混凝土表层渗透性检测方法的现状及展望

a. 吸水量指数与碳化深度的关系 b. 盐剥蚀深度与吸水量
c. 试验 10 周后氯离子含量与吸水量关系 d. 试验 44 周后吸水量与氯离子含量
e. 锈蚀开始时间与吸水量指数 图 5 现场吸水量指数与耐久性 上述试验是 Autoclam 现场检测指数与耐久性试验的部分内容，从中可以看出，这些指 数与混凝土多个耐久性指标有良好的相关性。
混凝土制造: 组份，施工方法，养护等
微结构/微裂缝
传输机理/渗透
侵
碱
水
氧气 氯离子 二氧化碳或其它 硫酸盐
水
盐
入
介
孔结构变化
质 碱侵蚀 ASR 膨胀
钢筋锈蚀
硫酸盐腐蚀 冻融 盐侵蚀
微裂缝/开裂/脱落
断裂强度
图 1 混凝土性能劣化交互作用模型[1] 从图 1 可知，混凝土的劣化与其微观结构和侵蚀性介质的传输有关，混凝土的渗透性 取决于其自身的微结构和饱水程度，是决定混凝土性能劣化的关键因素。因此可通过检测混 凝土的渗透性来评估其耐久性。 国外自上世纪六、七十年代开始即开始研究在现场检测混凝土渗透性的方法，大致分 为三类：吸水性试验、渗透性试验（水或空气渗透）和离子扩散试验。比较著名的如 ISAT
钢基础环 密封胶
测试：压下活塞保持压强 为常数，控制活塞的移动
测试压强： 吸水性试验：2kPa 水渗透性试验：50 kPa
旋塞
阀门 活塞
持续时间：都为 15 分 压强显示
液压传动
固定螺栓 压强转换器 水 基础环
测量：空气压强增加到 1.5 个大气压强， 测试 15 分钟内每分钟的气体压强
旋塞
开关
柱
阀门 活塞
过去主要靠现场目测进行评定，没有科学的办法对其密实性进行检测。在 2004 年 5 月 颁布的中国工程建设标准化协会标准《混凝土结构耐久性施工与设计指南》中第 6.3.2 条明 确要求，对重要工程应在现场用便携式仪器检测评定现场表层混凝土的气体渗透性或水的渗 透性。
目前有关工作正在进行，对现场表层混凝土的渗透性将结合我国混凝土的特点设定不同 的指数，用以在工程上进行质量控制。 4.2 对既有结构渗透性分级
国内外研究表明，在混凝土表面进行浸渍或用成Baidu Nhomakorabea型涂料进行保护，可大大延长结构使 用寿命。过去仅能在实验室小试样检测涂装后的效果，现场无法评价。利用渗透性测试仪， 如 Autoclam 等，可检测涂装前后混凝土表层渗透性指数的变化，直接计算保护的效果，更 具直观性[11-12]。进一步可在保护后的渗透性指数基础上预测混凝土结构的老化速度。
关阀，记录压强随时间的衰减曲线，可以发现压强的自然对数值对时间是线性的。取线性回 归直线的斜率作为空气渗透性指标，单位是 ln(压强的单位)/min。
因为实际上空气和水的渗透并没有达到稳定状态，因此这些试验都只能得到和渗透性相 关的相对指标。两个试验都简单快速，适合试验室和现场应用，但是水渗透性受混凝土湿含 量状况的影响要小一些。
国内对既有结构的渗透性检测一般是取样到试验室进行，较少进行现场试验。本单位 自上世纪 90 年代中期从丹麦引进了系列混凝土耐久性无损检测设备，其中即有气体渗透测 试仪和水渗透测试仪，可在现场进行检测。
如在 2004 年 11 月，某地铁既有区间隧道停运大修，其中混凝土结构耐久性评估中需 对混凝土渗透性进行评价。我中心利用 GWT（Germanns Water Permeability）仪器对隧道侧 墙的混凝土进行了检测评价，收到了良好效果[7]。
相关性。
图 2 a.空气渗透指数和砼碳化深度的关系
b. 空气渗透指数和砼盐剥蚀深度的关系
c. 水渗透指数和冻融循环剥蚀的关系 图 4 Autoclam 空气渗透系数与砼耐久性 2.2.2 现场吸水量指数与耐久性 图 5 给出了现场吸水量指数与不同耐久性指标之间的关系。其中碳化深度与吸水量的 相关性不如图 4 中与水渗透性指数之间段相关性好。盐剥蚀深度也有类似现象。这些相关性 的减小是因为吸水量直接与近表面层混凝土的孔隙率有关，而与更深一些混凝土的孔结构相 关性不太强。 然而从图 5-c,d 图可知，氯离子侵入保护层的量与吸水性指标有良好的相关性。E 图更 说明锈蚀开始时间与混凝土表层吸水量高度相关，保护层的作用也非常明显。
5 建议
鉴于现场检测表层混凝土渗透性的上述意义，笔者认为以下几方面是今后的发展方向： 5.1 开展实验室试验，找出表层混凝土渗透性与常规渗透性试验之间的关系； 5.2 继续现场检测，积累数据，为编制现场施工表层混凝土评定质量制定标准作准备； 5.3 通过实验室、现场试验对比研究，为建立基于表层渗透性的混凝土劣化模型奠定基础。
工程技术研究中心内部报告，2004.11 [8] P. A. M. Basheer, F. R. Montgomery and A. E. Long. ‘CLAM’ tests for measuring in-situ permeation properties of concrete, Nondestr. Test Eval., 1995, Vol. 12, pp. 53-73 [9] F. R. Montgomery , Basheer, P.A.M., A. E. Long. A comparison between the AUTOCLAM permeability system and the INITIAL SURFACE ABSORPTION test. Proceedings of Fifth International Conference on Structural Faults and Repair, ‘International Research’, Vol. 3, University of Edinburgh, 1993 [10] Lulu Basheeer, Joerg Kropp, David J. Cleland. Assessment of the durability of concrete from its permeation properties: a review. Construction and Building Materials 15(2001) 93-103 [11] Basheer, P.A.M., Montgomery, F.R. and Long, A.E., Factorial experimental design for concrete durability research, Proceedings, Institution of Civil Engineers, Structures and Buildings, Vol. 104, 1994, pp 449-462 [12] A. E. Long, G. D. Henderson, F. R. Montgomery. Why assess the properties of near-surface concrete? Construction and Building Materials 15(2001) 65-79.
3 国内现状
3.1 试验室研究 我国国家标准中规定的是抗渗等级法确定混凝土的渗透性[3]。近来随着对混凝土耐久
性的研究的深入，不少研究者开展了水压法的改进工作，有的还利用 CH2Cl2 的渗透进行评 价[4-5]。另外一个热点是研究氯离子在混凝土中的扩散系数，国内结合美国、欧洲的提议进 行了大量试验，主要有电量法、自然扩散法及 Nel 法等。这些工作对研究混凝土结构的耐久 性寿命具有重大意义。但其都有一个共同特点，及需要取样在实验室操作，无法在现场对既 有结构进行检测。 3.2 现场检测
混凝土表层渗透性检测方法的现状及展望
郝挺宇，惠云玲，郭小华
（国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心，北京，100088）
摘 要：本文介绍了国外混凝土表层渗透性的测试技术的最新进展，也结合国内工程实例对混凝土表层渗 透性的现场检测做了说明，并提出今后几个可能发展方向。
关键词：混凝土，表层渗透性，现场检测
1 前言
混凝土结构耐久性与混凝土材料本身的渗透性密切相关，尤其是表层混凝土，是抵御 水、CO2 等有害介质侵蚀的第一道防线。混凝土结构自建成起自身存在大量不连通的微裂缝， 在环境因素及应力作用下，这些微裂缝不断扩展直至连通，此时混凝土的渗透性决定了水或 有害介质进入内部的速度，从而决定了劣化发展的速度。裂缝扩展（由混凝土断裂能控制） 加速了水等介质的渗透速度，也加速了劣化进程。交互作用的模型见图 1。
试验（初期表面吸水性试验）已在 1970 年列为英国标准：BS 1881: part 5；1973 年 J. W. Figg 研发的钻孔法，可检测表层混凝土的吸水性及透气性指标；之后有 R. K. Dhir、Schonlin 等 开发的空气渗透性试验等。丹麦的 Germanns 公司也于上世纪 90 年代初开发了用于现场评 估的渗水、渗气试验仪。上述测试方法的自动化程度均不高。
目前国际上较为先进的是英国 Belfast 的女王大学研发的 Autoclam 自动渗透性测试仪 [2]，能在现场同时自动检测吸水量、渗水性和渗气性三项指标，本文主要对此仪器的原理及 应用作一简介。
2 自动渗透仪的原理及应用
2.1 原理 Autoclam 系统主要部件如图 2 所示。
图 2 自动渗透仪系统 自动检测吸水量、渗水性和渗气性三种试验的第一步都是把一个钢的基础圆环固定或 胶结在混凝土表面，这样就能达到空气和水的密封。基础环的内径通常是 50mm，实际上的 “AUTOCLAM”试验装置就固定在基础环上，如图 3-a。 仪器主体包括一个压力转换器，可以检测试验区域的压力；一个柱桶体，供活塞在里 面运行；一个主阀门，用以引入水或空气（或其它气体）；一个释放阀门，用以释放水或气 体。通过测量活塞在柱桶中移动的距离，可计算混凝土表层的吸水量。设计考虑了不同的柱 桶、活塞尺寸，以适合不同的混凝土渗透性。因为表层混凝土的湿含量影响渗透性，所以一 般要求检测的混凝土表层是干燥的。 对于吸水性试验，使用了 2Kpa 的压强，这和 ISAT 法使用的 200mm 水柱相当。整个 试验都是自动的，试验时间大约 15 分钟。绘制出累计吸收的水量对时间平方根的曲线，就 可以得到一个线性关系，其斜率即为吸水性指标，单位 m3/√min。 自动化水渗透性测试在原理上和自动化吸水性试验是相同的，只不过试验用的压强更 高。如图 3-b，对于自动化水渗透性试验，压强保持在 150Kpa，水渗透性指标采用和吸水性 指标相同的方法计算。 自动化空气渗透性试验如图 3-c 所示，试验装置中的压强增加到大约 150Kpa 后关闭开
既有重要结构，如桥梁、隧道等在耐久性检测评估时，表层混凝土的渗透性指标也非常 重要。近 10 年来国外研究表明，吸水量、渗水性、渗气性指标与许多耐久性指标密切相关 [8-10]。如果在现场得到第一手数据，可根据实验室得到的二者关系，对碳化速度、抗盐剥蚀 性、抗冻融性、钢筋锈蚀开始时间等进行预测，进而建立混凝土结构的劣化模型，对制订建 构的维护、检修策略具有重大意义。 4.3 对防护措施效果进行检测
压强显示
固定螺栓 压强转换器 基础环
图 3 自动化试验示意图 （a）固定在混凝土表面的基础环； （b）水渗透性试验方法； （c）空气渗透性方法
2.2 渗透性指数与耐久性指标的关系 2.2.1 空气渗透指数与耐久性
试验考察了碳化深度、盐剥蚀深度、冻－融循环剥蚀和 Autoclam 空气渗透系数之间的 关系，结果如图 4(a-c)所示。因 Autoclam 的渗水系数与冻－融循环剥蚀有更好的关系，所 以在图 6 中 Autoclam 的渗水系数是横坐标。从图可知，耐久性与 Autoclam 指标间有很好的
4 现场检测评定混凝土渗透性的意义
4.1 对施工质量进行控制 目前我国大规模建设的势头还将持续几十年，许多关键土木基础设施及标志性建筑已提
出服役寿命 100 年的要求，如杭州湾大桥和北京 2008 奥运会主体育场等。对混凝土结构而 言，现场施工质量在很大程度上决定了混凝土结构未来的耐久性，而表层混凝土（一般指 40mm 左右的混凝土保护层）的质量更应认真控制。
参考文献
[1] Basheer, P. A. M., Chidiac, S. and Long, A. E., Predictive models for deterioration of concrete structures, Construction and Building Materials, Vol. 10, No. 1, 1996, pp 27-36. [2] Autoclam permeability system, Operation manual, Department of Civil Engineering, Queen's University, Belfast, U.K., 1994. [3] GBJ82-85, 混凝土长期性和耐久性试验规程[S] [4] 朋改非，刘叶锋，郝挺宇. 国内外混凝土表层渗透性现场测试技术现状：综述. 《沿海地区混凝土结构 耐久性及其设计方法》，人民交通出版社，北京，2004.10 [5] 巴恒静，苏安双，叶金蕊，邓宏卫. 水压法评价混凝土渗透性的适用性研究[J]. 混凝土，2005，（6）： 3-6 [6] 刘志国. 混凝土的二氯甲烷渗透系数与直流电量相关性研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 硕士学位论 文，2002 [7] 郝挺宇.某地铁既有线区间钢筋混凝土框架结构混凝土耐久性检测评估报告，国家工业建筑诊断与改造