核廢料安全處置是目前國際上研究的熱點和焦點。自前蘇聯于1954年建成第一座核電廠以來，至今全世界已有核電廠400多座，核廢料排放量與日俱增。目前全世界產生的核廢料已達2×105 t之多，預計到2030年，全球的核廢料總數將達到5×105 t。核廢料貯存的長期安全性及其對地質環境、人類健康和生物圈的長期影響已成為人們十分關注和擔憂的問題[1]。
由于在很長的時間內不可避免地要承受使用荷載，而且受到地下水、巖層、地震等環境荷載的作用。核廢料貯存容器的可靠性將直接影響人民的生命財產安全;加之在設計、施工和使用中存在大量的不確定性等種種因素;因而必須對其進行可靠度分析，以使結構在預定時間內完成各項功能。本文著重研究了用于制作核廢料貯存容器的高性能混凝土的抗滲性能。
混凝土的滲透性與耐久性之間有著密切的聯系，因此通常認為滲透性是評價混凝土耐久性的最重要指標。正如有些專家評論的那樣：滲透性低的混凝土，其耐久性一般來說是比較好的;為了得到耐久的混凝土，必須相應地提高其抗滲性[2]。
滲透是指液體或氣體在壓力作用下的運動;擴散是指氣體或液體中的粒子由于存在濃度差進行的運動;混凝土的滲透性和抗滲性，是從兩個方面說明同一個問題，當混凝土的滲透性高時則其抗滲性低，當混凝土的滲透性低時則其抗滲性高;反之亦然。
1 測試方法及數據
依據試驗原理的不同，滲透性試驗可大致分為三類：滲透系數法、離子擴散系數法和電參數法[2]。水滲透方法能夠較真實地反映混凝土的抗滲性能，建議研究應采用壓力作為手段測試混凝土的滲透性能[3]。鑒于國標方法GBJ82—85雖然其結果較好地反應出混凝土內孔結構及滲透液與混凝土水化產物吸附對滲透的影響，但操作繁重復雜，不易測試高性能混凝土，故抗滲試驗參照《水工混凝土試驗規程》[4]相對抗滲性試驗進行。
抗滲試驗采用ZKS系列微機控制高精度混凝土抗滲儀，見圖1
圖1 混凝土抗滲試驗設備圖
制作上底直徑175 mm，下底直徑185 mm，高為150 mm的圓臺試件，按照設計的配合比稱好各種材料的質量，以石子、纖維、砂、水泥、減水劑的順序依次倒入攪拌機，干拌均勻后，再將水徐徐加入;待水全部加入后，繼續攪拌2～3 min，將攪拌好的拌合物裝入試模插搗后，放在振動臺上振動2～3 min;在試件表面覆蓋塑料袋以防止水分蒸發;24 h后拆模，放入養護室按照GBJ81—85養護成型。試驗時將試件壓入試壓鋼套，并將試壓鋼套安放到試壓臺上的鋼套底模上，中間有密封圈密封，形成一個對試件進行抗滲試驗的壓力腔。
表1 正交試驗混凝土配合比
組號水
(kg)水泥
(kg)粉煤灰
(kg)砂子
(kg)碎石
(kg)鋼纖維A(kg)鋼纖維B(kg)聚丙烯
纖維(kg)減水劑(%)
SP-11804505059312024080.30.6
SP-218035015057811748080.30.6
SP-3180350150578117440240.30.6
SP-418045050593120280240.30.6
SP-518035015057811744080.90.6
SP-61804505059312028080.90.6
SP-718045050593120240240.90.6
SP-8180350150578117480240.90.6
(a)試件壓入中 (b)抗滲期間
(c)試件劈裂 (d)劈裂后的試件
圖2 試驗概況照片
根據《低、中水平放射性固體廢物混凝土容器》EJ914—94要求，抗滲試件所承受的水壓力直接加到2.0 MPa，恒壓24 h，然后降壓，從試模中取出試件。在試件兩端面直徑處，于平行方向各放一根Φ6 mm鋼墊條，用壓力機將試件劈開。將劈開面的底邊10等分，在各等分點處量出滲水高度。根據滲水高度的平均值計算得到混凝土的抗滲高度。抗滲試驗概況見圖2，試驗數據見表2和表3
表2 混凝土抗滲高度
試件
類別因素抗滲高度
ABCD受熱前(cm)受熱后(cm) 保持率(%)
SP-1-1-1-1-19.746.2664.3
SP-2+1-1-1+19.228.1388.2
SP-3-1+1-1+19.547.1775.2
SP-4+1+1-1-110.166.7266.1
SP-5-1-1+1+110.916.1856.6
SP-6+1-1+1-112.918.2664.0
SP-7-1+1+1-114.097.5853.8
SP-8+1+1+1+113.489.1668.0
表3 各因素不同取值水平T
水平因素
ABCD
-14080.310
+180240.930
A—剪切螺紋型鋼纖維，kg/m3;B—超短超細高強型鋼纖維，kg/m3;C—聚丙烯纖維，kg/m3;D—Ⅰ級粉煤灰，%。
2 方差分析
利用SPSS13.0得到的受熱前后混凝土抗滲高度的方差分析數據如表4
表4 混凝土抗滲高度方差分析
方差來源ABCD誤差e總和
抗
滲
高
度受
熱
前平方和0.2782.52020.2571.7581.61126.423
均方0.2782.52020.2571.7580.537
F值0.5174.69437.7303.274
Sig.0.5240.1190.0090.168
受
熱
后平方和3.2260.4051.0510.4142.6017.697
均方3.2260.4051.0510.4140.867
F值3.7200.4671.2120.478
Sig.0.1490.5430.3510.539
通過F值的比較得出因素對混凝土受熱前后抗滲強度的影響，由大至小的排列順序和極差分析一致。對于給定的顯著水平α=5%，查得F0.05(1，3)=10.13，有：
(1)F值表明只有聚丙烯纖維對混凝土受熱前抗滲高度的影響作用顯著，且Sig.值小于0.01，因而其影響作用高度顯著。
(2)F值和Sig.值表明，各因素對混凝土受熱后抗滲高度的影響都不夠顯著。
從試驗數據可看出，混凝土在受熱后，抗滲高度普遍有所下降，其中下降最多是受熱前抗滲性能最好SP-7，保持率僅53.8%;而受熱前抗滲性能最差的SP-2在受熱后抗滲性能損失最小，保持率最高，為88.2%;受熱前抗滲性能較好的SP-8在受熱后是抗滲性能最好的試件。
Maalej M[5]把鋼纖維混凝土試件與普通混凝土試件底部浸泡在含量為3%的NaCl溶液中，然后加濕烘干循環83 d，發現鋼纖維混凝土的氯離子含量比普通混凝土低。加入增強纖維會使混凝土試件在裂紋寬度相同的情況下，滲流量減少;在沒有滲流發生的情況下，增大了臨界裂紋寬度。這些都表明鋼纖維的摻入會提高混凝土的抗滲性。
聚丙烯纖維能夠減少混凝土的早期塑性收縮裂紋并能阻止它們的發展，把增強混凝土抗滲性能的聚丙烯纖維的摻量定量化，認為聚丙烯纖維摻量為0～0.9kg/m3，尤其是0.9kg/m3的混凝土能夠有效抵御外界氯離子的侵蝕、保護鋼筋、防止銹蝕，具有優越的長期性能和耐久性能[6]。
通過試驗發現混凝土中摻入聚丙烯纖維后，吸水率和滲水高度增加得很大，原因在于摻入纖維后使得混凝土拌合物流動性降低，工作性變差，從而使混凝土的密實性變差，在壓力水作用下，滲透性增強，抗滲性降低;或是纖維的加入增加了混凝土的界面，在壓力水作用下，水向混凝土內部滲入的通道增加[7]。
通過試驗數據的分析可以看出，聚丙烯纖維起到了增強混凝土抗滲性能的作用，而且這種作用在混凝土受熱前很明顯。試驗表明粉煤灰對抗滲性能影響不大，這可能是粉煤灰細度不夠的原因。如果加入的粉煤灰細度高，可能會明顯提高混凝土的抗滲性能。因為細度較大的粉煤灰顆粒吸附在水泥顆粒表面有利于分散水泥絮凝結構，并且合理使用粉煤灰等礦物摻和料有利于更好地發揮高效減水劑的作用，改善漿體的流動性和硬化混凝土的滲透性。如果再和膨脹劑復合使用，能改善混凝土的孔結構，使其具有良好的孔級配，即有害孔減少、少害孔和無害孔增多，并且混凝土總孔隙率降低[8]。
3 分析及總結
通過以上方差分析和試驗數據可以看出：
(1)聚丙烯纖維可顯著提高混凝土常溫下的抗滲性能，但對受熱后混凝土抗滲性能的提高效果不明顯;鋼纖維對混凝土受熱前后的抗滲性能均有增強的作用;粉煤灰對混凝土常溫下的抗滲性能起到了負面作用，但在混凝土受熱后對抗滲性能起到的作用是正面的。
(2)混凝土在受熱后抗滲性能會下降，但是加入增強纖維和粉煤灰的高性能混凝土試件在受熱后依舊保持較好的抗滲性能。鋼纖維對提高貯存容器耐久性有明顯的作用，短、超短鋼纖維混雜效果良好;改善鋼纖維的分散性及與基體咬合力，會更好地增強混凝土的耐久性;受熱時間較長后，鋼纖維高性能混凝土的抗滲性能優于高強混凝土。
參考文獻：
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