应用数字岩心对水工混凝土绝对渗透率的研究.pdf
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1、Hans Journal of Civil Engineering 土木工程土木工程,2023,12(8),1143-1151 Published Online August 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/hjce https:/doi.org/10.12677/hjce.2023.128131 文章引用文章引用:张德状,刘俊,胡雪婷.应用数字岩心对水工混凝土绝对渗透率的研究J.土木工程,2023,12(8):1143-1151.DOI:10.12677/hjce.2023.128131 应用数字岩心对水工混凝土绝对渗透率的研究应用数字
2、岩心对水工混凝土绝对渗透率的研究 张德状张德状*,刘,刘 俊,胡雪婷俊,胡雪婷 西京学院土木工程学院,陕西 西安 收稿日期:2023年7月26日;录用日期:2023年8月16日;发布日期:2023年8月28日 摘摘 要要 渗透性渗透性是评价水工混凝土抗冻抗渗的重要指标是评价水工混凝土抗冻抗渗的重要指标,本文,本文对水工混凝土进行对水工混凝土进行快速冻融试验快速冻融试验,采用工业,采用工业CT扫描扫描技术并结合技术并结合Avizo软件建立三维模型,对渗透率的计算结果与流线结合进行可视化模拟,可清晰观察到软件建立三维模型,对渗透率的计算结果与流线结合进行可视化模拟,可清晰观察到流体流动流线及流体渗
3、透压力分布,并得到绝对渗透率计算结果。以此对比分析两种水工混凝土流体流动流线及流体渗透压力分布,并得到绝对渗透率计算结果。以此对比分析两种水工混凝土在冻融在冻融作用作用下下绝对渗透率的变化规律。结果表明:随着冻融次数的增加混凝土内部的裂隙逐渐变大,其连通性绝对渗透率的变化规律。结果表明:随着冻融次数的增加混凝土内部的裂隙逐渐变大,其连通性越好;越好;相同配合比相同配合比下的下的低热和中热水泥混凝土在低热和中热水泥混凝土在冻融冻融期间期间,其渗透率随冻融次数的增加而变大;,其渗透率随冻融次数的增加而变大;低热水低热水泥混凝土泥混凝土渗透率的变化率明显渗透率的变化率明显高于中热水泥混凝土高于中热水
4、泥混凝土。关键词关键词 水工混凝土水工混凝土,冻融循环冻融循环,Avizo软件软件,渗透率渗透率 Research on the Absolute Permeability of Hydraulic Concrete Using Digital Core Dezhuang Zhang*,Jun Liu,Xueting Hu College of Civil Engineering,Xijing University,Xian Shaanxi Received:Jul.26th,2023;accepted:Aug.16th,2023;published:Aug.28th,2023 Abstrac
5、t Permeability is an important indicator to evaluate the frost resistance and impermeability of hy-draulic concrete.In this paper,the rapid freezing and thawing test of hydraulic concrete is car-ried out,and the industrial CT scanning technology and Avizo software are used to establish a three-dimen
6、sional model.The calculation results of permeability were visually simulated by com-bining streamline distribution with fluid flow,allowing for clear observation of fluid flow lines and *通讯作者。张德状 等 DOI:10.12677/hjce.2023.128131 1144 土木工程 fluid permeation pressure distribution.Absolute permeability c
7、alculation results were obtained.The variation patterns of absolute permeability of two types of hydraulic concrete under freeze-thaw conditions were compared and analyzed.The results indicated that with an increasing num-ber of freeze-thaw cycles,the cracks within the concrete gradually expanded,wh
8、ich indicated better connectivity.For concrete with the same mix ratio,the permeability increased with the number of freeze-thaw cycles for low heat and medium heat cement concrete.The rate of permea-bility change for low heat cement concrete was significantly higher than that for medium heat ce-men
9、t concrete.Keywords Hydraulic Concrete,Freeze-Thaw Cycle,Avizo Software,Permeability Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 水工混凝土是水工工程主要的建筑材料,由于其
10、处在特殊的环境中,所以对水工混凝土的耐久性有着独特的要求 1。在寒冷地区,水利工程的混凝土结构暴露在循环冻结和解冻环境中,促使混凝土的防渗性能弱化和使用寿命缩短 2 3,从而会严重影响到水工结构的安全和稳定性。因此,对冻融破坏条件下水工混凝土的渗透性进行研究具有重要意义 4。对于混凝土的渗透性测试方法有水渗透、气体渗透和氯离子 3 大类 5,同时数值模拟也是研究混凝土渗流性质的重要方法,并可以得到直观可靠的结果,通过模拟混凝土中流体的运动和分布状态,来确定流体在混凝土中的绝对渗透率,研究微观方面的渗流机理,为评价混凝土的抗渗性能提供依据。随着CT 扫描技术的发展,可以直接获取三维图像,并提取孔
11、隙网络模型,用于数字化分析和流动模拟。杜建芬 6等人对砂岩进行绝对渗透率研究,利用 Avizo 软件成功重建了三维数字岩心,计算了岩样的绝对渗透率及三维渗透率张量,与实验室测量结果对比发现,三维模拟所得到的绝对渗透率与实验所测数据几乎一致,误差很小,说明结果可信。吕邦民 7利用 Avizo 构建出煤基多孔碳的三维模型,通过与二维平面孔结构对比,发现三维展现出的结构尺寸更加精确,利用 CFD 软件 Fluent 对三维模型进行渗流模拟。刘婷婷 8利用基于 CT 图像的三维可视化软件 Avizo 对现浇抗冻植被混凝土进行了三维重建,使用单相渗流模拟对该模型进行了分析。研究结果表明,渗流模拟的结果与
12、物理试验结果吻合较好,这验证了三维重建模型的可靠性以及单相渗流模拟方法的可行性。目前,基于 CT 扫描技术的 Avizo 软件构建三维能真实反映实际混凝土内部的微观性质,利用数字岩心进行渗流模拟也是近年来渗流模拟的重要方向之一 9。因而本文对相同配比的低热和中热水工混凝土进行快速冻融试验,采用工业 CT 监测混凝土内部结构变化情况,构建三维模型探讨分析水工混凝土在在冻融作用下内部绝对渗透率的演化规律。2.试验材料与方法试验材料与方法 2.1.原材料原材料 本试验所用 42.5 级中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥分别是华新东川公司和锦屏嘉华水泥公司生产,具体化学成分和技术指标分别如表 1 和表 2
13、 所示。粉煤灰为贵州卓圣丰业环保新型材料开发有限公司生Open AccessOpen Access张德状 等 DOI:10.12677/hjce.2023.128131 1145 土木工程 产(级),技术指标如表 3。粗骨料选用连续性级配的花岗岩碎石,小石和中石粒径分别为 5 mm20 mm和 20 mm40 mm。细骨料为人工砂,材质为花岗岩,细度模数为 2.71。减水剂选用的为萘系高效减水剂。拌制混凝土用水为实验室提供的自来水。Table 1.Chemical composition analysis of cement 表表 1.水泥化学成分分析 水泥品种 化学成分(%)SiO2 Al2
14、O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O R2O Loss 中热 21.03 3.92 4.86 62.32 4.22 1.98 0.44 0.07 0.36 0.49 低热 22.92 3.27 4.58 60.66 4.02 2.50 0.46 0.17 0.47 0.86 Table 2.Cement quality inspection results 表表 2.水泥品质检验结果 水泥品种 密度(g/cm3)比表面积(m2/kg)安定性 标准稠度(%)凝结时间(h:min)初凝 终凝 中热 3.15 344 合格 25.0 3:05 3:47 低热 3.21 355
15、合格 25.4 4:33 5:35 Table 3.Technical indicators of fly ash 表表 3.粉煤灰技术指标 细度(45 m 方孔筛筛余)(%)需水量比(%)Loss(%)含水量(%)SO3(%)SiO2/Al2O3/Fe2O3(%)碱含量(%)密度(g/cm3)活性指数(%)9.5 95 3.9 0.6 1.1 75 1.3 0.9 76 2.2.混凝土配合比混凝土配合比 本试验采用的水工混凝土配合比如表 4 所示。混凝土拌合物浇筑完成后静置 1.5 d,然后脱模放入标准养护箱进行养护,养护 28 d 后对 100 mm 100 mm 100 mm 的立方体试
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