（材料学专业论文）水泥基材料水分传输的研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 侵蚀介质对混凝土和钢筋的作用是引起混凝土耐久性问题的主要因素之一， 大量研究表明：几乎所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质，且几乎 所有侵蚀性介质主要通过孔溶液传递进入混凝土内部。混凝土饱水渗透系数及 氯离子扩散系数一直是该领域研究的热点，但实际工程中的混凝土材料并不总 处于饱和状态，因此，研究水泥基材料在非饱和状态下的水分传输将尤为重要。 本文在综合了国内外相关领域内的研究现状后，就水泥基材料的非饱和气相传 输、非饱和液相传输、不同测试方法在水分传输测试中的应用等问题进行了较 为系统的研究，并结合实际工程探讨了水分传输作用及水分原位监测在实际工 程中的应用。本文主要内容与成果如下： ( 1 ) 系统地回顾和阐述了水泥基材料水分传输与测试方法的发展及研究现状，结 合水泥基材料与结构所处的实际环境，提出了以水泥基材料非饱和水分传输为 研究对象的理论框架体系。 ( 2 ) 改进后的美国国家标准a s t me9 6 方法可以用于水泥基材料透湿性的研究。 通过对不同材料组成、不同外部环境作用下材料的透湿性研究表明，水灰比、 粉煤灰掺杂、材料所处的外部环境等都对透湿性有较大影响。水灰比越小，透 湿性越低；粉煤灰掺杂2 0 显著降低材料透湿性；当材料与水或水溶液接触时， 材料透湿性高于其与水蒸气接触时的透湿性，水溶液中的氯离子或硫酸根离子 也会降低材料的透湿性。 ( 3 ) 通过引入水蒸气吸附法研究水分扩散，结合热力学、扩散和吸附理论，研究 了水泥基材料内的水分扩散规律、材料的持水能力等，并采用吸附曲线计算了 材料的微观孔径分布，研究结果表明，材料的水吸附和解吸附过程中，扩散系 数随材料内部湿度含量的变化规律并不一样，吸附时初始低湿度条件下扩散系 数大，解吸附时高湿度含量的扩散系数大；同样条件下的水泥基材料的水分扩 散系数和吸附能随着水灰比的增加而增加，且扩散系数与水灰比之间有很好的 线性相关性；水泥基材料的吸附等温线只取决于材料内部的水化产物，与非吸 湿性组分一骨料关系不大，可以通过水泥净浆吸附和混凝土( 砂浆) 配合比得 到混凝土( 砂浆) 的吸附特性，而且可以通过材料吸附等温线计算材料的孔径 分布，但孔径分布主要集中于凝胶孔和毛细孔之间的范围。 ( 4 ) 水泥基材料的非饱和液相水传输主要指在毛细管力作用下水分在材料内部 的传输过程。研究主要集中在毛细吸收系数和水分扩散性系数两方面，在传统 研究方法的基础上，作者在毛细吸收过程中引入了水分扩散的作用，完善了传 输方程。在水分扩散性测试方面，对传统的切片称重法进行了改进，使水分扩 散性系数的测试不需要依赖于昂贵的高精密仪器即能得到水分的连续分布曲 武汉理工大学博十学位论文 线，得到扩散性系数的变化规律。 对毛细吸收过程的研究结果表明，水灰比的减小、龄期的增加、材料初始水 分含量的增加以及粉煤灰掺杂都会降低材料的毛细吸收系数，而且一定配比材 料的毛细吸收系数与其强度发展成线性关系；微观上，毛细吸收的水分渗入深 度系数只取决于材料孔半径和迂曲度，而质量系数则主要取决于内部有效孔隙 率；通过理论推导和实验结果拟合表明，毛细吸收水分传输过程中，气相扩散 对整个毛细吸收的贡献不可忽略，且孔隙率越低、孔径越小，扩散的贡献越大。 对水分扩散性传输系数的研究结果表明，水分扩散性系数与材料微观结构、 水分含量等因素相关。当水分含量接近毛细孔隙率大小时，扩散性系数迅速增 加，低于该含量时的扩散性系数变化不明显。孔径越大、孔隙连通性越好，相 同水分含量对应的扩散性系数越高，孔径分布范围越宽，扩散性系数开始突变 的水分含量与毛细孔隙率的比越低。 ( 5 ) 确立了定量化测试水分分布曲线和水分扩散性传输系数的交流电电性能测 试法。结合交流电电性能测试法和岩相分析、成分分析等方法，研究了外力作 用下材料内部的水分传输过程及由此导致的微观结构和水化产物的分布不均匀 性，即水泥基材料的力一流效应。 ( 6 ) 研究了水泥基材料与水分含量和水分传输相关的碳化特性、界面结合特性以 及电性能监测在道路路面健康监测中的应用。通过对极低湿度条件下的c 0 2 吸 附研究，提出了新的基于气固反应的混凝土碳化机理；不同湿处理条件下混凝 土修补的研究表明，湿度越低，修补材料内水分将向旧混凝土扩散，使新旧混 凝土界面结合更强，修补效果更好，这为实际工程提供一定的借鉴；测试电性 能的变化能很好反映旧混凝土路面改造加铺沥青后的混凝土基层内水分变化， 结合温度变化、应力应变变化能对加铺后的路面健康状况作合理的综合评价。 关键词：水泥基材料，水分传输，透湿性，水蒸气吸附，毛细吸收，电性能测 试，力流效应，碳化，界面结合 i i 武汉理t 大学博十学位论文 a bs t r a c t t h er e a c t i o no fc o r r o s i v em e d i aw i t hc o n c r e t eo rs t e e li nc o n c r e t ei so n eo ft h em o s tv i t a l f a c t o r s ，w h i c hr e s u l ti nt h ed u r a b i l i t yp r o b l e mo fc o n c r e t es t r u c t u r e s al o to fr e s e a r c h e si n d i c a t e t h a tw a t e ra r en e c e s s a r i t yf o ra l m o s ta l lc o r r o s i v er e a c t i o n s ，a n da l m o s ta l lo ft h ec o r r o s i v ea g e n t s a l et r a n s f e r r e di n t oc o n c r e t et h r o u g hc o n c r e t ep o r es o l u t i o n g e n e r a l l y , t h ew a t e rs a t u r a t e d c o n d i t i o ni sn o tm e ti nr e a lf i e l ds t r u c t u r a lm a t e r i a l s s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h eu n s a t u r a t e d w a t e r ( o rw a t e rs o l u t i o n ) t r a n s f e r , a l t h o u g hs om a n yr e s e a r c hw o r k sa t ef o c u s e do nt h ew a t e r s a t u r a t e dp e r m e a b i l i t ya n dc h l o r i d ed i f f u s i v i t y b a s e do nt h es u m m a r i z i n go ft h ei n t e r n a la n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e s ，a s y s t e m a t i c a l r e s e a r c ho nu n s a t u r a t e dw a t e r t r a n s p o r tt h r o u g h c e m e n t - b a s e dm a t e r i a l sw e r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gu n s a t u r a t e dv a p o rt r a n s m i s s i o n ， u n s a t u r a t e dl i q u i dt r a n s p o r t ，m o i s t u r ed i f f u s i o na n dw a t e ra d s o r p t i o ne ta l ，a n ds o m et e s tm e t h o d s a p p l i e di nw a t e rt r a n s p o r tw e r ea l s oc o n c e r n e di nt h ep a p e r , a na p p l i c a t i o no fw a t e rt r a n s f e ra n di n s i t em o n i t o r i n go fw a t e rc o n t e n ti nr e a lf i e l dw e r ei n t r o d u c e di nt h e6 也c h a p t e r i ng e n e r a l ，t h em a i nc o n t e n ta n ds o m ep r i m a r yr e s u l t sa r ec o n c l u d e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) ar e v i e w0 1 1t h er e s e a r c h e so f w a t e rt r a n s p o r ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n t si sg i v e n ， t h er e s e a r c ho b j e c to fu n s a t u r a t e dw a t e rt r a n s p o ai sp r o p o s e db a s e do nt h er e v i e wa n dt h er e a l c o n d i t i o n so fc e m e n t b a s e dm a t e r i a ls t r u c t u r e s ( 2 ) a ni m p r o v e dm e t h o db a s e do na s t me9 6i ss u i t a b l et ot h ew a t e rv a p o rt r a n s m i s s i o n ( w v t ) m e a s u r e m e n to fc e m e n t b a s e dm a t e r i a l s t h er e s u l t so fw v tt e s to fm a t e r i a lw i t h d i f f e r e n t c o n s t i t u t e su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n ss h o wt h a tt h e r ea r eg r e a te f f e c t so fw a t e r - c e m e n tr a t i o ， a d d i t i o no ff l y a s ha n de n v i r o n m e n tc o n d i t i o n so fm a t e r i a l so nt h ew v tr e s u l t s t h el o w e rt h e w a t e r - c e m e n tr a t i o ，t h el o w e rt h ew v t2 0p e r c e n ta d d i t i o no ff l y a s hd e c r e a s e st h ew v t g r e a t l y , t h el i q u i dc o n t a c to nt h ev a p o ri n l e tf a c eh a sg r e a t e r 、v v tt h a nt h ew a t e rv a p o rc o n t a c t , a n dt h e i n c r e a s eo ft h ec o n c e n t r a t i o no fc h l o r i d eo rs u l p h a t ea l s ol o w e r st h e 、7 i r v t ( 3 ) t h ew a t e rv a p o ra d s o r p t i o nm e t h o di si n t r o d u c e dt ot h ei n v e s t i g a t i o no fm o i s t u r ed i f f u s i o n t h em o i s t u r ed i f f u s i o nl a w , w a t e rc o n t e n tr e t e n t i o no fm a t e r i a l sa n dp o r o s i t yd i s t r i b u t i o no f m a t e r i a l sa r ei n v e s t i g a t e db yt h ec o m b i n a t i o no ft h e r m o d y n a m i c sa n dd i f f u s i o na n da d s o r p t i o n t h e o r i e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a n g eo fm o i s t u r ed i f f u s i v i t yw i t hm o i s t u r ec o n t e n ti sn o tt h e s a m ed u r i n ga d s o r p t i o na r i dd e s o r p t i o n ，t h eh i g h e s td i f f u s i v i t ya tt h ei n i t i a ll o wm o i s t u r ec o n t e n t d u r i n ga d s o r p t i o n ，a n dt h eh i g h e s ta ts o m e w h a th i g hm o i s t u r ec o n t e n td u r i n gd e s o r p t i o n w i t h o t h e rc o n d i t i o n st h es a m e ，m o i s t u r ed i f f u s i v i t ya n da d s o r p t i o ne n e r g yi n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go fw a t e r - c e m e n tr a t i o ，a n dd i f f u s i v i t yv a r i e sl i n e a r l yw i t hw a t e r - c e m e n tr a t i o t h e a d s o r p t i o ni s o t h e r m so fc e m e n t b a s e dm a t e r i a l sm a i n l yd e p e n do nh y d r a t e dp r o d u c t s ，b u th a v e n o t h i n gt od ow i t ht h en o n h y g r o s c o p i ca g g r e g a t e s ，i n c l u d i n gf i n ea n dc o a r s ea g g r e g a t e s ，a n d i i t 武汉理工大学博十学位论文 p o r o s i t yd i s t r i b u t i o n ，r a n g i n g f r o mg e lp o r et oc a p i l l a r yp o r es i z e s ，c a l lb ec a l c u l a t e df r o m s o r p t i o ni s o t h e r m s ( 句t h eu n s a t u r a t e dw a t e rt r a n s p o r tr e f e r st ot h ec a p i l l a r yw i c k i n ga c t i o no fw a t e ri nm a t e r i a l s ， m a i n l y t h ew a t e ri m b i b i t i o na n dc a p i l l a r yw a t e rd i f f u s i v i t y am o i s t u r ed i f f u s i o n t e r mi s i n t r o d u c e di n t ot h ec o n v e n t i o n a li m b i b i t i o ne q u a t i o nt oi m p r o v et h es i m u l a t e dt r a n s p o r tp r o c e s s ， a n da l li m p r o v e ds l i c i n g w e i g h i n gm e t h o db a s e d0 1 1t h et r a d i t i o n a lo n ei su s e dt om e a s u r et h e c a p i l l a r yw a t e rd i f f u s i v i t ya n dt og e tac o n t i n u o u sw a t e rc o n t e n td i s t r i b u t i o n ，w i t h o u t t h e d e p e n d e n c eo ns o m ee x p e n s i v ee q u i p m e n t t h er e s u l t so fw a t e ri m b i b i t i o ns h o wt h a tt h ec a p i l l a r yi m b i b i t i o nc o e f f i c i e n t so f c e m e n t b a s e dm a t e r i a l sd e c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fw a t e r - c e m e n tr a t i o ，t h ei n c r e a s eo fa g i n g a n di n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n to fm a t e r i a l sa n dw i t ht h ea d d i t i o no ff l y a s h ，a n dt h ec o e f f i c i e n tv a r i e s l i n e a r l yw i t hs t r e n g t hf o rag i v e nm i x e dc e m e n t - b a s e dm a t e r i a l ，t h ec o e f f i c i e n to fp e n e t r a t i o n d e p t hi sd e t e r m i n e db yt h ec r i t i c a lp o r ed i a m e t e ra n dp o r et o r t u o s i t y , b u tt h em a s sc o e f f i c i e n ti s d e t e r m i n e db yt h ee f f e c t i v ep o r o s i t yo fm a t e r i a l t h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e c o n t r i b u t i o no fm o i s t u r ed i f f u s i o nt ot h ew h o l ec a p i l l a r yt r a n s p o r tc o n t e n t c a l ln o tb en e g l e c t e d ，e s p e c i a l l yf o rt h em a t e r i a l sw h i c hh o l ds m a l lp o r e sa n dl o wp o r o s i t y c a p i l l a r y w a t e r d i f f u s i v i t y o fc e m e n t - b a s e dm a t e r i a l si sg r e a t l yi n f l u e n c e db yt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm o i s t u r ec o n t e n to ft h em a t e r i a l s d i f f u s i v i t yi n c r e a s e ss h a r p l yw h e nm o i s t u r e c o n t e n ta p p r o x i m a t e st ot h el e v e lo ft o t a lc a p i l l a r yp o r o s i t ya n dh a sg t f l ec h a n g ep r i o rt ot h i sl e v e l ， t h ew i d e rt h ep o r er a n g eo fm a t e r i a l s ，t h el o w e rv a l u eo fm o i s t u r ec o n t e n tt ot o t a lc a p i l l a r y p o r o s i t yr a t i ow h e nt h es h a r pc h a n g eo fd i f f u s i v i t yh a p p e n s f o rt h es a m em o i s t u r ec o n t e n to f m a t e r i a l s ，t h el a r g e rt h ep o r e sa n dt h eb e t t e rc o n n e c t i v i t yo fp o r e sr e s u l ti n t h eh i g h e ro f d i f f u s i v i t y ( 5 ) i n t h i sp a p e r , t h ea ce l e c t r i c a lp r o p e r t yi se s t a b l i s h e df o rt h em e a s u r e m e n to fw a t e rc o n t e n t d i s t r i b u t i o no rd i f f u s i v i t y t h ew a t e rt r a n s p o r tp r o c e s s i n gu n d e rl o a d ，a n dt h ee v i d e n c eo f h e t e r o g e n e o u sd i s t r i b u t i o no fm i c r o s t r u c t u r ea n dh y d r a t e dp r o d u c t su n d e rb e n d i n gf o r c ed u r i n g h y d r a t i n gp e r i o da r ef o u n db yt h ea n a l y s i so fe l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ，m i n e r a l o g ya n dc h e m i c a l c o m p o s i t i o n ，a n dt h ep h e n o m e n o no ft r a n s p o r tp r o c e s s i n ga n d t h er e s u l t i n gh e t e r o g e n e o u s d i s t r i b u t i o nb ye x t e r n a lf o r c e si sn a m e df o r c e t r a n s p o r te f f e c tb yp r o f e s s o rs h u iz h o n g h ef i r s t l y a n df o r m a l l y ( 6 ) c a r b o n a t i o nu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n ，i n t e r f a c eb o n d i n go fn e w o l dc o n c r e t ea n dh e a l t h y i n s p e c t i n go fc o n c r e t ep a v e m e n tb yi ns i t ee l e c t r i c a lm e a s u r e m e n ta r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r f r o mt h ec 0 2a d s o r p t i o n d e s o r p t i o ne x p e r i m e n to fc e m e n tp a s t eu n d e rv e r yl o wm o i s t u r e c o n d i t i o n ，al l e wp o s s i b l em e c h a n i s mo fc a r b o n a t i o nb yt h ed i r e c tg a s s o l i dr e a c t i o ni sp r o p o s e d f r o mt h ee x p e r i m e n to fc o n c r e t er e p a i r i n gb yp r e t r e a t m e n to fc o n c r e t eu n d e rd i f f e r e n tm o i s t u r e 武汉理工大学博七学位论文 c o n d i t i o n s ，i ts h o w st h a tl o w e r i n gt h em o i s t u r ec o n t e n to fo l dc o n c r e t ei n c r e a s e st h ei n t e r f a c e b o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e nn e wa n do l dc o n c r e t e t h er e a s o no ft h i si st h a tt h el o w e rm o i s t u r e c o n t e n to fo l dc o n c r e t ew i l la c c e l e r a t et h em a s st r a n s p o r tf r o mn e wc o n c r e t et oo l dc o n c r e t e ， w h i c hr e s u l t si nah i g hb o n d i n gs t r e n g t h a f t e rp a v i n ga s p h a l tc o n c r e t eo nt h er e b u i l tc e m e n t c o n c r e t es u b b a s e ，t h ei n s i t ee l e c t r i c a lm e a s u r e m e n ts h o w st h a tt h em o i s t u r ec o n t e n to ft h e s u b b a s ec a l lb ew e l lr e f l e c t e db ye l e c t r i c a lp r o p e r t y , ar e a s o n a b l eh e a l t he v a l u a t i o no ft h ew h o l e p a v e m e n tc a nb eg i v e nb yt h ec o m b i n a t i o no fe l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t ，i n n e rt e m p e r a t u r e s u r v e y i n ga n ds t r e s s - s t r a i nm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：c e m e n t b a s e dm a t e r i a l s ，m o i s t u r et r a n s p o r t ，w a t e rv a p o rt r a n s m i s s i o n ，w a t e rv a p o r a d s o r p t i o n ，c a p i l l a r yw a t e ri m b i b i t o n ，e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t ，f o r c e - t r a n s p o r te f f e c t ，c a r b o n a t i o n ， i n t e r f a c eb o n d i n g v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 者部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：导师签名：日期 武汉理t 大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景和意义 1 1 1 水泥混凝土及其耐久性 在土木工程中，混凝土以其在性能、旌工、经济等方面的显著优点而成为应 用最广泛的工程材料，混凝土结构也由此成为重要的结构形式。早在1 9 6 4 年4 月，s b r u n a u e r 和l e c o p e l a n d 这两位在水泥和混凝土领域内著名的科学家在 科学的美国人杂志上发表的一篇文章f l 】中，写道：“最广泛采用的结构材料 是混凝土，通常是用波特兰水泥与砂、碎石和水拌制而成的。去年，在美国6 3 0 0 万吨波特兰水泥拌制了5 亿吨混凝土，混凝土的用量按重量计为钢材的5 倍。 在许多国家混凝土用量与钢材用量之比超过了1 0 。去年全世界混凝土总用量达 3 0 亿吨，即每个活着的人用1 吨( 以当年人口计) 。人类耗用的材料除水之外还 没有达到如此巨大的数量的。 图1 1 表明，世界水泥年产量增长幅度逐年升高， 说明混凝土已经得到越来越广泛的应用。 在我国进行大规模建设的今天，混凝土材料所起的作用是不可估量的。以长 江三峡工程为例，它对混凝土的需求量就达到了3 0 0 0 万立方米以上，“南水北 调”、“西气东送 等重大工程中，混凝土必然会得到大量的应用。 图1 1 世界水泥年产量增长曲线 虽然混凝土被广泛应用于各种领域，并一度被认为是十分耐久的工程材料， 但随着混凝土结构更为广泛的应用，其使用环境日益多样化，工业污染日益加 剧，混凝土结构受环境侵蚀的危害性日益增加，混凝土结构的耐久性与使用寿 武汉理丁大学博士学位论文 命问题，逐渐成为土木工程领域普遍关注的问题f 2 4 1 。 实际上，早在波特兰水泥发明和使用的初期，人们就注意到了混凝土结构在 恶劣环境下受侵蚀的问题，如海水中的氯盐、镁盐和潮汐的冲蚀等对海岸混凝 土码头、灯塔等构筑物的侵蚀作用等。此外，混凝土结构还可能受二氧化碳、 二氧化硫等气体和固体介质的攻击而发生破坏。因此，从上世纪初开始，解决 工业建筑受化学介质侵蚀的问题也成为提高混凝土结构使用寿命的重要问题之 一。由于混凝土材料内部组成之间的化学反应以及材料组分与外部环境中的侵 蚀性介质问的相互作用，混凝土的劣化过程已成为一个普遍的事实。 混凝土结构的耐久性取决于以下四个方面的因素： 1 ) 混凝土材料的自身特性； 2 ) 混凝土结构的设计与施工质量； 3 ) 混凝土结构所处的环境； 4 ) 混凝土结构的使用条件与防护措施。 混凝土材料的自身特性和混凝土结构的设计施工质量是决定其耐久性的内 因。环境作用对混凝土的损伤与破坏，是环境因素对混凝土物理化学作用的结 果，是影响混凝土结构耐久性的外因。能引起混凝土结构产生损伤或破坏，从 而降低结构耐久性的环境因素主要有： 1 ) 冻融循环； 2 ) 混凝土的碳化； 3 ) 氯离子的侵蚀； 4 ) 碱一骨料反应； 5 ) 化学介质的侵蚀； 6 ) 物理磨损； 7 ) 钢筋的锈蚀等。 值得注意的是，几乎所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作为介质，且 几乎所有侵蚀性介质主要通过水，孑l 溶液传递进入混凝土内部 5 , 6 1 。因此，研究水 泥基材料内部水分传输和分布具有十分重要的意义。 1 1 2 水泥基材料水化物结构与水分传输 水泥基材料是一个由固相、气相和液相组成的多相复合系统。固相主要包括 骨料、水泥水化产物、未水化颗粒及矿物掺合料等，是水泥基材料结构骨架的 主体；液相为存在于水泥基材料内部的含多种离子的水溶液，即孔溶液；水在 材料内部的存在形式主要有自由水、吸附水、结晶水和结构水( 层间水) ，见图 1 2 ；气相则为分布于材料内部的孔隙，根据孔径大小不同可以分为凝胶孔、过 2 武汉理工大学博士学位论文 渡孔、毛细孔及太孔等。 外部介质则主要通过水泥基材料内部的连通性孔隙率、裂缝在材料内部以渗 透、扩散或层流形式传输。r o s e 口1 曾将水在多孔材料中的运动分为七个阶段，见 图1 3 。第一阶段：水分通过吸附和表面扩散进入材料的孔隙；第一阶段：水在 孔壁上形成吸附层，水分通过蒸汽扩散进入材料内部，符合菲克扩散定律；第 三阶段：随着内部湿度的增加，蒸汽冷凝形成水膜并以水膜形式传输：第四 阶段：孔壁水层屈服，液相和气相共同传输；第血阶段：孔内局部水饱和，形 成液体渗流：第六阶段：孔完全饱和，完全为液相传输，符合达西定律；第七 阶段：离子的传输。这七个阶段涵盖了多孔材料内部质量传输的所有过程：渗 透、扩散及迁移。前六个阶段( 或六种形式) 为纯水分的传输，可以两种主要 形式进行概括；饱和流传输和非饱和流传输。深入研究水泥基材料内水分传输 的不同形式及其基本传输机理，对克分理解材料耐久性和合理进行寿命预测与 设计有着重要意义。 1 2 水分传输的研究现状 121 饱和流传输一水渗透性的研究 图i - 2 水泥浆体内水分的存在形式 12 11 渗透性定义及测试方法 一j 季、。 弋：多 一蠢 彳、i 三= ， 4 图l 一3 水分在多孔材料内的运动形式 根据水分运动形式的分类可知，饱和流毛要是指多孔材料内孔隙处于饱水状 态下内部水分在外力( 外压强) 作用下的运动，即通常所说的渗透性，用以 袤征材料本征特性的参数则为渗透系数。从g l a n v i l l e l 6 1 在二十世纪三十年代的研 究直到今天，渗透性研究一直占有很重要的地位并被作为常用评价混凝土耐 武汉理工大学博士学位论文 久性的指标之一。渗透性的研究有很多优越性，其中很重要的是其测试的物理 机理已得到很好的研究，就以水为介质测试渗透性而言，测试外压作用下的稳 态流，只需要应用达西定律，则渗透系数的概念可得到清晰的表达，测试实验 也一目了然。达西定律见方程1 1 。 歹：一生) 卸 ( 1 1 ) r 其中：j 一渗流密度： 卜渗透系数； r l 一液体黏度； p - 施加于试样上的水压差。 渗透性传统的测试方法主要有稳定流动法、渗透深度法及抗渗标号法。稳定 流动法是最基础的基于渗透系数定义原理直接获得渗透系数的方法，早期大量 研究工作采用该方法测试渗透性，但主要应用于较高渗透性的材料，但凡需要 定量得到渗透系数的测试，也都必须采用稳定流动法。渗透深度法较常用于渗 透性较好的水泥基材料的测试，由于该方法并不是直接由定义得到渗透系数值， r pk h a t r i 和vs i r i v i v a t n a n o n t 8 1 采用该方法做了大量研究，并与稳定流动法之 间进行对比，建立了由渗透深度法计算所得渗透系数与稳定流动法得到渗透系 数之间的关系。抗渗标号法则主要是我国标准推荐的试验方法【9 1 。 因为水泥基材料内部自由水在受到外界作用力时便会处于流动状态，根据自 由水的这种呵流动或易流动特性，g e o g r g ew s c h e r e r 等人通过不同的外加作用 梯度，分别采用热膨胀动力学法和梁弯曲法测定水泥基材料的渗透系数 1 0 , l u 。 这些方法具有试验耗时短、精度较高等优点，而其计算过程等则略为复杂。 综合所有目前渗透系数测试的方法可见，以上测试均为一定外力或温度场作 用下内部水分的流动。因此，孔隙连通性成为渗透系数测试一个必不可少的考 虑因素，即只有具有连通孔才可以谈到渗透，这也正是渗透系数评价耐久性的 局限性所在。 1 2 1 2 以渗透性评价水泥基材料耐久性的局限性 图1 4 为水泥浆从新拌到水化完成的过程示意图。由图可见，随着水泥的水 化，固相体积迅速增加，而液相体积逐渐减少，水化完成时固相相互连接并阻 断液相气相的连通性，即毛细孔被阻断。根据p o w e r s 理论，毛细孔孔分布及数 量由初始水灰比和水化程度决定，只要允许足够充分的水泥水化，水灰比低于 o 7 时毛细孔将会不连续，而低于o 3 5 时毛细孔将完全被填充【4 】。因为孔不连续 性因素的存在，导致渗透性与孔结构孔隙率的关系变得十分复杂。一旦毛细孔 4 武汉理i 大学博士学位论文 被阻断甚至被堵塞，则渗透作剧下水的流动将可能经由凝胶孔过渡，据估计， 液体通过凝胶孔的速度与通过毛细孔的速度相差10 3 数量缄，尽管凝胶孔的孔隙 率高达2 8 ，但由于其渗透系数高逃1 0 ”m s ，可以认为其基本不渗水。因此， 毛细孔的数量及其分布( 连通性) 是渗透性的关键。k e l v i nl e o n g i ”1 等人研究了 不同水灰比的水泥净浆从低压到高压测试渗透性的实验，结果表明，即使是水 灰比为0 , 5 、掺2 0 矿物掺合料的水泥净浆，即使在测试压强高达1 5 m p a 仍很 难观测到有可测试的渗水现象，水灰比为0 4 的水泥浆的渗透系数低至1 0 。1 6 r n s 。 根据渗透系数测试装置的原理可知，如果要使凝股孔获得可量测的水流量，施 加的压强要达到7 0 m p a ，而用丁_ 密封防漏的侧压大小要1 0 0 m p a ，如此大的压力 必将会导致材料丌裂。因此，渗透系数测试中，“零”渗透是完全存在的。所以， 当水泥基材料处于饱和状态、内部毛细 l 处于非连通状态时水完全u r 能不会 在材料内渗透。然而，实际工程中材料并不总处于饱和状态下，则水分的传输 可能存在其它的机理，如毛细水吸附、水蒸气传输等。表1 - 1 中渗透系数测试巾 的水流量大小及水蒸气扩散实验中水分穿透量值之问的差别也正说明渗透系数 评价可能存存一定的局限性12 1 。 图1 _ 4 水泥浆水化示意图 为孑 水鄹 q o 武汉理工大学博士学位论文 表l 一1 渗透系数测试与水蒸气传输测试速率比较 材料配比 水传输速率( g d a y ) 水灰比矿物掺合料说明高压渗透测试水蒸气传输测试 o 3 2 4 1 0 2 3 2 o 4 0 0 4 1 5 2 4 0 51 4 2 5 9 0 o 32 0 粉煤灰3 7 1 0 。33 9 4 o 。4 2 0 粉煤灰净浆 水泥基材料内的水分以液相为主导的传输过程，主要研究毛细吸水和水分扩 散性传输。毛细吸水的研究中考虑材料组分、龄期以及试样处理等方面对毛 细吸收的影响，并根据p o w e r s 理论等从微观上给