（材料学专业论文）混凝土抗渗性能及检验方法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 现代建筑混凝土结构，因侵蚀性介质的存在而使非力学破坏行为无处不在， 很大程度上缩短了建筑物的服役年限。综观这些非力学破坏，在很大程度上取决 于其对侵蚀性介质的渗透性。因此，测试混凝土渗透性能是研究和判断混凝土耐 久性的常规项目。但是，国标g b j8 2 8 5 方法的测试操作非常繁琐，重复试验困难， 劳动效率低，而且不能现场检测。本文通过对比分析研究了水灰比、粉煤灰掺量 以及高效减水剂对混凝土渗透性的影响，进一步对比分析了相对渗透系数法及其 加压等级与国标抗渗法、直流电量( a s t mc 1 2 0 2 ) 法等测试方法的相互关系及其 适用范围，为国家混凝土耐久性实验方法新标准的制定提供了一定的实验依据。 研究结果表明，掺高效减水剂的混凝土，由于减水剂的减水、分散作用，而 减少了混凝土的孔隙并改变了孔结构，致使混凝土总孔隙率减少，密实度大为提 高，混凝土抗渗性能明显改善；掺粉煤灰也能明显改善混凝土的抗渗性能，主要 由于粉煤灰水化反应的产物及其未反应的细颗粒填充了水泥石的毛细空，改善了 混凝土的孔结构，使混凝土更密实，从而提高了抗渗性能。 试验结果的回归分析表明，相对渗透系数法与国标抗渗法有很好的相关性， 其相关系数为0 9 7 7 6 。因此，相对渗透系数法不仅比较真实地反映了混凝土的实 际渗透情况，而且实验方法简单效率高，同时克服了国标法的不足之处。对于强 度低于c 3 0 的混凝土，a s t mc 1 2 0 2 法与相对渗透系数法和国标抗渗法相比，其 渗透相关性较差。 最后，本文考察了加压等级对相对渗透系数法渗透系数的影响。结果表明， 0 8 m p a 、1 2 m p a 两种压力相关性很好，但2 0 m p a 有明显的偏差，说明相对渗透 系数公式对试样加压压力为2 0 m p a 不适用。 关键词：混凝土；耐久性；渗透性：测试方法；渗透系数；库仑电量。 a b s t r a c t f o rc o n c r e t es t r u c t m ei nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，t h en o n - m e c h a n i c sd a m a g e ，a r e u n a v o i d a b l ed u et ot h ee x i s t e n c eo fe r o s i v em e d i a t h ed e t e r i o r a t i o nf o r mo fm o n oo r m u l t i - f a c t o ri n f l u e n c e so nt h ec o n c r e t ep r o p e r t yo fc o n s t r u c t i o na n dd u r a b i l i t yg r e a t l y , a n ds h o r t e n st h es e r v i c el i f eo f t h ec o n c r e t et oal a r g ee x t e n t p e r m e a b i l i t yo f c o n c r e t ei s t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rt h e s en o n - m e c h a n i c sd a m a g e s ，s ot h ep e r m e a b i l i t yt e s to f c o n c r e t ei st h en o r m a la n dr e q u i r e di t e mt os t u d yt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t e g b j8 2 - 8 5 a a p p l i e dl e s sd u et ot h el o n gt e s tp e r i o d , h e a v ya n dl o w e re f f i c i e n c yr e s p e c t i v e l y c a n tm e 组s u r et h eo n - t h e s p o tc o n c r e t e ，i tc o m p a r ea n da n a l y s ed i f f e r e n tt h i st e x tw a t e r d u s tt h a n , f l ya s hm i x i n ga m o t m t sd i f f e r e n ta n dm i x i n gb yw a t e r - r e d u c i n ga g e n ti m p a c t o nc o n c r e t ep e r m e a b i l i t i e sl l i g h e f f i c i e n t f u r t h e rc o m p a r ea n da n a l y s et h ef r a n c e s p l u s e sa n dm i n u s e so f n a t i o n a ls t a n d a r dl a w , r e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tl a w , d i r e c t c u r r e n ta m o u n ta n da p p l i c a b l es c o p e ，o f f e rt h ed a t af o re x p e r i m e n tm e t h o ds t a n d a r d f o r m u l a t i o no f n a t i o n a ld a r a b i l i t yt h r o u g hs t u d y i n g t h er e s u l to fs t u d yi n d i c a t e s , m i xt h ec o n c r e t eo fh i g h - e f f i c i e n tw a t e r - r e d u c i n g a g e n t ，b e c a u s ew a t e r - r e d u c i n ga g e n to n er e d u c e sw a t e r , d i s p e r s e sf u n c t i o n , a n dh a s r e d u c e dt h eh o l eo ft h ec o n c r e t ea n dc h a n g eh o l es i 旨u c t i 】r c h a sc a u s e dt h et o t a ls p a c e r a t eo fc o n c r e t et or e d u c e ，c l o s e l yk n i td e g r e ei sg r e a t l yi m p r o v e d ，t h ei m p e r v i o u s p e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ei so b v i o u s l yi m p r o v e d ；m i xt h ei m p e r v i o u sp e r f o r m a n c et h a t t h ef l ya s hc a r lo b v i o u s l yi m p r o v et h ec o n c r e t et o o ，a n dw a t e rr e s u l ta n dd e t a i l e d p a r t i c l et h a td o e sn o tr e a c tt h a tr e a c tp a c kc e m e n th a i ro fs t o n ed e t a i l e da n de m p t y b e c a u s eo ff l ya s hm a i n l y , h a v ei m p r o v e dt h ee m p t ys t t u c t a r eo ft h ec o n c r e t e ，m a k et h e c o n c r e t em o r ec l o s e l yk n i t , h a si m p r o v e di m p e r v i o u sp e r f o r m a n c e p a s st h et e s tr e s u l tt oc o m p a r ew i t ha n a l y s i si n d i c a t i n g h a v ev e r yg o o dr e l e v a n c e a st ot h el a wo fc o e f f i c i e ma n di m p e r v i o u sl a wo fn a t i o n a ls t a n d a r d ，i t sc o e f f i c i e n t c o r r e l a t i o ni so 9 7 7 6 ，c o m p a r e dw i t hn a t i o n a ls t a n d a r d 。r a i s et h ee f f i c i e n c y , h a s o v e r c o m eal o to fw e a kp o i n t si nn a t i o n a ls t a n d a r dl a w h a v ei m i t a t e dt h ei n f i l t r a t i o n s i t u a t i o ni nr e a l i t ym o r et r u l ya st ot h el a wo f p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t , a n di sl o w e rt h a n c 3 0b yc o n c r e t ea s t mc 1 2 0 2l a w st ot h ei n t e n s i t ya n da c t b a li n f i l t r a t i o nr e l e v a n c ei s r e l a t i v e l yb a d f i n a l l y , w es t u d i e dt h ee f f e c to fc o m p r e s s i o ng r a d et oc o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t y i n t h i sp a p e r , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tu n d e re x a m i n i n g d i f f e r e n tp r e s s u r e so ft h es a m ec o n c r e t ew i t ht h er e l a t i v ec o e f f i c i e n tl a w , 0 8 m p a , 1 2 m p at w ok i n d so fp r e s s u r er e l e v a n c ea r ev e r yg o o d , a n d2 o m p ah a so b v i o u s d e v i a t i o n s ，p r o v et h er e l a t i v ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tf o r m u l ai s t oh a v i n gn o n - a p p l i c a b l ef o r2 o m p ap r e s s u r e k e yw o r d s ：c o n c r e t e ；d u r a b i l i t , ；p e r m e a b i l i t y ；e x p e r i m e n tm e t h o d ；p e r m e a b i l i t y 伍c i e n t ；c o u l o m bo f e l e c t r i cc o n s u m p t i o n i i i 混凝土抗渗件能及检验方法研究 插图索引 图1 1 透气性渗透性试验简图8 图1 2c 广离子渗透性试验图9 图1 3 直流电量法装置示意图l o 图1 4n e l 法实验装置示意图图l l 图1 5r c m 测定仪示意图1 2 图2 1z h 2 0 1 自动控制渗透仪图1 9 图2 2 混凝土试件劈开图2 0 图2 3 混凝土渗透性智能测定仪2 1 图3 1 不同水灰比混凝土渗透性对比2 5 图3 2 水灰比与国标法渗透系数相关分析2 5 图3 3 水灰比与系数法渗透系数相关分析2 6 图3 4 水灰比与a s t mc 1 2 0 2 法导电量相关分析2 6 图3 5 不同水胶比混凝土渗透性对比2 8 图3 6 混凝土水胶比与国标法渗透系数相关分析2 9 图3 7 混凝土水胶比与系数法渗透系数相关分析2 9 图3 8 混凝土水胶比与a s l mc 1 2 0 2 导电量相关分析3 0 图4 1 不同粉煤灰掺量混凝土渗透性对比d o o t m p bg 3 3 图4 2 粉煤灰掺量对国标法渗透系数的影响3 4 图4 3 粉煤灰掺量对系数法渗透系数的影响3 4 图4 a 粉煤灰掺量对a s l m c l 2 0 2 法库仑电量的影响3 4 图5 1 两种方法普通混凝土渗透系数线性相关性分析4 l 图5 2 两种方法渗透系数线性相关性分析4 3 图5 3 两种方法渗透系数线性相关性分析4 3 图5 4 两种方法普通混凝土渗透系数线性相关性分析4 4 图5 5 两种方法普通混凝土渗透系数指数相关性分析4 5 图5 6 两种方法渗透系数指数相关性分析4 7 图5 7 两种方法渗透系数线性相关性分析4 7 图5 8 两种方法渗透系数指数相关性分析4 8 图5 9 两种方法渗透系数线性相关性分析4 8 图5 1 0 系数法压力不同时渗透系数对比4 9 硕上学位论文 附表索引 表1 1 混凝土护筋质量与c l 渗透性指标的关系5 表1 2 混凝土通过的电量与c r 渗透性的关系l o 表2 1 水泥物理性能一力学性能1 5 表2 2 减水剂的性能指标1 6 表2 3 胶凝材料化学成分1 6 表3 1 混凝土配合比( 单位体积材料用量：k g m 3 ) 2 4 表3 2 混凝土吸水率2 4 表3 3 混凝土测试结果2 4 表3 4 混凝土配合比2 7 表3 5 混凝士测试结果2 7 表3 6 混凝土吸水率2 7 表4 1 掺粉煤灰混凝土配合比0 0 06 0000 3 1 表4 2 混凝土测试结果3 2 表4 3 混凝土吸水率3 2 表5 1 混凝土配合比3 7 表5 2 混凝土测试结果3 8 表5 3 混凝土吸水率3 9 表5 4 混凝土配合比3 9 表5 5 混凝土吸水率4 0 表5 6 混凝土测试结果4 0 表5 7 混凝土配合比4 l 表5 8 混凝土测试结果4 2 表5 9 混凝土配合比4 5 表5 1 0 混凝土测试结果4 6 表5 1 l 混凝土配合比4 9 表5 1 2 混凝土测试结果4 9 v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：亍鑫星筑日期印。_ 7 年6 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：彰氛窖l 短 导师签名：磅钐 日期：知口7 年占月，r 日 嗍叩年多肌日 第1 章绪论 混凝土是最大宗和最重要的建筑材料，无论是水利、铁道、道路、桥梁建筑工 程等都缺不了混凝土，应用愈来愈广泛【l 】。无论对未来建筑的极高要求，还是对环 境的友好程度以及对扩展地球现有可利用面积来说，混凝土都是一个具有极大优 势和潜力的材料，也为工程和工艺技术的发展提供了极大的机会田一般来说，混 凝土强度愈高，密实性愈高，耐久性也较好。但应着重指出，在严酷的使用环境 下，高强度混凝土未必是高耐久性，这己被许多实际工程所证实，因此高性能混 凝土的性能要求重点逐渐向耐久性转移。我国著名混凝土学家吴中伟院士认为“高 性能混凝土为一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础 上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不 同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证z 耐久性、施工性、适用性、强度、 体积稳定性和经济性”删。 我国于1 9 9 9 成立高性能混凝土协会，其目的也在于研究解决耐久性问题1 4 。 混凝土耐久性在很大程度上取决于它的渗透性，混凝土的非力学破坏行为无不在 侵蚀性介质中进行。这些非力学破坏行为包括碱集料反应，硫酸盐侵蚀，碳化， 钢筋锈蚀，冻融等【5 】。因而提高混凝土在严酷的自然环境下具有较长的使用寿命有 着极其重要的现实意义。测试混凝土渗透性能是研究判断混凝士耐久性的常规必 测项目【6 】。而科学的实验方法是测试结果准确的保障。同时更有效指导混凝土其他 相关性能的研究。 随着高性能混凝土的广泛应用，相应的在检测或控制混凝土工程或预制混凝土 构件的质量时，原混凝土抗渗性能试验方法已不能满足。目前我国测试混凝士的 抗渗性标准是g b j8 2 8 5 1 7 1 。此方法是通过给混凝土试块施水压，使水在混凝土中 迁移，通过不同混凝土中水的迁移差异来描述混凝土的渗透性能。此方法比较真 实的模拟了自然界中水的渗透方式，但却难以实现模拟多介质的侵蚀渗透。其主 要的缺陷就是脱离实际，不能检测现场混凝土的渗透性能，因为现场混凝土的抗 渗透性能是综合因素决定的，而实验测试则是片面的，而这种片面表现形式影响 是显著的：其次是不能测试高性能混凝土，对于c 5 0 - c 8 0 混凝土几乎不渗透，难以 确定其渗透标号，而且操作非常繁琐，重复试验困难，劳动效率低。试件形状受 限制，根本不能满足现代建筑工程检测的要求。其评判方式渗透标号法比较笼统 t a - 。t 程中c 3 0 以上混凝土抗渗性能远远大于1 2 m p a 抗渗要求，因而检测失掉 其应有的意义l “j 。 我国混凝土耐久性能实验方法也在制订中，由于国外采用气体、液体、气体 与液体混合加压方式测试混凝土渗透性能的比较多，我国原国标方法已经无法满 足现在工程需要，因而对测试混凝土渗透性能的方法研究是很有必要的。 i i 混凝土耐久性的重要性 混凝土材料以其特有的优越性在建筑工程上得到广泛的应用。过去，由于历史、 社会和人的主观认识等方面的原因，人们对混凝土结构的设计、选材、制作和养 护等往往只重视强度而忽视其耐久性，从而为混凝土结构以后的正常使用埋下了 隐患，造成许多不良后果。所谓混凝土的耐久性1 2 ，是指在使用过程中，在混凝土 内部的或外部的，人为的或自然的因素作用下，混凝土保持自身工作能力的一种 性能；或者说结构在设计使用年限内抵抗外界环境或内部本身所产生的侵蚀破坏 作用的能力。混凝土的耐久性从广义上说应包括：大气对混凝土的腐蚀( 如干湿度、 温度、冻融、碳化等) 、水对混凝土的作用、碱骨料反应、环境水侵蚀和磨损等。 由于钢筋混凝土结构耐久性不足造成的后果是非常严重的。美国1 9 7 5 年由于腐蚀 引起的损失达7 0 0 亿美元，1 9 8 5 年则达1 6 8 0 亿美元【1 6 】；目前，整个混凝土工程的 价值约为6 万亿美元，而今后每年用于维修或重建的费用预计将高达3 0 0 0 亿美元 0 6 1 。美国1 9 9 1 年仅修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资9 1 0 亿美元。英国每 年用于修复钢筋混凝土结构的费用就达2 0 0 亿英镑。而日本目前每年仅用于房屋 结构维修的费用即达4 0 0 亿日元以上【3 2 】。日本引以为自豪的新干线使用不到l o 年， 就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。我国现有建筑物的老化现象也是很严重的。 据统计，我国现有建筑面积5 0 亿平方米，其中约2 3 亿平方米需分期分批进行鉴 定加固，近l o 亿平方米急需维修加固才能使用【2 。1 9 8 9 年，建设部科技发展司混 凝土结构耐久性综合调查组对北京、西宁、贵阳和杭州的一些建筑物进行了调查， 其结果表明，建国初期的建筑均已达到必须大修的状态，现有大多数工业建筑不 能满足安全、经济使用5 0 年的要求，一般使用2 5 3 0 年就需大修加固【l ”。钢筋 混凝土结构的耐久性问题己越来越引起人们关注。美国学者用“五倍定律”形象 地说明了耐久性的重要性，特别是设计对耐久性问题的重要性。设计时对新建项 目在钢筋防护方面每节省一美元，就意味着发现钢筋锈蚀时采取措施多追加维修 费5 美元，顺筋开裂时多追加维修费2 5 美元，严重破坏时则多追加维修费1 2 5 美 元。这一可怕的放大效应，使得各国政府投入大量资金用于钢筋混凝土结构的耐 久性问题的研究【。 m e h t a 教授在1 9 9 1 年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会上指出：当今世 界混凝土破坏的原因按重要性递降顺序排列是：钢筋腐蚀、寒冷气候下的冻害、 侵蚀环境的物理化学作用”，“当今混凝土结构耐久性问题日益严重，除冰盐应用 的日增，水、土、大气污染加剧，也有促进作用” 4 1 。混凝土在使用期间，会有 硕士学位论文 于环境中的水、气体及其中所含有的侵蚀性介质浸入，产生物理的和化学的反应 而逐渐劣化。混凝土的耐久性实质上就是抵抗这种劣化作用的能力。产生这种劣 化作用的内部潜在因素是混凝土中的化学成分和结构，外部条件是环境中侵蚀性 介质和水的存在，必要条件是那些外部侵蚀性介质和水能逐渐浸入混凝土内部。 因此，混凝土的耐久性研究应该从混凝土材料本身以及所处的环境两方面来考虑。 但是混凝土的耐久性包括的内容及影响因素很多，通常不是在单一耐久性因素作 用下受到破坏的，而是受到一种以上的侵蚀作用导致破坏加速的结果，故对其直 接研究比较困难。许多学者从不同的角度、采用不同的方法研究混凝土的耐久性， 发现混凝土的渗透性是混凝土最根本的性质之一，且与其耐久性有直接的关系， 在一定程度上可以反映混凝土的耐久性。 1 2 混凝土渗透性对混凝土耐久性的影响 1 2 1 混凝土的渗透性 在混凝土中，渗透性是指某气体、液体或离子受压力、化学势或在电场作用下 在混凝土中渗透，扩散或迁移的难易程度。混凝土的渗透性反应的是混凝土内部 孔隙的大小、数量以及连通等情况【9 4 1 。 1 2 2 混凝土的渗透性与耐久性的关系 混凝土的耐久性包括许多内容，这些内容又受许多因素影响，且作用机理复杂， 但其共同点是：它们都与混凝土的传质能力有关。混凝土材料的腐蚀大多是在有 水及有害离子侵入的条件下产生的，混凝土的耐久性与渗透性有着密切的联系。 1 2 2 1 抗冻性与渗透性 抗冻性常作为混凝土耐久性的指标。混凝土建筑物所处环境凡是有正负温交 替、混凝土内部含有较多水的情况，混凝土都会发生冻融循环，以致疲劳破坏。 在寒冷地区，混凝土受冻融循环作用往往是导致混凝土劣化的主要因素。冻融循 环还常和除冰盐共同作用，加剧混凝土的劣化。抗冻性可直接地反映混凝土抵抗 环境水浸入的能力。干燥的混凝土不会遭受冰冻破坏。由于混凝土含水率存在一 个临界饱和度，超过此值且当混凝土暴露于低温下容易产生裂缝。混凝土经充分 养护后含水率可能低于临界饱和度，但如果其渗透性较高，当暴露于潮湿环境时， 可以再次达到或超过临界饱和度。因此，对处于冻融环境中的混凝土，其渗透性 非常重要【1 3 】f 2 9 l 。渗透性不仅控制着冻结时与内部水的移动有关的渗透压力，而且 控制着冰冻前的临界饱和度，国外已有学者研究了混凝土的渗透性与冻融循环的 关系。 一般来说，在混凝土中引入适量的封闭气孔可以大大改善其抗冻能力。由于引 入的封闭气孔既可降低混凝土的表面渗透性，使混凝土不易饱水，又可以在冰冻 时为水压力提供外逸边界，使得膨胀力减小，从而可以大幅度提高混凝土的抗冻 融能力。 1 2 2 2 碳化与渗透性 碳化引起的钢筋锈蚀发生在一般大气环境，锈蚀现象十分普遍，是混凝土耐 久性设计中首先要防止的损伤。在混凝土的强碱环境中，钢筋表面生成一种非常 致密的氧化膜，保护钢筋免于生锈，但大气中的c 0 2 通过混凝土的孔隙溶解于毛 细管中的液相，并与水泥水化产生的碱性物质发生反应，使混凝土的碱度降低， 在适当的环境下导致钢筋脱钝生锈，这个过程称为混凝土的碳化。 碳化对混凝土的危害是多方面的，例如使混凝土的韧性降低、产生碳化收缩 裂缝等，而最大的危害是使表层混凝土碱性降低，对保护钢筋不利。钢筋锈蚀后 生成物是原体积的3 倍以上，引起混凝土保护层顺筋胀裂、脱落，钢筋与混凝土 之间黏着力下降，锈蚀引起钢筋截面损失、力学性能降低，刚度、承载力逐步下 降，从而影响结构的适用性和安全性。 混凝土碳化是一个缓慢的过程。碳化速度可用一定时期内的碳化深度来表示。 碳化深度一般通过实验室加速碳化试验来测定。另外，根据c 0 2 在混凝士中的扩 散机理，很多学者都建立了预测混凝土碳化深度的数学模型，用混凝土碳化深度 来评价其渗透性【1 3 4 6 】。 1 2 2 3 碱一集料反应与渗透性 碱一集料反应是影响混凝土耐久性的一个重要方面，现已被世界许多国家认 为是造成混凝土工程破坏的重要原因之一。通常碱一集料反应造成的开裂破坏随 时间变化而加剧，维修困难，费用十分昂贵。混凝土碱一集料反应是指混凝土中 来自水泥、外加剂等的可溶性碱在有水的作用下和集料中某些组分之间的反应， 发生碱一集料反应后，会在界面生成可吸水肿胀的凝胶或体积膨胀的晶体，使混 凝土产生体积膨胀。 混凝土中发生碱一集料反应必须具备三个条件：碱性离子( k 2 0 , h a 2 0 ) 、活 性骨料和水。值得注意的是，水是碱一集料反应的必然条件，如果在混凝土使用 时始终处于干燥环境，或环境相对湿度低于混凝土内部相对湿度，混凝土内部湿 度低于8 0 ，则碱一集料反应会停止膨胀，而混凝土内部湿度低于7 5 时，碱一 集料反应就无法进行。因为碱是通过溶液和集料的活性组分反应的，所以水是碱 一集料反应的必要条件陋1 6 1 2 6 - 2 9 1 。 1 2 2 4 钢筋锈蚀与渗透性 硕十学位论文 混凝土的高碱性使内部钢筋表面形成一层致密的钝化膜，保护钢筋不受腐蚀。 c 0 2 通过表面渗入混凝土以后，同混凝土中的c a ( o h ) 2 反应使之碳化，从而使混 凝土碱性大大降低。随着混凝土碱性的降低，钢筋表面的钝化膜将变得不稳定， 直至破坏。这样失去保护的钢筋会在氧和水分渗入的情况下发生电化学腐蚀| 6 1 1 1 9 l 。 己有研究者采用渗透性指标定性地评价混凝土的护筋性能，其结果见表1 1 表1 1混凝土护筋质量与c l 一渗透性指标的关系 氯离子的侵入是诱发钢筋锈蚀的又一个重要因素。氯盐引起的钢筋锈蚀，在 世界范围内对钢筋混凝土基础设施等造成极大破坏，修复花费巨大，已经是一个 经济问题和影响可持续发展的大问题。当氯离子侵蚀至钢筋表面，且含量超过临 界值时，造成局部钝化膜溶解，在水和氧气的存在下诱发钢筋的电化学腐蚀。 1 2 2 5 硫酸盐侵蚀与渗透性 硫酸盐侵蚀的结果是硫酸盐与水泥中的含铝相、含钙成分，或者早期生成的单 硫型水化硫铝酸盐反应，生成体积膨胀的钙矾石，当还有c 0 3 2 存在并处于高湿度 的低温下，硫酸盐还会继生成钙矾石后侵蚀和分解水泥的主要水化物c s h ， 生成硅灰石膏，从而破坏混凝土。其侵蚀的必要条件是水能进入混凝土中，所以 抗硫酸盐侵蚀的性质与混凝土的渗透性有关1 6 1 1 ”1 1 1 9 1 。 1 2 3 小结 影响混凝土耐久性的各种破坏过程都与水有密切的关系，因此，混凝土的抗渗 性被认为是评价混凝土耐久性的重要指标。混凝土材料的腐蚀主要是由于侵蚀性 介质的侵入，而渗透性决定了侵蚀性介质进入混凝土内部的速度，是影响混凝土 耐久性最重要的因素。因此我们可以利用渗透性指标评价其耐久性 混凝士抗渗性能及检验方法研究 1 3 混凝土的渗透性的评定指标与试验方法 1 3 1 混凝土的渗透性的评定指标 混凝土是孔径各异的多孔体，当其周围介质有压力差( 或浓度差、电位差、温 度差等) 时，就会有服从流体动力学规律的介质迁移，即渗透。混凝土渗透性的高 低反映了气体、液体或离子等介质在其中扩散、迁移的难易程度 7 , 2 7 1 。 研究混凝土渗透性的手段一般有：测量流过试样的介质，而使某一容器内压力 改变( 升高或降低) ：保持试样两端工作压力差恒定，测量在规定的时间内流过介质 的量，或在规定的体积流过的时间；以工作压力作梯度变化，测量混凝土的渗透 性等【3 5 1 。 1 3 2 混凝土的渗透性的试验方法 现有的混凝土渗透性试验方法很多。现将其归为几类并对各类中有代表性的试 验方法进行分析和讨论 1 3 2 1 透水法 我国标准的混凝土渗透性试验方法属于此类 6 1 ，并进一步分为“抗渗标号法”， “渗透系数法”及“渗水高度法”。 1 抗渗标号法” 这是我国目前采用的抗渗指标。以上口直径为1 7 5 m m ，下口直径为1 8 5 m m ， 高1 5 0 m m 圆台形试件或上下直径与高均为1 5 0 r a m 的圆形试件，一组6 个，从试件 底部施加0 2 m p a 水压开始试验，每隔8 小时增加水压o i m p a , 以每组6 个试件中 4 个未发现有渗水现象时的最大水压计算混凝土的抗渗标号。其抗渗标号按下式计 算： p = - i o h 一1 式中：卜混凝土的抗渗标号； h _ 一第三个试件顶面开始有渗水时的水压( m p a ) 。 混凝土抗渗标号分级为p 2 ，p 4 ，p 6 ，p 8 ，p i o ，p 1 2 等。抗渗标号法的优点是简便、 直观，但是抗渗标号法也存在着一些不大实用和不尽合理的问题： ( 1 ) 按抗渗标号的分级来评定棍凝土的渗透性，不能确切的反映出混凝土的 渗透性能，同一数量级下的渗透系数，其混凝土抗渗标号有较大的差异，特别是 抗渗标号较高时，差异较大。 ( 2 ) 混凝土抗渗标号不便于在水工建筑物上使用，也难以将现场的压水结果 与之联系。目前，国内外对坝体混凝土渗透性的检查，仍沿用钻孔压水的方法， 并据此算出坝体混凝土的渗透系数。 ( 3 ) 混凝土的抗渗标号不能直接用于混凝土结构设计上的透水性计算。 ( 4 ) 由于渗透还与渗透时间有关，时间越久，渗透深度与渗透量也随之增加， 而抗渗标号则未能反应。 ( 5 ) 由于混凝土的渗透性还与龄期有关，投入使用的混凝土建筑物使用年限 越久，其抗渗标号也随之降低。 2 ，渗透系数法“町 混凝土的渗透性，可用相对渗透系数评定，可分为渗透高度法与渗水量法。 渗透高度法以l o 个测点处渗水高度的算术平均值作为该试件的渗水高度。然 后计算6 个试件的渗水高度的算术平均值，作为该组试件的平均渗水高度。根据 试验所的渗水高度的大小，相对比较混凝土的密实性。 渗水量法反映了混凝土的吸收的水和渗透的水，通过渗水量及时间计算渗透系 数，以一组六个试件渗透系数的算术平均值作为渗透系数的试验结果，相对渗透 系数按下式计算： 驴羔 式中t 也相对渗透系数( n n n h ) ； q 渗水量( 啪3 ) ； 彳被测试件水施压面积( 皿o ； 日水压力，以水柱高度表示( m m ) ； 丁恒压经过时间( h ) ； 口混凝土吸水率( ) 。 相对渗透系数比抗渗标号更合理。相对渗透系数( 渗水高度法) 适用于渗透性 较低的混凝土，相对渗透系数( 渗水量法) 适用于渗透性较高的混凝土。 1 3 2 2 透气法 透气法测试混凝土渗透性的形式很多，现以图1 1 说明透气法的试验原理【拍】。 混凝土抗渗件能及检验方法研究 橡 胶 环 图1 1 透气性渗透性试验 试 件 实验前将试件烘干至恒重，试验时( 1 ) 将气室抽空或注入气体至一定压强p 1 ； 记下时间t1 ；( 2 ) 当压强变为p 2 ( 自定) 时读时间t 2 ，或者当t 2 - - - t l + “自定) 读p 2 ：( 3 ) 重复以上( 1 ) ( 2 ) 步，直至压强变化率为恒定时，以此计算混凝土的渗透系数。 该法的优点是快而方便；缺点是受干燥温度影响较大，同时干燥混凝土与实际 工作状态相差较远。因为混凝土通常含水，该水包括自由水、吸附水、层间水、 结晶水及结构水，他们的活性不同且与混凝土的内部结构及化学组成有关。干燥 温度太低时，需干燥时间长且难以达到除尽自由水和吸附水的目的；温度太高， 失去层间水以至结晶水和结构水，使混凝土破坏，试验结果失真。 1 3 2 3c 广离子渗透法 将试件浸没于含c 1 离子的水池中的传统氯池浸泡法属于此类。近年来，以在 试件两侧形成c l 嗽度差的实验方法较为多见，试验简图如图1 2 所示。c r 离子 只从试件的一个表面向内部渗透。实践中应用饱和溶液，以模拟混凝土的孔溶液 化学成分。 按图1 2 试验一定时间后，取下试件，烘干，在暴露c l - 面侧向试件内部方向 顺序切取薄片，在各片上进行取样。磨细，分析等工序，确定各片上的c r 离子量， 从而获得原试件沿c l _ 离子渗透方向上的离子含量梯度，以此计算渗透系数。 密封胶试件 f7 迎：1新 ii _ ， _ 含一定c 1 一浓度的 c a ( o i l ) 2 饱和溶液 c a ( o h ) 2 饱和 徽 凸 - i ii i 图1 2c i 寡子渗透性试验 该法优点是与实际情况相似；缺点是所需时间太长，一般至少要几十天至几个 月。对于低渗透性混凝土，所需时间更长。而且，当离子渗入深度很小时，由于 可利用的切片数目太少，试验结果误差增大。同时，该法的实验过程比较复杂。 1 3 2 4 通电方法 对混凝土电性能方面的研究，只在5 0 6 0 年代才有确定的成果i s - s o l 研究结果 表明，混凝土的电阻率与混凝土的湿度、所用胶凝材料种类、龄期、拌合用水含 盐量等因素有关。8 0 年代之后，大量文献报导了如何精确测量混凝土的电阻值( 或 电导) ，以及电阻值与混凝土组成材料及宏观性能( 如强度，渗透性) 之间的关系。 近期许多研究者则通过对混凝土的阻抗研究，揭示混凝土的凝结硬化进程及其微 观结构。 总体说，用通电方法测量混凝土的渗透性可分如下几种： 1 ，直流电量法及其改进 该法是w l l i t i n g 研究提出的伫川，后来被美国两个标准a a s h t ot 2 7 7 8 3 和 a s t mc 1 2 0 2 9 1 所采用，并已成为当前国际上最有影响的混凝土渗透性试验方法 1 $ 4 0 l ，试验示意图如图1 3 。 试验前试件先在真空下饱水，再经侧面密封及密封安装到试验箱上；试验中每 隔3 0 分钟记录一次电流，持续试验6 小时；以计算6 个小时中通过的总电量评定 混凝土的渗透性，如表1 2 混凝土抗渗件能及榆验方法研究 图1 3 直流电量法装置示意图 3 2 5 l 一直流稳压电源；2 - - 试验槽；3 - - 铜网；4 - - 混凝土试件；5 - - 3 0 n a c i 溶液； 6 - - 0 1 3m o l n a o h 溶液；7 - - lq 标准电阻；8 一直流数字式电压表 表1 2 混凝土通过的电量与c i - 渗透性的关系 混凝土通过的电量( 库仑)c i 离子的渗透性 4 0 2 0 0 0 4 咖 1 0 0 0 2 0 1 0 0 1 0 1 0 0 高 由 低 非常低 可忽略 a a s h t o 他7 7 和a s t m c l 2 0 2 方法目前应用最广，其优点是快和可大致反映 一般混凝土的渗透性；其缺点也很突出，遭到越来越多的批评，如 ( 1 ) 使用6 0 v 高电压，发生极化反应，使溶液温度升高，影响试验结果，而 且对高渗透性混凝土有时不得不中断试验； ( 2 ) 测量结果是在非稳定下获得的，不能说明混凝土的渗透性； ( 3 ) 测量值是总体离子运动的结果，而非c l - 运动，不能称为c r 离子渗透性；- ( 4 ) 孔溶液的化学成分影响测量结果； ( 5 ) 试件的真空饱水及密封处理复杂针对如上6 0 v 高电压引起的问题，z h a a g 等改用1 2 v 电压，相应的，将试验时间从6 小时改为3 0 小时。他们的假设前提是： 应用6 0 v 电压6 小时时间通过的电量与应用1 2 v 电压3 0 小时试件通过的电量相等。 如此，由6 0 v 高电压引起的问题得到了一定程度的解决( 仍然有极化反应，仍 有温度升高) ，但试验时间却大大延长了，而其他问题仍没有改变。赵铁军用交流 阻抗法评价混凝土渗透性，并通过实验确定了使用该方法的参数：电压l v ，频率 1 0 0 0 h z ，在试件两端注入3 的n a c l 溶液，实验环境温度为2 0 3 ，在注液 后2 0 m i n 内测定混凝土的交流阻抗。该方法比a s t mc 1 2 0 2 的方法简便快捷，避 免了高电压的影响，可大致地评价混凝土的渗透性。 2 ，氯离子扩散系数的测定方法，n e r s t e i n s t e i n 方程 目前氯离子扩散系数的测定方法主要有两类，即“自然扩散法”和“电迁移法”。 “自然扩散法”是将混凝土长时间浸泡于含氯的盐水中，再通过切片或钻取芯 样，用化学分析的方法得到氯离子浓度与扩散距离的关系，然后利用f i c k 第二定 律计算出氯离子扩散系数。 “电迁移法”是先通过施加电场来加速氯离子在混凝土中的迁移，缩短氯离子 达到稳态传输过程的时间，然后结合化学分析，通过测定氯离子浓度距离一时 间曲线，利用描述电迁移过程的n 睨n s t - p l a n k 方程来确定氯离子扩散系数。 n e r s t - e i n s t e i n 法( 简称n e l 法) 的实验装备如图1 4 。 ” 试样饱盐 电导率嬲置 图1 4n e l 法实验装置示意 3 氯离子扩散系数陕速测定法的r c m 法 快速测定法的r c m 法，其原理是部电势沿轴向通过试件，推动试件外部氯离 子向内部迁移，持续一定时间后，将试件沿轴向劈开，用硝酸银溶液喷在新劈开 的断面上，此时可以通过可见的白色氯化银沉淀测量氯离子渗透深度。根据氯离 混凝土抗渗性能及检验方法研究 子渗透深度计算非稳态的氯离子迁移系数。r c m 测定仪如图1 5 。 ( 内径 1 2 0 ， 图1 5r 删测定仪示意图 r c m 试验方法适用于骨料最大粒径不大于2 5t o n i ( 一般不宜大于2 0m m ) 的 试验室制作的或者从实体结构取芯获得的混凝土试件。此方法测定的氯离子扩散 系数表示的是材料抵抗氯离子渗透的能力，试验数据可以用