混凝土渗透性的测试方法及影响因素

混凝土渗透性的测试方法及影响因素
杨钱荣,　朱蓓蓉
(同济大学混凝土材料研究国家重点实验室,　上海 200092)
【摘　要】　对水渗透、气体渗透和氯离子渗透三种不同的渗透性测试方法的特点与不足之处作了评价;论述了集料、水胶比、掺合料、引气、龄期、养护及环境条件和孔结构等因素对混凝土渗透性的影响,并指出了关于混凝土渗透性今后有待进一步研究的问题。

【关键词】　渗透性;耐久性;气体渗透;氯离子渗透
【中图分类号】　T U52811 【文献标识码】　B 【文章编号】　100126864(2003)0520007204
TESTING METH ODS ON THE PER MEABI LIT Y AN D INF L UENCE FACTORS
OF PER MEABI LIT Y OF CONCRETE Y ANG Qian 2rong ,　ZH U Bei 2rong
(State K ey Lab of C oncrete Material Research ,T ongji University ,Shanghai 200092,China )
Abstract :The authors analyze three different testing methods on the permeability of concrete ,including
water permeability test ,gas permeability test and chloride permeability test.Each testing method has merits of its own ,but each has its demerits.The authors discuss the influence factors of permeability of concrete ,aggre 2gate ,w/c ,additive materials ,air 2entraining agent ,curing condition and circumstances as well as pore structure.In addition ,the author points out s ome problems that need further research in this area.
K ey w ords :Permeability ;Durability ;G as permeability ;Chloride permeability
〔基金项目〕　上海市重点学科;973项目(2001G B610705-2)
0　前言
近几年来,混凝土耐久性的研究在许多国家引起了普遍的重视。

然而混凝土耐久性的研究和设计长期以来都是建立在对混凝土渗透性进行评价的基础上。

在混凝土中,渗透性是一个重要指标,它是指气体、液体或者离子受压力、化学势或者电场作用,在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度。

混凝土渗透性与耐久性之间有着密切的关系,例如,混凝土碳化是由于C O 2气体渗入混凝土并与其中的Ca (OH )2或水化硅酸钙等水泥水化产物反应所致;化学侵蚀是由于水及侵蚀性离子渗入混凝土造成的;钢筋锈蚀是由于保护层、钝化膜被破坏所致;混凝土的冻融破坏是由于渗入混凝土的水在负温下结冰冻涨引起的。

开展对混凝土的渗透性的研究,无疑是耐久性研究中心不可少的组成部分,对混凝土耐久性的评价与高耐久性混凝土的设计亦具有重要的现实意义。

本文根据国内外及笔者自己的研究结果,着重对混凝土渗透性的各种测试方法及影响因素作一简要评述。

1　测试方法的研究
由于混凝土渗透性包括透水性、透气性和透离子性等性能,因此,出现了采用不同介质的渗透性测试方法。

通常的混凝土只要具有较好的抗水性就能满足抗渗性要求,而且水渗透性试验方法比较直观、可靠,因此,国内外对混凝土渗透
性的研究着重于混凝土的透水性。

乐美龙等人开发了两种渗透系数测试装置,其水渗透系数可达10-14m/s ,对气体渗透系数的测试下限可达10-20m 2数量级。

我国水工、港工采用快速抗渗试验法,如S D105-82《水工混凝土试验规程》采用一次加压法,恒压24h 后劈开试件,测试平均渗水高度,并以此计算渗透系数。

R.P.K hatri 等人对比了水渗透量和渗透高度两种测试混凝土渗透性能的方法,认为对于渗透性较高的混凝土,流量法较合适,而对于抗渗性较高的混凝土,采用渗透高度法较合适。

但是以水为渗透介质时,由于水泥的继续水化、物质的迁移、毛细管结构的改变等使渗透过程难以达到稳态,因此水的渗透系数较难测的准确,有些研究者的兴趣转向了气体作为渗透介质的测试方法。

其中由J.J.
K ollek 在1999年提出的以O 2为渗透介质测定混凝土渗透系
数的Cembureau 法在国际上获得广泛接受,并于同年由RIE M 组织作为推荐标准推出。

该方法的原理为:给试样施加稳定的气压,记录在此压力下通过试样的气体流量,再转换到渗透系数,以此来比较混凝土的渗透性能,由于透过混凝土的气体流量较小,因此采用了皂膜流量计,为满足试样周边的密封要求,主要使用了轮胎式的结构,密封效果较好。

该方法测试精度较高,但测试程序复杂。

为寻求使用更为简单的测试方法,国内外的专家学者正在积极研究,我国交通部已
在J T J270-98中提出了一个较为便捷的气体渗透性测试方法。

此外,国内外还在电学和电化学对混凝土渗透性的快速评价方面开展了大量研究,其中快速氯离子渗透方法即
AST M C1202方法最为流行。

这种方法是通过给受检混凝土
两端施加60V 直流电压,测量6h 通过的电量来评价混凝土抗渗性能的。

这种方法因其快速、轻巧而受到广泛的青睐。

有些学者认为用氯离子扩散系数评价高性能混凝土的耐久性是一种比较有效的方法。

曹芳等人采用国际标准G B J82-85抗渗方法和AST M
C1202-97两种方法进行了对比分析,认为快速氯离子渗透
方法特别适用于不掺混合材的混凝土,对掺高含量S iO 2混合材的混凝土则夸大其抗渗性能;水渗透方法较真实反映了混凝土抗渗性能。

Bam forth
等人对混凝土的水渗透性能和透气性能进行了
对比研究结果表明:混凝土的抗渗(
水)系统一般比透气系数低1到2个数量级,并且当混凝土的渗透性较低时,两者的差别较大。

气体平均压力的增加,抗渗(水)系数和透气系数的差别减小(见图1)。

这可能与K inkenberg (气体的滑移)效应有关,K linkenberg 效应很大程度上取决于浆体的孔径分布和通过气体的压力,当压力加大时,这种效应将显著减小。

另外,浆体本身的再水化和自愈合,微小组分的溶解,迁移以及材料内部湿度对混凝土的渗透性能也会产生重要影响。

T.Sugiyama 等人研究了混凝土试件在不同养护条件下的
透气性能与氯离子渗透性能的关系。

他们发现:混凝土在
60℃下干燥1-7天后(试样A -C )测得的透气系数与氯离子
扩散系数的相关性较好,而当混凝土试件干燥至恒重时(试样D ),两者的相关性就很差(见图2),这可能与试件在长时间的干燥条件下产生微裂纹有关。

图1　水渗透系数与透气系数的关系
图2　氯离子扩散系数与透气系数的关系
笔者认为,各种测试方法各有优缺点,目前国内普遍使用的抗渗标号法(G B J82-85),结果真实、可靠,但对低渗透性的混凝土无能为力,且这种方法试验周期较长,效率很低;如果采用一次加压法测试混凝土透水高度,可以加速试验过程,但试验误差较大。

采用气体渗透法,快速且精度较高,但对试件处理的要求较高,尤其对于掺混合材的混凝土试件加热处理后,混凝土的强度有不同程度的提高,孔结构可能发生了较大的变化,不能保证测试结果的真实性。

采用直流电量法快速而有效,但该方法也存在缺点:由于混凝土两侧施加60V 的电压,从而产生极化反应,使溶液温度升高,而影响实验结果;实验结果受到混凝土孔溶液化学成分的影响;对于水灰比大于016和小于0135的混凝土测量结果不可靠等。

因此,就目前情况来看,几种测试方法各有所长,尚不能得出一种结论,只能根据实际情况选择合适的测试方法。

2　影响混凝土渗透性的因素
影响混凝土渗透性的因素很多。

内部因素是指混凝土本身的材料组成和结构特性,外在因素是指混凝土所处的使用环境。

混凝土本身的材料结构与性能可以通过配合比设计及适当的制作工艺来达到,如掺加矿物掺合物、高效减水剂、采用低水胶比、改善水泥浆体与集料界面的性能以及混凝土表面采取适当的防护措施等。

外部因素是客观存在的,提高混凝土的抗渗性的关键在于减少混凝土对腐蚀介质的
易感的组分,提高混凝土本身的致密性尽可能的减少原生裂缝,并加强混凝土硬化后的体积稳定性。

211　集料
从理论上讲,混凝土中加入低渗透性的集料可以切断毛细管通道的连续性,尤其在高水灰比及高毛细孔隙率的情况下,这种作用应该更明显,然而,实验结果恰恰相反,当加入集料后混凝土的渗透性提高了,并且集料粒径越大,渗透系数越高。

Mehta 把它归因于浆体与集料界面孔结构和微裂缝。

Dhir 等人当采用20mm 以下的集料时,混凝土的透气系数没有明显的差别,只有当集料粒径大于40mm 时,浆体与集料界面的性能劣化,导致混凝土的渗透系数提高。

Nyame 对集料对混凝土渗透性的影响进行了研究,得到以下结论:随着集料掺量的增加,界面区对混凝土渗透性的影响加大,而集料吸收了浆体的部分水,导致浆体本身渗透性降低;对于轻骨料混凝土不同渗透介质的测试结果差别很大。

Sugiyama 等人的研究表明:在同集料掺量下,轻集料混凝土与普通混凝土的氯离子渗透系数非常接近,集料的影响几乎可忽略;而透气系数则相去甚远,采用轻骨料后混凝土的透气系数成倍增加。

212　水胶比
早在50年代,P owers 就对水灰比对混凝土渗透性的影响作了研究,表明混凝土的渗透性与水灰比有很好的相关性,
当水灰比大于0155,渗透系数急剧增大。

当水灰比低于016时,毛细孔径减小,水泥水化物局部堵塞了毛细孔通道,水流动的阻力增大,曲线的斜率逐渐减小。

事实上,当水胶比低于013时,混凝土的渗透系数非常低,可以认为是不可渗透的。

赵铁军采用氯离子快速渗透法对高性能混凝土的强度与渗透的关系作了研究,得到的结论是:纯水泥混凝土的强度与渗透性之间有很好的相关性,矿渣混凝土和粉煤灰混凝土的强度与渗透性之间的相关性较差。

并由此认为:除非用于同类的纯水泥混凝土之间相比对较,高性能混凝土(大量使用各种矿物掺合料)的强度通常不能反映其渗透性。

笔者采用S D105-82《水工混凝土试验规程》中的一次加压法和RI LE M推荐的方法测试了各种强度混凝土的渗透(水)和透气系数,得到了与文献[19]相似的结论。

213　掺合料
许多研究表明,掺合料(火山灰、粉煤灰、矿渣)能显著降低混凝土的渗透性,这是由于浆体结构得到了改善,水化产物填充孔隙,毛细孔隙率降低,孔径细化,孔的连通性被阻断,从而渗透性降低。

笔者对普通混凝土和粉煤灰混凝土的28d和90d和抗渗性能能做了对比研究,结果是:在等强度下,大掺量(30%-50%)粉煤灰混凝土28d的渗透系数高于普通混凝土的渗透系数,而其90d的渗透系数要低于普通混凝土的渗透系数。

这主要是由于粉煤灰的活性较低,粉煤灰的反应程度较低,浆体结构中存在较多的孔隙,且孔的连通性很较好,从而混凝土的渗透系数较高;而到了后期,粉煤灰的火山效应逐渐发挥出来,大大改善浆体的结构,从而使得混凝土的抗渗性得到提高。

因而,对于加掺合料的混凝土,长时间的湿养护是必须的。

214　引气
一般认为在混凝土中加入适量引气剂,在混凝土中生成大量微细气孔,可以起到切断毛细孔连续性的作用,从而提高混凝土的抗渗性。

但有关引气混凝土渗透性能的报道却很少,Dhir研究了引气混凝土的透气性能,结论是:在低W/C 下引气混凝土的透气性要显著低于基准混凝土。

笔者对比研究了不同强度等级普通混凝土、引气混凝土、粉煤灰引气混凝土的抗渗性能,结果表明:当控制混凝土的含气量为5%时,在等强度下,引气混凝土的抗渗(水)系数和抗透气系数为普通混凝土的1/5～1/3,而粉煤灰引气混凝土的抗渗性能的提高更为明显。

215　龄期
随着龄期延长,水泥浆体水化程度的增加,浆体孔隙率减小,同时孔径减小,毛细孔的贯通程度也减小,渗透性自然就降低。

随着养护时间的延长,各种混凝土的渗透性降低幅度相差较大;赵铁军等人测试了龄期对混凝土氯离子渗透性的影响,得到了以下结果:以30d龄期的混凝土渗透性为基准,纯水泥混凝土,70d降至56%-76%,130d降至50%～60%;矿渣混凝土,70d降至52%～72%,130d降至33%～43%;粉煤灰混凝土,70d降至25%～33%;130d降至13～% 16%。

其主要原因是,矿渣和粉煤灰混凝土在湿养护条件下,掺合料与水泥的水化产物Ca(OH)2发生二次反应,使孔结构细化,养护时间延长,有利于水泥和矿物掺合料的进一
步水化及相互反应,从而进一步填充和阻断毛细孔,使渗透性降低。

216　养护及环境条件
Dhir等人研究了养护条件对混凝土气渗性能的影响,随着水灰比的增大,混凝土的透气系数几乎呈指数增长。

初始养护制度对混凝土透气系数有着重要的影响,水中养护时间越长,渗透性越小。

Marsh测试了水泥浆体28、90天的透水系数,W/C为0147,在20、35、50和65℃下养护,20℃养护的透水系数为115×10-13m/s,而35、50和65℃养护的透水系数介于4×10-12-9×10-12m/s之间。

环境因素(相对湿度、温度和大气中的C O2)也显著地影响混凝土的渗透性。

Marthin Jooss等人研究了各种混凝土(普通混凝土、高强混凝土、聚合物改性混凝土、自密实混凝土)的抗渗(水)性能,水温从20℃变化到80℃,结果是;当温度从20℃提高到50℃,混凝土的渗透性提高13%～62%,温度再提高到80℃时,混凝土的渗透性又增加3%～55%。

混凝土内部的湿度对其抗渗性能有很大地影响,混凝土的抗透气性能对湿度尤其敏感,有不少文献报导,当混凝土中水分去除后,其透气性能显著增加。

217　
孔结构
图3　孔隙率与渗透性示意图
可以说绝大部分影响混凝土强度的因素都影响混凝土的渗透性。

这两者之间有一定的关系,但没有必然的联系,因为混凝土的渗透性与连通的孔隙有关,而抗压强度主要是受总的孔隙率控制的。

图3较形象地显示了孔隙率与渗透性地关系。

Nyame等人和Metha等人的研究表明:混凝土的渗透性和孔径分布存在良好的关系。

根据Nyame的研究,“最大连续孔径”是代表性的孔尺寸,水只能通过它在混凝土中渗透。

同时Mehta提出“临界孔径”是渗透性和孔径分布关系中的一个重要参数。

这两种孔径的范围以1320!为界,大孔对渗性的影响比小孔更为重要。

杨志强等人比较了养护温度分别为27℃和60℃下水泥浆体的孔结构和渗透性,结果表明:60℃养护的样品具有较小的孔隙率,但渗透性较高,其主要差别是由60℃养护样品中750-2300!的孔引起的,认为孔径大于750!的孔对混凝土的渗透性有很大的影响。

3　需要进一步研究的问题
混凝土渗透性能测试方法和影响混凝土渗透性的因素有些方面尚待一步开展研究:
311　目前常用的几种测试混凝土渗透性的方法各有特点,也均存在不足之处,都有待于进一步完善。

同时由于各种方
法的量纲不同,即使采用同一介质测试混凝土的渗透性,各人所采用的试验条件也不尽相同,导致试验结果之间不能相互比较。

因此,有必要对一项研究同时采用水渗透、气体渗透及氯离子渗透进行测试,研究几种渗透性指标之间的相关性;另外,我国目前所采用的气体渗透及氯离子渗透等测试方法大多参照国外的标准进行,有必要尽快推出我国在这方面自己的测试方法标准。

312　按照Darcy定律的假设,渗透性作为材料的本征性能与流体本身的性质无关,但是实际的情况复杂的多,气体与液体在混凝土中迁移机制不尽相同,混凝土内部的湿度、孔径大小以及施加的压力都对两种物质的传输都有重要影响。

此外,Darcy定律主要用于描述流体在压力作用下通过多孔物质时的规律;高性能混凝土的水胶比较低,毛细孔数量很少,介质在高性能混凝土中的传输行为未必符合Darcy定律。

因此,有必要从理论上深入研究各种介质在混凝土内部迁移规律。

313　因化学收缩、干燥收缩、自收缩及荷载作用,混凝土很难避免微裂纹的产生,侵蚀介质通过裂纹和孔隙网络侵入混凝土内部,会加速混凝土性能劣化。

因此,有必要开展微裂纹对渗透性能的影响以及微裂纹和侵蚀介质共同作用下的混凝土渗透性能的研究。

314　混凝土渗透性与耐久性之间有着密切的关系。

但某一种渗透性对各种耐久性的影响程度未必相同,各种渗透性能与某一种耐久性的相关性也可能存在差异,因此应尽快进行渗透性能对混凝土各种耐久性影响程度的研究,为用渗透性指标评价混凝土的耐久性提供依据。

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[收稿日期]　2003-06-10
[第一作者简介]　杨钱荣(1965-),男,江苏南通人,同济大学
在职博士生,从事建筑材料专业。