水泥基材料：混凝土渗透性

混凝土的渗透性影响混凝土耐久性的各种破坏过程都与水有关，因此混凝土的渗透性是评价混凝土耐久性的重要指标。材料的渗透性在材料的两个相对表面，当压力、浓度或电位等有差异时，就有物质从压力（浓度等）高的方向向压力（浓度等）低的方向迁移的过程。在压力差的作用下发生的物质迁移称为渗透；在浓度差的作用下发生的物质迁移称为扩散。材料的渗透性是材料的特性，用于衡量多孔固体中液体流动速度的一种性质。对于稳定流动，渗透系数K由达西定律描述：dq/dt为液体流动的速率η为液体的粘度ΔP为压力梯度A为毛细孔表面积l为固体厚度r为材料中毛细孔的半径多孔材料的毛细孔半径r与孔隙率ε及其组成材料的颗粒的比表面积A0有关：由此，材料的渗透系数k：比例系数渗透性反映材料本身的特性，与参与渗透的流体性质无关。但表征参数与流体性质有关。材料的毛细孔结构决定渗透的性质和程度。对于带变截面的连通毛细孔的多孔体，渗透性由连通渠道的最小直径所决定。气体和液体在混凝土中的渗透过程中无物相的变化，没有化学反应。混凝土渗透性测量方法压力水渗透法：直流电量法交流阻抗法氯离子扩散系数法现场结构混凝土的渗透性检测方法压力水渗透法压力水渗透法定性评价方法。只适用于低抗渗性的试件。测量水透过规定尺寸的混凝土试件所需的压力。与试验时间有关。试验压力并不代表混凝土的抗渗能力。抗渗试验劈开观察渗水高度抗渗等级大于S13直流电量法美国ASTMC1202采用的方法用于评价具有高密实性的混凝土的抗渗性。定性的分级评定方法。试件：Φ100mm50mm饱水混凝土块；正极：0.3molNaOH溶液；负极：3%NaCl溶液；60V直流电流通电6小时。记录这期间通过试件的电量。通过混凝土的电量与混凝土渗透性的关系存在问题

在电场和浓度差的驱使下发生的离子迁移，与纯粹的渗透有差距。 施加60V的高电压而产生极化反应，使溶液温度升高，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。 对于特低渗透性的混凝土误差加大。交流阻抗法采用1V，1000Hz的交流电流，试件两端采用3%的NaCl溶液，测定混凝土的交流阻抗。实验结果与ASTMC1202方法的结果有很好的相关性。同样是定性评价方法。实验结果受到混凝土孔溶液化学成分的影响。氯离子扩散系数测定方法扩散指一种介质在有浓度差而无压力差的条件下在另一种介质中传输的过程。用Fick定律描述。假定基质的成分和微结构是均匀的，传输介质与基质不发生反应。Fick定律Fick第一定律：描述与时间无关的稳定扩散状态。Fick第二定律：描述与时间有关的非稳定扩散状态。某种物质在另一种物质中的扩散性（用扩散系数表示）是这种物质的特性，但也反映第二种物质的结构性质。混凝土的渗透性可以通过氯离子在混凝土中的扩散系数来表征。扩散与渗透具有正比关系。可用扩散系数来表征混凝土的渗透性。测定方法：

自然扩散法 电迁移法计算方法：

Fick第二定律氯离子在混凝土中扩散时，扩散系数随扩散时间而变化，是非稳定扩散。Fick第二定律对于一维扩散上式的解为：erf(x)是余误差函数氯离子渗透池（固定水头）氯离子扩散池自然扩散法预先测定氯离子随时间和距离变化的离子扩散曲线，即可用上式计算离子的扩散系数。经典方法，比较接近实际情况。费时费力。CalculatedChlorideConcentrationinConcreteat50mmDepthafterVaryingExposurePeriodsinSeawater*MS-CONC:W/C=0.6,C=302KG/M3，8%SilicaFume**SPC-A:W/C=0.55,C=305KG/M3SLUMP=127MM基于Nernst-Einstein方程的电迁移法将混凝土看作固体电解质，则带电粒子i在混凝土中的扩散系数Di与其偏电导σi有关（Nernst-Einstein方程）： 如果知道粒子i的偏电导和浓度，则粒子i的扩散系数便可求出。假定粒子i的迁移数为1，则粒子i的偏电导等于混凝土的电导。测定由高浓度盐溶液饱和的混凝土的电导，即可由N-E方程近似计算氯离子在混凝土中的扩散系数。实际情况迁移数总小于1。现取1是偏于保守混凝土的扩散系数与混凝土渗透性的关系定性分级方法。在满足某些条件时，可由扩散系数估算混凝土的安全使用寿命非稳态迁移系数(RCM)法跨过试样在轴向施加外部电势，迫使外边的氯离子向试样中迁移。经一定的通电时间后，将试样沿轴向劈开，在一个新鲜的劈开表面上喷硝酸银溶液。然后可由可见的白色氯化银沉淀量测氯化物侵入的深度，并由此侵入深度计算氯化物迁移系数。

实验装置阴极电解液为10%NaCl溶液，阳极电解液为0.3NNaOH溶液。

氯化物侵入深度量测非稳态迁移系数计算其中混凝土中氯离子扩散系数：

T—温度（K）；h—试件高度（m）；xd—氯离子扩散深度（m）；t—通电试验时间（s）；透气法测量气体流过混凝土试件的流量。适用于高密实度、低渗透性的混凝土。氧气渗透装置Measures

airandwaterpermeabilitywaterabsorption(sorptivity)Canbeusedtotest

concretestructuresandproductsstonemasonrysurfacestreatedconcretesAutoclam混凝土渗透性测量仪由北爱尔兰Queen’sUniversity开发，已有商业化生产在待测表面固定一个钢环基本操作基本操作在钢环和混凝土表面间放置一密封垫圈

ProtectiveQuality

AutoclamAirPermeabilityIndex

(Ln(Pressure)/min)

Verygood

Good

Poor

Verypoor

<0.10

>0.10<0.50

>0.50<0.90

>0.90

ka(m2)=(API)0.8754x8.395x10-16

基本操作：气体渗透性测量气体压力随时间下降的程度经验式：

ProtectiveQuality

AutoclamSorptivityIndex

(m3/min0.5)x10-7

Verygood

Good

Poor

Verypoor

<1.30

>1.30<2.60

>2.60<3.40

>3.40

基本操作：水分吸收试验测量水量随时间下降的程度基本操作：水渗透性试验Permit:现场混凝土质量评价的氯离子渗透性测量仪内室注入离子溶液（NaCl），外室注入蒸馏水，通过在内、外室间施加电压，离子可由内室迁移至外室。离子到达外室（中性溶液）的速率通过测定外室的电导率来确定。一旦到达稳流状态，在外室中取样测定离子浓度。利用稳流态流量及Nernst-Planck方程，计算得到离子扩散率（或离子扩散系数）。

Permit:现场混凝土质量评价的氯离子渗透性测量仪FiniteElementAnalysisoftheFlowofChloridesinPERMITIonMigrationTest大约90%的电流流经表面下15mm。试验区中心约30mm厚的混凝土中的Cl离子浓度在试验结束后是相同的。即30mm厚的混凝土区域达到稳流状态。不同试验时长的氯离子流过区域基于Nernst-Planck公式确定渗透系数Dmig=JRTL/zFcE，m2/sJ=(V/A)x(dc/dt) [dc/dt稳流速率,mol/cm3.s;V外池体积,cm3;A平均作用面积,cm2] T=试验时的评均温度,K；R：气体常数

L=平均流动长度,=2.72cm z=价数,=1 F=法拉第常数=9.65x104c/mol c=溶液浓度,mol/cm3 E=直流外加电压,v测量装置安装方式影响混凝土渗透性的因素原材料、混凝土配合比和生产工艺流体的渗透性能、时间及其渗透条件表皮混凝土原材料、混凝土配合比和生产工艺胶凝材料：组成、细度、水化程度骨料：级配、粒形、杂质含量、表面粗糙度、孔隙率水胶比、浆骨比振捣程度、成型方法水灰比和骨料最大粒径对混凝土渗透性的影响水灰比决定着浆体内部毛细孔的体积、孔径和连通度。骨料最大粒径影响过渡区中的微裂纹的状态。粉煤灰减小氯离子扩散的作用养护方式的影响（C1202测量结果）养护方式7天60天渗透性评价温度匹配934.7C122.2C极低标准8204.2C233.7C极低实体结构钻芯120.8C极低砂率(%)：0.43水胶比(%)：0.41胶凝材料用量(Kg)：420矿物掺合料掺量(%)：40混凝土配合比坍落度：180±20mm流体的渗透性能、时间及其渗透条件介质种类（为什么常用氯离子？）稳定时间（稳定扩散——与时间无关，非稳定扩散——与扩散时间有关）浓度差测定的是什么性能？

扩散系数可用于寿命的预测。但利用所介绍的方法得到的扩散系数预测结构物寿命时，必须非常小心！氯离子引起混凝土内部钢筋锈蚀时的结构使用寿命预测

钢筋处Cl−浓度达到阈值时，钢筋开始锈蚀，当钢筋锈蚀深度达0.1mm时，会导致混凝土保护层开裂。将钢筋表面锈蚀深度达到0.1mm定义为使用寿命的极限状态。对于大掺量粉煤灰混凝土，取pH=13，略低于普通硅酸盐水泥混凝土的常规值（pH~13.5）氯离子引起混凝土内部钢筋锈蚀时的结构使用寿命预测计算中，将钢筋锈蚀的触发条件定为混凝土孔溶液中的氯离子浓度达到一个预定的限值。 [Cl−]cr/[OH−]=0.8混凝土孔隙溶液中自由氯离子的锈蚀浓度阈值为[Cl−]cr=35.5×0.8×10-1=2.84g/L。氯离子引起混凝土内部钢筋锈蚀时的结构使用寿命预测钢筋处Cl−浓度随时间的变化采用Fick第二定律进行测算：C0：混凝土中初始Cl−浓度，取为0；Cs：混凝土构件表面Cl−浓度（g/L），Dapp,c：表观的自由氯离子扩散系数（mm2/year）；t：时间（year）；d：保护层厚度（mm）。氯离子引起混凝土内部钢筋锈蚀时的结构使用寿命预测氯离子扩散系数可由RCM法或NEL法测定。对于抗渗性较好的大掺量矿物掺合料混凝土，可保守地取Dapp,c=1.0×10-12m2/s。钢筋表面锈蚀开始后，锈蚀电流密度可以按照下式进行估算：cf：混凝土内自由氯离子含量（kg/m3混凝土）T：热力学温度Rc：混凝土电阻率（Ωm）t：锈蚀时间混凝土内部不同深度处Cl−含