CN110487699B - 一种透水混凝土渗透系数的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透水混凝土渗透系数的试验装置及试验方法，所述试验装置包括底筒、底筒顶部设置的金属孔板、放置在金属孔板上的试件套筒和顶筒、通过第一导管连接在底筒侧壁的进水槽、设置于顶筒侧壁的第二导管、放置于第二导管出水口的量筒；所述试件套筒侧壁等间距设置有测压管；所述测压管和第一导管上设有止水阀；所述试验方法包括制作试件、安装装置、渗透试验和计算修正步骤。本发明的装置解决了透水混凝土因孔隙分布不均对渗透系数的影响问题；提出了使用不同高度试件套筒进行透水混凝土渗透试验时渗透系数的修正方法，能够更准确地获得透水混凝土的渗透系数，有利于对透水混凝土的抗渗透性能作出准确评价；装置简单，操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土材料才是技术领域，具体涉及一种透水混凝土渗透系数的试验装置及试验方法。
背景技术
渗透系数是表征透水混凝土排水性能的直接指标，同时是透水混凝土材料和结构设计的重要指标。目前，透水混凝土渗透系数的测定尚无统一的试验标准，常见渗透装置主要用于土样渗透系数的测定。按水头状况，渗透系数测试方法可分为常水头法和变水头法。渗透性能较差的细粒土和粘质土常采用变水头法，而渗透性能较好的砂类土常采用常水头法。日本标准(JIS A1218T-1979)提出了饱和土渗透系数标准试验方法。AASHTO T215-70/ASTM D2434-74规定了粒状土渗透系数的试验方法。我国常用的常水头渗透仪为已形成标准的70型渗透仪。变水头渗透仪装置复杂，种类繁多，主要有土样管渗透仪和南55型渗透仪。
上述渗透装置仅适用于土样渗透系数的测定，对透水混凝土等大空隙路面材料并不适用。为此国内外研究人员在土样渗透仪的基础上，开发了多孔排水材料渗透装置。代表性的有清华大学研发的两端开口并带有刻度的有机玻璃方框式渗透仪，以及日本混凝土工学协会参考JIS A1218土样渗透仪设计的透水混凝土渗透装置。使用这些渗透装置测定透水混凝土渗透系数时，需将排水材料现浇在透水圆筒内，与混凝土试件振实成型方法不一致，对水力梯度缺乏灵活控制。
此外，透水混凝土在成型过程中存在颗粒集料的离析现象，必将导致预定龄期混凝土内部孔隙分布的不均匀，从而引起透水混凝土试件不同部位渗透系数的差异。因此，有必要提出一种合理的透水混凝土渗透系数试验方法及装置。
发明内容
发明目的：本发明提出一种透水混凝土渗透系数的试验装置，能够解决透水混凝土因孔隙分布不均对渗透系数的影响问题，能够准确评价透水混凝土的抗渗透问题。
本发明的另一目的是提出基于上述透水混凝土渗透系数试验装置的试验方法。
技术方案：本发明的一种透水混凝土渗透系数的试验装置，包括底筒、底筒顶部设置的金属孔板、放置在金属孔板上的试件套筒和顶筒、通过第一导管连接在底筒侧壁的进水槽、设置于顶筒侧壁的第二导管、放置于第二导管出水口的量筒；所述底筒、试件套筒和顶筒相邻两者之间采用螺栓固定；所述试件套筒侧壁等间距设置有测压管；所述测压管和第一导管上设有止水阀。
其中，所述试件套筒由上试件套筒、中试件套筒和下试件套筒竖向拼接而成，相邻两者之间使用螺栓固定，拼接处使用橡胶圈密封；进一步的，所述上试件套筒、中试件套筒和下试件套筒分别由两部分圆弧件组成，所述圆弧件通过侧面的两对螺栓拼接成圆柱形套筒，拼接处使用橡胶圈密封；更进一步的，所述圆柱形套筒为钢化玻璃材质，上中下三个套筒的内径相同，高度一致。
其中，所述上试件套筒侧壁上设置有第一测压管和第二测压管，所述中试件套筒侧壁上相应位置上设置有第三测压管和第四测压管，所述下试件套管侧壁相应位置上设置有第五测压管和第六测压管；更进一步的，所述相邻两两测压管的孔中心之间的间距相等。
其中，所述进水槽侧壁设置有溢水口。
本发明的一种基于上述试验装置的试验方法，包括如下步骤：
(a)制作混凝土试样，到规定养护龄期从芯部钻取圆柱体试件，试件侧面涂玻璃胶，预留与测压管接触处的空隙；
(b)将试件置于底筒上，加上顶筒，再依次安装下试件套筒、中试件套筒和上试件套筒，每个试件套筒由侧面两对对称的螺栓固定，两两之间使用螺栓固定，套筒拼装处使用橡胶圈密封；
(c)开启第二测压管、第四测压管和第六测压管的止水阀，开启第一导管上的止水阀，水流自下而上灌满整个试件套筒，直至溢水口和第二导管均开始溢流为止，将试件套筒静置，调整进水槽高度，并改变水流流速，直至试件内部无气泡排出；
(d)调整进水槽高度，保证层流状态的水头差，稳定后用量筒接水，同时记录所需的时间；
(e)关闭第二测压管、第四测压管和第六测压管的止水阀，关闭第一导管上的止水阀，拆除顶筒和上试件套筒，切割去除上部混凝土试件，然后安装顶筒，开启第三测压管、第四测压管、第五测压管和第六测压管的止水阀，开启第一导管上的止水阀进行渗透试验；
(f)关闭第三测压管、第四测压管、第五测压管和第六测压管的止水阀，关闭第一导管上的止水阀，拆除顶筒和中试件套筒，切割去除中部混凝土试件，然后安装顶筒，开启第五测压管和第六测压管的止水阀，开启第一导管上的止水阀进行渗透试验；
(g)重复上述操作进行全尺寸圆柱体试件、中下层圆柱体试件、下层圆柱体试件的透水混凝土渗透系数的修正试验，获取修正系数；
(h)中下层圆柱体试件和下层圆柱体试件的渗透系数乘以修正系数修正为全尺寸圆柱体试件渗透系数后，与全尺寸圆柱体试件渗透系数求平均值作为混凝土的最终渗透系数。
其中，所述步骤(g)中的渗透系数定义如下：获取步骤(c)和步骤(d)中不同水位差下的全尺寸圆柱体试件渗透系数，记为k1；获取步骤(e)中不同水位差下的中下层圆柱体试件渗透系数，记为k2；获取步骤(f)中不同水位差下的下层圆柱体试件渗透系数，记为k3；采用以下公式计算：
全尺寸圆柱体试件：
式中：k1为全尺寸圆柱体试件渗透系数(cm/s)，Q为时间t内的渗透水量(cm3)，L1为第二测压管16与第四测压管18和第四测压管18与第六测压管20的孔中心之间的试件高度(L1＝2h)，A为混凝土试件断面积，H1为第二测压管16与第四测压管18之间水位差和第四测压管18与第六测压管20之间水位差的平均值。
中下层圆柱体试件：
式中：k2为中下层圆柱体试件渗透系数(cm/s)，L2为第三测压管17与第四测压管18、第四测压管18与第五测压管19或第五测压管19与第六测压管20的孔中心之间的试件高度(L2＝h)，A为混凝土试件断面积，H2为第三测压管17与第四测压管18之间水位差、第四测压管18与第五测压管19之间水位差和第五测压管19与第六测压管20之间水位差的平均值。
下层圆柱体试件：
式中：k3为下层圆柱体试件渗透系数(cm/s)，L3为第五测压管19与第六测压管20孔中心之间的试件高度(L3＝h)，A为混凝土试件断面积，H3为第五测压管19与第六测压管20之间水位差。
其中，所述步骤(g)中所述中下层圆柱体试件渗透系数的修正系数为δ2＝k1/k2，下层圆柱体试件渗透系数的修正系数为δ3＝k1/k3。
有益效果：本发明具有以下优点：(1)本发明的装置解决了透水混凝土因孔隙分布不均对渗透系数的影响问题；(2)本发明提出了使用不同高度试件套筒进行透水混凝土渗透试验时渗透系数的修正方法，能够更准确地获得透水混凝土的渗透系数，有利于对透水混凝土的抗渗透性能作出准确评价；(3)装置简单，操作方便。
附图说明
图1是本发明的试验装置示意图；
图2是本发明试件套筒拼装后的结构示意图；
图3是图2沿A-A方向的剖视图；
图4是图2沿B-B方向的剖视图；
图5是本发明混凝土试件芯部钻取圆柱体试件后的示意图；
图6是本发明钻取的圆柱体试件示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1至图6所示，一种透水混凝土渗透系数的试验装置，包括底筒5、底筒5顶部设置的金属孔板8、放置在金属孔板8上的试件套筒和顶筒4、通过第一导管9连接在底筒5侧壁的进水槽6、进水槽6侧壁设置有溢水口11、设置于顶筒4侧壁的第二导管10、放置于第二导管10出水口的量筒7；底筒5、试件套筒和顶筒4相邻两者之间采用螺栓固定；试件套筒侧壁等间距设置有测压管；测压管和第一导管9上设有止水阀。
本发明的试验装置可根据实际需要确定合适的尺寸大小，本实施例的试件套筒由上试件套筒1、中试件套筒2和下试件套筒3竖向拼接而成，两两之间使用螺栓固定并用橡胶圈密封；上试件套筒1、中试件套筒2和下试件套筒3分别由两部分圆弧件组成，通过侧面的两对螺栓拼接成圆柱形套筒并用橡胶圈密封，上试验套筒内径100mm、高50mm，中间试筒内径100mm、高50mm，下面试筒内径100mm、高50mm；上试件套筒1侧壁上设置有第一测压管15和第二测压管16；中试件套筒2侧壁上设置有第三测压管17和第四测压管18；所述下试件套管3侧壁设置有第五测压管19和第六测压管20；相邻测压管孔中心之间的距离相等，为25mm。
本实施例采用该试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：
(a)按透水混凝土设计配合比成型试样3个，试样尺寸为150mm×150mm×150mm，在温度为20±2℃和相对湿度不少于95％的条件下养护28天，然后使用钻芯机钻取圆柱体试件3个，尺寸为直径100mm、高150mm；混凝土圆柱体试件侧面涂玻璃胶，厚度0.5cm，并预留与测压管接触处的空隙；
(b)将渗透设备装好，将混凝土圆柱体试件置于钢化玻璃底筒5的金属孔板8上，然后依次安装下试件套筒3、中试件套筒2、上试件套筒1和钢化玻璃顶筒4，每个试件套筒由侧面两对对称的螺栓固定，上下筒之间使用螺栓固定，拼装处使用橡胶圈密封；
(c)试样装好后，开启第二测压管16、第四测压管18和第六测压管20的止水阀，慢慢开启第一导管9的止水阀，水由底筒5向上渗入整个试件套筒，使试件逐渐饱和，直至溢水口11和第二导管10均开始溢流为止；将试件套筒静置数分钟，调整进水槽6高度，并改变水流流速，直至试件内部无气泡排出；
(d)调整进水槽6高度，保证层流状态的水头差，待测压管水位稳定后，测计水位，计算水位差，将进水槽6放置于不同高度的目的是为了获取不同的水头差；开动秒表，同时用量筒7在第二导管10的出水口接取一定时间的渗透水量；
(e)关闭第二测压管16、第四测压管18和第六测压管20的止水阀，关闭第一导管9的止水阀，拆除顶筒4和上试件套筒1，切割去除上部混凝土试件，然后安装顶筒4，开启第三测压管17、第四测压管18、第五测压管19和第六测压管20的止水阀，开启第一导管9的止水阀，重复步骤(d)和步骤(f)；
(f)关闭第三测压管17、第四测压管18、第五测压管19和第六测压管20的止水阀，关闭第一导管9的止水阀，拆除顶筒4和中试件套筒2，切割去除上部混凝土试件，然后安装顶筒4，开启第五测压管19和第六测压管20的止水阀，开启第一导管9的止水阀，重复步骤(d)和步骤(f)；
(g)进行不同试件套筒高度的透水混凝土渗透系数修正试验，获取修正系数；
(h)中下层和下层混凝土试件的渗透系数乘以修正系数修正为全尺寸试件渗透系数后，与全尺寸试件渗透系数求平均值作为混凝土的最终渗透系数。
其中，获取步骤(c)至步骤(f)中不同水位差下的全尺寸试件渗透系数，记为k1；获取步骤(g)中不同水位差下的中下圆柱体试件渗透系数，记为k2；获取步骤(h)中不同水位差下的下层圆柱体试件渗透系数，记为k3；中下层圆柱体试件渗透系数的修正系数为δ2＝k1/k2，下层圆柱体试件渗透系数的修正系数为δ3＝k1/k3。
混凝土渗透系数采用以下公式计算：
全尺寸圆柱体试件：
式中：k1为全尺寸圆柱体试件渗透系数(cm/s)，Q为时间t内的渗透水量(cm3)，L1为第二测压管16与第四测压管18和第四测压管18与第六测压管20的孔中心之间的试件高度(L1＝50mm)，A为混凝土试件断面积，H1为第二测压管16与第四测压管18之间水位差和第四测压管18与第六测压管20之间水位差的平均值。
中下层圆柱体试件：
式中：k2为中下层圆柱体试件渗透系数(cm/s)，Q为时间t内的渗透水量(cm3)，L2为第三测压管17与第四测压管18、第四测压管18与第五测压管19或第五测压管19与第六测压管20的孔中心之间的试件高度(L2＝25mm)，A为混凝土试件断面积，H2为第三测压管17与第四测压管18之间水位差、第四测压管18与第五测压管19之间水位差和第五测压管19与第六测压管20之间水位差的平均值。
下层圆柱体试件：
式中：k3为下层圆柱体试件渗透系数(cm/s)，Q为时间t内的渗透水量(cm3)，L3为第五测压管19与第六测压管20孔中心之间的试件高度(L3＝25mm)，A为混凝土试件断面积，H3为第五测压管19与第六测压管20之间水位差。
本实施例的透水混凝土配合比及试件的渗透系数，具体测试结果见表1。
表1透水混凝土配合比及试件渗透系数的测试结果
计算渗透系数的修正系数的修正系数，其中，中下层圆柱体试件渗透系数的修正系数为：
δ2＝k1/k2＝(14.56+15.68+13.38)/(15.33+13.63+14.85)＝0.9957
下层圆柱体试件渗透系数的修正系数为：
δ3＝k1/k3＝(14.56+15.68+13.38)/(12.85+14.55+12.93)＝1.0816
中下层和下层混凝土试件的渗透系数乘以修正系数修正为全尺寸试件渗透系数后，与全尺寸试件渗透系数求平均值作为混凝土的最终渗透系数。具体数值见表2。
表2透水混凝土渗透系数测试值和修正值
从表1可以看出，全尺寸试件渗透系数、中下层混凝土试件的渗透系数和下层混凝土试件的渗透系数有一定的差异，这是由于透水混凝土试件内不同部位孔隙率分布的差异导致的。使用表2全尺寸试件渗透系数修正值作为评价值，可以有效消除透水混凝土试件内不同部位孔隙率不同对渗透系数的影响，有益于获取更加合理的透水混凝土渗透系数值。
Claims (8)
1.一种透水混凝土渗透系数的试验装置，其特征在于：包括底筒(5)、底筒(5)顶部设置的金属孔板(8)、放置在金属孔板(8)上的试件套筒和顶筒(4)、通过第一导管(9)连接在底筒(5)侧壁的进水槽(6)、设置于顶筒(4)侧壁的第二导管(10)、放置于第二导管(10)出水口的量筒(7)；所述底筒(5)、试件套筒和顶筒(4)相邻两者之间采用螺栓固定；所述试件套筒侧壁等间距设置有测压管；所述测压管和第一导管(9)上设有止水阀；所述试件套筒由上试件套筒(1)、中试件套筒(2)和下试件套筒(3)竖向拼接而成，两两之间使用螺栓固定，拼接处使用橡胶圈密封。
2.根据权利要求1所述的一种透水混凝土渗透系数的试验装置，其特征在于：所述上试件套筒(1)侧壁上设置有第一测压管(15)和第二测压管(16)；所述中试件套筒(2)侧壁上设置有第三测压管(17)和第四测压管(18)；所述下试件套管(3)侧壁设置有第五测压管(19)和第六测压管(20)；相邻测压管的孔中心之间的间距相等。
3.根据权利要求1所述的一种透水混凝土渗透系数的试验装置，其特征在于：所述上试件套筒(1)、中试件套筒(2)和下试件套筒(3)分别由两部分圆弧件组成，所述圆弧件通过侧面的两对螺栓拼接成圆柱形套筒，拼接处使用橡胶圈密封。
4.根据权利要求1所述的一种透水混凝土渗透系数的试验装置，其特征在于：所述上试件套筒(1)、中试件套筒(2)和下试件套筒(3)为钢化玻璃材质，内径相同，高度一致。
5.根据权利要求1所述的一种透水混凝土渗透系数的试验装置，其特征在于：所述进水槽(6)侧壁设置有溢水口(11)。
6.一种使用权利要求1-5中任一项所述的透水混凝土渗透系数的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)制作混凝土试样，到规定养护龄期钻取圆柱体试件，试件侧面涂玻璃胶，预留与测压管接触处的空隙；
(b)将试件置于底筒(5)上，加上顶筒(4)，再依次安装下试件套筒(3)、中试件套筒(2)和上试件套筒(1)，每个试件套筒由侧面两对对称的螺栓固定，两两之间使用螺栓固定，拼装处使用橡胶圈密封；
(c)开启第二测压管(16)、第四测压管(18)和第六测压管(20)的止水阀，开启第一导管(9)上的止水阀，水流自下而上灌满整个试件套筒，直至溢水口(11)和第二导管(10)均开始溢流为止，将试件套筒静置，调整进水槽(6)高度，并改变水流流速，直至试件内部无气泡排出；
(d)调整进水槽(6)高度，保证层流状态的水头差，稳定后用量筒(7)接水，同时记录所需的时间；
(e)关闭第二测压管(16)、第四测压管(18)和第六测压管(20)的止水阀，关闭第一导管(9)上的止水阀，拆除顶筒(4)和上试件套筒(1)，切割去除上部混凝土试件，然后安装顶筒(4)，开启测压管第三测压管(17)、第四测压管(18)、第五测压管(19)和第六测压管(20)的止水阀，开启第一导管(9)上的止水阀进行渗透试验；
(f)关闭第三测压管(17)、第四测压管(18)、第五测压管(19)和第六测压管(20)的止水阀，关闭第一导管(9)上的止水阀，拆除顶筒(4)和中试件套筒(2)，切割去除中部混凝土试件，然后安装顶筒(4)，开启第五测压管(19)和第六测压管(20)的止水阀，开启第一导管(9)上的止水阀进行渗透试验；
(g)重复上述操作进行全尺寸圆柱体试件、中下层圆柱体试件、下层圆柱体试件的透水混凝土渗透系数的修正试验，获取修正系数；
(h)中下层圆柱体试件和下层圆柱体试件的渗透系数乘以修正系数修正为全尺寸圆柱体试件的渗透系数后，与全尺寸圆柱体试件渗透系数求平均值作为混凝土试样的最终渗透系数。
7.根据权利要求6所述的一种透水混凝土渗透系数的试验方法，其特征在于：所述步骤(g)中的渗透系数定义如下：获取步骤(c)和步骤(d)中不同水位差下的全尺寸试件渗透系数，记为k1；获取步骤(e)中不同水位差下的中下层圆柱体试件渗透系数，记为k2；获取步骤(f)中不同水位差下的下层圆柱体试件渗透系数，记为k3；采用以下公式计算：
全尺寸圆柱体试件：
式中：k1为全尺寸圆柱体试件渗透系数(cm/s)，Q为时间t内的渗透水量(cm3)，L1为第二测压管(16)与第四测压管(18)或第四测压管(18)与第六测压管(20)的孔中心之间的试件高度(L1＝2h)，A为混凝土试件断面积，H1为第二测压管(16)与第四测压管(18)之间水位差和第四测压管(18)与第六测压管(20)之间水位差的平均值；
中下层圆柱体试件：
式中：k2为中下层圆柱体试件渗透系数(cm/s)，L2为第三测压管(17)与第四测压管(18)、第四测压管(18)与第五测压管(19)或第五测压管(19)与第六测压管(20)的孔中心之间的试件高度(L2＝h)，A为混凝土试件断面积，H2为第三测压管(17)与第四测压管(18)之间水位差、第四测压管(18)与第五测压管(19)之间水位差和第五测压管(19)与第六测压管(20)之间水位差的平均值；
下层圆柱体试件：
式中：k3为下层圆柱体试件渗透系数(cm/s)，L3为第五测压管(19)与第六测压管(20)孔中心之间的试件高度(L3＝h)，A为混凝土试件断面积，H3为第五测压管(19)与第六测压管(20)之间水位差。
8.根据权利要求6所述的一种透水混凝土渗透系数的试验方法，其特征在于：所述步骤(g)中所述中下层圆柱体试件渗透系数的修正系数为δ2＝k1/k2，下层圆柱体试件渗透系数的修正系数为δ3＝k1/k3。
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