碾壓混凝土層間水分非飽和傳輸試驗(yàn)與數(shù)值分析

李明超，馮 達(dá)，張夢(mèng)溪，鄧根華，張俊濤，何殷鵬

（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450000）

1 研究背景

碾壓混凝土因其成本低、施工便捷、施工速度快、溫控簡(jiǎn)單等［1-2］特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水利工程，但是大倉(cāng)面碾壓施工技術(shù)導(dǎo)致層間結(jié)合質(zhì)量參差不齊，由此引發(fā)的裂縫及滲漏問(wèn)題也尤為嚴(yán)重［3-4］。通常情況下水利工程環(huán)境復(fù)雜惡劣，環(huán)境侵蝕會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，裂縫、層面等薄弱環(huán)節(jié)尤為嚴(yán)重，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低，影響水工結(jié)構(gòu)的正常使用，產(chǎn)生巨額的維護(hù)和修理費(fèi)用。環(huán)境中的侵蝕物質(zhì)主要分為氣態(tài)和液態(tài)兩種類型，通常以水為載體，以混凝土孔隙為傳輸通道侵入材料內(nèi)部影響混凝土耐久性［5-6］， 因此透水性可以用來(lái)評(píng)價(jià)混凝土耐久性。研究表明，大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)都處于非飽和狀態(tài)［7-9］。碾壓混凝土服役環(huán)境復(fù)雜，大部分壩體都處于非飽和狀態(tài)。水在混凝土材料中兩種主要的傳輸機(jī)制為滲透和吸收，滲透是指水在壓力梯度下的流動(dòng)，吸收則表現(xiàn)為通過(guò)毛細(xì)作用吸水［7-8］?；炷翂未嬖诖竺娣e區(qū)域處于水面之上或鄰近水面，此時(shí)毛細(xì)作用在水分傳輸過(guò)程中占主導(dǎo)地位。因此探究毛細(xì)作用對(duì)碾壓混凝土耐久性的影響，了解混凝土受侵蝕機(jī)理及其影響因素，對(duì)于水工結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行和維護(hù)具有重要意義。

為探究混凝土毛細(xì)作用的影響效果和機(jī)理，研究人員進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真分析，取得了一系列重要的成果。在試驗(yàn)分析方面，開展了初始條件、裂縫等因素對(duì)混凝土水分傳輸影響的系列試驗(yàn)。Cas?tro 等［8］、Leech 等［10］和Chang 等［11］通過(guò)試驗(yàn)分析了不同初始條件（不飽和程度、骨料體積比、水灰比、膠凝材料等）對(duì)混凝土非飽和傳輸?shù)挠绊?，明確了各要素對(duì)非飽和傳輸?shù)挠绊懶Ч俺潭?。Bogas 等［12］和Bao 等［13］開展了裂縫對(duì)混凝土毛細(xì)吸水影響的試驗(yàn)研究，分析了自然裂縫、人工裂縫和離散裂縫的不同影響。也有學(xué)者應(yīng)用了一些先進(jìn)的測(cè)量手段和研究方法，Abd 等［14］通過(guò)中子射線照相法研究了磚樣中的水吸附率和毛細(xì)滲透系數(shù)之間的關(guān)系，同時(shí)分析了不同密封方式對(duì)毛細(xì)作用的影響。婁亞?wèn)|［15］借助吸水動(dòng)力法和掃描電鏡深入分析了碾壓混凝土層間微結(jié)構(gòu)，分析揭示了不同層間處理方式對(duì)混凝土層間滲透性能的影響規(guī)律，并提出了相應(yīng)的工程措施。上述試驗(yàn)得出的結(jié)果一般比較可靠且都滿足特定規(guī)律，但由于人為和自然影響因素過(guò)多，往往會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際不符的情況，且難以得到合理的解釋。

更多學(xué)者借助有限元、離散元等方法建立混凝土毛細(xì)吸水模型，更形象地解釋毛細(xì)作用的機(jī)理。Liang 等［16］和Li 等［17］通過(guò)有限元細(xì)觀模擬分析了水灰比、骨料體積分?jǐn)?shù)等對(duì)混凝土透水性能的影響，突出了界面過(guò)渡區(qū)對(duì)于整個(gè)傳輸過(guò)程的重要作用，從細(xì)觀層面解釋了初始條件對(duì)混凝土透水性能的影響機(jī)理。Abyaneh 等［18］通過(guò)細(xì)觀模擬分析了微裂縫對(duì)整體混凝土吸水性能的影響，揭示了裂縫對(duì)混凝土透水性能的影響機(jī)理。文獻(xiàn)［19］通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)的框架建立細(xì)胞狀態(tài)變量集，給出了在水分傳輸和離子擴(kuò)散影響下的演化規(guī)律。雖然模擬分析相較于試驗(yàn)而言，條件變量更明確，但由于網(wǎng)格劃分、模擬精細(xì)程度等原因往往會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果不合理不精確，無(wú)法完全還原真實(shí)情況，難以滿足實(shí)際工程要求。

部分學(xué)者采用模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方式，用試驗(yàn)驗(yàn)證模型，模擬擴(kuò)展試驗(yàn)的方式使結(jié)論和規(guī)律更有說(shuō)服力。Ma 等［20］通過(guò)試驗(yàn)和細(xì)觀模擬的方式研究了混凝土單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素，建立并驗(yàn)證了三維細(xì)觀模型的可行性和精度；朱岳明等［21］通過(guò)試驗(yàn)和算例分析研究了混凝土本體和層間不同滲透系數(shù)對(duì)混凝土滲透性能的影響，試驗(yàn)獲得了相應(yīng)的滲透系數(shù)，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的算例驗(yàn)證分析。

根據(jù)現(xiàn)有資料可知，裂縫透水分析在研究形式和模擬方法上與混凝土層間透水研究相似，但在具體分析時(shí)與層間有較大的區(qū)別。裂縫對(duì)混凝土的影響范圍較小，分布較為不均勻，透水性能具有較強(qiáng)的規(guī)律性，而層間透水性對(duì)碾壓混凝土整體透水性能具有重要影響，分布位置相對(duì)固定，但同一層間透水性能差異較大。綜上分析，學(xué)者們對(duì)于混凝土及其裂縫毛細(xì)吸水試驗(yàn)和模擬進(jìn)行了詳細(xì)而深入的研究，但是目前對(duì)于碾壓混凝土層間結(jié)合水分的影響研究較為缺乏，同時(shí)將試驗(yàn)和細(xì)觀模擬相結(jié)合的研究相對(duì)較少。因此本文提出一種基于試驗(yàn)和細(xì)觀模擬相結(jié)合的非飽和傳輸模型，主要內(nèi)容包括：（1）考慮碾壓混凝土壩所處實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性和非飽和度的不確定性，試驗(yàn)分析不同初始條件對(duì)非飽和毛細(xì)吸水的影響，重點(diǎn)研究相對(duì)飽和度、毛細(xì)作用時(shí)間、毛細(xì)作用方式和滲透方向?qū)γ?xì)吸水的影響效果；（2）碾壓混凝土的施工方式導(dǎo)致出現(xiàn)很多結(jié)合層面，不同層間位置對(duì)混凝土非飽和傳輸行為的影響差異很大，通過(guò)試驗(yàn)定量分析不同層間位置對(duì)整個(gè)非飽和傳輸行為的影響；（3）建立簡(jiǎn)化的二維三相混凝土細(xì)觀模型，研究揭示不同初始條件作用下混凝土非飽和傳輸行為的影響機(jī)理，從混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析非飽和傳輸行為。

2 原材料和試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 原材料及試件制作根據(jù)工程實(shí)際碾壓情況及層間結(jié)合效果，本文模擬碾壓試驗(yàn)材料采用二級(jí)配RCC。粗骨料采用石灰?guī)r，實(shí)測(cè)密度為2689 kg/m3，骨料粒徑區(qū)間為5 ～ 40 mm。細(xì)骨料采用天然河砂，實(shí)測(cè)密度2581 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為3.1，水泥采用中聯(lián)牌普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為二級(jí)灰，此外還添加了適量的減水劑和引氣劑。試驗(yàn)采用多參數(shù)可調(diào)式RCC 碾壓模擬試驗(yàn)裝置［2］進(jìn)行模擬分層碾壓，上下層之間采用連續(xù)拌合、攤鋪、碾壓的試驗(yàn)流程，碾壓至混凝土基本密實(shí)，從而達(dá)到與實(shí)際工程接近的連續(xù)澆筑施工過(guò)程和層間結(jié)合狀態(tài)。試件水膠比為0.50，具體材料配合比如表1所示。

表1 試驗(yàn)配合比材料組成（單位：kg/m3）

充分分析毛細(xì)作用及層間結(jié)合對(duì)碾壓混凝土水分傳輸過(guò)程的影響效果，參照ASTM C1585-13 規(guī)范要求［22］，對(duì)成型后的大體積碾壓混凝土進(jìn)行鉆芯取樣，共取芯6 個(gè)。將所獲得的芯樣進(jìn)行切割處理，切割成直徑為100 mm、高度為50 mm 的圓柱體，通過(guò)切割分別獲得了碾壓混凝土上層本體、含層間本體和下層本體三部分，共計(jì)獲得35 個(gè)圓柱體試件。

2.2 試驗(yàn)裝置毛細(xì)作用在很多情況下是水進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)的重要推動(dòng)力，研究不同受力狀況下的毛細(xì)作用對(duì)于保證工程耐久性具有重要的參考價(jià)值。Hall 等［23］在考慮重力對(duì)混凝土毛細(xì)作用的影響時(shí)提出了3 種試驗(yàn)吸水裝置，本文為分析層間結(jié)合分別對(duì)混凝土縱向和橫向吸水的作用效果，采用了下吸法、側(cè)吸法和綜合法3 種試驗(yàn)裝置，如圖1所示。下吸法中混凝土毛細(xì)作用會(huì)受到重力的影響，側(cè)吸法中毛細(xì)作用會(huì)受到靜水壓力的影響，綜合法中混凝土毛細(xì)作用受到靜水壓力和重力的雙重影響。

圖1 3 種試驗(yàn)方法

2.3 試驗(yàn)方法根據(jù)規(guī)范［22］要求，本文試驗(yàn)在原有的稱重法［24］基礎(chǔ)上同時(shí)采用劈開顯色法［25］分析混凝土吸水性能。劈開顯色法和稱重法對(duì)試件的預(yù)處理步驟相同。具體的預(yù)處理方案如下：（1）將切割好的試件每3 個(gè)一組分成若干份，根據(jù)不同的初始含水率要求用不同的溫度分別烘干8 h，然后密封放置12 h，使試件內(nèi)部水分分布均勻且試驗(yàn)溫度均為20 ℃。（2）對(duì)試件按照不同的試驗(yàn)裝置進(jìn)行不同的處理，分別涂抹石蠟和包裹防水膠布，保障混凝土內(nèi)部水分遷移按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行。稱重法通過(guò)每隔一定的時(shí)間對(duì)試件進(jìn)行稱重，間接分析混凝土吸水狀況。具體試驗(yàn)方法為：對(duì)于處理完成后的試件進(jìn)行稱重，隨后將試件按照不同的試驗(yàn)裝置浸入水中，間隔5 min、10 min、20 min、30 min、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、10 h、14 h、24 h、36 h、48 h 分別進(jìn)行稱重，通過(guò)計(jì)算分析試件的吸水系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、吸水量等參數(shù)。稱重法試驗(yàn)操作方便，可以獲得大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是由于稱重法稱重過(guò)程中的影響因素較多，容易出現(xiàn)誤差，試驗(yàn)結(jié)論缺乏一定的可靠度。

劈開顯色法是通過(guò)劈裂試驗(yàn)機(jī)將試件劈開得到完整斷面，隨后噴涂硝酸銀溶液讓氯化鈉與硝酸銀反應(yīng)分解，從而顯示出紫色的滲透區(qū)域，試驗(yàn)過(guò)程中假定水的滲透高度與水中離子的滲透高度一致［26］。根據(jù)文獻(xiàn)［24］，混凝土吸水性能在初始6 h 之內(nèi)基本不變，為探究理論計(jì)算的可適用性及不同時(shí)間點(diǎn)的吸水特性，經(jīng)過(guò)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果分析，本文試驗(yàn)間隔為3 h、6 h、48 h 時(shí)分別對(duì)每組試件進(jìn)行劈開顯色。劈開顯色法試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)，同時(shí)可以獲得試件內(nèi)部水分傳輸?shù)木唧w情況，但是由于劈開顯色法對(duì)試件造成不可逆的破壞，劈開后無(wú)法開展后續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏少，對(duì)試件的需求量很大，成本較高，不適宜做大批量試驗(yàn)。

本文將兩種方法結(jié)合，在稱重法的基礎(chǔ)上使用劈開顯色法，讓試驗(yàn)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)量更充足，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，讓吸水試驗(yàn)數(shù)據(jù)更完善。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 初始條件對(duì)水分傳輸?shù)挠绊懨?xì)作用下，水分在非飽和混凝土中的傳輸特性可以用擴(kuò)展的Darcy 定律來(lái)描述［27-28］：

式中：θ為相對(duì)飽和度，m0、ms分別為試件平衡狀態(tài)質(zhì)量、試件完全烘干狀態(tài)下的質(zhì)量和試件完全飽和狀態(tài)下的質(zhì)量；t為時(shí)間；D為擴(kuò)散系數(shù)；x為試件與水接觸的位置。

在毛細(xì)吸水中，雖然重力效應(yīng)可能變得顯著，但是在短期或者中短期內(nèi)孔隙的毛細(xì)作用還是占主導(dǎo)，重力作用可以被忽略［23］。

根據(jù)文獻(xiàn)［27］，當(dāng)混凝土材料相同時(shí)，xt-1/2與θ成特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為簡(jiǎn)化計(jì)算，引入Boltzmann 變量?=xt-1/2，代入式（1），可以得到：

為方便計(jì)算，引入吸水系數(shù)S，其計(jì)算表達(dá)式為：

式（2）可以用近似解計(jì)算：

其中：

式中：n為經(jīng)驗(yàn)擬合系數(shù)，Lockington 等人［28］根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建議混凝土材料n取值為6；a為函數(shù)在[θ，1] 區(qū)間內(nèi)的積分變量；s為比例吸水系數(shù)；Θ為體積含水量，Θs為飽和狀態(tài)下體積含水量，Θi為初始狀態(tài)下體積含水量；ρ水為水的密度；Vc為試件體積。

將式（8）代入式（6）、式（7）可得：

由式（4）可以近似得出試件內(nèi)位置與其飽和度的關(guān)系：

采用下吸法研究初始飽和度、吸水時(shí)間等初始條件對(duì)混凝土水分傳輸特性的影響，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl 溶液，將試件每3 個(gè)分為一組，分別對(duì)試件在55 ℃、105 ℃條件下烘干8 h，烘干后將試件密封放置12 h，使試件溫度緩慢降至試驗(yàn)溫度，讓試件內(nèi)部水分盡量分布均勻，試驗(yàn)溫度控制在室溫20 ℃左右。待降至室溫后對(duì)試件進(jìn)行封蠟處理，將石蠟加熱至液態(tài)后分別均勻涂抹在試件的上表面和側(cè)面，確保試件內(nèi)部水分遷移為一維狀態(tài)，待石蠟?zāi)毯髮⑻幚砗玫脑嚰龊脴?biāo)記，放在試驗(yàn)環(huán)境中冷卻至試驗(yàn)溫度。對(duì)試件前處理完成后按照稱重法和劈開顯色法的試驗(yàn)流程放入NaCl 溶液中對(duì)試件進(jìn)行下吸法吸水試驗(yàn)。

根據(jù)稱重法可以獲得試件質(zhì)量隨時(shí)間的變化，基于試件接觸水的面積A和當(dāng)前時(shí)間的試件質(zhì)量mt，由公式計(jì)算累計(jì)吸水量i，繪制i-t1/2曲線，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)線性擬合后得到的斜率定義為吸水系數(shù)S，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同烘干條件下的累計(jì)吸水量

通過(guò)稱重計(jì)算獲得試件的相對(duì)飽和度θ、吸水系數(shù)S，根據(jù)擴(kuò)展的達(dá)西定律計(jì)算得到擴(kuò)散系數(shù)D，推導(dǎo)計(jì)算出近似計(jì)算水分侵入深度?；谂_顯色法，分別在3、6 和48 h 時(shí)對(duì)試件進(jìn)行劈開顯色，參照規(guī)范中對(duì)抗水滲透試驗(yàn)的測(cè)量方法［29］進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算。最終通過(guò)實(shí)際值與計(jì)算值對(duì)比分析理論計(jì)算的精度及其適用性。表2 列舉了在計(jì)算過(guò)程中的關(guān)鍵變量以及最終的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值的誤差。

表2 不同烘干條件下的混凝土吸水高度

稱重法試驗(yàn)操作較為簡(jiǎn)單方便，可以較快獲得相應(yīng)的結(jié)果，但同時(shí)也存在一定的誤差，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)簡(jiǎn)單比較吸水系數(shù)來(lái)判別不同條件下的混凝土水分傳輸性能，對(duì)于粗略分析混凝土水分傳輸特性及規(guī)律效果較好，可以為混凝土水分傳輸規(guī)律提供很好的參考價(jià)值。但是稱重法由于其精度較低，同時(shí)稱重法只適用于混凝土吸水過(guò)程前半段（6 h 之前）吸水系數(shù)基本不變的情況，適用范圍較為局限，受到環(huán)境和人為因素的影響較大，規(guī)律性不明顯。因此稱重法在本文研究中主要起到對(duì)混凝土吸水性能分析的參考輔助作用。

在同組試驗(yàn)中相同烘干條件下不同試件之間存在一定差異，同時(shí)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試件本身也會(huì)受到各種條件干擾而出現(xiàn)一些波動(dòng)，但呈現(xiàn)的規(guī)律性基本一致。通過(guò)分析混凝土吸水系數(shù)和吸水高度可以看出，在相同烘干條件下，即初始飽和度相同時(shí)，混凝土吸水速率在初始一段時(shí)間內(nèi)（6 h內(nèi)）基本保持不變，超過(guò)6 h 后會(huì)隨著時(shí)間下降，由于試驗(yàn)滲透時(shí)間相對(duì)較短，后續(xù)混凝土吸水速率下降段不是很明顯；在相同非飽和滲透時(shí)間內(nèi)，不同初始飽和度對(duì)混凝土吸水性能影響較大，相對(duì)飽和度越小，吸水性能越好。對(duì)比兩個(gè)影響因素可以看出初始飽和度對(duì)混凝土吸水性能影響較為明顯。

3.2 層間結(jié)合對(duì)混凝土吸水性能的影響由于碾壓混凝土澆筑常常為分層澆筑，施工層面眾多，層面的質(zhì)量往往對(duì)碾壓混凝土壩強(qiáng)度和抗?jié)B性能有很大的影響，因此為探討層間結(jié)合對(duì)碾壓混凝土壩滲透系數(shù)的影響，采用側(cè)吸法進(jìn)行試驗(yàn)研究。側(cè)吸法由于試件需要完全浸沒(méi)于水中，其處理方法較下吸法略有不同，采用石蠟和防水膠布兩種方式共同防水，將試件上下表面分別進(jìn)行密封處理，處理完成后將試件完全浸沒(méi)于水中。

側(cè)吸法主要分為兩類試驗(yàn)，不包含層間影響和包含層間作用的試驗(yàn)。不包含層間影響的試驗(yàn)主要與下吸法作對(duì)比，試驗(yàn)方案基本與下吸法一致，根據(jù)稱重法可以獲得試件的吸水系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，并簡(jiǎn)單分析側(cè)吸法的水分傳輸特性，如吸水系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、滲透高度等，并對(duì)比了理論計(jì)算值和實(shí)際值的誤差，匯總?cè)绫?所示。通過(guò)比較分析可以看出，在不包含層間作用時(shí)，毛細(xì)作用時(shí)間和相對(duì)飽和度仍然是影響混凝土水分橫向傳輸?shù)闹匾蛩?。但考慮到實(shí)際澆筑中層間結(jié)合的影響，側(cè)吸法又重點(diǎn)設(shè)計(jì)分析了包含層間作用的試驗(yàn)，此時(shí)單一的稱重法無(wú)法獲得層間的水分傳輸特性，主要依靠劈開顯色法對(duì)混凝土層間位置水分傳輸性能進(jìn)行分析。根據(jù)劈開顯色法的測(cè)量和計(jì)算，表4詳細(xì)列舉了側(cè)吸法試驗(yàn)在沒(méi)有層間影響下的透水高度以及包含層間影響下的非層間透水高度和層間透水高度，可以與不包含層間結(jié)合的側(cè)吸法試件進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 稱重法計(jì)算滲透高度

表4 不同試件劈開顯色高度

對(duì)比可知，側(cè)吸法與下吸法雖然規(guī)律類似，但兩者在水分傳輸速率上差異較大，水分橫向傳輸速率明顯大于縱向傳輸速率，考慮到碾壓混凝土通過(guò)振動(dòng)碾垂直碾壓的施工特性，縱向壓實(shí)度相對(duì)橫向更好，即縱向上的骨料和砂漿更緊密，因此縱向透水高度明顯低于橫向的透水高度。同時(shí)根據(jù)層間結(jié)合的透水高度計(jì)算，層間結(jié)合部位透水性能明顯高于其他部分，即層間結(jié)合在水分傳輸中是薄弱界面，需要重點(diǎn)研究。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，可知層間結(jié)合對(duì)于相對(duì)飽和度的敏感性很高。

3.3 層間結(jié)合對(duì)混凝土不同方向水分傳輸效果的影響上一節(jié)分析了在水分橫向傳輸時(shí)，層間結(jié)合對(duì)水分傳輸?shù)挠绊懶Ч?。但水分傳輸在碾壓混凝土大壩中十分?fù)雜，為探究層間結(jié)合對(duì)于不同方向的水分傳輸?shù)挠绊懶Ч?，采用綜合法進(jìn)行試驗(yàn)分析。綜合法是將下吸法和側(cè)吸法相結(jié)合，同時(shí)考慮了靜水壓力和重力對(duì)水分傳輸?shù)挠绊憽?/p>

綜合法水分傳輸過(guò)程較為復(fù)雜，通過(guò)稱重法獲得的混凝土質(zhì)量變化不能很好的反應(yīng)混凝土內(nèi)部水分傳輸過(guò)程，理論計(jì)算已無(wú)法滿足需求，因此綜合法著重采用劈開顯色法獲得不同時(shí)間段的混凝土吸水高度及水分?jǐn)U散深度。由于劈開顯色法對(duì)于混凝土試件需求量較大，根據(jù)下吸法和側(cè)吸法試驗(yàn)的規(guī)律總結(jié)，設(shè)計(jì)了包含層間影響的綜合法試驗(yàn)，將上一節(jié)中的規(guī)律進(jìn)一步推廣到復(fù)雜水分傳輸過(guò)程中，有效降低了綜合法的試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)可以有效地分析混凝土在復(fù)雜條件下的水分傳輸特點(diǎn)。為進(jìn)一步揭示層間結(jié)合對(duì)于混凝土吸水特性的影響機(jī)理及在復(fù)雜水分傳輸中的影響效果，也設(shè)計(jì)了包含層間影響的試件。通過(guò)劈開顯色法的測(cè)量和計(jì)算，表5 詳細(xì)列舉了不包含層間結(jié)合非透水區(qū)域的平均透水高度，包含層間的相同位置透水高度以及層間的透水高度，其中滲透高度表示混凝土橫向透水高度，擴(kuò)散深度表示混凝土縱向透水高度。

表5 試件劈開顯色分析結(jié)果

綜合法和側(cè)吸法在接觸水的部分的水分傳輸特點(diǎn)基本一致，但綜合法又考慮了水分的縱向傳輸過(guò)程。在不含層間的試件中，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，水分?jǐn)U散區(qū)域呈逐步增大的趨勢(shì)，最終擴(kuò)散到整個(gè)截面。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出橫向傳輸與縱向傳輸速率不同，這是由于碾壓混凝土施工特點(diǎn)導(dǎo)致其在各方向上的水分滲透系數(shù)不同，而層間對(duì)碾壓混凝土不同方向上的水分傳輸有較大的影響，從結(jié)果看出在初始飽和度較大時(shí)層間對(duì)豎向傳輸有較明顯的阻礙作用，對(duì)橫向傳輸影響不明顯，即層間作用主要是降低垂直于層間方向的水分傳輸速率，但與層間走向一致時(shí)影響較小。當(dāng)吸水時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，層間結(jié)合對(duì)水分傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥?jì)。

4 細(xì)觀數(shù)值仿真計(jì)算與分析

混凝土材料一般是砂漿、骨料和ITZ（Interfacial Transition Zone）三相復(fù)合材料，為進(jìn)一步研究帶層間碾壓混凝土吸水特性和規(guī)律，采用二維隨機(jī)骨料模型進(jìn)行細(xì)觀模擬，探究不同初始條件下及層間結(jié)合對(duì)混凝土試件吸水性能影響機(jī)理。

4.1 模型建立根據(jù)Fuller 曲線［30］編寫了碾壓混凝土隨機(jī)骨料模型代碼，骨料體積占比為0.52，骨料級(jí)配為二級(jí)配，骨料粒徑分布為5 ～ 40 mm。骨料粒徑分布要求符合Fuller 連續(xù)級(jí)配，骨料分布如圖3所示。

圖3 混凝土級(jí)配曲線

骨料生成后通過(guò)所編寫的腳本將骨料信息導(dǎo)入ABAQUS 中建立二維隨機(jī)骨料模型。為建立滲透系數(shù)與孔隙水壓、吸水時(shí)間、初始飽和度和水分傳輸方式的關(guān)系采用細(xì)觀模型模擬試件縱向剖面，模型與實(shí)際試件縱向剖面大小相同，為100 mm×50 mm，根據(jù)文獻(xiàn)［3］和混凝土吸水試驗(yàn)可以計(jì)算混凝土孔隙比，孔隙比為0.09，界面厚度為1 mm［31］，本文試驗(yàn)采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為0.2 mm，因此網(wǎng)格大小設(shè)置為0.2 mm。二維隨機(jī)骨料模型骨料粒徑及其分布情況如圖4所示。

圖4 二維隨機(jī)骨料模型

根據(jù)不同的試驗(yàn)方法設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，分別計(jì)算不同條件下孔隙水壓力和滲透系數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)比分析不同影響因素對(duì)混凝土吸水性能的影響效果。

4.2 仿真計(jì)算采用二維隨機(jī)骨料模型模擬混凝土水分傳輸過(guò)程，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，本文模擬做了如下假定：（1）孔隙水壓力和相對(duì)不飽和度遵循線性關(guān)系［32-33］；（2）滲透系數(shù)與不飽和度之間遵循下式所示關(guān)系［17］。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和仿真分析對(duì)比，驗(yàn)證二維隨機(jī)骨料模型的正確性，同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果重點(diǎn)討論層間結(jié)合對(duì)混凝土水分傳輸?shù)淖饔脵C(jī)理和影響效果。下面將分別針對(duì)不同試驗(yàn)方法及層間結(jié)合的影響分別展開研究。

4.2.1 下吸法 為探究不同初始飽和度和吸水時(shí)間對(duì)混凝土孔隙水壓和非飽和滲透系數(shù)關(guān)系的影響，分別選用初始飽和度為0.3 和0.5，分別對(duì)應(yīng)55 ℃和105 ℃烘干條件，非飽和滲透時(shí)間為3 h、6 h、48 h 的6 組試件進(jìn)行仿真分析并與試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比，如圖5所示，試驗(yàn)透水高度用紅色記號(hào)筆做了標(biāo)記，模擬透水高度標(biāo)記為綠色。根據(jù)參數(shù)反演可以獲得孔隙水壓和非飽和滲透系數(shù)之間的關(guān)系，以及孔隙水壓和非飽和滲透系數(shù)的關(guān)系隨初始條件的影響，圖6 展示了參數(shù)反演結(jié)果及其規(guī)律，其中sat 表示相對(duì)飽和度。

圖5 下吸法試驗(yàn)與模擬

圖6 不同初始條件下的非飽和滲透系數(shù)

從圖6 可以看出，混凝土孔隙水壓和滲透系數(shù)成反比例關(guān)系，且隨著飽和度和吸水時(shí)間的變化而變化。在飽和度不變的條件下，水分傳輸時(shí)間越長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)越小，即時(shí)間越久滲透越慢；在透水時(shí)間相同時(shí)，相對(duì)飽和度越小，滲透系數(shù)越大，所對(duì)應(yīng)的滲透速率也越快。飽和度對(duì)混凝土水分縱向傳輸特性影響較大。

4.2.2 側(cè)吸法 為探究初始條件和靜水壓力對(duì)混凝土水分橫向傳輸?shù)挠绊懀谙挛ǖ幕A(chǔ)上改變初始條件，根據(jù)側(cè)吸法的試驗(yàn)特點(diǎn)，分別計(jì)算分析了考慮靜水壓力作用及不考慮靜水壓力作用下的滲透系數(shù)與孔隙水壓之間的關(guān)系，其中0.45 飽和度對(duì)應(yīng)80 ℃烘干條件。圖7 對(duì)比了側(cè)吸法的試驗(yàn)值與模擬值，圖8 根據(jù)參數(shù)反演總結(jié)了靜水壓力對(duì)混凝土滲透系數(shù)的影響，同時(shí)與下吸法參數(shù)反演結(jié)果相比較，分析不同方向上混凝土吸水性能的差異性，以及混凝土水分豎向傳輸和橫向傳輸?shù)牟町悺?/p>

圖7 側(cè)吸法試驗(yàn)和模擬

圖8 不同方向混凝土水分傳輸性能

從模擬結(jié)果可以看出，模擬值基本與試驗(yàn)值相一致。通過(guò)下吸法和側(cè)吸法對(duì)比可知混凝土在不同方向上的吸水性能不同，混凝土水分橫向傳輸性能明顯高于混凝土水分縱向傳輸性能，這與碾壓混凝土碾壓施工方式有關(guān)，縱向壓實(shí)更好，橫向壓實(shí)度相對(duì)較差。同時(shí)側(cè)向吸水的非飽和滲透系數(shù)與初始條件的規(guī)律基本與下吸法一致，但是由于靜水壓力的作用導(dǎo)致孔隙水壓與滲透系數(shù)不再是簡(jiǎn)單的反比例關(guān)系，與靜水壓力也存在一定的關(guān)聯(lián)，在孔隙水壓較小時(shí)靜水壓力對(duì)混凝土吸水性能的影響較明顯。

4.2.3 綜合法 由于大壩工程所處環(huán)境復(fù)雜，壩體混凝土中水分傳輸較為復(fù)雜，水分傳輸?shù)姆较蛞膊⒎菃我坏目v向或者橫向，因此結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)了綜合法試驗(yàn)，接觸水部分為橫向傳輸，密封部分為縱向傳輸，試驗(yàn)?zāi)M了復(fù)雜的混凝土水分傳輸方式。根據(jù)參數(shù)反演結(jié)果，非飽和系數(shù)和孔隙水壓基本成反比例關(guān)系，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，在綜合法模擬中不再考慮多種孔隙水壓，重點(diǎn)分析在相同孔隙水壓時(shí)，不同初始條件下對(duì)混凝土內(nèi)部水分傳輸過(guò)程的影響，圖9 展示了采用綜合法實(shí)驗(yàn)方式獲得的結(jié)果。

由圖9 可知，當(dāng)混凝土內(nèi)部水分傳輸較為復(fù)雜時(shí)，對(duì)水分橫向過(guò)程影響較小，但對(duì)縱向傳輸過(guò)程影響較大，縱向傳輸受橫向傳輸影響較單一的縱向傳輸方式非飽和系數(shù)更大，即水分傳輸同時(shí)存在橫向和縱向傳輸時(shí)，縱向傳輸速率有所提升。

圖9 綜合法試驗(yàn)和模擬

4.2.4 層間結(jié)合影響分析 針對(duì)層間結(jié)合對(duì)混凝土內(nèi)部水分傳輸?shù)挠绊懶Ч?，采用?cè)吸法和綜合法結(jié)合的方式分別分析了平行于層間走向和垂直層間走向的包含層間的水分傳輸過(guò)程，并通過(guò)與側(cè)吸法和綜合法所獲得的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，比較層間對(duì)混凝土水分傳輸過(guò)程的影響，建立了包含層間薄弱面的二維隨機(jī)骨料模型，分析其對(duì)混凝土水分傳輸過(guò)程的影響機(jī)理。分析結(jié)果如圖10所示（其中紅線部分代表層間位置）。

圖10 層間影響效果

從圖10 可以看出，當(dāng)水分傳輸平行于層間走向時(shí)，層間透水高度明顯大于其余部分高度，層間的非飽和滲透系數(shù)明顯大于相同條件下的側(cè)向吸水滲透系數(shù)；當(dāng)水分傳輸垂直于層間走向時(shí)，層間對(duì)水分傳輸具有一定的阻礙效果，即層間在不同方向上的非飽和滲透系數(shù)也不相同且相差極大。層間對(duì)于混凝土非飽和滲透并非完全的薄弱面，在某些情況下可以有效利用層間的特性，降低混凝土受侵蝕程度。

通過(guò)以上的試驗(yàn)和模擬可以了解到層間對(duì)于混凝土水分傳輸性能影響很大，采用有限元模擬分析在相同靜水壓力和透水時(shí)間下不同位置層間結(jié)合對(duì)混凝土透水性能的影響，進(jìn)一步分析層間對(duì)于混凝土水分傳輸?shù)挠绊憽D11 展示了層間在水面的不同位置時(shí)相同初始條件和滲透時(shí)間下混凝土的水分傳輸特點(diǎn)。

圖11 層間位置對(duì)混凝土傳輸性能的影響

層間位置對(duì)于混凝土傳輸性能影響較為顯著，當(dāng)層間低于或等于水面時(shí)，層間的影響范圍大致為2 ～ 5 mm，當(dāng)層間與水面的距離在5 mm 以內(nèi)時(shí)，水分的縱向傳輸受層間影響，混凝土滲透距離最遠(yuǎn)，透水性好；當(dāng)層間位于水面以下且距離水面較遠(yuǎn)時(shí)，滲透高度受層間影響程度較??；當(dāng)層間高度位于水面之上時(shí)，對(duì)于混凝土水分傳輸有較明顯的抑制作用，降低了水分的垂直傳輸速率。因此結(jié)合實(shí)際工程分析應(yīng)當(dāng)讓層間結(jié)合盡量離水面較遠(yuǎn)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量高于水面，從而使層間促進(jìn)混凝土侵蝕破壞效果最小化。

4.3 討論基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真分析可知，碾壓混凝土內(nèi)部水分傳輸過(guò)程受多種因素共同影響，主要起決于外部氣候環(huán)境特點(diǎn)及混凝土本身初始特性。結(jié)合實(shí)際工程對(duì)于大壩所處環(huán)境較為復(fù)雜且改變較為困難，因此分析混凝土自身特性對(duì)于水分傳輸?shù)挠绊懹葹橹匾渲袑娱g結(jié)合對(duì)于混凝土水分傳輸影響最大。但層間結(jié)合對(duì)不同方向的水分傳輸影響效果差異較大，具體表現(xiàn)為促進(jìn)水分橫向傳輸（平行于層間），抑制水分縱向傳輸（垂直于層間），在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮層間的影響。根據(jù)模擬實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的各種情況展開討論分析，可以看出層間應(yīng)當(dāng)盡量高于水面，在水中的層間部分應(yīng)當(dāng)加以適當(dāng)?shù)姆罎B措施以降低層間的不利影響。

5 結(jié)論

碾壓混凝土中水分傳輸較為復(fù)雜，同時(shí)水分傳輸受到初始飽和度、層間結(jié)合、水分傳輸方向等各方面的影響。針對(duì)初始條件、水分傳輸方向和層間影響開展了試驗(yàn)和模擬研究，主要得到以下結(jié)論：（1）稱重法在混凝土水分傳輸過(guò)程初期具有良好的輔助和評(píng)判作用，吸水系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)可以作為初步評(píng)判混凝土吸水性能的主要依據(jù)。（2）混凝土水分傳輸過(guò)程受多種因素共同作用，主要表現(xiàn)為環(huán)境條件因素和自身特性影響，其中自身特性較為容易改變，可以通過(guò)改善自身水分傳輸特性來(lái)降低混凝土環(huán)境侵蝕影響。（3）層間作為碾壓混凝土特有的薄弱面，對(duì)混凝土水分傳輸有很大的影響，具體表現(xiàn)為沿著層間方向促進(jìn)水分傳輸，垂直層間方向阻礙水分傳輸。（4）通過(guò)對(duì)3 種不同的試驗(yàn)方案及模擬結(jié)果可以得出層間對(duì)碾壓混凝土吸水性能影響最大，水分傳輸方向和相對(duì)飽和度對(duì)混凝土的水分傳輸影響較為顯著，毛細(xì)作用時(shí)間對(duì)混凝土水分傳輸性能影響變化較為緩慢。

鑒于碾壓混凝土水分傳輸特性及大壩所處環(huán)境較為復(fù)雜，本文主要考慮了飽和度、吸水時(shí)間、層間結(jié)合等關(guān)鍵因素，后續(xù)還將考慮碾壓混凝土孔隙度、級(jí)配等參數(shù)開展進(jìn)一步研究。