高性能混凝土的抗渗性能分析

　　【摘要】核废料安全处置是目前国际上研究的热点和焦点问题。着重介绍了高性能混凝土抗渗试验的测试方法，得出了相关数据，分析比较了聚丙烯纤维、钢纤维、粉煤灰对于混凝土抗渗性能的影响。对提高高性能混凝土中高温后的耐久性，分析混凝土构件中高温后的抗渗性能，以及研制储存容器均具有十分重要的意义。
　　【关键词】高性能混凝土，抗渗性能，钢纤维
　　核废料安全处置是目前国际上研究的热点和焦点。自前苏联于1954年建成第一座核电厂以来，至今全世界已有核电厂400多座，核废料排放量与日俱增。目前全世界产生的核废料已达2×105t之多，预计到2030年，全球的核废料总数将达到5×105t。核废料贮存的长期安全性及其对地质环境、人类健康和生物圈的长期影响已成为人们十分关注和担忧的问题[1]。
　　由于在很长的时间内不可避免地要承受使用荷载，而且受到地下水、岩层、地震等环境荷载的作用。核废料贮存容器的可靠性将直接影响人民的生命财产安全；加之在设计、施工和使用中存在大量的不确定性等种种因素；因而必须对其进行可靠度分析，以使结构在预定时间内完成各项功能。本文着重研究了用于制作核废料贮存容器的高性能混凝土的抗渗性能。
　　混凝土的渗透性与耐久性之间有着密切的联系，因此通常认为渗透性是评价混凝土耐久性的最重要指标。正如有些专家评论的那样：渗透性低的混凝土，其耐久性一般来说是比较好的；为了得到耐久的混凝土，必须相应地提高其抗渗性[2]。
　　渗透是指液体或气体在压力作用下的运动；扩散是指气体或液体中的粒子由于存在浓度差进行的运动；混凝土的渗透性和抗渗性，是从两个方面说明同一个问题，当混凝土的渗透性高时则其抗渗性低，当混凝土的渗透性低时则其抗渗性高；反之亦然。
　　1测试方法及数据
　　依据试验原理的不同，渗透性试验可大致分为三类：渗透系数法、离子扩散系数法和电参数法[2]。水渗透方法能够较真实地反映混凝土的抗渗性能，建议研究应采用压力作为手段测试混凝土的渗透性能[3]。鉴于国标方法GBJ82—85虽然其结果较好地反应出混凝土内孔结构及渗透液与混凝土水化产物吸附对渗透的影响，但操作繁重复杂，不易测试高性能混凝土，故抗渗试验参照《水工混凝土试验规程》[4]相对抗渗性试验进行。
　　抗渗试验采用ZKS系列微机控制高精度混凝土抗渗仪，见图1
　　
　　图1混凝土抗渗试验设备图
　　制作上底直径175mm，下底直径185mm，高为150mm的圆台试件，按照设计的配合比称好各种材料的质量，以石子、纤维、砂、水泥、减水剂的顺序依次倒入搅拌机，干拌均匀后，再将水徐徐加入；待水全部加入后，继续搅拌2～3min，将搅拌好的拌合物装入试模插捣后，放在振动台上振动2～3min；在试件表面覆盖塑料袋以防止水分蒸发；24h后拆模，放入养护室按照GBJ81—85养护成型。试验时将试件压入试压钢套，并将试压钢套安放到试压台上的钢套底模上，中间有密封圈密封，形成一个对试件进行抗渗试验的压力腔。
　　表1正交试验混凝土配合比
　　组号 水
　　（kg） 水泥
　　（kg） 粉煤灰
　　（kg） 砂子
　　（kg） 碎石
　　（kg） 钢纤维A（kg） 钢纤维B（kg） 聚丙烯
　　纤维（kg） 减水剂（%）
　　SP-1 180 450 50 593 1202 40 8 0.3 0.6
　　SP-2 180 350 150 578 1174 80 8 0.3 0.6
　　SP-3 180 350 150 578 1174 40 24 0.3 0.6
　　SP-4 180 450 50 593 1202 80 24 0.3 0.6
　　SP-5 180 350 150 578 1174 40 8 0.9 0.6
　　SP-6 180 450 50 593 1202 80 8 0.9 0.6
　　SP-7 180 450 50 593 1202 40 24 0.9 0.6
　　SP-8 180 350 150 578 1174 80 24 0.9 0.6
　　
　　
　　（a）试件压入中（b）抗渗期间
　　
　　（c）试件劈裂（d）劈裂后的试件
　　图2试验概况照片
　　根据《低、中水平放射性固体废物混凝土容器》EJ914—94要求，抗渗试件所承受的水压力直接加到2.0MPa，恒压24h，然后降压，从试模中取出试件。在试件两端面直径处，于平行方向各放一根Φ6mm钢垫条，用压力机将试件劈开。将劈开面的底边10等分，在各等分点处量出渗水高度。根据渗水高度的平均值计算得到混凝土的抗渗高度。抗渗试验概况见图2，试验数据见表2和表3
　　表2混凝土抗渗高度
　　试件
　　类别 因素 抗渗高度
　　 A B C D 受热前(cm) 受热后(cm)保持率(%)
　　SP-1 -1 -1 -1 -1 9.74 6.26 64.3
　　SP-2 +1 -1 -1 +1 9.22 8.13 88.2
　　SP-3 -1 +1 -1 +1 9.54 7.17 75.2
　　SP-4 +1 +1 -1 -1 10.16 6.72 66.1
　　SP-5 -1 -1 +1 +1 10.91 6.18 56.6
　　SP-6 +1 -1 +1 -1 12.91 8.26 64.0
　　SP-7 -1 +1 +1 -1 14.09 7.58 53.8
　　SP-8 +1 +1 +1 +1 13.48 9.16 68.0
　　表3各因素不同取值水平T
　　水平 因素
　　 A B C D
　　-1 40 8 0.3 10
　　+1 80 24 0.9 30
　　A—剪切螺纹型钢纤维，kg/m3；B—超短超细高强型钢纤维，kg/m3；C—聚丙烯纤维，kg/m3；D—Ⅰ级粉煤灰，%。
　　2方差分析
　　利用SPSS13.0得到的受热前后混凝土抗渗高度的方差分析数据如表4
　　表4混凝土抗渗高度方差分析
　　方差来源 A B C D 误差e 总和
　　抗
　　渗
　　高
　　度 受
　　热
　　前 平方和 0.278 2.520 20.257 1.758 1.611 26.423
　　  均方 0.278 2.520 20.257 1.758 0.537 
　　  F值 0.517 4.694 37.730 3.274  
　　  Sig. 0.524 0.119 0.009 0.168  
　　 受
　　热
　　后 平方和 3.226 0.405 1.051 0.414 2.601 7.697
　　  均方 3.226 0.405 1.051 0.414 0.867 
　　  F值 3.720 0.467 1.212 0.478  
　　  Sig. 0.149 0.543 0.351 0.539  
　　
　　通过F值的比较得出因素对混凝土受热前后抗渗强度的影响，由大至小的排列顺序和极差分析一致。对于给定的显著水平α=5%，查得F0.05（1，3）=10.13，有：
　　（1）F值表明只有聚丙烯纤维对混凝土受热前抗渗高度的影响作用显著，且Sig.值小于0.01，因而其影响作用高度显著。
　　（2）F值和Sig.值表明，各因素对混凝土受热后抗渗高度的影响都不够显著。
　　从试验数据可看出，混凝土在受热后，抗渗高度普遍有所下降，其中下降最多是受热前抗渗性能最好SP-7，保持率仅53.8%；而受热前抗渗性能最差的SP-2在受热后抗渗性能损失最小，保持率最高，为88.2%；受热前抗渗性能较好的SP-8在受热后是抗渗性能最好的试件。
　　MaalejM[5]把钢纤维混凝土试件与普通混凝土试件底部浸泡在含量为3%的NaCl溶液中，然后加湿烘干循环83d，发现钢纤维混凝土的氯离子含量比普通混凝土低。加入增强纤维会使混凝土试件在裂纹宽度相同的情况下，渗流量减少；在没有渗流发生的情况下，增大了临界裂纹宽度。这些都表明钢纤维的掺入会提高混凝土的抗渗性。
　　聚丙烯纤维能够减少混凝土的早期塑性收缩裂纹并能阻止它们的发展，把增强混凝土抗渗性能的聚丙烯纤维的掺量定量化，认为聚丙烯纤维掺量为0～0.9kg/m3，尤其是0.9kg/m3的混凝土能够有效抵御外界氯离子的侵蚀、保护钢筋、防止锈蚀，具有优越的长期性能和耐久性能[6]。
　　通过试验发现混凝土中掺入聚丙烯纤维后，吸水率和渗水高度增加得很大，原因在于掺入纤维后使得混凝土拌合物流动性降低，工作性变差，从而使混凝土的密实性变差，在压力水作用下，渗透性增强，抗渗性降低；或是纤维的加入增加了混凝土的界面，在压力水作用下，水向混凝土内部渗入的通道增加[7]。
　　通过试验数据的分析可以看出，聚丙烯纤维起到了增强混凝土抗渗性能的作用，而且这种作用在混凝土受热前很明显。试验表明粉煤灰对抗渗性能影响不大，这可能是粉煤灰细度不够的原因。如果加入的粉煤灰细度高，可能会明显提高混凝土的抗渗性能。因为细度较大的粉煤灰颗粒吸附在水泥颗粒表面有利于分散水泥絮凝结构，并且合理使用粉煤灰等矿物掺和料有利于更好地发挥高效减水剂的作用，改善浆体的流动性和硬化混凝土的渗透性。如果再和膨胀剂复合使用，能改善混凝土的孔结构，使其具有良好的孔级配，即有害孔减少、少害孔和无害孔增多，并且混凝土总孔隙率降低[8]。
　　3分析及总结
　　通过以上方差分析和试验数据可以看出：
　　（1）聚丙烯纤维可显著提高混凝土常温下的抗渗性能，但对受热后混凝土抗渗性能的提高效果不明显；钢纤维对混凝土受热前后的抗渗性能均有增强的作用；粉煤灰对混凝土常温下的抗渗性能起到了负面作用，但在混凝土受热后对抗渗性能起到的作用是正面的。
　　（2）混凝土在受热后抗渗性能会下降，但是加入增强纤维和粉煤灰的高性能混凝土试件在受热后依旧保持较好的抗渗性能。钢纤维对提高贮存容器耐久性有明显的作用，短、超短钢纤维混杂效果良好；改善钢纤维的分散性及与基体咬合力，会更好地增强混凝土的耐久性；受热时间较长后，钢纤维高性能混凝土的抗渗性能优于高强混凝土。
　　参考文献：
　　[1]高红,梅,梁冰,兰永伟.核废料地下处置过程中相关动力学问题及控制措施[J].地质灾害与环境保护,2004,15(2):52-56.
　　[2]赵铁军.混凝土渗透性[M].北京:科学出版社,2005:1-120
　　[3]曹芳,马保国,李友国.混凝土的渗透性能及测试方法的对比分析[J].混凝土,2002,1(10):15-17.
　　[4]中国水利水电科学研究院.DL/T5150-2001水工混凝土试验规程[S].北京:中国电力出版社,2002.
　　[6]王瑞兴,钱春香,丁庆领.聚丙烯纤维对混凝土性能的改善研究[J].混凝土与水泥制品,2004,1(1):41-43.
　　[7]贡金鑫,郭育霞.聚丙烯纤维高性能混凝土抗渗性能的试验研究[J].新型建筑材料,2006,1(11):50-52.
　　[8]鲁统卫,刘永生,王谦.粉煤灰和膨胀剂配制高性能混凝土的研究及应用[J].混凝土,2002,1(7):39-42.

《高性能混凝土的抗渗性能分析》

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