混凝土滲透性測試方法比較分析

吳曉梅

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

混凝土孔隙的數(shù)量及通透程度，是多孔材料滲透性的基本特性[1]，直接影響離子、液體和氣體對混凝土的侵蝕情況[2]，故混凝土滲透性成份衡量混凝土耐久性的重要指標(biāo)[3]。目前現(xiàn)場進(jìn)行滲透性能試驗(yàn)的方法有透水法、透氣法、電測法[4-5]等，且多為室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，對混凝土滲透性現(xiàn)場評價(jià)存在困難。

混凝土耐久性試驗(yàn)耗時(shí)費(fèi)力，隨著高性能混凝土發(fā)展，混凝土微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成份也隨之改變，傳統(tǒng)測試方法在現(xiàn)場檢測中適用性降低。因此學(xué)者們從不同角度，開展混凝土滲透性方法研究，力求得到快速、準(zhǔn)確反映混凝土滲透性變化情況，本文以混凝土滲透性作為耐久性指標(biāo)研究對象，通過介紹廣泛應(yīng)用的幾種滲透性測試方法[6]，總結(jié)分析各方法特點(diǎn)，為服役狀態(tài)下混凝土滲透性測試提供參考與借鑒。

1 室內(nèi)測試方法

1.1 水壓法

侵蝕性離子、可溶性氣體CO2和SO2以水為介質(zhì)入侵混凝土內(nèi)部，造成鋼筋銹蝕、凍融破壞等影響，混凝土具有較好的抗水性，即可認(rèn)為滿足抗?jié)B性。水壓法包括穩(wěn)態(tài)流動法、單級加壓滲透法、抗?jié)B標(biāo)號法[7]。

(1)穩(wěn)態(tài)流動法。該方法測試施壓液體透過混凝土的流量及流速，根據(jù)達(dá)西定律以滲透系數(shù)Kf表征滲透性，公式如(1)所示。

(1)

式中：Kf為滲透系數(shù)，cm/s；μ為液體的黏度，Pa·s；Q為液體流量，cm3/s；A為試件截面面積，cm2；t為液體穿透試件所用時(shí)間，s；d為試件高度，cm；H為水頭高度，cm。

(2)單級加壓滲透法。該法[8]采用一次加壓方式，恒壓24 h后劈開試件，測量液體穿過混凝土深度H，計(jì)算平均高度，利用公式(2)來評價(jià)混凝土的滲透性，多用于比較混凝土的滲透性。

(2)

式中：Kp為滲透系數(shù)，cm/s；d為平均滲透高度，cm；v為混凝土空隙率；t為恒定壓力時(shí)間(24 h),s；H為水頭高度，cm。

(3)抗?jié)B標(biāo)號法。我國標(biāo)準(zhǔn)中提出抗?jié)B標(biāo)號法[9]，試件采用高度為150 mm的圓臺(頂面直徑φ175 mm、底面直徑φ185mm)，或采用直徑和高度均為150 mm的圓柱體。試驗(yàn)從0.1 MPa開始施加，以每隔8 h增加0.1 MPa水壓的頻率增加，直至6個(gè)試件中有3個(gè)試件出現(xiàn)滲水，即可停止試驗(yàn)并記錄水壓。以6個(gè)試件中4個(gè)試件未出現(xiàn)滲水時(shí)的最大水壓作為混凝土抗?jié)B標(biāo)號，公式如(3)所示：

S=10H-1

(3)

式中：S為抗?jié)B等級；H為第3個(gè)試件頂面出現(xiàn)滲水時(shí)的水壓力，MPa。

從上述可知，穩(wěn)態(tài)流動法、單級加壓滲透法，抗?jié)B標(biāo)號法均無法準(zhǔn)確評估現(xiàn)場混凝土滲透性，水壓法評價(jià)高性能混凝土的滲透性也具有局限性。

1.2 氣壓法

氣體可替代水作為滲透介質(zhì)，有效避免由于水的作用導(dǎo)致混凝土腐蝕及物質(zhì)遷移等過程，可促使?jié)B透過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而測試出混凝土滲透性能[10]。

Kollek研究以O(shè)2為滲透介質(zhì)，提出Cembureau法[11]用以測定滲透系數(shù)， 1999年RILEM組織推薦Cembureau法為標(biāo)準(zhǔn)方法。同時(shí)，交通運(yùn)輸部規(guī)范《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)檢測技術(shù)規(guī)范》[12]，明確了氣體滲透性測試方法。王中平等學(xué)者也相繼提出改進(jìn)后氣體滲透系數(shù)裝置及測試方法[13]。該方法主要在恒定氣壓下，記錄通過試件的氣體流量，利用公式換算出滲透系數(shù)，此法具有測試速度快、精度高特點(diǎn)。Cabrereet[14]提出氣壓法不適用于含有硅灰的混凝土測試，試驗(yàn)步驟嚴(yán)格、程序復(fù)雜，現(xiàn)場實(shí)際操作還有存在一定難度。

1.3 電測法

氯離子可引起鋼筋銹蝕，引發(fā)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷。學(xué)者們在重點(diǎn)關(guān)注氯離子滲透性研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)利用溶液中的離子，在電場作用下可加快滲透速度，縮短試驗(yàn)時(shí)間，簡單、快速的測試出離子滲透性，且試驗(yàn)重復(fù)性較好，用來表征混凝土滲透性具有良好的測試效果，統(tǒng)稱為電測法。電測法具體可分為電量法、氯離子擴(kuò)散系數(shù)法、極限電壓法。

(1)電量法。主要依據(jù)ASTM C1202—2010混凝土抗氯離子滲透性能的電動指示試驗(yàn)方法[15]，具體試驗(yàn)方法為：成型養(yǎng)護(hù)28 d后的試件(直徑φ10 cm、厚5 cm)，在真空飽水后，安裝在銅網(wǎng)制成的電極試驗(yàn)水槽夾緊，水槽兩端分別注入含量3.0%的NaOH與0.3 mol/L的NaCl溶液，接入60 V直流電，每30 min記錄1次電流數(shù)據(jù)，得到累加6 h內(nèi)的直流電量數(shù)據(jù)，通過混凝土的滲透性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示進(jìn)行分析，計(jì)算公式如下：

Q=900(I0+2I30+2I60+……+2I330+2I360)

(4)

式中：Q為6 h通過電量，C；I0為通電時(shí)的初始電流，A；It為通電t時(shí)刻的電流，A;900為時(shí)間常數(shù)，s。

表1 ASTM C1202導(dǎo)電量和氯離子滲透性的關(guān)系

該方法中溶液成份與其離子濃度對試驗(yàn)結(jié)果影響較大；在6 h導(dǎo)電過程中，施加電壓過高，促使溶液溫度升高，再次影響試驗(yàn)結(jié)果；依據(jù)電化學(xué)理論，電流通過混凝土試樣時(shí)，由電極反應(yīng)引起的測量誤差是無法消除的，所以利用該法測試高強(qiáng)高性能混凝土還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

(2)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)法。具體試驗(yàn)方法包括自然浸泡法、RCM法、NEL電導(dǎo)率法等。自然浸泡法，依據(jù)為美國氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法AASHTO T259(鹽溶液浸泡試驗(yàn))，歐洲制定了Nord Test，NT Build443-94氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[16]。

試件長期鹽酸溶液浸泡后，按照要求經(jīng)過切片、研粉、浸取、電化學(xué)滴定、Fick擬合等步驟后，方可評價(jià)凝土滲透性。但該試驗(yàn)方法耗功耗時(shí)，且結(jié)果多為滲透深度范圍內(nèi)，或者單位質(zhì)量(體積)的氯離子平均濃度，誤差較大。

北歐標(biāo)準(zhǔn)(NT Build492)推薦RCM法，圖1是由Tang與Nilsson[17]改裝設(shè)計(jì)提出的試驗(yàn)裝置。在我國《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中，明確提出利用RCM法作為標(biāo)準(zhǔn)方法。方法步驟為：對直徑100 mm×50 mm的試件放入橡膠筒，并注入0.2 mol/L的KOH溶液，試驗(yàn)槽中注入含有5%NaCl含量的0.2 mol/L KOH溶液，液面需要與橡膠筒內(nèi)溶液齊平，保證陽極和試件上表面均浸于溶液中，試驗(yàn)記錄時(shí)間、并聯(lián)電壓、串聯(lián)電流和電解液初始溫度，至規(guī)定時(shí)間后劈裂試件，利用硝酸銀滴定來確定氯離子擴(kuò)散的深度，計(jì)算公式如(5)所示[18]。

(5)

式中：DRCM, 0為混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；T為陽極電解液開始和結(jié)束溫度的平均值，K；h為試件高度，cm ；xd為氯離子擴(kuò)散深度，cm；t為通電時(shí)間，s；α為輔助變量。

圖1 RCM法試驗(yàn)裝置示意圖

(3)NEL電導(dǎo)率法。NEL法是由路新贏等人[19]設(shè)計(jì)提出，其裝置圖見圖2。基本方法是試件在真空鹽飽和后，利用低電壓或低電流，測得混凝土電導(dǎo)率，通過Nernst-Einstein方程計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)[20]。公式如(6)所示，其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

(6)

式中：Di為粒子i的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；Zi為粒子i電荷數(shù)(價(jià)數(shù));R為氣體常數(shù)為8.314 J/(mol·K)；F為Faraday常數(shù)，為96 500 C/mol；T為絕對溫度，K；σ為混凝土的電導(dǎo)率，S/cm；ti為粒子i的遷移數(shù);Ci為粒子i的濃度，mol/cm3。

圖2 NEL氮離子擴(kuò)散系數(shù)法測試裝置簡圖

表2 NEL法混凝土滲透性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[21]

NEL法試驗(yàn)采用較小的電壓或電流，用來減少反應(yīng)電極的不良影響，試件真空加速鹽飽和后，當(dāng)混凝土干燥后，離子飽和結(jié)晶，當(dāng)有溶液再次進(jìn)入時(shí)，結(jié)晶體又溶于液體中，會影響測試電導(dǎo)率。

2 混凝土表面現(xiàn)場測試

常規(guī)混凝土滲透性測定需要在新建結(jié)構(gòu)物施工時(shí)，筑模制樣，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的混凝上滲透性參數(shù)試驗(yàn)，但對于服役運(yùn)行狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)在不便鉆芯取樣的情況下，需要利用一種凝土表面層的現(xiàn)場測試技術(shù)，評定混凝土耐久性。在混凝土表面現(xiàn)場測試方法研究中，學(xué)者們大量研究提出，如玻璃管試驗(yàn)[22]，該測試方便但靈敏性差，應(yīng)用并不廣泛。

2.1 初始表面吸水法

初始表面吸水法(initial surface absorption test, ISAT)，于1970年作為英國標(biāo)準(zhǔn)。其原理為：在初始水頭和初始溫度下，開始進(jìn)行試驗(yàn)，記錄在規(guī)定時(shí)間內(nèi)流入混凝土表面的水量，以單位面積的速度作為初始表面吸水性指標(biāo).該方法需要密封混凝土面積5000 mm2，水頭H為200 mm。在英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1881中規(guī)定記錄試驗(yàn)開始后10 min、30 min、60 min時(shí)的吸水量，當(dāng)關(guān)閉閥門后，同時(shí)記錄刻度管水面在2 min內(nèi)的變化值。該法需要避免濕度對測試結(jié)果的影響。用ISAT檢測要在105 ℃條件下進(jìn)行干燥后使用。

2.2 Figg法

Figg法[23]可測試混凝土吸水性和空氣滲透性，但需要在混凝土結(jié)構(gòu)物鉆孔，易造成局部損傷，混凝土孔內(nèi)骨料分布情況、濕度情況也會導(dǎo)致測量誤差，從而影響其方法應(yīng)用，混凝土的吸水性、滲水性進(jìn)行定性的分級[24]，見表3。Dhir[25]通過改進(jìn)Figg試驗(yàn)方法，研究發(fā)現(xiàn)滲透性實(shí)驗(yàn)(空氣)的結(jié)果相關(guān)性較好，該測試技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)場測試還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

表3 混凝土滲透性分級

2.3 Auto Clam滲透儀法

Auto Clam滲透儀法是由Basheer[26]研究開發(fā)出的混凝土滲透性自動化測試方法，儀器如圖3所示，混凝土評估標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)英國混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的分類標(biāo)準(zhǔn)[27]，如表4所示，該方法可在現(xiàn)場使用，可對混凝土的透氣性、吸水性和滲透性進(jìn)行測試。

圖3 Auto Clam滲透儀

表4 Auto Clam法混凝土滲透性分級

3 結(jié) 論

混凝土滲透性測試在耐久性評估中是最重要的內(nèi)容，對其快速、準(zhǔn)確測試與評定混凝土滲透性，一直是重點(diǎn)研究與關(guān)注的內(nèi)容，本文對已有滲透性測試技術(shù)方法，總結(jié)并分析方法各自特點(diǎn)，如表5所示，為服役狀態(tài)下混凝土滲透性測試方法研究提供參考與借鑒。

表5 混凝土滲透性測試方法分析

(1)傳統(tǒng)的混凝土滲透性測試方法，僅適用于新建混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)筑模養(yǎng)護(hù)試件室內(nèi)測試，試驗(yàn)周期長，效率很低，試驗(yàn)過程復(fù)雜。對于服役運(yùn)行多年的混凝土結(jié)構(gòu)，鉆孔測試雖能評定但也造成結(jié)構(gòu)損傷，為準(zhǔn)確測試結(jié)構(gòu)混凝土滲透性，仍需大量研究力求結(jié)果可靠，使用方便的測試技術(shù)方法。

(2)目前室內(nèi)試驗(yàn)主要采用NEL法，現(xiàn)場測試中主要采用改進(jìn)Figg方法以及AutoClam方法，可以靈敏、快速地反映出混凝土滲透性能。

(3)現(xiàn)有測試方法各有所長，尚不能統(tǒng)一評價(jià)體系及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有必要進(jìn)一步研究總結(jié)健全完善混凝土滲透性的技術(shù)方法與評價(jià)體系。