混凝土水渗透性试验研究和影响因素分析.pdf

2 0 1 1年 第 5 期 (总 第 2 5 9 期 】 Nu mb e r 5i n2 0 1 1 ( T o ml No 2 5 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL R ES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 i s s n 1 0 0 2 。 3 5 5 0 2 0 1 1 0 5 0 0 4 混凝土水渗透性试验研究和影响因素分析 郑书成 ，郑建军 ( 浙江工业大学 建筑工程学院 ，浙江 杭 州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ： 混凝土水 渗透性与耐久性密切相关 ， 是混凝土结构设计和评估的重要参数 。 通过试验研究了混凝 土水 渗透 系数 的变化规律 ，基于 试验结果， 定量分析了水灰比、 养护龄期和骨料体积百分数对 昆 凝土水渗透系数的影响 ，发现混凝土水渗透系数随着水灰比的增大而增 大 ， 但随着养护龄期的增 大而减小 ， 也 发现 当骨料体 积百 分数小于 5 5 时， 混凝 土水渗透系数随着骨料体积百分数 的增大而减小 ，但当骨 料体积百分数大于 5 5 时 ， 混凝土水渗透系数 随着骨料体积百分数的增大而增大。 这些结论为 昆 凝 土材料耐久性设计提供理论依 据 。 关键词： 混凝土；水渗透系数；水灰比；养护龄期；骨料体积百分数 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 I ) 0 5 0 0 1 0 - 0 3 Ex per i men t a l s t udy on t h e wa t er pe r mea bi l it y of c onc r e t e and a na l y s i s of i nf l ue nt i al f a c t or s Z HE NGS h u c h e n g ， Z HE NG i a n - j u n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n dA r c h i t e c t u r e ， Z h e j i a n g Un iv e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： The wa t e r p e r m e a bi l i t y o f c o n c r e t e i s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e d ur a b i l i t y a n d t h e r e f o r e i s a n i m p o r t a n t p a r a me t e r f o r t h e d u r a bi l i t y d e s i g n a n d a s s e s s m e n t o fc o n c r e t e s t r u c t u r e s Th 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 oft h e wa t e r p e r me a b i l i t y ofc o n c r e t e a r e s t u di e d b y e x pe rime n t Ba s e d o n t I l e e x p e r i me n t a l r e s u l t s ， t he e ffe c t s o f t h ewa t e r c e me n t r a t i o， c u r i n ga g e， a n d a g g r e g a t ev o l u mef r a c t io no nt h ewa t e r p e rm e a b i l it yof c o nc r e t e a r ean a l y z e d i n a q u a n t i t a t i v e mann e r I t i s f o u n d t h a t the wa t e r p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e wa t e r c e me n t r a t i o， b ut d e c r e a s e s wi t h a n i n c r e a s e i n c u rin g a g e I t i s a l s o fou nd t h a t wh e n t h e a g g r e g a t e v olume fra c t i o n i s s ma l l e r t h an 5 5 ， t he wa t e r p e rm e a b i l i ty o f c o n c r e t e d e c r e a s e s wi th t h e i n c r e a s e o f t h e a g g r e g a t e v o l u me fra c t i o n an d wh e n t h e a g gre g a t e v o l u me fra c t i o n i s l a r g e r t h a n 5 5 ， t h e wa t e r p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e i n c r e a s e s b y i n c r e a s i n g t h e a g g r e g a t e v o l u me fra c t i o n Ke yw or ds ：c o n c r e t e ； wa t e r pe rm e a b i l i ty； wa t e r c e me n t r a t i o； c u r i n g a g e ； a g g r e g a t ev o l umefra c t i o n 0 引 言 现有的现场调查和实验室试验表明， 混凝土渗透性越高 ， 有害化学物和水越容易进入到混凝土中， 耐久性越差， 因而混 凝土耐久性与渗透性紧密相关 q 。 混凝土水渗透性通常用水渗 透系数来表示， 它是土木工程的建筑和桥梁、 海洋工程的挡水 墙和采油平台以及水利水电1 = 程的面板堆石坝耐久性评估和 设计的重要参数。 目前 ， 国内外学者十分重视混凝土渗透性研究 ， 并已取得 了一些有意义的结果。 C r i s t i a n a等人通过试验表明大粒径骨料混 凝土t t ： d , 粒径骨料混凝土具有更强的真空吸水能力和更高的 气渗透性； 相对于干燥骨料? 昆凝土， 预湿骨料混凝土的真空吸 水能力和气渗透性较低 。 L i u等人发现， 当水灰比为 0 3 8时， 随 着轻骨料含量的增加， 轻骨料混凝土的水渗透性呈下降趋势； 对 于具有同样 2 8 d强度的普通混凝土和轻骨料混凝土， 轻骨料混 凝土的吸水性和水渗透性较低， 轻骨料的吸水能力对水渗透性 影响较大5 1 。 B a s h e e r 等人的研究表明当粗骨料尺寸较大、 含量 较高时， 混凝土气密性较差 ； 当细骨料含量越高， 混凝土气密性 越好 。 C h i a等人的试验结果表明在控制高强混凝土渗透性方 面， 无论粗骨料是否为轻质， 水泥石均起着主导作用p 1 。 J i 研究 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 2 2 基金项目：国家自 然科学基金项目( 5 0 8 7 8 1 9 6 ) 1 囝 了掺加硅粉的混凝土， 表明其微观结构比普通混凝土更加均匀 密实， 可有效地提高混凝土的水渗透性8 1 。 Kh a n等人也发现， 当 掺加 8 1 2 硅粉时， 混凝土具有最高强度和最小渗透性， 而粉 煤灰 的最 佳掺量为 1 5 2 0 ， 但效果不 如硅粉 明显 。 从上 面 的文献综述可以看出， 水灰比、 骨料含量和养护龄期对混凝土 水渗透性影响的研究还不充分， 因此， 本研究着重通过试验定 量分析这三种因素对混凝土水渗透性的影响， 为混凝土结构的 耐久性设计和评估提供理论依据。 1 试验 材料 、 混凝土配合 比和试件制作 在本试验中， 采用湖北黄石华新水泥厂生产的 P O 5 2 5级 水泥， 该水泥的矿物组分类似于美国AS T M标准中的I 型水泥。 粗骨料采用卵石， 表观密度为 2 5 3 0 k g m ， 细骨料采用河砂， 表 观密度为 2 6 3 0 k g m ， 粗细骨料的吸水率均为 1 ， 最大和最小 骨料直径分别为9 5 、 0 3 m i l l ， 粗细骨料尺寸服从富勒分布嗍。试 验用 水采用 自来水 。 混凝土水灰比分别为0 3 5 、 0 4 、 0 5和0 6 ， 粗细骨料体积百分 数分别为3 5 、 4 5 、 5 5 、 6 5 和 7 5 ， 为了分析养护龄期对水渗 透性的影响， 养护龄期分别为 1 、 3 、 7和 2 8 d ， 共浇筑 1 1 种试件， 每 种试件的配合比和养护龄期如表 1 所示。 为了尽可能消除试验误 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 各种混凝土配合 比和养护龄期 差 ， 每种试件同时浇筑 3 个 ， 取这 3个试件测试结果的平均值作 为 该种试件的最终水渗透系数。 每个试件尺寸为 1 7 5 mmx l 8 5 fi lm) l 5 0mm， 试件 浇筑 1 d后拆模 ， 放在温度 为( 2 0 2 ) 的水 中养 护到预定 的龄期 。 将养 护好 的试件从 水 中取出晾 干 ， 再用 石蜡 对试件的侧 面进行密封 ， 留下上下两个平面用于测试 。 2试 验 方 法 本试验按照 S L 3 5 2 -2 0 0 6 水T混凝土试验规程 进行。 先 对试 模进行预热 ， 然后将涂有 百蜡 的试 件压人试 模 ， 再将模 具 同定在抗 渗仪 上， 抗渗仪水压力一次加 到预定压 力并保持 2 4 h ， 然后取出试件， 在压力机 将其劈成两半 ， 将劈开面的底边分 成 1 0等分， 在各等分点处量 渗水高度， 以各等分点处渗水高 度的平均值作 为该试件的渗水高度 ， 相对水渗透系数 ( c m h ) 按 式( 1 ) 计算 ： ： ( 1 ) 2， H 式中 ： r 广混凝 土吸水率 ， 一般 取 O O 3 ； D 平均渗水高度， c m； 日 水 力， 以水柱高度表永 ， c m； 卜恒压时问 ， h 。 3 试验 结果与分析 试件 1 、 2 、 3和 4主要用来 分析水灰 比对 混凝 土水渗 透性 的影 响， 在这 4个试件 中， 骨料体积百分数为 5 5 ， 养 护龄 期为 7 d ， 水灰 比分别 为 0 3 5 、 0 4 0 、 0 5 0和 0 6 0 ， 其试 验结果 如图 1 所 示 。 从图 1 可 以看 ， 当水灰比从 0 3 5 增大到 0 5 0时 ， 混凝 土相 对水渗透系数缓慢增大 ， 而当水灰 比从 0 5增大到 0 6时 ， 混凝 土相对水渗透系数迅速增大。 这主要是冈为水 泥水化后 ， 混凝土 由骨料 、 水泥石和 界面l一部分组 成 ， 相对于水 泥石 和界面来说 ， 骨料是不可渗透的 ， 因而混凝土水渗 透性 主要取决于水 泥石和 界面。 水泥石 和界 面的总孑 L 隙率 ： W C一0 3 6 1 0 3 6a+0 3 2 r 、 一 一I 一 I， C+O 3 2 C+0_ 3 2 式 中： 水化度 ： C 水灰 比。 从式( 2 ) 町以看出， 在水化度( 或养护龄期 ) 一定的情况下 ， 水灰 比增大 ， 总孑 L 隙率增大 ， 混凝土相对水渗透系数也增大。 除 r 总孑 L 隙率外 ， 临界孔径也是一个影响水渗透性的重要参数 ， Z h e n g 和 Z h o u指 水泥 石水渗 透系数 与临界 孔径 的平方 成正 比f 12 1 ， 而 Ny a me和 I l l s t o n通过试验发现水泥石的临界孔径随着水灰 比增大而迅速增大， 这可能是 当水灰 比从 0 5 0增大到 0 6 0 时 ， 混凝土相对水渗透系数迅速增大的主要原因。 试件 3 、 9 、 1 0和 1 1 主要用来分析养护龄期对混凝土水渗 透性的影响， 在这 4个试件中， 骨料体积百分数为 5 5 ， 水灰比 为 0 5 0 ， 养护龄期分别为 1 、 3 、 7 、 2 8 d ， 其试验结果如图2所示。 从罔 2可 以看 出 ， 当养护龄期从 1 d 增 大到 7 d时 ， 混凝 土相对 水渗透 系数迅速减 小 ， 而 当养 护龄期从 7 d增 大到 2 8 d时 ， 混 凝土相对 水渗透 系数缓 慢减小 。 这 是因为在 水泥水 化初期 ， 水 化度增长比较快， 而在水泥水化后期 ， 水化度增长比较慢， 根据 Ha n s e n的估计， 混凝土养护 7 d的水化度比养护 l d的水化度高 1 倍 ， 而养护 2 8 d的水化度仅 比养护 7 d的水化度高 1 7 。 另 外 ， 水化初期混凝土中的毛细孔是完全连通的， 水很容易在混 凝土中渗透， 随着水化的进行， 不仅孑 L 隙率减小 ， 而且临界孔半 径 也减小 ， 相邻 水泥水 化产物 之间不 断相连 ， 形成 一些孤立 毛 细孔 ， 并阻断了一些水渗透路径 ， 使得水渗透性大大减小 。 j 宣 U l 0 * 霞 5OO g 4 0 0 300 20 0 嚣1 O 0 O 暑 暑 。、 u 、 籁 喇 莨 O 水 灰 比 图 1 水灰 比对水渗透 系数的影响 I 4 7 1 0 1 3 l 6 l 9 2 2 2 5 2 8 龄期 d 图 2养护龄期对 水渗 透系数的影响 骨料体 积 百分 数 图 3骨料体 积百分数对 水渗透系数的影响 试件 3 、 5 、 6 、 7和 8主要用 来分 析骨料 体积 百分数对 混凝 土水渗透性的影响， 在这 5 个试件中， 水灰比为 0 5 0 ， 养护龄期 为 7 d ， 骨料体积百分数 分别 为 3 5 、 4 5 、 5 5 、 6 5 和 7 5 试 验结果如图 3 所示 。 从 图 3 可 以看出 ， 当骨料体积 百分数从 3 5 增大到 5 5 a ， 混凝土相对水渗透系数随着骨料体积百分数的 l 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 增大而减小， 而当骨料体积百分数从 5 5 增大到 7 5 n ， 混凝 土相对水渗透系数反而随着骨料体积百分数的增大而减小。 这 种现象可以解释如下： 正如上面所述， 除了水泥石基体外 ， 界面 也是水 渗透 的主要途 经 ， 如果界 面没有形成连 通路径 ， 对水渗 透性 贡献 较小 ， 一旦界 面形成连通路 径 ， 水很容易直接 通过界 面渗透。 普通 昆 凝土界面的平均厚度为 0 0 3 1 1 1 1 1 1 ， 根据 Z h e n g 和 Z h o u提出的算法， 可以获得给定骨料级配下界面渗流概率与 骨料体积百分数之间的关系， 结果如图4所示。 从图4可以看出， 界面的渗流阈值在 5 5 左右。 所以， 当骨料体积百分数小于 5 5 时， 界面没有形成连通路径， 随着骨料体积百分数的增大 ， 总孔 隙率减小 ， 混凝土水渗透性也减小； 当骨料体积百分数大于5 5 时， 虽然总孔隙率也随着骨料体积百分数的增大而减小， 但界 面已经形成了连通路径， 成为水渗透的主要途径之一， 总体上 使得混凝土相对水渗透系数反而随着骨料体积百分数的增大 而缓慢增 大。 1 2 1 O 茎 o _ o 6 旧 0 4 O 2 0 骨 料体积 百分数 ， 图 4界面渗流与骨料体积百分数之 间的关系 4结 论 ( 1 ) 当水灰 比从 0 3 5 增大到 0 5 0时 ， 混凝土相对 水渗透系 数缓慢增大， 而当水灰比从 O 5 增大到 0 6时， 混凝土相对水渗 透系数迅速增大 。 ( 2 ) 当养护龄期从 l d增大 到 7 d时 ， 混凝 土相对水渗透 系 数迅速减小 ， 当养护龄期从 7 d增大到 2 8 d时 ， ? 昆 凝土相对水 渗透系数缓慢减小。 ( 3 ) 当骨料体积百分数从 3 5 t 大到 5 5 时， 混凝土相对 水渗透系数减小， 当骨料体积百分数从 5 5 t 大到 7 5 时， 混凝 土相对水渗透系数缓慢增大 ， 当骨料体积百分数等于 5 5 时， 混 凝土相对水渗透系数达到最小值。 参考文献 ： 1 1 L A MP A C H E R B J ， B L I G H T G E P e r m e a b i l i t y a n d s o r p t i o n p r o p e r t i e s 0 f ma t u r e n e a r s u r f a c e c o n c r e t e J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s i n C i v i l E n g i 一 上接第 9页 ( 2 ) 在整个试验过程中， 预制板、 保温材料与现浇部分竖向 接缝处 没有 出现分离与剥落 ， 表 明剪式支架能够较好地 连接 两 侧预制板， 并与现浇层协同丁作， 保证剪力墙的整体T作性能。 ( 3 ) 节能剪力墙使建筑结构和保温措施有机地结合在一起， 改善了给墙体穿外衣的传统做法、 实现保温材料与结构同寿命。 参考文献 ： 【 1 许淑芳， 刘汉， 张兴虎 ， 等 空心钢筋混凝土带门、 窗洞剪力墙抗震性 能试验研究 J 西安建筑科技大学学报 ， 2 0 0 2 ( 9 ) ： 2 2 8 2 3 1 2 1 叶献国， 张丽军， 王德才 预制叠合板式混凝土剪力墙水平承载力试 1 2 n e e r i n g ， 1 9 9 8 ， l O ( 1 ) ： 2 1 - 2 5 2 L I U X u e m e i ， C HI A K S ， Z HA N G Mi n h o n g D e v e l o p m e n t o f l i g h t w e i g h t c o n c r e t e w i t h h i g h r e s i s t a n c e t o w a t e r a n d c h l o ri d e - i o n p e n e t r a t i o n J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 1 0 ) ： 7 5 7 7 6 6 3 】VI N C E N T P ， A B D E L H AF I D K， HE R V E B C r a c k e ff e c t s O ll g a s a n d wa t e r p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 O O 9， 3 9 ( 6 ) ： 5 3 7 - 5 4 7 4 C R I S T I AN A G P， J O A O C G， L U I Z P D O I n fl h e n c e o f n a t u r al c o a r s e a g g r e g a t e s i z e， mi n e r a l o g y a n d wa t e r c o n t e n t o n t h e p e r me a b i l i t y o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e -叨C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i als ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 2 ) ： 6 0 2 6 0 8 5 L I U X u e me i ， K O K S C， Z H AN G Mi n - h o n g Wa t e r a b s o r p t i o n ， p e r me abi l - i t y ， a n d r e s i s t a n c e t o c h l o rid e - i o n p e n e t r a t i o n o f l i g htwe i g h t a g g r e g a t e e o n e r e t d J J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 1 ， 2 5 ( 1 ) ： 3 3 5 - 3 4 3 6 B A S HE E R L， B A S HE E R P A M， L ON G A EI n fl u e n c e o f c o a r s e a g , g r e g a t e o f t h e p e r me a t i o n d u r a b i l i t y a n d t h e mi e r o s tru e t u r e c h a r a e h r i s t i c s o f o r d i n a r y P o rt l a n d c e m e n t c o n c r e t e J C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d - i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 5 ， 1 9 ( 9 ) ： 6 8 2 6 9 0 7 C H I A K S， Z H AN G Mi n - h o n g Wa t e r p e r me a b i l i t y a n d c h l o ri d e p e n e - t r a b i l i t y o f h i g h - s t r e n g t h l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 0 2， 3 2 ( 4 ) ： 6 3 9 6 4 5 8 J I T a o P r e l i m i n a r y s t u d y o n t h e w a t e r p e rme abi l i t y a n d mi e r o s t r u c t u r e o f c o n c r e t e i n c o rpo r a t i n g n a n o - S i O 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 5 ， 3 5 ( 1 O ) ： 1 9 4 3 1 9 4 7 ( 9 K HA N M I ， L Y N S D A L E C J S t ren g t h ， p e r me a b i l i t y ， a n d c a r b o n a t i o n h i g h p e rf o r ma n c 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 2， 3 2 ( 1 ) ： 1 2 3 1 3 1 1 0 Z HE N G J i a n - j u n ， Z HO U X i n z h u P e r c o l a t i o n o f I T Z s i n c o n c r e t e a n d e f f e c t s o f a t t r i b u t i n g f a c t o r s J J o u r n a l o f Ma t e ri a l s i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 1 9 ( 9 ) ： 7 8 4 7 9 0 1 1 HA N S E N T C P h y s i c a l s t ruc t u r e o f h a r d e n e d c e me n t p a s t e ： a c l a s s i c a l a p p r o a c h J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 8 6， 1 9 ( 6 ) ： 4 2 3 4 3 6 1 2 Z H E N G J i a n - j u n ， Z h o u X i n - z h u A n aly t i c a l me t h o d f o r p r e d i c t i o n o f t h e w a t e r p e r m e a b i l i t y o f c e me n t p a s t e J A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 2 0 0 8 ， 2 0 5 ( 2 ) ： 2 0 0 2 0 6 f 1 3 NY A ME B K， I L L S T ON J M R e l a t i o n s h i p s b e t w e e n p e r me a b i l i t y a n d p o r e s t r u c t u r e o f h a r d e n e d c e me n t p a s t e J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 1 ， 3 3 ( 1 1 6 ) ： 1 3 9 1 4 6 作者简介： 郑书( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 硕士研究生， 研究方向为混凝土材料 耐久性 。 联系地址 ： 江苏省杭州市潮王路 1 8号 浙江工业大学研 4 9 2 信箱 ( 3 1 0 0 1 4 ) 联 系电话 ： 1 3 7 3 8 1 9 6 0 8 4 验研究 J 1 合肥工业大学学报， 2 0 0 9 ( 8 ) 1 2 1 5 1 2 1 8 f 3 金怀印， 樊瑛， 许淑芳 空心钢筋混凝土剪力墙低周反复荷载试验研 究J 1 苏州科技学院学报， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 2 3 - 2 6 4 1 J G J 1 O l 一9 6 ， 建筑抗震试验方法规程【 s 5 杨建民， 郑刚， 王维汉 短肢剪力墙轻板结构抗震性能的试验研究们 建筑结构学报， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 5 9 6 6 作者简介： 孙仁楼( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 硕士生， 研究方向： 绿色节能结构。 联系地址： 丹阳市八纬路9 7 号信箱( 2 1 0 0 0 9 ) 联 系电话 ： 1 3 7 5 5 6 7 1 9 9 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m