混凝土滲透性的測試 

隨著混凝土技術(shù)的進步，混凝土制備的可變因素越來越多。各種礦物細摻料和高性能減水劑作為基本材料組分，更增加了混凝土耐久性影響因素的復(fù)雜性。金偉良、趙羽習(xí)等把混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分為環(huán)境、材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)四個層次。盡管影響因素很多，但歸根結(jié)底，這些因素影響著混凝土的兩個重要的基本特性，即滲透性和強度。 

混凝土是一種多相的、不均質(zhì)的、多孔的復(fù)合體系，當(dāng)其相對的表面存在壓力、濃度和電位差時，就會發(fā)生物質(zhì)的遷移。隨著水工工程的發(fā)展，20世紀30年代，人們開始關(guān)注混凝土的滲透性。由于水工結(jié)構(gòu)諸如大壩、水渠、涵管，以及海底隧道等，一旦抗?jié)B性能不能滿足要求，就會造成污染、滲漏等工程事故。 

20世紀80年代，由于混凝土耐久性問題日益為人們所關(guān)注，混凝土的抗?jié)B性能也越來越受到人們的重視。我國也是從這時開始研究混凝土的碳化與鋼筋銹蝕問題。混凝土的滲透性能與其耐久性有密切的關(guān)系：抗?jié)B性能好的混凝土具有好的密實性、好的抗碳化能力、好的抵抗鋼筋銹蝕能力以及抗凍性等。 

滲透性能對耐久性的影響程度取決于兩個因素：內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素是指混凝土的材料組成和結(jié)構(gòu)特征。外部因素是指混凝土所處的使用環(huán)境。通過提高混凝土的抗?jié)B性能來提高混凝土的耐久性，可以從內(nèi)、外兩個因素入手。內(nèi)部因素可以通過合理的配合比設(shè)計以及適當(dāng)?shù)闹谱鞴に噥韺崿F(xiàn)。

外部因素是客觀存在的，提高滲透性的關(guān)鍵是在于減少混凝土對侵蝕性介質(zhì)的易感組份，提高混凝土的密實性。 

高性能混凝土是按耐久性設(shè)計的混凝土，具有優(yōu)異的耐久性能而區(qū)別于普通混凝。而實際工程中的混凝土往往是受環(huán)境中的水、氣體以及侵蝕性介質(zhì)的侵入而使其劣化的。

產(chǎn)生這種劣化作用需要內(nèi)外兩個因素，內(nèi)部因素是混凝土的成份和結(jié)構(gòu)，外部因素是環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)和水的存在。必要條件是外部侵蝕性介質(zhì)和水能夠逐步滲透到混凝土內(nèi)部。隨著混凝土應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，以及向惡劣環(huán)境中的延伸，避免混凝土劣化的外部條件是不可能的，也是不明智的。為此有必要從內(nèi)部因素入手提高混凝土的耐久性能。也就是當(dāng)混凝土劣化的外部條件存在時，使混凝土不產(chǎn)生原始裂縫，混凝土硬化后體積穩(wěn)定不產(chǎn)生收縮裂縫，同時改善混凝土的成份和結(jié)構(gòu)，減少易受腐蝕的組分，從根本上提高混凝土的抗侵蝕性能。 

滲透性是混凝土耐久性的最重要標(biāo)志，是混凝土耐久的第一道防線，只有提高混凝土的抗?jié)B性，做到“百毒不侵”，混凝土才能達到真正的耐久。只有對高性能混凝土的抗?jié)B性進行深入的研究，了解滲透機理，才能對在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行耐久性評定和剩余壽命預(yù)測，而且還可以用來對新建項目進行耐久性預(yù)測，對提高工程的設(shè)計水平和提高建筑物的使用壽命具有重要意義。 

混凝土的滲透性，籠統(tǒng)地說是指氣體、液體或離子受壓力、化學(xué)勢或電場作用在混凝土中滲透、擴散或遷移的難易程度。常用的混凝土滲透性測試方法有:透水法、透氣法、氯池浸泡法及電量法等。 當(dāng)今的混凝土設(shè)計己經(jīng)由過去的強度設(shè)計逐步轉(zhuǎn)換到耐久性設(shè)計上來，強度高的混凝土未必耐久性好。而耐久性失效帶來的損失又是巨大的，為此有必要對混凝土的耐久性進行評價。滲透性作為耐久性的一個方面，是影響耐久性好壞的一個重要指標(biāo)。可以說，抗?jié)B性能高的棍凝土具有較高的耐久性。 混凝土的滲透性，籠統(tǒng)地說是指氣體、液體或離子受壓力、化學(xué)勢或電場作用在混凝土中滲透、擴散或遷移的難易程度。常用的混凝土滲透性評價主要有液體滲透法、氣體滲透法和導(dǎo)電法。但每種方法都有不同程度的缺陷。 

 一、透水法 

我國標(biāo)準的混凝土滲透性試驗方法屬于此類，并進一步分為“抗?jié)B標(biāo)號法”、“滲透系數(shù)法”及“滲水高度法”。

 1、抗?jié)B標(biāo)號法 

這是我國目前采用的抗?jié)B指標(biāo)。以上口直徑為175mm，下口直徑為185mm，高150mm圓臺形試件或上下直徑與高均為150mm的圓形試件，一組6個，從試件底部施加0.2MPa水壓開始試驗，每隔8小時增加水壓0.IMPa，以每組6個試件中4個未發(fā)現(xiàn)有滲水現(xiàn)象時的最大水壓計算混凝土的抗?jié)B標(biāo)號。其抗?jié)B標(biāo)號按下式計算： 

P=10H一l 

式中：P——混凝土的抗?jié)B標(biāo)號； 

H——第三個試件頂面開始有滲水時的水壓(MPa)。 

混凝土抗?jié)B標(biāo)號分級為P2，P4，P6，P8， P10，P12等。

抗?jié)B標(biāo)號法的優(yōu)點是簡便、直觀，但是抗?jié)B標(biāo)號法也存在著一些不大實用和不盡合理的問題： 

(l)按抗?jié)B標(biāo)號的分級來評定棍凝土的滲透性，不能確切的反映出混凝土的滲透性能，同一數(shù)量級下的滲透系數(shù)，其混凝土抗?jié)B標(biāo)號有較大的差異，特別是抗?jié)B標(biāo)號較高時，差異較大。 

(2)混凝土抗?jié)B標(biāo)號不便于在水工建筑物上使用，也難以將現(xiàn)場的壓水結(jié)果與之聯(lián)系。目前，國內(nèi)外對壩體混凝土滲透性的檢查，仍沿用鉆孔壓水的方法，并據(jù)此算出壩體混凝土的滲透系數(shù)。 

(3)混凝土的抗?jié)B標(biāo)號不能直接用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計上的透水性計算。 

(4)由于滲透還與滲透時間有關(guān)，時間越久，滲透深度與滲透量也隨之增加，而抗?jié)B標(biāo)號則未能反應(yīng)。 

(5)由于混凝

的滲透性還與齡期有關(guān)，投入使用的混凝土建筑物使用年限越久，其抗?jié)B標(biāo)號也隨之降低。 

2、滲透系數(shù)法 

    混凝土的滲透性，可用相對滲透系數(shù)評定，可分為滲透高度法與滲水量法。     滲透高度法以10個測點處滲水高度的算術(shù)平均值作為該試件的滲水高度。然后計算6個試件的滲水高度的算術(shù)平均值，作為該組試件的平均滲水高度。根據(jù)試驗所的滲水高度的大小，相對比較混凝土的密實性。 

滲水量法反映了混凝土的吸收的水和滲透的水，通過滲水量及時間計算滲透系數(shù)，以一組六個試件滲透系數(shù)的算術(shù)平均值作為滲透系數(shù)的試驗結(jié)果，相對滲透系數(shù)按下式計算：22q2aTHA

QKº 式中:Kq——相對滲透系數(shù)(mm/h)；          Q——滲水量(mm3)； 

         A——被測試件水施壓面積(mm2)； H——水壓力，以水柱高度表示(mm)；          T——恒壓經(jīng)過時間(h)；          a——混凝土吸水率(%)。 

    相對滲透系數(shù)比抗?jié)B標(biāo)號更合理。相對滲透系數(shù)(滲水高度法)適用于滲透性較低的混凝土，相對滲透系數(shù)(滲水量法)適用于滲透性較高的混凝土。 

二、透氣法 

透氣法測試混凝土滲透性的形式很多，現(xiàn)以圖1.1說明透氣法的試驗原理。

 實驗前將試件烘干至恒重，試驗時：(1)將氣室抽空或注入氣體至一定壓強P1；記下時間t1；(2)當(dāng)壓強變?yōu)镻2(自定)時讀時間t2，或者當(dāng)t2=t1+t(自定)讀P2；(3)重復(fù)以上(1) (2)步，直至壓強變化率為恒定時，以此計算混凝土的滲透系數(shù)。 

    該法的優(yōu)點是快而方便；缺點是受干燥溫度影響較大，同時干燥混凝土與實際工作狀態(tài)相差較遠。因為混凝土通常含水，該水包括自由水、吸附水、層間水、結(jié)晶水及結(jié)構(gòu)水，他們的活性不同且與混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成有關(guān)。干燥溫度太低時，需干燥時間長且難以達到除盡自由水和吸附水的目的；溫度太高，失去層間水以至結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水，使混凝土破壞，試驗結(jié)果失真。 

三、CI-離子滲透法 

    將試件浸沒于含Cl離子的水池中的傳統(tǒng)氯池浸泡法屬于此類。近年來，以在試件兩側(cè)形成Cl-濃度差的實驗方法較為多見，試驗簡圖如圖1.2所示。Cl離子只從試件的一個表面向內(nèi)部滲透。實踐中應(yīng)用飽和溶液，以模擬混凝土的孔溶液化學(xué)成分。 試驗一定時間后，取下試件，烘干，在暴露Cl-面?zhèn)认蛟嚰?nèi)部方向順序切取薄片，在各片上進行取樣，磨細，分析等工序，確定各片上的C1離子量，從而獲得原試件沿C1離子滲透方向上的離子含量梯度，以此計算滲透系數(shù)。

 該法優(yōu)點是與實際情況相似；缺點是所需時間太長，一般至少要幾十天至幾個月。對于低滲透性混凝土，所需時間更長。而且，當(dāng)離子滲入深度很小時，由于可利用的切片數(shù)目太少，試驗結(jié)果誤差增大。同時，該法的實驗過程比較復(fù)雜。 

四、通電方法 

    對混凝土電性能方面的研究，只在50-60年代才有確定的成果，研究結(jié)果表明，混凝土的電阻率與混凝土的濕度、所用膠凝材料種類、齡期、拌合用水含鹽量等因素有關(guān)。80年代之后，大量文獻報導(dǎo)了如何精確測量混凝土的電阻值(或電導(dǎo))，以及電阻值與混凝土組成材料及宏觀性能(如強度，滲透性)之間的關(guān)系。近期許多研究者則通過對混凝土的阻抗研究，揭示混凝土的凝結(jié)硬化進程及其微 觀結(jié)構(gòu)。 

    總體說，用通電方法測量混凝土的滲透性可分如下幾種：     1、直流電量法及其改進 

    該法是Whiting研究提出的，后來被美國兩個標(biāo)準AASHTO T277-83和ASTM C 1202-91所采用，并己成為當(dāng)前國際上最有影響的混凝土滲透性試驗方法，試驗前試件先在真空下飽水，再經(jīng)側(cè)面密封及密封安裝到試驗箱上；試驗中每隔30分鐘記錄一次電流，持續(xù)試驗6小時；以計算6個小時中通過的總電量評定混凝土的滲透性，

直流電量法裝置

1—直流穩(wěn)壓電源；2—試驗槽；3—銅網(wǎng)；4—混凝土試件；5—3.0%NaC1溶液；

AASHTO T277和ASTM C 1202方法目前應(yīng)用最廣，其優(yōu)點是快和可大致反映一般混凝土的滲透性;其缺點也很突出，遭到越來越多的批評，如 

    (1)使用60v高電壓，發(fā)生極化反應(yīng)，使溶液溫度升高，影響試驗結(jié)果，而且對高滲透性混凝土有時不得不中斷試驗； 

    (2)測量結(jié)果是在非穩(wěn)定下獲得的，不能說明混凝土的滲透性； 

    (3)測量值是總體離子運動的結(jié)果，而非C1-運動，不能稱為C1離子滲透性；     

    (4)孔溶液的化學(xué)成分影響測量結(jié)果； 

    (5)試件的真空飽水及密封處理復(fù)雜針對如上60v高電壓引起的問題，Zhang 等改用12v電壓，相應(yīng)的，將試驗時間從6小時改為30小時。他們的假設(shè)前提是：應(yīng)用60v電壓6小時時間通過的電量與應(yīng)用12v電壓30小時試件通過的電量相等。 

    如此，由60v高電壓引起的問題得到了一定程度的解決(仍然有極化反應(yīng)，仍有溫度升高)，但試驗時間卻大大延長了，而其他問題仍沒有改變。趙鐵軍用交流阻抗法評價混凝土滲透性，并通過實驗確定了使用該方法的參數(shù)：電壓1V,頻率1000Hz，在試件兩端注入3%的NaCl溶液，實驗環(huán)境溫度為20℃士30℃，在注液后20min內(nèi)測定混凝土的交流阻抗。該方法比ASTM C1202的方法簡便快捷，避免了高電壓的影響，可大致地評價混凝土的滲透性。    

 2、氯離子擴散系數(shù)的測定方法，Nerst-Einstein方程 

    目前氯離子擴散系數(shù)的測定方法主要有兩類，即“自然擴散法”和“電遷移法”。 

    “自然擴散法”是將混凝土長時間浸泡于含氯的鹽水中，再通過切片或鉆取芯樣，用化學(xué)分析的方法得到氯離子濃度與擴散距離的關(guān)系，然后利用Fick第二定律計算出氯離子擴散系數(shù)。 

    “電遷移法”是先通過施加電場來加速氯離子在混凝土中的遷移，縮短氯離子達到穩(wěn)態(tài)傳輸過程的時間，然后結(jié)合化學(xué)分析，通過測定氯離子濃度一距離一時間曲線，利用描述電遷移過程的Nernst-Plank方程來確定氯離子擴散系數(shù)。Nerst-Einstein法(簡稱NEL法)的實驗裝備3、氯離子擴散系數(shù)快速測定法的RCM法 

快速測定法的法，其原理是部電勢沿軸向通過試件，推動試件外部氯離子向內(nèi)部遷移，持續(xù)一定時間后，將試件沿軸向劈開，用硝酸銀溶液噴在新劈開的斷面上，此時可以通過可見的白色氯化銀沉淀測量氯離子滲透深度。根據(jù)氯離子滲透深度計算非穩(wěn)態(tài)的氯離子遷移系數(shù)。RCM測定儀RCM試驗方法適用于骨料最大粒徑不大于25 mm(一般不宜大于20 mm)的試驗室制作的或者從實體結(jié)構(gòu)取芯獲得的混凝土試件。此方法測定的氯離子擴散系數(shù)表示的是材料抵抗氯離子滲透的能力，試驗數(shù)據(jù)可以用于混凝土施工時的配合比設(shè)計和混凝土質(zhì)量檢驗的評定依據(jù)，也可按DuraCrete提出的方法用于混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測和評估。 

4、濃度鹽溶液飽和的電導(dǎo)法 

為了克服ASTM C 1202方法孔溶液的化學(xué)成分影響試驗結(jié)果的缺點，P.E.Streiche：提出了這種方法。實驗前，試件先在50℃的烘箱中烘七天，再在真空條件下用SM的NaCl溶液浸泡5小時，并在實驗室條件下繼續(xù)浸泡18小時左右。測出混凝土試件兩端的電壓及通過的電流后，可計算混凝土的電導(dǎo)率。將混

凝土孔溶液看作為SM的NaCl溶液，由Nernst-Planck方程可得混凝土的滲透性。該方法存在兩個問題：(1)對于某些低滲透性的混凝土，試件太厚將不能達到溶液飽和；件太薄，將有骨料穿透試件；(2)由于混凝土化學(xué)成分的變化可以引起孔溶液的總離子濃度變化超過1.5M，因此不能將混凝土的孔溶液看作是SM NaCl溶液。所以，該法的合理性及適用性值得懷疑。 

五、小結(jié) 

綜上所述，盡管當(dāng)前混凝土滲透性的試驗方法很多，每種方法也各有優(yōu)點和使用的條件，但是每種方法又都不同程度的存在一些缺點，并且這些方法都是在室內(nèi)試驗條件下進行的，無法真正運用于施工現(xiàn)場的測定。工程上使用的混凝土結(jié)構(gòu)特別是像巷道、地下洞室、大壩、隧道襯砌和支護等混凝土工程在使用過程中長期受到侵蝕環(huán)境的影響，往往會造成不同程度的損壞，甚至是破壞，造成損壞和破壞的原因有內(nèi)部的缺陷及組成材料的特性引起的。前者如氣候的作用，極端溫度的出現(xiàn)，磨蝕，天然或工業(yè)液體或氣體的侵蝕等。后者如堿集料反應(yīng)，硫酸鹽反應(yīng)，集料和水泥石熱性能不同引起的熱應(yīng)力等，使得混凝土的各項性能指標(biāo)包括滲透性都要逐漸降低，與前期在試驗室內(nèi)得到的結(jié)論不相符;另外混凝土的抗?jié)B性能是一項長期性能，隨著使用年限的延長，其抗?jié)B能力要降低，這時候就不能用剛開始在實驗室得到的混凝土的抗?jié)B性能來反映使用后在某一時刻該混凝土的抗?jié)B能力。