不同荷载作用下塑性混凝土渗透性试验研究

摘要：基于达西定律，采用稳态水流测量方法探讨了塑性混凝土在荷载不变和荷载逐渐提高两种条件下的渗透性能，及其随荷载和自身内部裂隙变化的规律。研究发现，荷载不变且不产生破坏时，塑性混凝土的渗透系数基本保持稳定;当荷载逐渐增大直至塑性混凝土破坏，渗透系数在应力比η小于30%时略有降低，在η为30%～60%之间时明显减小，在η大于60%时开始增加，当η达到80%之后显著增加。

关键词：塑性混凝土;荷载;应力比;渗透系数

中图分类号：TV528文献标志码：A文章编号：

Experimentalstudyonpermeabilityofplasticconcreteunderdifferentloadlevels

（1.TheInstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology，CAGS，Shijiazhuang050061，China;

2.ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083，China）

Abstract：

Permeabilityofplasticconcreteunderthetwoconditions，includingthesameloadlevelandincreasingloadlevelwithtime，wasinvestigatedusingthesteadystateflowmeasurementmethodbasedonDarcy’sLaw，andtherelationshipsbetweenthepermeabilityandloadandbetweenthepermeabilityandinternalcrackwereanalyzed.Theresultsshowedthatwhenloadisconstantandtheplasticconcretesampleisnotdestroyed，thepermeabilitycoefficientremainsstable;whileloadincreasesstepbystepuntilthesampleisdestroyed，thepermeabilitycoefficientreducesslightlywhenstressratio（η）islessthan30%，reducessignificantlywhenηisbetween30%to60%，beginstoincreasewhenηisgreaterthan60%，andincreasesremarkablywhenηreaches80%.

Keywords：plasticconcrete;load;stressratio;permeabilitycoefficient

1试验材料与方法

1.1原材料

为确定本试验的塑性混凝土优化配合比，设计了水泥-膨润土用量不同配合比对比试验，即保持塑性混凝土中细料（水泥和膨润土）总量不变，通过调整水泥和膨润土含量（表3），测定塑性混凝土的坍落度、强度、弹性模量和渗透系数等指标。各配合比塑性混凝土的无测压试验、三轴压缩试验和渗透试验结果见表4。

通过配合比试验，根据降低渗透系数，增大抗压抗剪强度，减小弹性模量，改善拌合物和易性的原则，确定优化配合比。具体要求如下。

（1）首先要满足渗透系数达到10-6～10-7cm/s;

（2）28d抗压强度达到6MPa以上;

通过筛选对比，选择E2试验配合比作为优化配合比。 此配合比塑性混凝土的各项性能指标见表5。

1.3试验方法与装置

塑性混凝土不同于普通混凝土，其渗透系数较大，一般为10-6～10-8cm/s，采用流量法进行常水头渗透试验较为合理有效[16-17]。根据达西定律计算渗透系数，其计算公式为

k=QLHAt（1）

式中：Q为渗水量（cm3）;k为渗透系数（cm/s）;H为水头高度（cm）;L为渗流路径长度（cm）;A为试样截面积（cm2）;t为时间（s）。

在某一时刻，

k=dQdtΔt・LHAΔt=dQdtLHA（2）

2试验结果与讨论

塑性混凝土是典型的非均匀材料，其内部存在微裂缝，甚至含有诸如裂纹、夹杂、气泡、孔穴等宏观缺陷，随机缺陷具有一定的方向性，长度一般小于0.5mm。塑性混凝土的内部结构及裂缝扩展会直接影响其强度、变形和破坏性能。集料与水泥浆体界面的过渡区是塑性混凝土中的薄弱部位，在受应力作用时容易引发裂缝的生成和扩展，成为水渗透的快速通道[18-19]。在实际工程中，地下混凝土防渗墙会承受不同类型的荷载作用，荷载往往会引起塑性混凝土中微裂隙的闭合和扩展，从而影响塑性混凝土的渗透性。

荷载从0逐渐提高到3kN，水流量与时间的关系见图3。

关系式为

塑性混凝土试件渗透系数k随时间变化曲线见图4。可以看出，保持围压、水压不变，荷载由0逐渐提高到3kN，塑性混凝土的渗透系数逐渐减小，且变化较小。

荷载保持在3kN时，水流量与时间的关系见图5，关系式为

塑性混凝土试件渗透系数k随时间变化曲线见图6，可以看出，保持围压、水压不变，荷载稳定在3kN，塑性混凝土的渗透系数保持稳定。

渗透系数稳定后，荷载开始逐渐增加，荷载增加曲线见图7，可以看出，该塑性混凝土试件的极限荷载约为8.9kN。

随荷载增加，水流量与时间关系见图8，关系式为

得到水流量与时间的塑性混凝土试件渗透系数k随时间变化曲线见图9。

根据塑性混凝土试件在最后120s内受到的荷载及渗透系数变化，得出了荷载和渗透系数随时间的变化规律（图10）。

综上所述，当应力比η（即荷载f与极限荷载fc的比值）小于30%时，塑性混凝土中的集料-水泥浆体界面缝是稳定、不会扩展的，渗透系数随着荷载增加略有降低但变化较小。当应力比η增加到30%时，渗透系数保持稳定。当应力比η增加到30%～60%时，荷载使得塑性混凝土中的原始微裂隙产生闭合，减少了水的渗透路径，渗透系数明显减小，这时塑性混凝土处于弹性阶段。从理论上讲，此时荷载已足以引起裂缝的扩展，因此渗透系数的继续减小说明此时裂缝的扩展和形成对混凝土渗透性的增大效应仍小于与水渗流方向平行的裂缝压合对渗透性的降低效应。当应力比η进一步增加到60%时，塑性混凝土进入塑性阶段，集料-水泥浆体界面不断产生新裂缝并开始扩展，渗透系数开始增大。当应力比η达到80%以上时，砂浆部分也开始产生裂缝，并不断发展与毛细孔等渗水通道相互联结，塑性混凝土内部出现了宏观裂隙，这时渗透系数显著增加，裂缝扩展对渗透性的影响已大大超过了裂缝压合的影响。

3结论

（2）保持围压、水压、荷载不变，在不产生破坏的条件下，塑性混凝土的渗透系数保持稳定。

（3）保持围压、水压不变，提高荷载，塑性混凝土的渗透系数会发生变化。当应力比小于30%时，渗透系数变化很小;当应力比增加到30%～60%时，渗透系数明显减小，塑性混凝土处于弹性阶段;当应力比大于60%时，塑性混凝土进入塑性阶段，渗透系数开始增大;当应力比达到80%以上时，塑性混凝土内部出现了宏观裂隙，渗透系数显著增加。 参考文献（References）：

[2]张鹏.塑性混凝土材料性能试验研究及其应用[D].郑州：郑州大学，2005.（ZHENGPeng.Experimentalstudyonthematerialpropertiesofplasticconcreteanditsapplication[D].Zhengzhou：ZhengzhouUniversity.2005.（inChinese））

[5]周传弘，王威.简述塑性混凝土防渗墙墙体材料[J].黑龙江水利科技，2003，4：84-85.（ZHOUChuan-hong，WANGWei.SKETChofplasticconcretecut-offwallmaterials[J].HeilongjiangScienceandTechnologyofWaterConservancy.2003，4：84-85.（inChinese））