混凝土渗透性的测试 

随着混凝土技术的进步，混凝土制备的可变因素越来越多。各种矿物细掺料和高性能减水剂作为基本材料组分，更增加了混凝土耐久性影响因素的复杂性。金伟良、赵羽习等把混凝土结构的耐久性分为环境、材料、构件和结构四个层次。尽管影响因素很多，但归根结底，这些因素影响着混凝土的两个重要的基本特性，即渗透性和强度。 

混凝土是一种多相的、不均质的、多孔的复合体系，当其相对的表面存在压力、浓度和电位差时，就会发生物质的迁移。随着水工工程的发展，20世纪30年代，人们开始关注混凝土的渗透性。由于水工结构诸如大坝、水渠、涵管，以及海底隧道等，一旦抗渗性能不能满足要求，就会造成污染、渗漏等工程事故。 

20世纪80年代，由于混凝土耐久性问题日益为人们所关注，混凝土的抗渗性能也越来越受到人们的重视。我国也是从这时开始研究混凝土的碳化与钢筋锈蚀问题。混凝土的渗透性能与其耐久性有密切的关系：抗渗性能好的混凝土具有好的密实性、好的抗碳化能力、好的抵抗钢筋锈蚀能力以及抗冻性等。 

渗透性能对耐久性的影响程度取决于两个因素：内部因素和外部因素。内部因素是指混凝土的材料组成和结构特征。外部因素是指混凝土所处的使用环境。通过提高混凝土的抗渗性能来提高混凝土的耐久性，可以从内、外两个因素入手。内部因素可以通过合理的配合比设计以及适当的制作工艺来实现。

外部因素是客观存在的，提高渗透性的关键是在于减少混凝土对侵蚀性介质的易感组份，提高混凝土的密实性。 

高性能混凝土是按耐久性设计的混凝土，具有优异的耐久性能而区别于普通混凝。而实际工程中的混凝土往往是受环境中的水、气体以及侵蚀性介质的侵入而使其劣化的。

产生这种劣化作用需要内外两个因素，内部因素是混凝土的成份和结构，外部因素是环境中侵蚀性介质和水的存在。必要条件是外部侵蚀性介质和水能够逐步渗透到混凝土内部。随着混凝土应用领域的不断扩大，以及向恶劣环境中的延伸，避免混凝土劣化的外部条件是不可能的，也是不明智的。为此有必要从内部因素入手提高混凝土的耐久性能。也就是当混凝土劣化的外部条件存在时，使混凝土不产生原始裂缝，混凝土硬化后体积稳定不产生收缩裂缝，同时改善混凝土的成份和结构，减少易受腐蚀的组分，从根本上提高混凝土的抗侵蚀性能。 

渗透性是混凝土耐久性的最重要标志，是混凝土耐久的第一道防线，只有提高混凝土的抗渗性，做到“百毒不侵”，混凝土才能达到真正的耐久。只有对高性能混凝土的抗渗性进行深入的研究，了解渗透机理，才能对在役钢筋混凝土结构进行耐久性评定和剩余寿命预测，而且还可以用来对新建项目进行耐久性预测，对提高工程的设计水平和提高建筑物的使用寿命具有重要意义。 

混凝土的渗透性，笼统地说是指气体、液体或离子受压力、化学势或电场作用在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度。常用的混凝土渗透性测试方法有:透水法、透气法、氯池浸泡法及电量法等。 当今的混凝土设计己经由过去的强度设计逐步转换到耐久性设计上来，强度高的混凝土未必耐久性好。而耐久性失效带来的损失又是巨大的，为此有必要对混凝土的耐久性进行评价。渗透性作为耐久性的一个方面，是影响耐久性好坏的一个重要指标。可以说，抗渗性能高的棍凝土具有较高的耐久性。 混凝土的渗透性，笼统地说是指气体、液体或离子受压力、化学势或电场作用在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度。常用的混凝土渗透性评价主要有液体渗透法、气体渗透法和导电法。但每种方法都有不同程度的缺陷。 

 一、透水法 

我国标准的混凝土渗透性试验方法属于此类，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175mm，下口直径为185mm，高150mm圆台形试件或上下直径与高均为150mm的圆形试件，一组6个，从试件底部施加0.2MPa水压开始试验，每隔8小时增加水压0.IMPa，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=10H一l 

式中：P——混凝土的抗渗标号； 

H——第三个试件顶面开始有渗水时的水压(MPa)。 

混凝土抗渗标号分级为P2，P4，P6，P8， P10，P12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： 

(l)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

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 

    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10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：22q2aTHA

QKº 式中:Kq——相对渗透系数(mm/h)；          Q——渗水量(mm3)； 

         A——被测试件水施压面积(mm2)； H——水压力，以水柱高度表示(mm)；          T——恒压经过时间(h)；          a——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。 

二、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。

 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P1；记下时间t1；(2)当压强变为P2(自定)时读时间t2，或者当t2=t1+t(自定)读P2；(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。 

三、CI-离子渗透法 

    将试件浸没于含Cl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Cl-浓度差的实验方法较为多见，试验简图如图1.2所示。Cl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。 试验一定时间后，取下试件，烘干，在暴露Cl-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C1离子量，从而获得原试件沿C1离子渗透方向上的离子含量梯度，以此计算渗透系数。

 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。 

四、通电方法 

    对混凝土电性能方面的研究，只在50-60年代才有确定的成果，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。80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Whiting研究提出的，后来被美国两个标准AASHTO T277-83和ASTM C 1202-91所采用，并己成为当前国际上最有影响的混凝土渗透性试验方法，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30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，

直流电量法装置

1—直流稳压电源；2—试验槽；3—铜网；4—混凝土试件；5—3.0%NaC1溶液；

AASHTO T277和ASTM C 1202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60v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C1-运动，不能称为C1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60v高电压引起的问题，Zhang 等改用12v电压，相应的，将试验时间从6小时改为30小时。他们的假设前提是：应用60v电压6小时时间通过的电量与应用12v电压30小时试件通过的电量相等。 

    如此，由60v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1V,频率1000Hz，在试件两端注入3%的NaCl溶液，实验环境温度为20℃士30℃，在注液后20min内测定混凝土的交流阻抗。该方法比ASTM C1202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，Nerst-Einstein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Fick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一距离一时间曲线，利用描述电迁移过程的Nernst-Plank方程来确定氯离子扩散系数。Nerst-Einstein法(简称NEL法)的实验装备3、氯离子扩散系数快速测定法的RCM法 

快速测定法的法，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。根据氯离子渗透深度计算非稳态的氯离子迁移系数。RCM测定仪RCM试验方法适用于骨料最大粒径不大于25 mm(一般不宜大于20 mm)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，试验数据可以用于混凝土施工时的配合比设计和混凝土质量检验的评定依据，也可按DuraCrete提出的方法用于混凝土结构使用寿命的预测和评估。 

4、浓度盐溶液饱和的电导法 

为了克服ASTM C 1202方法孔溶液的化学成分影响试验结果的缺点，P.E.Streiche：提出了这种方法。实验前，试件先在50℃的烘箱中烘七天，再在真空条件下用SM的NaCl溶液浸泡5小时，并在实验室条件下继续浸泡18小时左右。测出混凝土试件两端的电压及通过的电流后，可计算混凝土的电导率。将混

凝土孔溶液看作为SM的NaCl溶液，由Nernst-Planck方程可得混凝土的渗透性。该方法存在两个问题：(1)对于某些低渗透性的混凝土，试件太厚将不能达到溶液饱和；件太薄，将有骨料穿透试件；(2)由于混凝土化学成分的变化可以引起孔溶液的总离子浓度变化超过1.5M，因此不能将混凝土的孔溶液看作是SM NaCl溶液。所以，该法的合理性及适用性值得怀疑。 

五、小结 

综上所述，尽管当前混凝土渗透性的试验方法很多，每种方法也各有优点和使用的条件，但是每种方法又都不同程度的存在一些缺点，并且这些方法都是在室内试验条件下进行的，无法真正运用于施工现场的测定。工程上使用的混凝土结构特别是像巷道、地下洞室、大坝、隧道衬砌和支护等混凝土工程在使用过程中长期受到侵蚀环境的影响，往往会造成不同程度的损坏，甚至是破坏，造成损坏和破坏的原因有内部的缺陷及组成材料的特性引起的。前者如气候的作用，极端温度的出现，磨蚀，天然或工业液体或气体的侵蚀等。后者如碱集料反应，硫酸盐反应，集料和水泥石热性能不同引起的热应力等，使得混凝土的各项性能指标包括渗透性都要逐渐降低，与前期在试验室内得到的结论不相符;另外混凝土的抗渗性能是一项长期性能，随着使用年限的延长，其抗渗能力要降低，这时候就不能用刚开始在实验室得到的混凝土的抗渗性能来反映使用后在某一时刻该混凝土的抗渗能力。