透水性混凝土透水系数的测试方法

透水性混凝土透水系数的测试方法

0透水性混凝土透水系数的测试方法透水混凝土是采用专用骨料和生产工艺为解决多孔混凝土。透水性混凝土用于道路及城市广场已显示了在改善城市区域热环境、吸声降噪、减少雨天径流、防洪排涝、减少夜间行车眩光干扰、利用雨水、水资源治理等方面的巨大优势。同时,采用透水性混凝土铺装,由于雨水可以渗透到地下,补充了地下水位,既保护了水资源又有利于绿色植物的生长,而其良好的透气性能又可为铺装层下的好氧和兼氧微生物的栖息创造了一个良好的生存环境,使土壤层中生物群丰富,生态效应优越,增强了土壤滤水过程中的水质净化作用。因此,对透水性混凝土的透水性能进行研究具有十分重要的意义。本文探讨了透水性混凝土透水系数的两种测试方法,通过分析和试验验证,利用简易方法测试的透水系数K1可以转化成达西定律的透水系数K;建立了孔隙率与透水系数的关系,为透水性混凝土的配合比设计提供了参考依据。1原材料和试验方法1.1原材料骨料玄武岩,粒径5mm～10mm,表观密度2.9g/3cm;水泥金宁羊PⅡ42.5R级硅酸盐水泥;外加剂JM-B高效减水剂。1.2成型、养护和养护试件的制作采用加压成型工艺,成型压力2MPa。将搅拌好的混合料放入试模,一次加压成型。成型后带模在标准养护条件下养护至7d。本试验制作的试件是直径(D)10cm、高度(L)15cm的圆柱体试件。1.3透水性混凝土透水系数k目前,我国对透水性混凝土透水系数的测试主要有两种方法:一种是日本混凝土工学协会推荐的大孔混凝土透水性试验方法。这种方法主要参考JISA1218《土壤透水性试验》,试验时采用定水头的方法,如图1左所示。根据达西定律测量混凝土的透水系数。试验时从透水套筒的上部注入水,水通过试件进入外套筒,最后从溢水口流出。在持续加水的情况下,当加入的水量与溢出的水量取得平衡时,用量筒计量通过混凝土的出水量,同时记录出水的时间,然后通过公式(3)就可以计算达西定律定义的透水系数K。另一种方法是采用变化水头的方法,即从一定的水头高度开始,以渗流速度V表示透水性混凝土的透水系数,如图1右所示。试验时,在透水套筒内注入一定高度的水,水通过混凝土试件从试件的下表面流出,通过测试试件表面水位下降一定高度所需的时间,根据公式(4)计算出K1。本试验测定了不同水位高度不同孔隙率混凝土的透水系数K1。透水性混凝土的透水系数是表征混凝土的透水性和使用效果的重要技术参数。1856年,达西根据在装满砂的圆筒中的实验,得到如下关系式:式中,Q是渗流量;H1和H2是通过砂样前后的水头;L是沿砂样水流方向的高度;A是砂样的横截面积;K是比例系数,称为渗流系数,也叫水力传导系数。在公式(1)中与声望即水力梯度i,所以可改写成:式(2)表示渗流速度V与水力梯度i成正比关系。因此,对于方法一,根据达西定律的定义,在一定水头差作用下,单位时间内通过混凝土的水量与混凝土横截面积成正比,与混凝土试件的高度成反比,即:式中,K一根据达西定律定义的透水系数,cm/s,它表示了水在混凝土中流动的难易程度;Q1—单位时间内溢出口流出的水量,cm3/s;H—水头差,cm;A—试件的横截面积,Cm2。这里的水头差H就是达西公式中的H1-H2,所以水力梯度在这里就变为i=H/L,而Q1对应达西公式中的Q。方法二中的透水系数是利用渗透速度来定义的,这里用K1表示,即公式(4),可以从公式中看出用渗流速度定义的透水系数与水高度有关,当水位越高时,透水速度就越快。式中,K1—测定的透水系数,cm/s;h—水位变化高度,cm;t一水位下降一定高度所经历的时间,so用这种方法测得的透水系数与方法一中的透水系数是有差别的,方法一中的透水系数考虑了水力梯度的大小,根据公式(2)及i=H/L,可以推导出:这里的水头差H是由两部分组成的,即试件的高度L和试件上的水位高度H1组成,即:H=H1+L所以公式(5)可以变为对于某个特定的试件,其K和L是一定的,所以K1只是随着水位高度H1变化。易知,当H1=0时,这时的K1就是达西定律定义的透水系数K。依据此原理,在试验中我们分别对各种孔隙率的混凝土测定了透水系数K和K1,来验证这种关系。2透水系数的确定表1是利用方法二测定的不同孔隙率的混凝土在不同水位高度下的透水系数。从表1中可以看出,对于一定孔隙率的混凝土,其透水系数随水位高度的增加而增大;而对于同一水位高度,透水系数随着孔隙率的增大而增大。对于孔隙率相同的试件,由于其内部孔隙的分布和孔径大小的不同,其透水性也就有所不同,而且,当孔隙平均孔径越大时,其对流体的粘附性就不明显,导致所测混凝土的透水系数偏大,反之就偏小。对于同种集料,随着粒径的增大,其混凝土透水性增大。这是因为,集料粒径越大,单位体积内颗粒的比表面积减小,颗粒间的接触点减少,孔径相应增大,因而混凝土透水性增加。当水泥浆用量增多时,由于其填充了集料间的孔隙,导致混凝土的透水性降低。表2是利用公式(6)计算的与各种孔隙率的混凝土相对应的达西定律的透水系数K。表3是利用方法一测定的不同孔隙率的混凝土在定水头下的透水系数。将按(6)式计算的K值与试验测定的K值进行比较,如图2所示。结果表明,利用方法二测试得到的K1来计算混凝土的透水系数K值是可行的。由于测试K1的方法简便易行,既可以在实验室进行,又便于在工程中的应用和推广,因此,可以利用这种方法作为透水性混凝土透水系数的测定方法。实验结果表明,混凝土透水系数K值和混凝土孔隙率P之间存在很好的相关性,如图3所示。利用二次线性函数进行拟合,得到的混凝土透水系数与孔隙率的关系式为:其相关系数R2为0.98。可以看出,透水系数随着孔隙率的增大而增大。这是因为随着孔隙率的增大,混凝土内部供水通过的连通孔道增多,其受到的阻力减少,导致水通过的速率增加,使透水系数增加。透水系数的增加,对混凝土的透水性是十分有利的,但在实际工程应用中,必须考虑透水性混凝土的强度,对这方面的内容还有待作进一步的研究。3透水系数的确定(1)通过测定用渗流速度定义的透水系数K1,利用公式,可以计算出达西定律定义的透水系数K,这样有利于在实际应用中测试透水性混凝土的透水系数。(2)随着孔隙率的增大,透水系数也相应增加,并符合二次线性函数的变化规律,其表达式为: