围压作用下混凝土渗透性初步研究.pdf

第 4 2卷 第 2 4期 2 0 1 1年 1 2月 人 民 长 江 Yan g t z e Ri v e r Vo 1 42 No 2 4 De c， 2 011 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 1 ) 2 4 0 0 5 8 0 3 围压作用下混凝土渗透性初步研究 王 凤 波 ， 宋 汉 周2 ， 曹 朝 雷 ( 1 金肯职业技术 学院 ， 江苏 南京 2 1 1 1 5 6 ； 2 河海大 学 地球 科学与工程 学院 ， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ； 3 美 国 富顿集 团， 江苏 南京 2 1 0 0 1 7 ) 摘要 ： 混凝 土介质 的抗渗性是其耐 久性 的一 个重要方 面。通过 试验 ， 揭示 了混凝 土试件的渗透 率在 围压 升降 循环过程 中的变化特性 ， 获得 了混凝土试件在相 同渗压 、 不同围压作 用下的渗 透率特征 曲线 ， 以及在 围压升 降 过程 中混凝土试件渗透率的变化曲线。试验 结果表 明： 混凝 土试件 的渗透 率 变化 与 围压 的变化呈 负指数 关 系； 在 围压 升降循环过程 中， 低 围压阶段 混凝 土试件 的渗透 率对围压改变的敏 感性 大于高围压阶段 ； 在不 同的 围压升降循环过程 中， 试件 的渗透 率具有不 同的恢复率 ； 在 围压升降过程 中， 混凝土渗透率 的变化具有一 定不 可 逆 性 。 关键词 ： 围压；升降循环 ； 渗透 率；混凝 土材料 中图法分类号 ： T V 4 3 1 文献标志码 ：A 大坝、 桥墩、 海上建筑物等混凝土结构处于水环境 中， 在不 同水压力作用下， 混凝土介质的抗渗性表现出 很大差异。混凝土介质的抗渗性直接影响其耐久性 ， 一 直以来， 混凝土介质的抗渗性是国内外专家、 学者重 点关注的问题。方坤河 、 阮燕等比较详尽地研究 了水 工混凝土在不同试验条件下的渗透性 I 4 ， 揭示 了渗 透性与龄期 、 渗透历时、 水力梯度等 因素之间的关系。 速宝玉等研究了混凝土的渗透性在不同水力梯度下与 达西定律的关系 ， 并对渗透系数进行了统计分析。 宋汉周等建立统计模型对坝址混凝土渗流量进行统计 特征分析 ， 并进行防渗效果评价。显然 ， 大坝一类 水工混凝土建筑物在工作时， 处于复杂的应力环境 中， 不仅水力梯度对其工作性状产生影响 ， 而且围压对其 也将产生影响。但对于混凝土介质处于围压条件下的 渗透 性研究 目前 还 比较 少 ， 本 文 通 过试 验 初 步 揭示 了 混凝土介质的渗透性在围压作用 以及围压升降循环过 程中的变化特性 。 1 试验简介 1 1 试 件制备 混凝土试件采 用直径 D为 5 0 mm， 高度 日为 5 0 mm的圆柱型块体。试验采用 的材料为 P O 3 2 5号 硅酸盐水泥 、 细砂和石子， 骨料粒径大小为 51 0 m m。 所用的拌和水为 自来水 。混凝土的配合 比 C ： s ： G ： W =1 ： 1 6 4 ： 3 3 2 ： 0 5 ， 按 规 范养护 至规 定龄 期 。 1 2 试验 方法 进 行渗 透性试 验 的原理 可用 达西 定律 描述 。通 过 测出某时段的流量， 可求 出试件于相应时段 内的渗透 率 k值 ， 它是表征混凝土试件孔结构的一个重要指标 。 围压试验仪器是 英 国 E L E国际公 司生产 的 C o n s t a n t P r e s s u r e U n i t 7 0 5 1 0 0 ， 工作范围为 0 7 0 MP a 。水压 试验仪器也是该公司生产 的 P r e s s u r e T e s t 3 5 0 0 ， 工 作 范围为 03 5 MP a ， 上述两个仪器的特 点是精度高 ， 直接手动加压即可使压力从 零上升到所需值 ， 并保持 压力不变 ， 无衰减 。试验原理如图 1所示。 2 试验成果及分析 2 1 相 同渗压 、 不 同围压下的 k值 变化 该试验在渗透压应力保持 2 MP a ， 围压应力分别 为 3 ， 4， 5 MP a下进行 。在不同围压的试验条件下 ， 混 凝土试件于某时段具有不同的渗透率值。其随时间的 收稿 日期 ： 2 0 1 11 01 7 作者简介： 王风波， 女 ， 讲师， 主要从事建筑材料、 建筑力学的教学科研工作。Em a i l ： f e n g b o w a n g 1 9 7 8 g m a i l c o rn 第 2 4期 王凤波 ， 等： 围压作用下混凝土渗透性初 步研 究 5 9 变化特性分别见 图2 4 。 l l H L 目 _ -，_P I _ 一 l l 图 1 试验 原理 ( 图 中， o r 。 为渗透压应 力。 为围压应 力 ) 由 图 2 4可 以看 出 ： 0 2 4 4 8 7 2 9 6 1 2 O 1 4 4 1 6 8 1 9 2 2t 6 时间 t h 图 2 围压 3 MP a 相 同渗压作用下试样的 k 值 变化 图 3 围压 4 MP a 相 同渗压作用下试样的 k 值 变化 图 4 围压 5 MP a相 同 渗 压 作 用 下试 样 的 k值 变 化 ( 1 )在围压和渗透水压共 同作用下 ， 渗透率 k都 是先增加到某一峰值 ， 出现拐点后降低 ， 随后 趋于平 稳。当渗透水初始流经混凝土试件毛细孔时 ， 在 围压 及渗透水压作用下 ， 试件 内部 毛细孑 L 产生微观意义上 的扩张作用， 以致透水量增大； 随时间增长 ， 混凝土胶 凝材料进一步水化 ， 新的水化产物改善了混凝土 的孔 结构 ， 另一 方 面 ， 渗透 水 携 带 的 一些 水 化 物 、 细 小 的悬 浮颗粒等填充了部分渗透通道 ， 降低 了渗透率 ； 而随时 间的进一步延长， 渗透率的变化则趋于平稳 ， 这与混凝 土试件内部 的密实性变化有关系， 在渗透过程 中产生 “自封闭” 作用。 ( 2 )混凝土对围压具有一定的敏感性 。根据达西 定律， 混凝土的围压并不影响其渗透率 k ， 但试验证 明 渗透率 k与围压大小有密切关系： 围压增大， 渗透率 k 减小。 当给混凝土施加 围压 ， 相当于有个紧箍作用。 围 压越大 ， 对介质的渗透性越有抑制作用。 ( 3 )围压越小 ， 渗透率 k达到峰值 的时间越短。 另外， 图 2 4也反映出， 虽然在相同渗压 、 不同围压作 用下混凝土试样的渗透率变化具有 由小变大 、 再适度 减小并趋于平稳的趋势 ， 但在试验 时段 内个别 时刻 出 现了波动现象 ， 与总的趋势性不相吻合之处。例如在 围压达到较大值 5 MP a时， 此时渗透率值 比较小 ， 试验 所收集的渗透水量非常少， 受温度 、 收集时间等因素影 响较大 ， 致使试验误差 比较明显 ， 这反映了混凝土试件 内部孑 L 隙微结 构 的变化 。 2 2 相 同渗压下 1次 围压循环 中 k值变化 该试验是在渗压保持不变、 围压处于升 降过程中 进行的。混凝土试件 的试验渗压应力为 2 M P a ， 围压 应力的升降循环过程为 3 5 7 3 5 MP a ， 围压升降 间隔时间为 4 8 h ， 每 2 4 h测一次渗透率 ， 取两次的渗 透率平均值作为该围压下的渗透率。试件在围压升降 循环过程中 k 值变化如图5所示。 图 5 2 MP a渗 压应 力 下 的 1次 围压 循 环 的 k值 变化 由图 5可 以得 出 ： ( 1 )在 围压升降的循环过程 中， 试件 的渗透率 k 变化趋势是 ： 当围压增大时， 渗透率减小； 随着围压 的 松弛 ， 渗透率变大。 ( 2 )在一定的渗压下， 围压的变化对混凝 土试件 k 值 的影响具有非线性 ： 即当围压较 大时， 对渗透率 k 影响不明显 ， 当围压较小时 ， 对渗透率 k 影响很大。 ( 3 )围压松弛后， 渗透率 k具有不可恢复性。混 凝土试件在围压升 、 降过程产生一定 的塑性变形 ， 说明 混凝土试件在围压升、 降过程 中， 其渗透率的变化是不 完全可逆 的。 根据 图5中的渗透率变化 曲线 的形态 ， 可看出 k 值与围压呈负指数关系下降。经对试验数据进行非线 性拟合 ， 得到混凝：t试件的渗透率与围压之 间具有如 人 民 长 江 下关 系。 k =a 0+a l e x p ( 一t r b ) ( 1 ) 式 中， k为混凝土试件的渗透率 ， m ； a 。 ， 0 ， b均为拟 合常数 ； 为围压 ， M P a 。式( 1 ) 中的拟合常数及拟合 相 关 系数如表 1所 列 。 表 1 试件 的 k值拟合常数 2 3 相 同渗压下 2次 围压循环 中 k值变化 该试验是在渗压保持不变 、 围压处于升降循环过 程中进行的。具体的试验 渗压 为 2 MP a ， 而 围压的升 降循环过程则为 3 7 3 7 3 MP a 。围压升降间隔 时间为 2 4 h ， 每 1 2 h测一次渗透率 ， 取两次渗透率的 平均值作为该 围压下的渗透率 。上述试验条件下 k值 变 化如 图 6所 示 。 3 5 3 O 2 5 2 0 呈 1 5 1 0 5 0 图 6 2 MP a水 压 下 的 2次 围压 循 环 的 k值 变化 由 图 6可 以得 出 ： ( 1 )在每次围压升 一降循环过程 中， 试件渗透率 k 值 呈 现 由大 一 小 一 大 的趋 势 ， 此 与 2 2节及 相 关 试 验结果之间具有相似性。 ( 2 )在不同的围压升降循环之 间， 处于 同一次围 压值的 k 值是不相等的， 表明在反复的围压升降循环 过程 中， 混凝土渗透率变化具有一定的不可逆性。 这里 ， 应用混凝土渗透率 的损失率来定义上述第 ( 2 ) 个特性 。参照文献 9 ， 分别用最大渗透率损失率 和渗透率损失率来评价混凝土渗透率的减小幅度及恢 复程度。最大渗透率损失率越大， 混凝土渗透率的减 小幅度越大 ； 渗透率损失率越大， 混凝土渗透率的恢复 程度越差。最大渗透率损失率按式 ( 2 ) 计算 。 D = 1 0 0 ( 2 ) 凡 0 式 中， D 为最大渗透率损失率 ； 。 为在某个循环 围压 上升过程第 1次围压点所测混凝土试件 的渗透率 ； k 为与最大 围压值相对应的混凝土试件的渗透率。混凝 土渗透率损失率则按式( 3 ) 计算 。 k k D = _ 1 0 0 ( 3 ) 0 式中， D 为渗透率损失率； k 为某个循环围压下 降过 程中与最后一个 围压值相对应的混凝土试件渗透率。 按式 ( 2 ) 、 ( 3 ) 可计算混凝土试件两次围压升降循 环中的最大渗透率损失率 、 渗透率损失率 ， 见表 2 。 表 2两次 围压循环下 的 D 和 D 由表 2可 看 出 ， 混 凝 土试 件 第 一 次 围 压 升 降循 环 渗透率的减小幅度大于第二次 ， 说 明混凝 土试件在初 期对 围压 变化 的敏 感程 度 大 于 后 期 ； 而 混 凝 土试 件 于 第二次围压升降循环过程 中渗透率的恢复程度则远大 于第 一次 。 图6中的曲线形态表 明， k值与围压亦呈负指数 关系下降。经对试验数据进行非 线性 拟合 ， 式 ( 1 ) 中 的拟合 常数及 拟合 相关 系数 见表 3 。 表 3两次围压循环下的 k 值拟合 常数 3 结 论 ( 1 )混凝 土试 件在 不 同围压作 用 下 的渗 透率 变化 规律 大致相 同。 ( 2 )在围压升 、 降过程中 ， 混凝土试件渗透率随围 压 的增 加呈 负指数 规 律 减小 ， 表 现 出 明显 的非 线 性 特 征， 即低 围压阶段混凝土试件的渗透率对 围压改变的 敏感 性大于高 围压 阶段 ， 它们之 问的关 系可统一用 ( 1 ) 式 描述 。 ( 3 )混凝土试件的渗透率对不同围压产生的效应 具有不同的敏感程度。在低 围压段 ， 混凝土试件渗透 率下降幅度大 、 恢复率低 ； 而在中高围压段混凝土试件 渗透率下降变缓 、 恢复率变高。 ( 下转第 7 2页】 7 2 人 民 长 江 2 0 1 1正 粒径等因素的滑坡涌浪物理模型试验 ， 得 到了对散体 滑坡体的首浪高度有显著影响的因素依次为 ： 滑坡体 体积 、 滑动面倾角、 散体粒径、 受纳水深、 落差。分析了 首浪高度随各因素的变化趋势 ， 给出了适用于本文试 验范围的首浪高度经验公式 。另外 ， 首浪高度 的经验 公式有待原型滑坡涌浪的验证与修订。 参 考文献 ： 1 C h a u d h r y M H， Me r c e r A G， C a s s D， e t a 1 Mo d e l i n g o f s l i d e g e n e r a 2 3】 t e d w a v e s i n a r e s e r v o i r J J o u r n a l o f H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 3 ， 1 0 9( 1 1 ) ： 1 5 0 51 5 2 0 F r i t z H M ， Ha g e rW H ， Mi n o rH ， E， Ne a rfie l d c h a r a c t e ris t i c s o f l a n d s l i d e g e n e r a t e d i mp u l s e w a v e J J o u r n a l o f Wa t e r w a y ，P o r t ，C o a s t a l a n d O c e a n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ，1 3 0 ( 6) ： 2 8 73 0 2 Va l e n t i n H ， W i l l i H ， Ha g e r ， F， e t a 1 I mp u l s e p r o d u c t p a r a me t e r i n l a n d s l i d e g e n e r a t e d i mp u l s e w a v e s J J o u r n a l o f Wa t e rwa y ，P o rt， C o a s t a l a n d O c e a n E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 ， 1 3 6 ( 1 4 5 ) ：1 4 51 5 5 ( 编辑 ： 徐诗银 ) Ex p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n pr i m a r y wa v e he i g ht g e n e r a t e d b y l o o s e e a r t h l a n ds l i d e R EN Ku n j i e ，HAN J i b i n ( H y d r a u l i c s R e s e a r c h D e p a r t m e n t ，C h a n g fi a n g R i v e r S c i e n t ific R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Fo r i n v e s t i g a t i n g t he f o r mi n g a n d pr o pa g a t i o n l a ws o f s u r g e i n d uc e d b y l a n ds l i d e，b y a do pt i n g o r t h o g o na l e x pe r i me n t a l me t h o d t o d e s i g n e x p e r i me nt g r o up s，we c a r rie d o ut p hy s i c a l mo de l e x pe r i me nt s t u d y u nd e r d i f f e r e n t i n flue nc i n g c o n di t i o n s c o n c e r n i n g l a nd s l i de v o l u me，f a l l i ng he i g h t ，r e c e i v i ng wa t e r d e p t h，s l i de pl a ne di pa n g l e a n d g r a n ul a r d i a me t e r e t cThe v a r i a - t i o n l a w o f p r i ma r y wa v e he i g h t r e l a t i ng t o di f f e r e n t f a c t o r s i s o bt a i n e d f r o m e x t r e me di f f e r e n c e a n d v a r i a n c e a n a l y s i s Th e e mpi r i c a l f o r mu l a o f pr i ma r y wa v e he i g h t c a u s e d by l o o s e e a r t h l a nd s l i de i s de d u c e d b y d i me n s i o n a l a nd r e g r e s s i o n a na l y s i s Th e r e s e a r c h r e s u l t c a n pr o v i d e s c i e n t i fic b a s i s f o r l a n ds l i d ed a ma g e p r e di c t i o n a n d p r ewa r ni n g Ke y wo r ds：l a nd s l i d eg e ne r a t e d wa v e；p h y s i c a l mo de l ；o r t h o g o n a l e x pe r i me n t ；pr i ma ry wa v e he i g h t I 上接 第 6 O页 ) ( 4 )随着围压升、 降循环次数的增多 ， 最大渗透率 损失率和渗透率损失率都呈减少趋势。在围压升 、 降 循环过程中， 混凝土渗透率 的变化具有一定 的不可逆 性 。 参考文献 ： 1 阮燕， 方坤河 ， 曾力， 等 面板 混凝土的渗透 溶蚀耐 久性研 究 J 人 民长 江 ， 2 0 0 0 ， 3 1 ( 9 ) ： 3 33 5 2 李新 宇， 方坤河 软水溶蚀作 用下水工碾压 混凝土渗透 特性研 究 J 长江科学院院报 ， 2 0 0 8， 2 5 ( 4) ： 8 1 8 4 3 方坤河， 阮燕， 曾力 混凝土允许渗 透坡 降的研 究 J 水力发 电学 报 ， 2 0 0 0， 6 9 ( 2 ) ： 8一l 6 4 阮燕， 方坤 河， 曾力， 等 碾压混 凝土( R C C) 在不 同水力梯度 下渗 透和溶蚀特性 研 究 J 武汉 大学 学报 ： 工学版 ， 2 0 0 1 ， 3 4( 3 ) ： 3 7 4 0 速 宝玉 ， 胡云进 ， 刘俊 勇， 等 江垭碾 压混凝 土坝芯样 渗透 系数 统 计特征研究 J 河海大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 2 )： 1 5 速宝玉， 詹美礼 ， 刘俊 勇， 等 江垭 大坝碾压混 凝土的渗 透规律初 探 J 河海大学学报 ， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 2 ) ： 7一l 1 彭鹏 ， 宋汉周 ， 徐建光 ， 等 基 于 B a y e s融合 理论 的某坝段 帷幕 防 渗效果评价 J 岩 土力 学， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 9 ) ： 2 8 8 9 2 8 9 4 宋汉周 ， 赖诗坤 ， 姜志强 R C C大坝坝址渗流量的统计特征分析 一 以水 东水 电站为例 J 水文地质工程地质 ， 2 0 0 0 ， 2 7 ( 6 ) ： 4 5 4 7 贺 玉龙 ， 杨立 中 围压升降过程 中岩体渗 透率 变化特 性的试 验研 究 J 岩石力学与工程 学报 ， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 3 ) ： 4 1 5 4 1 9 ( 编 辑 ： 郑 毅 ) Pr i m a r y s t ud y o n p e r m e a b i l i t y o f c o nc r e t e u nd e r c o n fini n g p r e s s u r e W ANG Fe ng b o S ONG Ha n z h o u CAO Zh a o l e i ( 1 J i n k e n C o l l e g e o f T e c h n o l o g y ， N a n g 2 1 1 1 5 6 ，C h i n a ； 2 S c h o o l of E a r t h S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，H o h a i U n i v e r s i t y ， Na n j i n g 2 1 0 0 9 8，C h i n a；3 F &T G r o u p，Na n j i n g 2 1 0 01 7，C h i n a ) Ab s t r ac t ：The be h a v i o r o f c o n c r e t e p e r me a b i l i t y i s c l o s e l y r e l a t e d t o i t s d ur a bi l i t yBa s e d o n p e r me a bi l i t y t e s t ，we i n v e s t i g a t e d t h e v a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e p e r me a b i l i t y u n d e r c y c l e c h a n g e o f c o n fi n i n g p r e s s u r e a n d o b t a i n e d t h e c h a r a c t e r i s t i c c ur v es o f p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e s pe c i me n s un d e r t he s a me s e e pa g e p r e s s u r e a n d t h e di f f e r e n t c o n fin i n g p r e s s u r e s，a s we l l a s t h e v a r i a t i o n c u r v e o f pe r me a bi l i t y un d e r c y c l e c o n fini ng p r e s s u r eThe r e s ul t s s h o w t h a t t h e p e r me a b i l i t y o f t h e c o n c r e t e c h a ng e s i n a n e g a t i v e e x p o n e n t i a l wa y wi t h t h e c ha n g e o f c o n f i ni n g p r e s s u r e；i n a c y c l e c h a n g e o f c o n fini ng pr e s s u r e，t h e s e n s i bi l i t y o f c o n c r e t e p e r me a b i l i t y t o c o n fin i n g p r e s s u r e i n l o w c o n fini ng pr e s s u r e s t a g e i s l a r g e r t h a n t h a t i n h i g h c o n fin i ng p r e s s u r e s t a g e；t he r es t o r a t i o n r a t e o f p e r me a b i l i t y o f c o nc r e t e s p e c i me n s d i f f e r s d u r i n g d i ffe r e n t c o n fini n g p r e s s u r e c y c l e s；t h e v a r i a t i o n o f c o n c r e t e p e r me a b i l i t y s h o ws i r r e v e r s i b i l i t y a t s o me e x t e n t d u r i n g fl c o n fin i n g p r e s s u r e c y c l e Ke y wo r ds： c o n fin i n g p r e s s u r e；d e s c e nta s c e nd c y c l e；pe r me a b i l i t y；c o n c r e t e ma t e r i a l