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,