印度TALWANDI 项目检测工程公司 山东省济南市 250000
摘要：本文简要介绍了混凝土抗渗性能试验几种常用方法的原理和过程，比较了印度项目使用的IS:3085-1995和MORTH （Ministry of Road Transport and Highways）标准，与国标GB/T 50082-2009、电力行业标准DL/T 5150-2001标准的差异。通过渗透试验不同加压方式对应的相对渗透系数Kr，得到了抗渗等级对应的印度MORTH标准的渗水高度，解决了判定印度现场混凝土抗渗试验结果（抗渗系数或抗渗高度）能否满足国内设计院图纸要求的问题。
关键词：混凝土抗渗试验、抗渗等级、渗透系数K、相对渗透系数Kr、渗透高度Dm(h)、 界定印度现场混凝土抗渗试验结果
前言
印度TALWANDI项目的水工系统自然通风冷却塔和输煤系统翻车机室等钢筋混凝土结构有抗渗要求，图纸规定为W6或W8。印度第三方检测机构的抗渗试验，执行印度MORTH规范，试验结果以混凝土试块的渗透高度值表示，而未提及抗渗等级。为了确认印度抗渗试验标准符合图纸设计的抗渗等级要求，项目部检测人员将检测报告传真到国内设计院审核，在此同时经过查询资料并计算，初步得到了抗渗试验不同方法的试验结果之间的相互换算关系，如下所述。
一、不同抗渗试验方法简介
1.1抗渗标号法（逐级加压法）
（1）适用标准：
a）国家标准《GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》第 6.2节；
b）电力标准《DL/T5150-2001-水工混凝土试验规程》第4.21节。
（2） 试验方法及结果表示
采用6 个上口直径为175mm、下口直径为185mm、高度为150mm 的圆台形试件,从0.1MPa 开始施加水压，每隔8 小时水压增加0.1MPa ，直至6 个试件中有3 个被压力水穿透，停止试验，记录此时的水压力值，通过一个简单的线性换算关系，将停止试验时的水压力值换算成一个整数，这个整数即所谓混凝土的抗渗标号。也可以认为抗渗标号法是渗透高度法的一种特例。
国标将混凝土抗渗等级分P4、P6、P8、P10、P12、P12以上六个等级；电力标准以字母W代替字母P，等级划分与国标相同。
（3）试验方法特点
该方法是上世纪50年代从苏联引进的试验方法，特点是简单，适合工程上评价混凝土抗渗性能，但对于科学研究，该方法获得的数据太少。
1.2 渗透系数（K）法（稳定加压法）
渗透系数K，为在各向同性介质中单位水力梯度下的单位流量，是岩石透水性强弱的数量指标。测定中一般使用常水头试验法，在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数，如图1所示。常水头实验法适用于测定透水性大的沙性土的渗透参数。粘性土由于渗透系数很小，渗透水量很少，用这种试验不易准确测定，须改用变水头试验。
根据达西定律（Darcy’s law），流体流过孔隙介质时，其流速与流动方向上的压力梯度成正比，即v流速= k*i，从而推导出渗透系数公式。
（1） 适用标准
印度标准：IS 3085-1965(Reaffirmed 1997)。
（2） 试验方法及结果表示
本标准采用直径和高度均为150mm的圆柱形试块，采用图2所示渗透测试仪器进行试验。试验要求采用脱气水（de-aired water），采用标准压力10kg/cm2（1kg/cm2=1MPa）进行加压，根据试件渗透能力的强弱，也可将试验压力调整为5kg/cm2（亦即0.5MPa，对渗透能力较弱的试件）和15kg/cm2（亦即1.5MPa，对渗透能力较强的试件）。当渗透速度达到稳定状态后，开始计时，渗透试验将持续100小时，渗透速度被认为是此100小时的平均值。稳定状态定义为首次渗入速度等于渗出速度的时间点。
试件抗渗能力的强弱以渗透系数k表示，使用以下公式计算：
（公式1）
公式中：K=渗透系数，单位为：厘米/秒 （cm/s）,Q=稳定状态达到后，整个试验阶段渗出的水流量，单位为毫升,A-试块的横截面积，单位cm2,，T-达到渗透量Q时需要的渗透的时间,单位秒，-水压力与试块厚度的比值，两者用同一单位。水压力以“水柱高度”为单位。1MPa水压力，以水柱高度表示为10200cm，为方便计算表示，本文取水柱高度为10000cm。
1.3 渗透高度法
渗透高度法和相对渗透系数法都属于瞬态渗透方法，其中相对渗透系数通过测量渗透高度并计算获得，本质上是一种试验方法，只是结果表示方法不同而已。不能应用稳定渗透法的渗透系数公式计算渗透系数，需要计算瞬时状态dt时，根据达西定律计算渗透流量和渗透压力的关系，利用积分计算，得到瞬态渗透系数，用相对渗透系数Kr表示。
1.3.1 国标渗透高度法
（1）适用标准
《GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》第6.1节：渗水高度法。
（2）试验方法
试件尺寸、数量、试验准备和密封工作同1.1-渗透标号法。将抗渗仪水压力在5分钟内升压到1.2±0.05MPa，已达到稳定压力时间为开始时间，并稳定加压24小时。如在稳压过程中，如有试件端面出现渗水时，即停止试验，并记录下出水时间（精确至分）。此时该试件的渗水高度即为试件的高度（15cm）。否则，在稳压24小时后降压，从试模中取出试件。将试件从两端中间沿纵截面劈开，将劈开面的底边十等分，在各等分点量出渗水高度，以各等分点渗水高度的平均值作为该试件的渗水高度hi，以六个试件渗水高度的算术平均值作为该组试件的渗水高度测试值。
1.3.2 印度MORTH 渗透高度法
（1）适用标准
印度MORTH(Ministry of Road Transport and Highways - Specifications for Road and Bridge Works - Part1716.5 permeability test/ 印度公路运输和高速公路管理-路桥工程规范-1716.5节抗渗试验)
（2）试验方法和步骤
制作直径为150mm、高为160mm的试块,开始时加压1 bar（0.1MPa），然后升压3 bars（0.3MPa）保持24小时，然后升压7 bars（0.7MPa）保持24小时。上述加压过程结束后，取出试块沿纵截面劈开，测量其芯部截面上水的渗透高度。如最大渗水高高度不超过25mm，则认为抗渗性能达到要求。
1.4 相对渗透系数（Kr）法
（1）适用标准
《DL/T5150-2001-水工混凝土试验规程》，4.22-混凝土相对抗渗性试验。
（2）试验方法和步骤
试件尺寸同1.1-逐级加压法。将抗渗仪水压力一次加到0.8MPa，同时开始记录时间（准至分）。在此压力下恒定24小时，然后降压，从试模中取出试件，沿纵截面劈开，将劈开面的底边十等分，在各等分点量出渗水高度，以各等分点渗水高度的平均值作为该试件的渗水高度Dm。如在恒压过程中，如有试件端面出现渗水时，即停止试验，并记录下出水时间（准至分）。此时该试件的渗水高度即为试件的高度（15cm）。另当试件混凝土较密实时，可将试验水压力改至1.0MPa 或1.2MPa。
相对渗透系数按下式计算：
（公式2）
式中：Kr-相对渗透系数，cm/h；Dm-平均渗水高度，cm；H-水压力，以水柱高度表示，cm；
T-恒压时间，h；α-混凝土的吸水率，一般为0.03.
二、几种渗透试验方法的比较
抗渗等级（标号）极易被误解为混凝土不透水的水压，主要是没有考虑时间因素。抗渗等级试验方法规定每级水压保持8小时，若延长此时间规定，则抗渗等级将降低；反之，若缩短，抗渗等级将提高。混凝土属于透水物质，理论上说，只要承受水压，随着时间的延长，终将透水，只是有的时间长，有的时间短；有的透水量大，有的透水量小。所以，混凝土的抗渗性应该用“抗渗系数k”来衡量。但是正规测定混凝土的抗渗系数，需很高的水压，很长的时间，直至试件渗入水量和渗出水量相等，难以普遍采用。改用一次加压法（一次加压至0.8MPa或更高，恒压24h后，将试件取出劈开，量得6个试件的渗水深度平均值），虽可较简易地测得与渗透系数相近的“相对渗透系数Kr”，但不同工程的混凝土应采用多大值，却缺乏科学依据。既不像设计强度那样，依据计算应力来确定。现行规范的抗渗等级规定，也只是定性的，经验的。
三、几种渗透试验方法的换算
3.1恒定压力法渗透高度与相对渗透系数的关系
1）按照DL/T 5150-2001标准4.22节规定的相对渗透系数的试验方法，一次加压至0.8MPa此压力对应的水柱高度为8000cm,恒压24小时（等于86400秒），将以上试验数据代入公式6，得到：
KrD==0.217 Dm2×10-10（cm/s）-(公式3)
计算时α取0.03(此参数有的称为混凝土的吸水率，有的称为混凝土的孔隙率)。
2）按照GB/T50082-2009标准6.1节规定的渗水高度试验方法，一次加压至1.2MPa，此压力对应的水柱高度为12000cm,恒压24小时（等于86400秒），将以上试验数据代入公式1.3.1-1，得到：
KrG==0.145Dm2×10-10（cm/s） （公式4）
说明：KrG 意义为使用国标GB/T 50082-2009对应的相对渗透系数；
3.2分级加压法的相对渗透系数kr与渗透深度的换算关系
上述公式仅适用于恒压0.8MPa或1.2MPa，保持24小时后，相对渗透系数Kr和渗透高度的关系。当压力是逐级递增，并且恒压时间不同时，例如印度MORTH规范规定的渗透试验方法，则不能引用此公式，需要用以下公式计算。
同样按照达西定律，计算得逐级加压法的相对渗透系数kr为：
（公式5）
根据印度MORTH标准的加压过程，根据公式3.2-1计算相对渗透系数k’,得到如下结果：
KrI= = =0.174×10-10Dm2（cm/s）（公式6）
根据标准要求的最大渗透高度不能超过25mm，即Dm 最大不超过2.5cm。
由此，得出不同的抗渗标准（升压方式）与渗透高度的对应关系，见下表1.
表1-不同升压方式的相对渗透系数Kr与渗透高度Dm的关系
说明：KrI 、KrD、KrG分别为印度MORTH、电力行业标准DL/T 5150、国标GB/T 50082标准对应的相对渗透系数Kr。
3.3 相对渗透系数Kr与抗渗等级的关系
将DL/T5150-2001 4.21规定的加压方式代入上述（公式9），可得到抗渗等级W与相对渗透系数的关系。根据标准规定，当达到六个试件有三个出现渗水时的水压力，停止试验，对应上述逐级加压法的相对渗透系数kr公式中，Dm为试件的高度150mm，在公式2∑TH 中，T为每级水压的加压试件，都为8小时，可以提取出来，则：
2∑TH=2T∑H （公式7）
上式中：∑H=∑（H1+H2+H3+……Hn）=,其中的H1+H2+……Hn为第1、2……n级的压力水头。标准规定，从0.1MPa开始加压，则H1为1000cm、H2为2000cm，……，Hn相当于6个试件有3个出现渗水时的水压力，根据DL/T5150-2001 4.21公式4.21.4：抗渗等级W=10H-1，则：
Hn= (MPa),相应的水头为Hn*10000（cm）（公式8）
n等于抗渗等级值加1，即n=W+1;
将以上代入∑H，将水压力（MPa）都换算成水头压力（cm），则有：
（公式9）
将上式代入相对渗透系数公式，得到：
Kr===2343.8×10-10/(w+1)(w+2) （公式10）
上公式即为根据DL/T5150-2001 4.21规定的逐级加压至试件透水方式，得到的渗透等级W和相对渗透系数kr的关系。注意：在此公式中，Hn对应的加压时间默认为是8小时，和实际试验情况不相符（大于实际透水时间），但对结果影响不大。根据此理论计算，得到相对渗透系数与渗透等级的关系，见下表2：
说明：实际工作中，会发现按上表换算出来的抗渗标号偏高。原因是，表中的K值是按平均渗水高度为15cm计算的，实际上，混凝土的渗水线是条不规则的曲线，按抗渗标号试验要求，试件端部渗水，即行停止试验，而此时最大渗水高度为15cm。通过大量试验获得，平均渗水高度与最大渗水高度关系：
Dm=(Dmax-1.22)／1.02
当Dmax为15cm时，Dm≈13.5cm。
表2：相对渗透系数与抗渗等级的关系
按实测平均渗水高度计算所得的渗透系数，相对应的抗渗标号约比表1低一个等级。
3.4混凝土抗渗系数与试验温度的关系
印度标准IS 3085-1965(1997年修订版)7.7 节规定:试验用水的温度每升高或降低5℃，相应的混凝土抗渗系数提高或者降低10%左右。国内标准混凝土抗渗试验标准温度为20±2℃，而印度标准要求为27±2℃，因此同样的混凝土按照印度标准试验得到的混凝土抗渗系数比按照中国标准测得的抗渗系数要偏高。
四、试验结果验证
4.1依照表1和表2，采用内插法可求得几个关键抗渗等级与渗透高度的对应关系，如表3所示：
表3：抗渗等级、相对渗透系数、渗水高度对照表
根据表3确定的渗透等级与相对渗透系数的关系，可以发现图纸要求的W8混凝土，按照印度标准、电力标准、国家标准所对应的渗水高度分别为122mm、109mm、138mm,此值表明W8的混凝土抗渗性能要求是比较低的；而印度MORTH标准要求抗渗高度极限值25mm对应的抗渗等级为W45，而抗渗等级W45可满足绝大多多数工程混凝土的抗渗要求。
4.2 通过上述论述，可以验证印度现场渗透试验结果与图纸标注的渗透等级的对应关系，见下表4所示：
表4：印度TALWANDI项目现场混凝土渗透试验结果与图纸规定的抗渗等级的对应关系：
五、结论
通过以上推导和论述，可以得到以下结论：
（1）根据达西定律，以相对渗透系数Kr做为纽带，通过计算几种不同的加压方式对应的相互渗透系数Kr，可以得到抗渗等级W、渗水高度Dm以及渗透系数Kr之间的对应关系，能够解决现场检测标准不同于设计标准时，对现场结果的验证。
（2）电厂水工结构如自然通风冷却水塔、水池等混凝土抗渗等级要求都较低，例如W6和W8等，水工结构抗渗混凝土标号如M30及以上，抗渗等级等远远超过了设计要求，完全可以满足要求。
（3）混凝土抗渗系数大小和试验温度有关系。
参考文献
[1]国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》 GB/T 50082-2009
[2] 电力行业标准《水工混凝土试验规程》DL/T 5150-2001.
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[4] 印度公路运输和高速公路管理-路桥工程规（MORTH）《Ministry of Road Transport and Highways - Specifications for Road and Bridge Works》.
[5]印度国家标准IS 3085-1965(Reaffirmed 1997)-Method of Test for Permeability of Cement Mortar and Concrete (1997年修订版).
[6]易成、谢和平：《混凝土抗渗性能研究的现状与发展》（混凝土，2003，（2）：7- 11，34）.
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[8]蔡正咏 混凝土性能 北京 中国建筑工业出版社 第一版 1979年12月 p116-120.
论文作者:孙望军,段号彬,訾荣喜
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/9
标签：系数论文; 混凝土论文; 高度论文; 印度论文; 水压论文; 公式论文; 标准论文; 《基层建设》2017年第27期论文;