围压力始终大于渗透压力，避免了试样出现绕渗的现象，密封止水效果好。

4）气压在水箱内转换为水压，可对试件高度方向施加稳定的渗透压力。

该渗透仪研制成功后，已应用于南水北调东线调蓄水库等工程的防渗墙配合比试验和截渗墙的渗透系数检测中，取得了显著的经济效益和社会效益。大量的工程实例验证了该试验设备具有检测数据可靠、适用性强、操作简便等特点，能满足塑性混凝土、水泥土、灰浆材料等防渗墙体的渗透系数试验要求。

4 结 语

综上所述，塑性混凝土抗渗等级试验完全套用了水工混凝土的抗渗试验方法，结果粗略，不建议作为塑性混凝土抗渗性能的评定指标；塑性混凝土相对渗透系数是通过渗水高度折算出来的，物理意义不明确，并且受试验水压和恒压时间等外在因素的影响较大，建议用做试件之间的抗渗比较；塑性混凝土渗透系数试验，渗透条件明确，所得结果可靠，但难点在于暂时没有定型的专用设备。建议下一步在相关检测实验室中，加速推进成熟产品的应用，落实完善与之配套的试验方法。