补偿收缩混凝土抗渗性研究.pdf

第 4 6卷 第 2 3期 2 0 1 5年 1 2月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 46， No 23 De c，2 01 5 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 5 ) 2 3 0 0 7 3 0 4 补偿收缩混凝土抗渗性研究 张 营 营 ， 杨 毅 ( 黄河水利职业技术 学院 水 利系 ，河南 开 封 4 7 5 0 0 4 ) 摘要 ： 为探 究补 偿收缩混凝土 中膨胀 剂掺量 对混凝土抗渗性能 的影响 ， 以掺膨 胀剂后混凝 土的抗渗 性研 究为 重点 ， 对不 同水灰 比和不 同掺量膨胀 剂的补偿 收缩混凝土试件进行 了抗渗试验 ， 主要探讨 了水灰 比、 膨胀剂掺 量 两者耦合 对混凝土抗渗性能的影响 ， 并对最优值进行 了探讨 。试验 结果表 明 ： 水灰 比、 膨胀剂掺量均能影响 混凝 土的抗渗 性能 ， 两者 的组合 形式不 同， 对混凝 土的抗渗 性能影响也不 同； 水灰比为 O 4 5时 ， 掺入膨胀 剂反 而会 降低 混凝土的抗渗性能 ； 水灰比为 O 5 5和 0 6 5时， 混凝土 中掺入一定量膨胀 荆可以提 高其抗渗性能 ， 最 佳掺 量 分 别 为 6 一8 和 l 1 1 2 。 关键词 ： 补偿 收缩混凝土 ； 抗 渗性 ； 膨胀 剂；最佳掺量 中图法分类号 ： T V 4 3 1 文献标志码 ： A DOI ： 1 0 1 6 2 3 2 j c n k i 1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 5 2 3 0 1 7 近年来混凝土 的耐久性问题 日益为人们所关注。 混凝 土耐 久性 是结 构 在设计 使 用年 限 内抵抗 环境 介质 作用 ( 外界 和 内部 侵蚀破 坏 ) 、 维持 混凝土 结构 的安 全 、 正常使用 的能力 ， 包括抗渗性 、 抗冻性 、 抗 冲磨 性 、 抗侵蚀性等。美国的 Me h t a ， 英国的 N e v i l l e以及我 国吴中伟院士等都认 为大幅度提高混凝土的抗 渗性 ， 是改善混凝土耐久性 的关键 。膨胀剂作为一种特 殊的外加剂 ， 在混凝土拌和时适 当掺人 能使混凝土硬 化时产生适度膨胀 ， 从而有效抵消水泥硬化时 的体积 收缩 ， 对提高其抗裂能力具有显著效果。膨胀剂能否 改善混凝土 的抗渗性能 ， 国内外一些学者就此进行 了 一 些研 究 。在研 究 过 程 中发 现 ， 混 凝 土 中加 入 膨 胀 剂 在减少 混 凝土 收 缩 的 同 时 ， 膨 胀 剂 和水 泥水 化 反 应 产 生钙 矾石 ， 钙 矾 石 具 有填 充 、 堵 塞 毛 细孑 L 的作 用 ， 改善 了混凝土的孑 L 结构 ， 降低了总孔隙率 ， 提高了抗渗 性 ， 但不同膨 胀剂掺量对混凝 土抗渗性能影 响不 同。 吴 中伟在研究膨胀剂掺量时发现 ， 膨胀剂用量过多， 会 使混凝土变形落差 ( 收缩量) 加大 ， 使混凝土 的抗渗性 能劣化 。王 文龙 对膨胀剂掺量对 自密实混凝 土抗 渗性 的影响进行 了研究 ， 以干缩变形 和变形落差作为 辅助 指标 ， 确 定 了膨 胀 剂 的 最 佳 掺 量 ( 5 6 8 4 ) 。对于补偿收缩混凝土 ， 膨胀剂的掺量与其抗 渗性能有何关系 ， 最佳掺量又是多少 ， 该方面的研究成 果鲜有报道。众所周知 ， 当水泥品种一定时 ， 水灰 比是 影响抗渗性的主要因素。也就是说 ， 对于补偿 收缩混 凝土而言， 设计好水灰 比、 膨胀剂掺量是提高其抗渗性 能 的关键 。 基于上述原 因， 本文将 主要对不 同水灰 比下膨胀 剂 的最佳掺量进行研究 ， 以期 为高抗渗性补偿收缩混 凝土研究探索出新的路径。 1 试验方案 1 1试验原材料 水泥 采用 盾石 牌普 通硅 酸 盐 P 0 4 2 5 R型 水 泥 ， 执行标准 G B 1 7 52 0 0 7 ， 其技术指标见表 1 。砂石采 用渭河河砂 ， 细度模数 2 7， 视密度为 2 5 6 g c m 。粗 骨 料采 用渭 河卵 石 ， 视密度 为 2 6 3 g e m ， 经过 筛分 测 定卵石为 2 O一 4 0 mm单粒级 。骨料呈干燥状态 ， 拌和 用水为纯净的 自来水 。膨胀剂采用铜川市宝石精铸材 料有限公 司生产 的 A E AE F ， 执行 标准为 J C 4 7 6 2 0 0 1 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 50 50 6 基 金项 目： 水利部公 益性行 业科研专项经 费项 目( 2 0 1 3 0 1 0 2 5 ) 作 者简 介 ： 张营营 ， 女 ， 讲师 ， 硕 士研 究生， 主要从事水利 工程 方面的教 学和研 究。Em a i l ： y y y h h s y 1 6 3 c o rn 7 4 人 民 长 江 2 0 1 5丘 表 1 盾石牌 P O 4 2 5 R水 泥技 术指标 混凝土具体配合比设计见表 2 。坍落度设计为 3 0 5 0 m m， 采用假定表观密度法计算砂、 石 子用量 ， 膨 胀剂在试验 中采用 内掺法， 按等量替代水泥率来计算。 表 2 混凝土配合 比设计 1 2 试验方法 借鉴前人研究成果 ， 基 于控制变量法 ( 水灰 比控 制 为 0 4 5 ， 0 5 5和 0 6 5 ； 每个 水 灰 比下 膨胀 剂 掺 量控 制 为 0 ， 5 6 ， 8 4 ， 1 1 2 和 1 4 0 ) ， 利用 H S一 4 0 型混 凝 土渗透 仪 ( 见 图 1 ) 测 定 混 凝 土 试 件 2 8 d龄 期 的抗 渗性 能 。抗 渗试 模尺 寸 为上 口内径 1 7 5 mm， 下 口 内径 1 8 5 mm， 高 1 5 0 m m。密封材料为水泥加黄油。 图 1 HS 一4 0型混凝土渗透仪 目前在国内外应用较广泛的抗渗试验及评价方法 有渗水高度法 、 逐级加压法和相对渗透系数法。本次 试验 采用 ( 平均 ) 渗水 高度 法 ， 即通 过 在混 凝 土试 件 上 持续 8 h施 加 1 2 MP a的水 压力 ， 测 量 试 件 的渗 水 高 度 ， 计 算相 对 渗 透 系 数 ， 以反 映 混 凝 土 的抗 水 渗 透 性 能。该方法试验时间较短且试验结果 比较准确 ， 可操 作性较强。 2 试验 结果计算与分析 2 1 计算原理 试件渗水高度 以及相对渗透系数采用下式进行计 算。 1 1 0 D D ( 1 ) 式 中 ， D 为第 i 个试 件第 个测 点处 的渗水 高度 ， m m； D 为第 i 个试件的平均渗水高度 ， mm。 组试 件 ( 3个 ) 的平均 渗水 高度 为 1 3 D = D ( 2 ) 相对渗透系数为 ( 3 ) 式中， K 为相对渗透系数 ， c m h ； H为水压力， 以水柱 高度表 示 ， c m( 1 MP a水 压力 的水柱 高 度 为 1 0 2 0 0 c m) ； T为恒压时间， h ； a为混凝土 的吸水率 ， 一般为 0 0 3。 2 2 结果分析 当水灰比 W C为 0 4 5时 ， 养护 2 8 d后的试件抗 渗试验结果见表 3 。由表 3可 以看出 ： 对于该配合 比 的混凝土， 抗渗能力在膨胀剂掺量为 8 4 时最弱 ， 最 大相对渗透系数 K ， 为 0 9 21 0 。 c m s ， 平均相对渗 透系数 为 0 5 71 0 。 c m s 。 表 3水灰 比为 0 4 5时 的抗 渗 试 验 结 果 膨胀剂掺量 水压力 恒压时间 MP a T h 平均渗水 相对渗透系数 高度 D c m K ， (x1 0 。 c m s ) 0 1 2 5 6 1 2 8 4 1 2 l 1 2 1 2 1 4 0 1 2 0 7 9 1 0 7 1 4 7 1 1 6 I I 9 0 2 7 0 4 9 O 9 2 0 5 7 0 6 0 当水灰 比 W C增 大至 0 5 5时 ， 养 护 2 8 d后 的试 件抗渗试验结果见表 4 。由表 4可 以看出 ： 最大相对 渗透 系数 ， 为 1 6 91 0 。 c m s 时 ， 对 应 于膨胀 剂 掺 量为 1 4 0 ， 混凝土的抗渗能力最弱 。平均相对渗透 系数为 1 0 81 0 ” c m s 。 当水 灰 比 W C为 0 6 5时 ， 渗 水 高 度 法试 验 结 果 如表 5所示 。从 表 5中可 看 出 ： 相 对渗 透 系数 出现 了 第 2 3期 张营营 ， 等： 补偿 收缩混凝土抗 渗性研 究 7 5 3组实验的最大值 ， K ，： ： 4 0 61 0 。 c m s ， 对应该水 灰 比下 的膨胀剂掺量为 8 4 ， 此时混凝 土的抗 渗能 力最弱 ， 平均相对渗透系数为 2 0 3 X 1 0 。 c m s 。 表 4 水灰 比为 0 5 5时的抗渗试 验结果 膨胀剂掺量 水压 力 H 恒压 时间 平均渗水 M P a T h 高度 D c m (1 0 。 e ra s ) 表 5水灰比为 0 6 5时的抗渗试验结 果 膨胀剂掺量 水压力 H恒压时间 平均渗水 MP a T h 高度 D ； c m K ， (1 0 。 c m s ) 3 机理分析 根据试验结果 ， 绘制同一龄期下补偿收缩混凝土 水灰 比、 膨胀剂掺量与相对渗透系数关系 曲线如 图 2 所示 ( 为 了直 观地 比较抗渗性能 的大小 ， 纵坐标采 用 相对渗透系数的倒数 ， 即值越大 ， 抗渗性能越好 ) 。 图 2 同 一 龄 期 下 补 偿 收 缩 混 凝 土 水 灰 比 、 膨 胀 剂 掺量 与相对 渗透系数关 系曲线 由图 2分析可知： 混凝土中加入膨胀剂可 以使其 产 生微 膨胀 ， 有 效减 少混 凝土 的 收缩 ， 并 且 膨胀 剂和 水 泥 水化 反应 产生 钙 矾石 ， 钙矾 石具 有填 充 、 堵 塞 毛细 孔 的作用 ， 改善 了混凝土 的孔结构 ， 降低总孔隙率 ， 在一 定 程度 上可 提 高抗 渗 性 。但 在 不 同水 灰 比情 况 下 ， 膨 胀 剂对 其抗 渗性 能 影 响 不 同。 当不 掺 膨胀 剂 时 ， 混 凝 土的抗渗性能随着水灰 比的增大而减小 ； 当水灰 比为 0 4 5时， 混凝土的抗渗性能随着膨胀剂掺量 的增大总 体呈现减弱趋势 ； 当水灰 比为 0 5 5时 ， 该 曲线前段呈 峰型 ， 峰值出现在膨胀剂掺量 5 6 之间 ， 大于 9 时 ， 混凝 土 的抗渗 性 能受 其影 响很 小 ； 当水灰 比为0 6 5 时 ， 该 曲线 前段 大体呈 缓 下降趋势 ， 当膨 胀剂 掺 量大 于 8 时 ， 该 曲线呈峰型 ， 峰值 出现在 l 1 1 2 之间， 峰值后混凝土的抗渗性能随着膨胀剂掺量的增大急剧 减 弱 。 由表 3 5还可 以看出 ， 随着水灰 比的增大 ， 平均 相对渗透系数在逐步增大 ， 表示混凝土的抗 渗能力在 减小。当水灰比为 0 4 5时， 不掺膨胀剂时混凝土的抗 渗 性能 最 好 ； 当水 灰 比为 0 5 5时 ， 膨 胀 剂 掺 量 约 为 0 8 时混凝土的抗 渗性 能有所提高。然而为了使混 凝土具有一定的防裂能力， 膨胀 剂的最低用量不宜低 于 6 。那么， 为了得到高抗渗 防裂的混凝土 ， 膨胀 剂的最佳掺量应该控制在 6 8 之间； 当水灰 比为 0 6 5时， 膨胀剂掺量约为 9 1 4 时混凝土 的抗渗 性能有所提高。而膨胀剂掺量低于 9 时 ， 并 不能提 高混凝土的抗渗性能 。对于该现象 ， 赵顺增等人认 为 水灰 比的影 响更 多地 体现在 强 度发展 与膨 胀速 率 的辩 证关系方面 。低水灰 比导致早期强度高 ， 这会制约 膨胀的发展 ； 高水灰比会降低早期强度， 没有足够的强 度骨架支撑 ， 也会降低有效膨胀 ； 其次是孔 隙率的影 响 ， 高水灰比会导致高孔隙率 ， 进而会消耗有效膨胀 。 由此可知 ， 水灰 比较大时 ， 膨胀剂需要 较大的掺 量 ， 才能发挥补偿收缩作用 。但是 ， 膨胀剂 的掺量也不 能过大 ， 否则不仅影响混凝土膨胀值 ， 还会对其体积稳 定性有所影 响。掺量过高会 导致水泥初期反应 不完 全 ， 发生 二 次反应 产 生延 时钙 矾石 ， 引起 过度膨 胀 而使 混凝 土 开裂 ， 导致 混 凝 土 耐 久 性不 良。用 于补 偿 收 缩 混 凝土 的膨 胀剂 掺量 不 宜大 于 1 2 9 。综 合 考 虑 ， 水 灰 比为 0 6 5时 ， 膨胀剂 的最佳 掺量应 控制在 1 1 1 2 之 间 。 4 结 论 ( 1 )水灰比、 膨胀剂掺量均能影响混凝土 的抗渗 性能 ， 两者的组合形式不同， 对混凝土的抗渗性能影响 也 不 同。 ( 2 )水灰 比为 0 4 5时， 掺入膨胀剂反而会降低混 凝土的抗渗性能 ； 水灰 比为 0 5 5时， 混凝 土中掺入一 定 量膨 胀 剂 可 以提 高其 抗 渗性 能 ， 最 佳 掺 量 为 6 8 ， 比不掺膨 胀剂 的混凝 土 的抗 渗性能提 高 了约 3 倍 ； 水灰 比为 0 6 5时 ， 混凝土 中掺入一定量膨胀剂也 可以提高其抗渗性能 ， 最 佳掺量为 1 1 1 2 ， 比不 掺膨胀剂的混凝土的抗渗性能也提高了约 3倍。 参 考文 献 ： 1 牛获涛 混凝土结构耐久性与寿命 预测 M 北京 ： 科 学 出版社 ， 2 0 0 3 2 冷发光 ， 周永祥 混凝土 耐久性及其检验 评价 方法 M 北京 ： 中 国建材 工业出版社 2 0 1 2 3 迟 陪云 现代 混凝 土技术 M 上海 ： 同济大学出版社 1 9 9 9 7 6 人 民 长 江 2 0 1 5生 4 5 6 7 陈月顺， 曾三海， 李厚祥 ， 等 隧道 自密 实防水混凝土抗渗 性试验 研 究 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 5， ( 5 ) ： 8 2 0 W e i S u n， Hu i s u C h e n ， Xi n L u o， e t a 1 Th e e f f e c t o f h y b r i d fi b e r s a n d e x p a n s i v e a g e n t o n t h e s h r i n k a g e a n d p e r me a b i l i t y o f h i g h p e r f o r m a n e e c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h 。 2 0 0 1 ， 3 1 ( 4 )： 5 9 5 6 O1 陆晗。 王卫仑 膨胀剂对混凝 土渗透性的影响 J 混 凝土， 2 0 1 0， ( 4 )： 5 7 5 8 昊中伟 ， 廉 慧珍 高性 能 混凝 土 M 北 京 ： 中 国铁 道 出版 社， 8 9 1 0 1 9 9 9 王文龙 膨胀 剂掺量对 自密实混凝 土抗渗性的影响 J 科技创新 导报 ， 2 0 0 9， ( 1 2 ) ： 2 42 5 游宝坤 ， 李乃珍 膨胀剂及其补偿 收缩混凝 土 M 北 京： 中 国建 材 工 业 出版 社 。 2 0 0 5 赵 顺增 ， 刘立 ， 昊 勇， 等 HC S A 高性 能 混凝 土膨胀 剂性 能研 究 J 膨胀荆与膨胀混凝 土， 2 0 0 5 ， ( 3 )： 38 ( 编辑 ： 胡旭 东) Re s e a r c h o n i m p e r m e a b i l i t y o f s h r i nka g e - c o mpe ns a t i ng c o n c r e t e ZHANG Yi n g y i n g，YANG Yi ( D e p a r t m e n t o f W a t e r C o n s e r v a n c y ，Y e l l o w R i v e r C o n s e r v a n c y T e c h n i c a l I n s t i t u t e ， K a ir e n g 4 7 5 0 0 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：To e x p l o r e t h e i n flu e n ce o f e x p a n s i v e a g e nt c o n t e n t o n i mp e r me a bi l i t y o f s hr i n ka g ec o mp e n s a t i ng c o n c r e t e ，f o c u s i n g o n t h e s t u d y o f t h e i mp e r me a b i l i t y o f t h e c o n c r e t e a f t e r t h e a d d i t i o n o f e x p a n s i v e a g e n t ，t h e c o u p l i n g i n f l u e n c e s o f t w o f a c t o r s，wa t e rc e me nt r a t i o a nd e x p a ns i v e a g e nt c o n t e nt ，o n t he i mpe r v i o us p e r f o r ma nc e o f c o nc r e t e a nd t h e o pt i ma l v a l ue a r e di s c us s e d o n t he ba s i s o f t he i mp e r me a b i l i t y t e s t o n s h r i n ka g ec o mp e ns a t i n g c o n c r e t e s p e c i me n s Th e r e s e a r c h r e s u l t s i nd i c a t e t h a t t h e wa t e rc e me nt r a t i o a n d do s a g e o f e x pa ns i v e a g e n t a f f e c t t h e i mp e r me a b i l i t y o f s h r i nk a g ec o mp e n s a t i ng c o n c r e t e，a n d d i f f e r e nt c o mbi n a t i o n s h a v e d i f f e r e n t e f f e c t s Whe n t he wa t e rc e me nt r a t i o i s 0 4 5，t he e x p a n s i v e a g e n t wi l l r e d u c e t h e i mp e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e；whi l e t h e wa t e rc e me n t r a t i o s a r e 0 5 5 a n d 0 6 5，t h e c o n c r e t e mi x e d wi t h a c e r t a i n a mo un t o f e x pa n s i o n a g e n t c a n i mpr o v e i t s i mp e rm e a b i l i t ya n d t he i r b e s t d o s a g e s a r e fro m 6 t o 8 a nd 1 1 t o 1 2r e s p e c t i v e l y Ke y wor ds： s h r i n ka g ec o mp e n s a t i ng c o nc r e t e；i mp e r me a b i l i t y；e x p a ns i v e a g e n t ；be s t do s a g e ( 上接第 5 4页 ) 】 St a t us q u o o f s u pp o r t i n g s c h e m e f o r l a r g e d e f o r m a t i o n t un ne l a nd p r o s p e c t s o f a ne w t y pe o f s t r e s s y i e l d i n g s u pp o r t i ng s y s t e m Z HU An l o n g ， WANG Bo ， XU i a n g q i a n g ， WANG Yo n g ( 1 P o w e r C h i n a H u a d o n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i mi t e d ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a ； 2 K e y L a b o r a t o r y ofT r a n s p o r t a t i o n T u n n e l En g i n e e r i n g u n d e r Mi n i s t r y o fE d u c a t i o n， S o u t h we s t J i a o t o n g U n iv e r s i t y ，Ch e n g d u 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a； 3 Ha n g z h o u F e n g q i a n g Ci v i l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ，Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 8，C h i n a) Abs t r a c t： W i t h t he r a pi d d e v e l o p me n t o f t he i n fra s t r u c t ur e c o n s t r u c t i o n i n o u r c o u n t r y，mo r e a n d mo r e d e e pb u r i e d l a r g e a n d l o ng t un n e l s a r e bu i l t i n t he a r e a s wi t h hi g h g e o s t a t i c s t r e s s a n d p o o r g e o l o g i c a l c o n d i t i o ns La r g e d e f o r ma t i o n o f t u n ne l s u nd e r h i g h g e o s t a t i c s t r e s s a n d s o ft s u r r o u n d i n g r o c k p o s e s a t h r e a t t o t h e p r o j e c t s a f e t y F o r e i g n a n d d o me s t i c l a r g e d e f o r ma t i o n t u n n e l s up p o r t i n g s y s t e m a r e i n v e s t i g a t e d a n d r e s e a r c h e d Th e r e s u l t s s h o w t ha t ：t h e c u r r e n t t r e a t me n t o f l a r g e t un ne l d e f o r ma t i o n i n t r a ns p o rta t i o n，h y dr o po we r a n d wa t e r c o n s e r v a n c y i nd u s t r i e s i s u s i n g s t r o ng s up p o r t o r l a y e r e d s t r o n g s u p p o r t ，whi c h t u r n s o u t t o be ma t e r i a l c o ns umi ng a nd i n e f f e c t i v e i n e l i mi na t i o n o f d a ma g e s c a us e d b y l a r g e d e f o r ma t i o nHo we v e r i n c o a l mi ni n g i n du s t ry ，a s t r e s sy i e l di ng s up p o rti n g s o l ut i o n i s a d o p t e d a nd p r o v e d s u c c e s s f u l i n t r e a t me nt o f l a r g e de f o r ma t i o nTh r o u g h c o mp a r a t i v e a na l y s i s o f t h e s e t wo s u p po rti ng s o l u t i o ns ，i t i s c o nc l u de d t h a t t h e s t r e s s y i e l d i n g s u p po rti ng s y s t e m o v e r c o me s t h e d r a wba c ks o f t he c u rre nt s up p o rti n g s y s t e m u s e d i n t r a n s po rta t i on，h y d r o p o we r a nd wa t e r c o n s e r v a nc y i n du s t r i e s a n d h a s a g o o d a pp l i c a t i o n p r o s pe c t s K e y wo r ds：l a r g e d e f o r m a t i o n t u nn e l ；s t r o ng s u pp o r t ； l a y e r e d s up p o r t ；s t r e s s yi e l d i n g s u p p o rt