混凝土抗渗性能测试方法概述

本文由同济大学孙振平教授课题组蒋晓星整理

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1 前言

随着我国城镇化的不断推进,基础设施、公共建筑、办公住房等的建设更是紧锣密鼓地进行,而这些都离不开建筑材料的使用。混凝土材料作为一种主要的建筑材料,在建筑工程中得到了广泛的使用。而人们在混凝土结构的设计、选材、制作和养护等方面通常只重视提高强度而忽视了耐久性,从而为混凝土结构的正常使用埋下了许多安全隐患,并造成严重的不良结果。因此,提高混凝土耐久性变得尤为重要。

所谓混凝土耐久性,是指在结构使用过程中,在混凝土内部或外部的、人为或自然因素的作用下,混凝土保持自身工作能力的一种性能,或者是结构在使用设计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[1]

混凝土耐久性在很大程度上取决于其渗透性,渗透性是指气体、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。衡量的是混凝土抵抗各种介质入侵的能力。因此,开展混凝土渗透性的研究,无疑是其耐久性研究中不可缺少的一部分,对于混凝土耐久性的评价具有重要的现实意义。本文简要介绍了抗渗等级法、相对渗透系数法、电通量法、快速抗氯离子迁移系数法和气体渗透法等五种混凝土抗渗性能测试方法,并对这些进行优缺点比较。

2 测试方法

2.1 抗渗等级法(逐级加压法)

本方法通过逐级施加水压力进行测定,并以抗渗等级来表示混凝土的抗水渗透性能。试验步骤如下:

本方法通过逐级施加水压力进行测定,并以抗渗等级来表示混凝土的抗水渗透性能。

试验步骤如下:

(1)     按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)的规定对试件进行密封和安装。

(2)     试验时,水压从0.1MPa开始,以后应每隔8h增加0.1MPa水压,并应随时观察试件端面渗水情况。当6个试件中有3个试件表面出现渗水时,或加至规定压力(设计抗渗等级)8h6个试件中表面渗水试件少于3个时,可停止试验,并记录此时的水压力。在试验过程中,当发现水从试件周边渗出时,应按标准进行重新密封。

混凝土的抗渗等级应以每组6个试件中有4个试件未出现渗水时的最大水压力乘以10来确定。混凝土抗渗等级应按下式计算:

P=10H-1                                         (1)

式中:P—混凝土抗渗等级;

          H6个试件中有3个试件渗水时的水压力(MPa)

2.2 相对渗透系数法

《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)中,混凝土相对抗渗性试验采用一次加压法,即将抗渗仪水压力一次加到0.8MPa,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。

相对渗透系数的计算式为:

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式中:K—用渗透高度法测得的渗透系数,cm/s

m—混凝土的孔隙率,一般为0.03

Dm—平均渗水高度,cm

t—渗透时间,s

  H—水头高度,cm

其中,颜承越[2]通过试验得出平均渗透高度与最大渗透高度的关系为:

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理论上,Dmt1/2成正比,但由于水泥溶出物等的影响,吴绍章[3]经过反复试验,得出的结果是与t3/7成正比。若令α=t3/7,则(2)式应改为:

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由此可知,根据已知具有某一渗透系数的混凝土,可推求出所能渗透的深度,或根据允许的渗透深度,要求该混凝土相应的抗渗能力。而这些均能同建筑物的使用年限联系起来,也便于将现场的检测结果与室内试验统一起来。

此外,通过对压力水在混凝土中的渗透与时间及压力关系的研究发现,在一定压力下,随着时间的变化,吸水量增长率逐渐减小,其值主要取决于前1h,并且在6h后增长极为缓慢;而水压力与渗透高度呈近似线性的关系,且混凝土的渗透高度随压力增加呈增长的趋势。另外,混凝土的渗透高度随强度的增加或水胶比的降低而逐渐变小,这反映了不同强度混凝土之间渗透性的差异。随着强度的增加,混凝土变得更加密实,内部的毛细孔及渗水通道变得越来越少,抗渗性也变得越来越好。所以水压法对于不同强度混凝土的渗透性也有较好的区分度[4]

2.3 电通量法

本方法适用于测定以通过混凝土试件的电通量为指标来确定混凝土抗氯离子渗透性能。本方法不适用于掺有亚硝酸盐和钢纤维等良导电材料的混凝土抗氯离子渗透试验。

电通量试验装置应符合图1的要求,并应满足现行行业标准《混凝土氯离子电通量测定仪》JG/T 261的有关规定。

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1 电通量试验装置示意图

1—直流稳压电源;2—试验槽;3—铜电极;4—混凝土试件;53.0%NaCl溶液;60.3mol/L NaOH溶液;7—标准电阻;8—直流数字式电压表;9—试件垫圈

试验步骤如下:

(1)     电通量试验应采用直径(100±1)mm,高度(50±2)mm的圆柱体试件。试件的制作、养护应符合标准的规定。当试件表面有涂料等附加材料时,应预先去除,且试件内不得含有钢筋等导电材料。试件在移送试验室前,应避免冻伤或其他物理伤害。

(2)     电通量试验宜在试件养护到28d龄期进行。对于掺有大掺量矿物掺合料的混凝土,可在56d龄期进行试验。应先将养护到规定龄期的试件暴露于空气中至表面干燥,并应以硅胶或树脂密封材料涂刷试件圆柱侧面,还应填补涂层中的孔洞。

(3)     电通量试验前应将试件进行真空饱水。应先将试件放入真空容器中,然后启动真空泵,并应在5min内将真空容器中的绝对压强减少至(1-5)kPa,应保持该真空度3h,然后在真空泵仍然运转的情况下,注入足够的蒸馏水或者去离子水,直至淹没试件,应在试件浸没1h后恢复常压,并继续浸泡(18±2)h

(4)     在真空饱水结束后,应从水中取出试件,并抹掉多余水分,且应保持试件所处环境的相对湿度在95%以上。应将试件安装于试验槽内,并应采用螺杆将两试验槽的端面装有硫化橡胶垫的试件夹紧。试件安装好以后,应采用蒸馏水或者其他有效方式检查试件和试验槽之间的密封性能。

(5)     检查试件和试件槽之间的密封性后,应将质量浓度为3.0%NaCl溶液和摩尔浓度为0.3mol/LNaOH溶液分别注入试件两侧的试验槽中,注入NaCl溶液的试验槽内的铜网应连接电源负极,注入NaOH溶液的试验槽中的铜网应连接电源正极。

(6)     在正确连接电源线后,应在保持试验槽中充满溶液的情况下接通电源,并应对上述两铜网施加(60±0.1)V直流恒电压,且应记录电流初始读数I0。开始时应每隔5min记录一次电流值,当电流值变化不大时,可每隔10min记录一次电流值;当电流变化很小时,应每隔30min记录一次电流值,直至通电6h

(7)     当采用自动采集数据的测试装置时,记录电流的时间间隔可设定为(5-10)min。电流测量值应精确至±0.5mA。试验过程中宜同时监测试验槽中溶液的温度。

(8)     试验结束后,应及时排出试验溶液,并应用凉开水和洗涤剂冲洗试验槽60s以上,然后用蒸馏水洗净并用电吹风冷风档吹干。

(9)     试验应在(20-25)℃的室内进行。

试验过程中或试验结束后,应绘制电流与时间的关系图。应通过将各点数据以光滑曲线连接起来,对曲线作面积积分,或按梯形法进行面积积分,得到试验6h通过的电量(C)。每个试件的总电通量可采用下列简化公式计算:

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式中:Q—通过试件的总电通量(C)

           I0初始电流(A),精确到0.001A

           It在时间t(min)的电流(A),精确到0.001A

计算得到的通过试件的总电通量应换算成直径为95mm试件的电通量值。应通过将计算的总电通量乘以一个直径为95mm的试件和实际试件横截面积的比值来换算,换算可按下式进行:

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式中:Qs通过直径为95mm的试件的电通量(C)

           Qx通过直径为x(mm)的试件的电通量(C)

           x—试件的实际直径(mm)

每组应取3个试件电通量的算术平均值作为该组试件的电通量测定值。当某一个电通量值与中值的差值超过中值的15%时,应取其余两个试件的电通量的算术平均值作为该组试件的试验结果测定值。当有两个测值与中值的差值都超过中值的15%时,应取中值作为该组试件的电通量试验结果测定值。

2.4 快速抗氯离子迁移系数法(RCM)

本方法适用于以测定以氯离子在混凝土中非稳态迁移的迁移系数来确定混凝土抗氯离子渗透性能。

试验步骤如下:

(1)     首先应将试件从养护池中取出来,并将试件表面的碎屑刷洗干净,擦干试件表面多余的水分。然后应采用游标卡尺测量试件的直径和高度,测量应精确到0.1mm。应将试件在饱和面干状态下置于真空容器中进行真空处理。应在5min内将真空容器中的气压减少至(1-5)kPa,并应保持该真空度3h,然后在真空泵仍然运转的情况下,将用蒸馏水配置的饱和氢氧化钙溶液注入容器,溶液高度应保证将试件浸没。在试件浸没1h后恢复常压,并应继续浸泡(18±2)h

(2)     试件安装在RCM试验装置前应采用电吹风冷风档吹干,表面应干净,无油污、灰砂和水珠。

(3)     RCM试验装置的试验槽在试验前应用室温凉开水冲洗干净。

(4)     试件和RCM试验装置(2)准备好之后,应将试件装入橡胶套内的底部,应在与试件齐高的橡胶套外侧安装两个不锈钢环箍(3),每个箍高度应为20mm,并应拧紧环箍上的螺栓至扭矩(30±2)N·m,使试件的圆柱侧面处于密封状态。当试件的圆柱曲面可能有造成液体渗漏的缺陷时,应以密封剂保持其密封性。

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2 RCM试验装置示意图

1—阳极板;2—阳极溶液;3—试件;4—阴极溶液;5—直流稳压电源;6—有机硅橡胶套;7—环箍;8—阴极板;9—支架;10—阴极试验槽;11—支撑头

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3 不锈钢环箍(mm)

(5)     应将装有试件的橡胶套安装到试验槽中,应安装好阳极板。然后应在橡胶套中注入约300mL浓度为0.3mol/LNaOH溶液,并应使阳极板和试件表面均浸没于溶液中。应在阴极试验槽中注入12L质量浓度为10%NaCl溶液,并应使其液面与橡胶套中的NaOH溶液的液面齐平。

(6)     试件安装完成后,应将电源的阳极(又称正极)用导线连接至橡胶筒中阳极板,应将阴极(又称负极)用导线连至试验槽中的阴极板。

电迁移试验应按下列步骤进行:

(1)     首先应打开电源,将电压调整到(30±0.2)V,并应记录通过每个试件的初始电流。

(2)     后续试验应施加的电压(1第二列)应根据施加30V电压时测得的初始电流值所处的范围(1第一列)决定。应根据实际施加的电压,记录新的初始电流。应按照新的初始电流值所处的范围(1第三列),确定试验应持续的时间(1第四列)

(3)     应按照温度计或者电热偶的显示读数记录每一个试件的阳极溶液的初始温度。

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(4)     试验结束时,应测定阳极溶液的最终温度和最终电流。

(5)     试验结束后应及时排除试验溶液,应用黄铜刷清除试验槽的结垢或沉淀物,并应用饮用水和洗涤剂将试验槽和橡胶套冲洗干净,然后用电吹风的冷风档吹干。

氯离子渗透深度测定应按下列步骤进行:

(1)     试验结束后,应及时断开电源。

(2)     断开电源后,应将试件从橡胶套中取出,并应立即用自来水将试件表面冲洗干净,然后应擦去试件表面多余水分。

(3)     试件表面冲洗干净后,应在压力试验机上沿轴向劈成两个半圆柱体,并应在劈开的试件断面立即喷涂浓度为0.1mol/LAgNO3溶液显色指示剂。

(4)     指示剂喷洒约15min后,应沿试件直径断面将其分成10等份,并应用防水笔描出渗透轮廓线。

(5)     然后应根据观察到的明显的颜色变化,测量显色分界线(4)离试件底面的距离,精确至0.1mm

(6)     当某一测点被骨料阻挡,可将此测点位置移动到最近未被骨料阻挡的位置进行测量。当某测点数据不能得到,只要总测点数多余5个,可忽略此测点。

(7)     当某测点位置有一个明显的缺陷,使该点测量值远大于各测点的平均值,可忽略此测点数据,但应将这种情况在试验记录和报告中注明。

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4 显色分界线位置编号

 1—试件边缘部分;2—尺子;A—测量范围;L—试件高度

(8)     试验结果计算及处理应符合下列规定:

A. 混凝土的非稳态氯离子迁移系数应按下式进行计算:

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式中:DRCM混凝土的非稳态氯离子迁移系数,精确到0.1×10-12m2/s

          U—所用电压的绝对值(V)

          T—阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值()

          L—试件厚度(mm),精确到0.1mm

          Xd氯离子渗透深度的平均值(mm),精确到0.1mm

    t—试验持续时间(h)

B. 每组应以3个试样的氯离子迁移系数的算术平均值作为该组试件的氯离子迁移系数测定值。当最大值或最小值与中间值之差超过中间值的15%时,应剔除此值,再取其余两值的平均值作为测定值;当最大值和最小值均超过中间值的15%时,应取中间值作为测定值。   

2.5 气体渗透法

透气法测试混凝土渗透性能的步骤如下:

(1)     将试件烘干至恒重;

(2)     将空气抽空或注入气体至一定的压强P1,记下试件t1

(3)     当压强变为P2(自定)时,或当t2=t1+t(自定,如取t=120s),读P2

(4)   重复以上的(2)(3)步,直到压强变化率为恒定时,以此计算混凝土的渗透系数。试验原理如图5

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5 气体渗透法试验原理图

3 各方法优缺点比较

在上一节简单介绍了五种用于测试混凝土抗渗性能的方法。各种方法虽然使用的测试仪器不同,但目的都是为了评价混凝土的抗渗性能,从而可借此对混凝土的耐久性进行评价和预测。下面就以上五种测试方法的优缺点进行比较。

3.1 抗渗等级法

(1)     按抗渗等级的分级来评定混凝土的渗透性,不能确切地反映出混凝土的渗透性能,同一数量级下的渗透系数,其混凝土抗渗等级有较大的差异,特别是抗渗标号较高时,差异较大。

(2)     混凝土抗渗等级不便于在水工建筑物上使用,也难以将现场的水压情况与之联系。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)     混凝土的抗渗等级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,而抗渗等级则未能反应。

3.2 相对渗透系数法

相对渗透系数比抗渗等级更合理。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。

3.3 电通量法

(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Cl-运动,不能称为Cl-离子渗透性。

(4)     孔溶液的化学成分影响测量结果[5]

3.4 抗氯离子渗透迁移系数法

RCM试验方法适用于骨料最大粒径不大于25mm(一般不宜大于20mm)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。

3.5 气体渗透法

该法的优点是快捷方便,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。因为混凝土通常含有水分(包括自由水、吸附水、层间水、结晶水及结构水),他们的活性不同而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,又会失去层间水以至结晶水和结构水,使混凝土内部结构破坏,试验结果失真[5,6]

4 结语

混凝土耐久性一直以来都是材料设计者和建筑设计师们关注的焦点问题,因为这最直接关系到人们生活和生产的安全问题。作为评价耐久性的主要措施,抗渗性能测试方法的研究也就变得尤为重要。良好的评价方法应当是综合且客观的,能从试件的特性推知由试件本体构成的建筑物或构筑物的特性与性能。而就目前各种抗渗测试方法来看,主要存在着脱离实际、不够全面、定性不完善等问题,进而阻碍了混凝土抗渗性能研究的步伐。因此,未来在抗渗测试方法的研究上,应该向全面化、体系化、科学化等方向发展,以开发出具有说服力和更具代表性的测试方法,推动我国混凝土事业的发展。

参考文献

[1] 陈太平, 温晓尉, 孙媛媛. 混凝土抗渗性测试研究综述[J]. 黄河水利职业技术学院学报. 2009, 78(1): 38-40.

[2] 颜承越. 混凝土渗透系数与抗渗标号的换算[J]. 混凝土. 1993, (3): 18-20.

[3] 吴绍章. 混凝土抗渗性及其评定方法[J]. 水利水运科学研究. 1994, (3): 267-277.

[4] 杨钱荣, 朱蓓蓉. 混凝土渗透性的测试方法及影响因素[J]. 低温建筑技术. 2003, (5): 7-10.

[5] 徐宝维. 混凝土抗渗性能及检验方法研究[D]. 甘肃: 兰州理工大学, 2007.

[6] 张国荣, 韩依璇, Skoczylas F, Agostini F, 赵亮. 混凝土气体渗透性测试技术研究[J]. 硅酸盐通报. 2015, (S1): 116-122.

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