（材料学专业论文）提高混凝土构筑物抗渗性及耐冲刷性的研究.pdf

摘要 摘要 通过在普通混凝土表面上覆盖一层致密坚硬的表层，可以显著提高混旃士的抗 渗性和耐冲刷性。本文研究了配制表层材料所用的水泥、骨料级配、矿物微粉及外 加剂，并考察了上述各种因素对材料抗渗性和耐冲刷性的影响，研究了有利于进一 步提高表层抗渗性和耐冲刷性的表面处理剂，并利用d t a 、x r d 、s e m 等近代测 试方法对相关机理进行了分析。 研究结果表明，该表层材料所用水泥的最佳配比为硅酸盐水泥熟料占8 8 5 、水 淬矿渣占5 和二水石膏占6 5 ，水泥中s 0 3 的含量占水泥总量的2 5 。由该水泥水 化得到的硬化浆体的体积密度最大、显气孔率最小而抗压强度最大。表层材料为该 水泥配制的硬化砂浆。配制表层材料时，复合掺加了高效减水剂u n f 2 与硅灰，在 u n f 2 保证较低的成型需水量的情况下，可有效利用硅灰的火山灰性来进一步提高 表层致密度。表层砂浆采用高石英含量的河砂为骨料，骨料最大粒度为5 i n m ，粗 砂、中砂与细砂三者的质量比为6 ：1 ：3 。扫描电镜照片显示，形成的表层材料微观结 构极其致密，表层砂浆与底层混凝土之间结合良好，形成了一个有机的密实整体。 该表层水泥采用矿渣预粉磨后再与硅酸盐水泥熟料、石膏共磨的工艺来制备。 研究发现，矿渣颗粒的圆度系数虽然比熟料小，但其圆度系数随比表面积的增大而 明显增大，提高矿渣的比表面积有助于减少水泥浆体中团聚结构形成的可能性，减 小水泥的需水量。掺入适量的高比表面积矿渣微粉作为混合材有利于提高水泥硬化 浆体的致密度。 研制了缩合磷酸铝固化的水玻璃系表面处理剂，并采用该表面处理剂对表层材 料再进行表面处理。研究结果表明，表面处理可以显著提高材料的抗渗耐冲刷能 力。经过表面处理的表层材料抗渗标号已达到s 1 2 以上，表层磨损量降低了1 4 4 。 该表面处理剂的主要作用机理在于封闭毛细孔，此外，填充于毛细孔内硅酸胶粒与 水泥的水化产物c “o h ) 2 反应可以生成更有利于提高抗渗耐久性的c s 。h 凝胶。 图6 3 ；表2 8 ；参8 6 关键词：混凝土；抗渗性；耐冲刷性；表面处理剂 分类号：t q l 7 2 河北理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ec o n c r c t cs 删ei sc o v e r e d 州t ho n ef i n na i l dc o m p a c t 姗曲c el a y e r ，w h i c h 谢u e 王1 l l a n c et h ei m p e 咖e a m “t ) r 锄ds c o u rp r e v e n t i 衄o fc 眦t er e m a r k a b l y 1 1 1 ec c m 如l m a k i n gs 刚沁el a y e rm a t e r i a l ，a g g r e g a t eg r a d 咖o n ，f i n cm i n e r a lp o w d e r 粕d 池i x t u r e h a v eb e e ns t i l d i e d ，l ee f f 酏t so fa _ b o v ev a r i o u sf a c t o r so nt l l ei m p e m l c a b i l 畸a i l ds c o l l f p r e v e n t i o no fc o n c r e t es 删沁el a y e r h a v cb e e ne x p l o f e d t h e 娜f h c e 讯融n l e n ta g c n t 慨 、 ，i ui i t c r e a s et h ei l n p e m e a b i l 时锄ds c o u rp r e v e m i o no fc o n c r e t e 知曲e rh 嬲b e e n d e v e l o p e d t h ec o 玳d a t i v em e c h 孤i s m sh a v eb e c n 卸a l y s e db ym e a n so fl 删j e r d a yt e s t m e t h o d s 鲫c h 蹈d t a ，x r d ，s e m a n d s o o n t h ec x p e r i m e n t a lr e s m t si n d i c a t et l l a tt l l eo p t i t n a lr a wc o 璐t i n i e n t sa f ea sf o l l o w s ： p o n l a n dc e m e n tc l i n k e r8 8 5 ，b l a s 卜f 啪a c e s l a g5 a n dg ) r p s l l n id i h y d r a _ t e6 5 ，a n d m e 锄。岫to f s 0 3i n 龇c 啪e n ti se q l “t o2 5 o f m et o t a lc e m c n t 锄。吼t 1 1 1 ep a s t e m a t r i xt h a ti sf o m l e db yt h eh y d m d o no f t l l ec e m e mp o s s e s s e st l l em a x i m a lv o l u m ed e n s 时， t h em i i i i m a lp o m s 畸o f 叩e i l i n gp o r e sa n dt h em a x i i i l a lc o m p r e s s i 、，es 七陀n g 主l i t h es m 慨 l a y e rm 删a li s t l l eh a r d e n e dm o r t a rm a d ef - m mt h ec e m e n t 锄ds 锄d ，s u p e r p l 枷c i z c r u n f - 2 锄ds i l i c am m ea r es i r n u l t 锄e 畸a d d e di n t ot h cs u r f a c el a y e rm a t e r i a lf o r n l c d u n d e f 也ec o n d i t i o no fl o ww a t e rr e q u i r c m e tt h a ti se n s u r e db yu n f 一2 ，t h ed e n s 主t yo f s f h c el a y e rc a nb ei m p r o v e d 缸曲c rl l s i n gt h ep o z z o l a n i cr e a _ c 畦o no fs i l i c a 缸n e t h e v e rs a n di nw h i c ht h cc o m e n to f q u a n zi sv e r yl l i g hi su s e d 勰l ea 韶筘g a t ci i l 也es u r f a c e l a y e rm a t e r i a l t h em a x i i i l a ig r a n l l l 撕t yo fa g g r e g a f ei s5 n 姐，趾d 也er a t i ob e m e c n c o a r s c 一鲥n e ds 锄d ，m e d i u m g r a i l l e ds a n da 1 1 df i n e - g m i n e ds a i l di s6 ：l ：3 t ks e mp h o t o s s h o wt 1 1 a tt h em i c r o s t m c t i l r co fs u r f 沁el a y c rm a t e a li sc o m p a c tv e r ) rm u c h ，釉dt l l e j o i n 廿n gb e t w e e nt h c 娜f a c el a y e rs a n dp a s t e 锄dn l eb o t t o ml a y e rc o 眦r e t ei sa l lr i g h t ， w h i c hm a l 【e st 1 1 em a t 商a lb e c o m e sau n i t a r yc o m p a c tb o d y t h ec e m e n ti sp r e p a r e d a c c o r d i n gt ot 1 1 et e c l l i l i c s ，n a m e l y ，让l es l a gi sp r e - 砸n d e d f i r s y ，a n dt h e n ，p o n l 趾dc e m e n tc l i n k e r ，g y p s u md i h y d r a t ea n dm es l a gm a th a sb e e np r e 一 鲥n d e da r em i x e da n d 咖d e dt o g e m e r t h es t u d ys h o w sm a ta l t h o u 曲t h cm o d i l l u so f r o u 埘d e g r e eo f s l a gi ss r i l a l l e rm a l l 她to f c l i i l k e r ，b u ti t 谢l li n c r e a s ew 油也ei 1 1 c r e a s eo f t h es p e c i f i cs 曲c e 盯e a i n c r e a s i n gm es p e c i f i cs u r f 如ea r e ao fs l a gi sh c l p 如lt od e c r e a s e t b ep o s s i b i l i t y 山a tt h ea g g l o m e r a t i v es m 】c t u r ei sf 0 瑚e di nc e m e mp 嬲t e ，c o n s e q u e n t l ym e t i a b s 廿甚c t w a t e rr e q l l i r e m e n tw i hb ed e c r e a s e d ni sa d m t a g e o u st oi n c r e a s et l l ec o m p a c td e g r e eo f h a r d e n e dc e m e n tp a s t et h a tt l l ea p p m p r i a t e 蛐o u n to fs l a gf m ep o w d e r 出a th a s 血e 圭l i 曲 s p e c i f i cs l l r f a c ea r e ai su s e d a sa d m i x t u r emt h ec e m e n t t h es l 】r 】et r e a 姐e ma g e 她w h i c hb e l o n g st o 啪t e rg l a s ss e r i e sa i l ds o l i d i f i e db y p o l y m e r i c 她i n 吼p h o 印h a t e ，h 鹊b e e ns t i l d i e d ，a n dt h es u r f 配el a y e rm a t e r i a li ss u r f 犯e t r e a t e db yt i l i ss u “k et r e a t m e n ta g e n l t h ee x p e r i m e n t a ir e s u 】t si n d i c a t et h a tt l l es u r f k e t r 锄e n t c 锄i m p m 、，e 曲ei m 讲：n 】a _ b i l i t ya i l ds c o l l rp r e v e n t i o no f c o n c r e t em a r k e d l y t h e i m p e 锄e a b i l i t yg r a d eo f 哪t k el a y e rm t e r i a lt h a th 嬲b e e n 鲫曲c et r e a t e de x c e e d ss 1 2 ， t h ew e a r 趾dt e a ro fs u r f k el a y e rd e c r e a s e sb y1 4 4 t h ep r i m a r y 廿o nm e c h a i l i 锄o f t h es 吲沁e 讹她e n ta g e mi st om a k em ec a p i u a r i e sb eb l o c k e do 此如岫l e r i n o r ec - s - h g e l ，w h i c hi sh c l p 血l t oe m 岫砣t h ei m p e 蛐e a b i 哆a n d s c o l l rp r e v e 觚o no fc o n c r e t em l l c h m o r e ，、】l r i ub ef b 瑚e db yt l l er e a c t i o nb e 时e e ns i l i c i ca c i dc o l l o i dp a n i d e sf i l l e di n 也e c 印i l l a r i e s 趾dc a ( o 砷2 p r o d u c e d 舶m 也eh y d r a t i o no f c 锄e m f i g u r e6 3 ；t a b l e2 8 ；r e f 醯e n c e8 6 k e y w o r d s ：c o n c r e t e ，i m p e m e a b i l i t y ，s c o u rp r e v e n t i o n ，s u r f k et r e a 恤e n ta g e m c h i n e s eb o o k sc a t a i o g ：t q l 7 2 一i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：翻氐渔筮日期：趔五年卫月上日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：刮壮导师签名：王毪笃蔓日期：厶年竺月卫日 引言 引言 自1 8 2 4 年波特兰水泥发明至今，混凝土的生产技术已得到迅速的发展，混凝土 已成为人类社会生活、文化生活的基础，是城市化、高速公路、港口码头、立交 桥、机场、大坝等建设中应用最大量、最广泛的建筑材料。据不完全统计，世界水 泥年产量已超过1 5 亿吨，折合成混凝土不少于4 5 亿立方米。然而，混凝土自身存 在的许多缺陷制约着其今后的发展，如混凝土的耐久性、自重较大等，特别是混凝 土的耐久性已成为当今国内外一个迫切需要解决的问题。由混凝土耐久性不足所造 成的混凝土建筑物的维修或重建不仅耗费了大量的人力、物力、财力，而且也阻碍 了混凝土建筑业的可持续发展。混凝土结构出现耐久性问题以后，其维修加固费用 更是十分惊人。据统计，美国1 9 7 5 年混凝土腐蚀引起的损失为7 0 0 亿美元，1 9 8 5 年则 达1 6 8 0 亿美元，今后每年用于混凝土工程维修和重建的费用估计将高达3 0 0 0 亿美 元。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用为2 0 0 亿英镑( 合2 8 0 亿美元) ，日本目 前每年用于房屋结构维修的费用为4 0 0 亿日元( 合3 - 3 亿美元) 以上阻1 。我国混凝土结 构耐久性的问题也很严峻，对沿海钢筋混凝土结构的调查表明b 1 ，不少建筑物经 5 1 0 年即需大修，一般寿命不足3 0 年。据综合估计，我国的混凝土坝的平均寿命约 为3 0 5 0 年“1 。专家预计”1 ，本世纪初我国将出现混凝土结构物的维修高潮，每 年所需的维修费用可能高达数千亿元。 混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、钢筋锈蚀、化学侵蚀、碱集料反应等， 其中混凝土的抗渗性是混凝土耐久性的第一道防线，对混凝土耐久性有十分重要的 影响，因为水分或侵蚀性介质的入侵是引发混凝土质量劣化、耐久性不足的主要原 因。例如，混凝土中钢筋的锈蚀，需要有氯离子去钝以及水分和氧气；混凝土的冻 坏，是由于水分渗入到混凝土结构内部的毛细孔中，在负温下孔中的吸附水达到冰 点而结冰，产生体积膨胀( 水结冰后体积增长为原来的1 1 倍) ，因而造成膨胀应力， 当膨胀应力大于混凝土所能承受的应力时，就产生了裂缝，进而使混凝土的结构受 到破坏；碳化反应需要有c 0 2 ；混凝土发生硫酸盐腐蚀破坏的必要条件是有水和腐 蚀性离子进入混凝土；发生碱集料反应破坏需要有足够水分进入混凝土等等。有学 者认为混凝土的抗渗性是评价混凝土耐久性最重要的综合指标【6 l 。美国的m e m a 、英 国的n e v i l l 及我国已故工程院院士吴中伟等都提出，大幅度提高混凝土的抗渗性是 改善混凝土耐久性的关键”1 。一个普遍的共识是，混凝土的耐久性跟渗透性密切相 关【8 叫0 】，耐久性从根本上取决于混凝土中的孔隙情况和渗透性。 河北理一i i 大学硕+ 学位论文 对于河堤大坝之类的构筑物而言，抗渗和耐冲刷是相辅相成的。河堤大坝的抗 渗性好，水和其它侵蚀性离子不容易进入混凝土内部，对混凝土造成的损伤小，坚 固的混凝土抵抗水流及其所携带泥沙冲刷的能力必然强，混凝土的耐冲刷性就好； 反之，如果混凝土的耐冲刷性好，致密坚硬的混凝土必然能抵御水的侵入，抗渗性 就好。因此，要提高河堤大坝的抗渗性，就必须同时提高其耐冲刷性，同样，要提 高河堤大坝的耐冲刷性，也必须同时提高其抗渗性。我国是洪涝灾害比较严重的国 家，1 9 9 8 年中国南方的那场大水就更是令人触目惊心，许多大坝因为抗渗耐冲刷性 差，在洪水的反复冲刷和渗透下出现崩塌渗漏，有些甚至一击即溃，出现了多次决 口和决堤，很多村庄和良田被淹没，造成了许多人无家可归，给国家和人民的财产 造成了巨大损失。由此可见，如何同时提高河堤大坝的抗渗性和耐冲刷性，具有极 其重要的意义。 本课题旨在进行同时提高混凝土抗渗性和耐冲刷性的研究。研究表明，通过在 普通混凝土表面复合具有高抗渗耐冲刷能力的表层，不仅使混凝土可以获得优良的 抗渗耐冲刷性，并最大限度地降低了成本，本研究具有重大的经济价值。高抗渗耐 冲刷表层的研制中提出的一些措施及其相关机理研究，为提高混凝土性能提供了新 的思路。 一2 l 文献综述 1 文献综述 1 1 混凝土抗渗性的研究现状 1 1 1 混凝土的抗渗性与耐久性的关系 人们对混凝土抗渗性能的关注，始于大型水工工程的建设，诸如混凝土水坝、 水渠、涵管及位于地下水位线以下的地下结构如隧道等的建设。一旦混凝土的抗渗 性能不足或受到破坏，会降低这些结构的使用效能，造成污染、渗漏等事故，尤其 是水坝之类的大型水工结构，在设计中需要确切了解混凝土抵抗高水压下水穿透的 能力【l l 】。前苏联的b m 莫斯克文1 2 3 较早对水工混凝土的抗渗性进行了研究，尤其 对混凝土的渗透系数及其影响因素进行了深入的考察。法国的p f 锄c e n 、f a d e n o t 等卜“1 对混凝土在软水中渗透侵蚀机理做了定量分析。美国的a j l d r e ws i m o n 和英 国的s t e p h e ne d a y b y 等n 卯研究了重力坝体渗透侵蚀速率与压力水大小的关系。我 国在这方面的研究虽然起步较晚，但也取得了一定的研究成果。如同济大学的夏才 初等卅利用瞬态法研究了混凝土试件在持续变化的应力下渗透性的变化。武汉水 利电力大学的方坤河等“鲥对混凝土在不同渗透历时、水力梯度作用下的渗透性 进行了专门研究。南京水利科学研究院的蔡跃波等眩们从微观孔结构和化学稳定性 角度研究水渗透溶蚀耐久性。中国水利水电科学研究院的李金玉等旺研究了在压 力水作用下，混凝土渗漏而产生溶出性侵蚀的宏观规律和微观破坏机理。河海大学 水利水电学院的速宝玉瞳2 捌等对在恒水头、变水头作用下的r c c 坝渗透性作了分 析，阐述了达西定律的适用性，并对抗渗标号、渗透系数、透水率之间的关系作了 相关性分析。 混凝土的耐久性是指在使用过程中，在内部的或外部的、人为的或自然的因素 作用下混凝土保持自身工作能力的一种性能。或者说，耐久性是混凝土在设计使用 年限内抵抗外界环境或结构内部所产生的侵蚀破坏作用的能力。 影响混凝土耐久性的因素有很好多，如碳化、钢筋锈蚀、冻融循环、碱骨料反 应、硫酸盐侵蚀、机械磨耗等。常见的几种腐蚀因素对混凝土的破坏程度随时间的 变化如图l 【2 4 】。 3 - 河北理_ l = 大学硕士学位论文 时阃 图l 腐咄因素对混凝土的破坏 f 吕1c 0 f r o s i 鼬衙s t o n 把b n 姆0 f t h e c 眦嘣e 辑环 混凝土的破坏机制虽然各不相同且作用机理复杂，但共同点是，各种腐蚀作用 都与混凝土的渗透能力有关。例如，大气中混凝土的碳化、钢筋锈蚀以及碱骨料反 应都是有水及腐蚀性物质的渗入而对混凝土产生破坏作用。水作为侵蚀性离子运载 工具，是各种物理、化学分解过程的来源。混凝土中与水有关的一些物理、化学现 象，主要由其渗透性所控制。 图2 可用来说明混凝土渗透性对各种侵蚀作用的影响。从影响混凝土耐久性的 各个过程的机理可以看出，造成耐久性破坏的最根本原因是水的存在以及混凝土本 身的不均匀性( 孔、缝) 造成的侵蚀介质的侵入。渗透性越低，则水及有害介质越不 易侵入到混凝土内部去，对混凝土产生的破坏作用越小，即混凝土的耐久性越好。 因此，国内外很多学者脸5 t 7 3 都以混凝土的渗透性为起点来研究耐久性。抗渗性能 高的混凝土，其耐久性就好。近年来高性能混凝土的概念大有取代高强混凝土概念 的趋势【2 引，因为人们认识到强度这一单一的指标并不足以揭示结构材料的工作状 态，高性能混凝土首先要求是耐久性有保证的混凝土。因此，要研究高性能混凝 土，就不能不关注混凝土的抗渗性能。 一d 荽澎鸶誉 l 文献综述 圈2 渗透性控制的混凝土腐蚀 f 培2c o n c f 眦el i l a c p e m e a b n 时n n d l si se r o d c d 1 1 2 混凝土渗水的原因 混凝土是一种非均质材料，从微观结构上来看属于多孔结构，孔隙率约占 2 5 4 0 。在存在内外压力差的情况下，必然引起液体从高压处向低压处沿毛细 管迁移、渗透的现象，这种现象称为混凝土的渗透性。抵抗气体或液体的渗透能力 称为抗渗性【2 9 】。 绝大多数有害的流动水溶液无不是从水泥浆体或混凝土中的孔隙侵入的，开始 的渗入速率取决于水压以及毛细管力的大小。硬化浆体或混凝土达到水饱和后，毛 细管力不再存在，此时达到一个稳定流动状态，其渗水速率则可用下列公式表示 【2 9 】： 鲁锨警击三 一 式中： 粤一渗水速率，m m 3 s ； x 一渗透系数，m i l l so 一一试件的横截面，m m 2 ； 丑矗一作用在试件两侧的压力差，m m h 2 0 ； 一试件的厚度，m m 。 5 河北理工大学硕士学位论文 由上式可知，当试件尺寸和两侧的压力差一定时，渗水速率和渗透系数成正 比。通常用渗透系数k 表示抗渗性的高低。 d 艘 毛蝈礼孔确军z 图3 渗透系数和毛细孔率的关系叫 f r e l 商o n o f p 盯n 麟断脚c d e 衢c i e i 吐砌c 印i u 啊p o 啷时删。 图3 为p o w e r stc 测定的渗透系数与孔隙率的关系。混凝土的渗透系数随孔隙 率的降低而下降。 混凝土中的孔隙可分为旅工孔隙和构造孔隙，各种孔隙的结构特点如表i 口”所 述。旖工孔隙是由于施工时浇灌、振捣不良引起的孔隙。构造孑l 隙是混凝土硬化过 程中形成的，主要取决于成型水灰比。构造孔隙包括水泥水化产物凝胶体本身所固 有的凝胶孔、水泥水化过程中多余的水分蒸发后在混凝土中遗留下来的毛细孔、水 泥和骨料在重力作用下产生不同程度的沉降而形成的沉降孔隙。混凝土浇注后，由 于保水性不良，砂石产生沉降，水分上升，其中一部分沿着毛细管道析出至混凝土 表面( 外表泌水现象) ，从而形成积水层，水分蒸发后，形成了网络状相互连通的沉 降孔隙，且是开放式的，因此，沉降孔隙的产生是造成混凝土渗水的一个主要原 因。除此之外，还有许多原因会导致裂纹产生。当混凝土还处在塑性阶段，由于表 面水分大量迅速地蒸发，如果水分蒸发的速度超过混凝土内部水分向表面迁移的速 度时，则会产生塑性收缩裂缝。由于硬化水泥浆体与集料的热膨胀系数不一致，在 温度变化时会引起浆体与集料界面区产生裂缝。水泥的水化热使混凝土中产生温度 梯度，引起混凝土局部变形，而这种变形受到混凝土其他部分的牵制和限制，也会 产生裂缝。水分不断蒸发，孔隙中的毛细管表面张力发生变化，将产生毛细管的收 缩裂缝。由于混凝土的干缩大部分在硬化后几个月甚至一年才完成，连续不断的收 6 嘲 曲 晴 i 己 。 霉q口圣v氍秘璺 l 文献综述 缩受限制后，还可能使其他原因( 如热致、化学减缩、炭化收缩等) 产生的裂缝进一 步扩展。在硬化混凝土中，集料水泥石界面的结合较弱，在上述因素作用下， 由于应变在界面处最易产生裂缝，宽度也较水泥石基体中存在的裂缝为宽，而且易 与水泥石中裂缝连通，增加系统的渗水性吲。 表l 混凝土孔结构特点 t a b i els 臼_ i l c t u r a lc h 啪c t e r i s 廿c so f t l l ec o n c 托惦b o r e 混凝土的抗渗性不仅与孔隙率有关，还与混凝土的孔结构有关。在相同的孔隙 率下，封闭孔隙越多，抗渗性越好。在混凝土中产生的孔隙和裂缝中，较大的、开 放式的、贯穿的缝隙是造成混凝土渗水的主要原因。 1 1 3 提高混凝土抗渗性的途径 1 1 3 1 影响混凝土抗渗性的因素 要使混凝土绝对不渗水是很困难的。但在一定条件下，在一定水压下使水渗入 一定深度而不穿透或使水的渗透量小于蒸发量，则是可能的。这对于混凝上的抗渗 性能是具有实用意义的。 一7 河北理t 大学硕士学位论文 当试体尺寸和两侧压力差一定时，渗水速率与渗透系数成f 比，因此可以用渗 透系数b 表示抗渗性的大小。渗透系数k 越小，混凝土的抗渗性就越好。渗透系 数足可按下试( 2 ) 计算【2 9 】： 一2 k = c ( 2 ) 叩 式中： j 卜渗透系数，耐s ； r 混凝土总孔隙率，； r 一孔的水力半径( 孔隙体积，孔隙表面积) ，m ； 玎一流体的粘度，p a s ： c 一常数，p “m 。 由上式可见，渗透系数k 不仅与混凝土的总孔隙率成正比，而且与孔隙半径的 平方成正比。减小总孔隙率和孑l 径尺寸都能减小渗透系数，而孔径的尺寸比总孔隙 率对抗渗性有着更为重要的影响。 经验表明，当孔径小于1 u m 时，所有的水都吸附于管壁或作定向排列，很难流 动。水泥浆体中的凝胶孔尺寸更小，据鲍维斯的测定结果，其渗透系数仅为7 l o 1 6 i i l s ，因此水泥浆体中的凝胶孔可认为不透水。也正因为凝胶孔的多少实际上对抗 渗性几乎无影响，混凝土的渗透系数主要决定于毛细孔率的大小。试验表明p 3 1 ，当 水泥浆毛细管孔隙率超过2 0 3 0 时，硬化水泥浆的渗透系数将急剧增大。因 此，为提高抗渗性，必须设法减小混凝土中毛细管的孔径，变大孔为小孔。 1 1 3 2 提高混凝土抗渗性常用措施 工程上为提高混凝土抗渗性通常采用以下几种措施： 1 减小混凝土的成型水灰比 硬化水泥浆体的毛细管孔隙率主要取决于成型水灰比，水灰比愈大，毛细管孔 隙率越大，硬化后水泥浆体的抗渗性越差。在理论上，水泥水化所需的水分大约占 水泥含量的2 0 3 0 。为了保证成型质量，水泥浆体必须达到足够的流动度，实际 成型水分比水泥水化需要的水灰比大得多。根据现场的有关试验资料表明，当水灰 比由o 4 增至o 7 时，硬化水泥浆体渗透系数增大1 0 0 倍以上；水灰比超过o 5 时， 渗透系数增加比较显著。因此，在保证成型质量的前提下，减小成型水灰比，可以 使硬化水泥浆体的抗渗能力显著越高。 一8 一 1 文献综述 混凝土的抗渗性比硬化水泥浆体小，因为混凝土中由于水分的蒸发、泌水等现 象将导致在混凝土内部形成许多大小不同的孔隙，这些孔隙构成了渗水的主要途 径。混凝土拌合物的水灰比对于硬化混凝土孔隙率的大小有直接的影响。混凝土的 成型水灰比越大，形成的孔隙越多，混凝土抗渗性能越差。研究表明p 4 3 5 j ，当混凝 土成型水灰比从o 5 增至o 6 时，混凝土的抗渗性有急剧降低的趋势，且当水灰比超 过o 5 5 时混凝土的渗透系数急剧增大。蔡正咏( 1 9 7 9 ) 认为1 3 6 j ：水灰比不超过0 5 5 的 混凝土，在一般情况下无须进行抗渗性试验就足以保证混凝土满足w 8 的要求；而 对于重要结构，有抗渗要求时水灰比最好不超过o 4 5 或o 5 0 。美国a c i 标准3 0 l - 7 2 ( 1 9 7 5 年重颁) 建议【3 7 】：暴露于淡水中的结构混凝土( 要求防渗) ，其水灰比不应超 过o 4 8 ；暴露于海水中的不应超过0 4 4 。h h 阿赫维尔多夫研究表明哪j ，当混凝土 的水灰比= ( o 8 7 6 1 6 5 ) p ( p 为水泥的标准稠度用水量) 时，水泥浆中的溶剂化固相粒子 在分子力作用下形成的凝聚结构能够充满水泥一水体系的空间，从而使水泥浆不发 生泌水现象，减少了由于泌水所造成的混凝土内部的渗水通道，提高混凝土的抗渗 性。在水灰比相同的情况下，混凝土中的单方用水量决定了混凝土中孔隙的多少。笠 井等人研究证明 3 9 】，相同水灰比的混凝土，单方用水量越大，早期( 3 3 5 d ) 自由收缩 越大。日本有关规范规定，单方用水量为1 8 5 】7 5 k g ，m 3 的混凝土属于耐久性混凝 土；单方用水量1 7 5 k g m 3 的混凝土属高耐久性的混凝土。 成型水灰比越小，硬化混凝土的抗渗性越好，但必须保证混凝土拌合物要具有 适宜的和易性。混凝土的坍落度一般宜取为3 5 厘米以上，这样才既便于施工又能 保证混凝土的抗渗性能。减小成型水灰比最普遍采用的方法就是添加减水剂。各种 高效减水剂为混凝土降低孔隙率、改善孔结构提供了可能性，高效减水剂可以显著 减小成型水灰比。 2 调整混凝土的颗粒级配 混凝土中骨料级配、石子最大粒径、砂率和灰砂比的合理选择有助于降低混凝 土的孔隙率或减小孔径，从而提高抗渗性。 混凝土的砂率要选择适当。有资料表明【4 0 】，抗渗性混凝土中砂的用量高于普通 混凝土，一般砂率值应控制在3 5 4 0 。灰砂比一般在1 ：2 0 1 ：2 5 之间。在一定 的水灰比限值内，适当加大水泥用量，可以提高砂浆填充粗骨料孔隙的程度，提高 混凝土的密实性，增强混凝土的抗渗性能。一般水泥的用量不宜少于3 0 0 k g i 一。混 凝土拌合物浇筑后，固体颗粒由于重力作用而下沉，水分被排挤上升，石子逐浙形 成骨架：石子之间的砂子和水泥继续沉降，同时在水泥砂浆中又相继发生固体下 一9 河北理t 大学硕士学位论文 沉，水分上升。随着这一过程的完结，骨料下部形成较大的孔隙，水泥颗粒之间又 形成微细的孔隙，大大小小孔隙之闯形成互相连通的网络组织，这些孔隙就成为渗 水的途径。石子粒径越大，形成的孔隙越大，混凝土的抗渗性能越差。另外，在混 凝土硬化过程中，石子不收缩，而石予周围的水泥浆则产生收缩，致使砂浆与石子 接触面上产生一些微细裂缝。石子粒径越大，与砂浆收缩的差值也越大。这些微细 裂缝也越大，混凝土的抗渗性能就越差1 4 1 j 。抗渗混凝土中最大石子粒径宜小不宜 大。 3 混凝土中引入膨胀剂 研究表明【4 2 】，在混凝土中加入膨胀剂，也可以提高混凝土的抗渗性。如采用u 型膨胀剂时，膨胀剂在水化过程中生成了大量的钙矾石，堵塞了混凝土的毛细孔 隙，使混凝土结构更加致密，混凝土的抗渗性也随之提高。隋革艳、杜朋等【4 3 】通过 研究得出，u 型膨胀剂掺量为8 1 0 ，混凝土强度有所提高并有良好的抗渗性 能，适用于以抗渗为主要目标的承重结构。吴绍章h 卅( 1 9 9 4 ) 通过试验表明，掺膨胀 剂的混凝土在恒压时间与不掺膨胀剂的混凝土等同或更大的情况下，水压可提高 2 3 倍，而其渗水高度仍等同于或低于不掺膨胀剂的混凝土。膨胀剂的量必须严格 控制，过量的膨胀剂会严重降低强度。 4 混凝土中掺入引气剂 水的渗透总是沿着贯通孔进行的，尽量减少贯通孔也是提高抗渗性的一个重要 途径。长期的工程实践和研究表明，在混凝土拌和物中掺入引气剂，能减小混凝土 的渗透性。因为引气剂不仅使混凝土拌和物的泌水量降低3 0 4 0 ，作为泌水通 道的毛细管相应减少。同时，在浆体中形成的大量微小气泡可以隔断或堵塞混凝土 毛细管渗水通道，改善混凝土的孔结构，使混凝土抗渗能力提高【4 5 1 。在应用引气剂 时应严格控制其引气量。有资料表明，当混凝土的引气量超过6 时，将引起混 凝土强度和抗渗标号的急剧下降。 5 混凝土中掺加矿物微粉 在混凝土成型时掺加适当的矿物微粉，对于提高混凝土的密实度与减小孔径的 作用值得重视。 一1 0 1 文献综述 1 1 4 混凝土抗渗性的测试方法 混凝土的抗渗性有多种试验方法h 7 1 ，有传统的水压力试验法和气体渗透性试验 法，也有近年来越来越引起人们重视的抗氯化物渗透试验法以及其它的一些新方法 等。 我国测量混凝土渗透性的标准方法是透水法瞳 ，该方法即为传统的水压力法 h 引，其理论基础是达西定律。传统的水压力试验法又分为稳定流动法、渗透深度 法和抗渗标号法。 稳定流动法测量压力液体流过混凝土的流量、流速，适用于研究具有较高渗透 性，例如强度不高、龄期不长的混凝土。在该方法中，渗透系数k f 可以根据d a r c y 定律来确定。在根据d a r c y 定律计算渗透系数过程中，测量一般存在相当大的试验 误差，所以为谨慎起见，要在不同的低流速下进行测量，将流速对压降作图，用一 条直线来拟合这些数据点【4 9 l 。 渗透深度法测量压力液体穿透混凝土的深度，适用于研究具有低渗透性的混凝 土。在该方法中，相对渗透系数可用下式( 3 ) 计算5 0 】： 舻筹( 3 ) 式中： 如一渗透深度法测量的渗透系数，州s ； d 一平均渗透高度，m ； r 一混凝土孔隙率，； 吨定压力时间，s ； 仔一水头高度，m 。 由于孔隙率实测困难，通常采用估算值，致使岛值有较大误差，一般仅用于相 对比较。 r p k h a t r ia l l dv s i 由i v a m a t l o n 建立了稳定流动法与渗透深度法之间的联系， 给出了两种研究方法的选择标准。他们认为，究竟采用哪种试验方法为宣，取决于 混凝土的2 8 天抗压强度f 2 8 。与龄期t 口”，临界条件如下： 如果2 3 ( t ) 2 + 1 1 ( f 2 8 。) 2 1 0 4 0 0 ，采用渗透深度法； 如果2 3 ( t ) 2 + 1 1 ( f 2 8 。) 2 河砂 石灰石砂 矾土砂 水淬高炉矿渣砂，因此配制耐磨性好的砂浆或混凝土可以采 用铁粉或河砂作骨料。砂中含有的石英等坚硬矿物的含量越多，黏土等有害杂质越 少，则混凝土的抗冲刷性能越好。 混凝土的真空脱水作业是一种可以达到防水耐磨目的的旖工方法。该方法即对 刚浇筑完的混凝土，采用真空负压原理抽出一部分多余水和空气以降低水灰比，提 高混凝土的密实度。试验表明，混凝土表面经真空脱水和机械抹面后，其耐磨性可 提高3 0 5 0 “。 1 2 3 混凝土耐冲刷性试验方法 a s t mc 7 7 9 推荐用三种实验方法来评价混凝土的耐磨性，即钢球法、转盘法和 摩轮法。我国国家标准g b 厂r 1 6 9 2 5 1 9 9 7 混凝土及其制品耐磨性实验方法规定 的滚珠轴承法，以滚珠轴承为磨头，滚珠在额定负荷下滚动时摩擦湿试件表面，在 受磨面上形成环形磨槽，通过测量磨槽深度和磨头转数，按下式( 4 ) 计算耐磨度。 七：婴( 4 ) 扩下竹， 式中： 0 一耐磨度； 1 5 - 河北理工大学硕十学位论文 曰一磨头转数，k r ； p 一磨槽深度，m m 。 我国行业标准j t j o s 2 7 9 4 混凝土抗磨性试验按规定的磨损方式磨削试件， 以试件磨损面上单位面积的磨损量作为评定混凝土耐磨性的指标。 我国s d j 0 5 8 2 水工混凝土试验规程原采用含砂水流冲刷法( 水砂法) 试验评 定混凝土的抗冲磨性能，但因试件尺寸过小，对高强度混凝土不敏感等缺陷，目前 己被弃置。而美国于1 9 8 0 年推出1 9 8 9 年被a s t m 正式列为标准的水下钢球冲磨法 对高强混凝土较敏感。目前用来评鉴混凝土抗渗性能的试验方法还有喷砂枪冲磨试 验法气流喷砂法。尽管目前国内外的抗冲磨的试验法方法很多，但由于各种方法与 实际磨损条件均存在较大差异，尚没有一种方法能全面评价混凝土的耐磨性。 1 3 高效减水剂的种类及作用效果 目前高效减水剂的减水率可以高达2 7 3 0 ，高效减水剂已成为现代混凝土不 可缺少的组分之一。国外发达国家的混凝土工程中对减水裁的应用率达9 0 以及欧 洲的一些国家应用率甚至达到了1 0 0 。应用高效减水剂除了可节省水泥和能源，提 高施工速度和施工质量，改善工艺和劳动条件外，更重要的是使混凝土获得了前所 未有的高性能，混凝土的耐久性能得到显著提高。 国内外通用的分类方法是根据其主要成分和分子结构进行分类：( 1 ) 萘磺酸盐甲 醛系列( s n f ) ，国内产品代号为f d n ；( 2 ) 磺酸盐甲醛系列( s m f ) ：( 3 ) 改性木质素磺酸 ( l s ) ；( 4 ) 反应性高分子0 墟) ；( 5 ) 氨基磺酸盐( a s ) ；( 6 ) 多羧酸系列( p c ) 。其中最常用 的萘磺酸盐缩甲醛系列高效减水剂常用掺量为水泥质量的o 4 1 ，适宜掺量为 o 5 ，减水率可达到1 6 2 5 ，为非引气型的高效减水剂。 高效减水剂多数为表面活性剂，定向吸附于颗粒表面，增大颗粒问的相互排斥 作用，促使水泥颗粒分散，从而释放絮凝体包裹的水，达到减水的目的，使水泥浆 的粘度下降，流动性提高。掺加高效减水剂后，混凝土的孔结构发生不同程度的改 变，使大孔减少，微孔增加，从而提高水泥砂浆的强度及抗渗性f 7 5 】。迟培云、李金 波、杨旭等( 2 0 0 1 ) 总结了在混凝土中掺入高效减水剂的可取得的效果如下：( 1 ) 保持 和易性不变，可减水2 5 ，2 8 d 强度提高9 0 ，抗渗性提高4 5 倍；( 2 ) 保持和易性不 变，节约水泥2 5 ，2 8 d 强度提高2 6 ，抗渗性提高2 倍；( 3 ) 保持用水量和水泥用量 不变，2 8 d 抗压强度提高2 7 ，抗渗性提高3 倍。 一1 6 i 文献综述 1 4 矿物微粉的作用 粉煤灰和硅欢是被研究得最多的矿物微粉。据分析，近年来水泥产品的细度减 小、活性增加，使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加，最终导致混凝土温 度收缩和干缩产生的裂纹增加【7 6 】。为此，人们在配制高性能混凝土时，常常掺加粉 煤灰等外掺料取代部分水泥，一方面降低造价；另一方面减少热开裂，提高混凝土 的后期强度和抗渗性。 八十年代初国外的一些学者，如英国的c l p a g e 、美国的p k m e h t a 、挪威的 o e c j o t v 等，研究得出的结论一致为：掺加混合材( 矿渣、粉煤灰) 的水泥比普通硅 酸盐水泥能更有效地限制氯离子扩散。9 0 年代以来，这方面的研究有增无减，例如 日本的k t o m 等研究以等量取代方式掺加3 0 粉煤灰( 细度为3 9 6 m 2 l 噜) 的钢筋混凝 土试件，在k a n 姗城附近的日本海滨暴露5 d 后钢筋情况：结果是单掺3 0 的粉 煤灰试件钢筋失重率和氯离子含量均小于同水灰比的未掺试件。m f m o n c o m o r 等 研究了掺o 、3 0 、5 0 粉煤灰( 等量取代) 混凝土的氯离子渗入量。试件养护7 d 后，放入海滨潮差区，暴露2 d 后发现，在混凝土一定深度内，氯离子含量随粉煤灰 掺量增加而成指数函数递减。国内对粉煤灰在混凝土中的应用研究开始于1 9 8 1 年 【硎。胡智农等【7 8 1 研究了粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数和孑l 结构，研究得出：粉煤灰 双掺混凝土的总孔隙率较基准混凝土( 水灰比为o 4 5 ) 减少了5 0 ，而其中大于5 0 0 五 的有害孔所占比例从1 6 4 6 降为8 6 8 ，氯离子扩散系数下降为6 4 2 。张洪良， 李涛等【7 9 l 研究认为在混凝土中掺粉煤灰必能改善混凝土的抗渗性能，且粉煤灰超量 取代水泥以2 0 为宜。岳晨曦、陈风扬等【8 0 j 通过试验研究，得出了湿粉煤灰掺量与 湿粉煤灰混凝土强度、抗渗性的关系，认为当粉煤灰掺量小于2 5 时，混凝土强度 抗渗等级