混凝土抗滲透性能測試方法及其相關性綜述

楊志輝 祝 雯 陳晉棟 趙汝英 張 碩 唐孟雄

（1 廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司；2 廣州建筑股份有限公司）

0 引言

隨著我國基建事業的高速發展，混凝土的耐久性問題逐漸成為行業關注重點，其中沿海地區諸如水壩、隧道和裝配式建筑等鋼筋混凝土建筑極易因混凝土的抗滲性能問題而影響其使用壽命，造成巨額經濟損失。經國內外統計資料調查發現，世界范圍內各國因混凝土耐久性問題包括直接性和間接性造成的巨額經濟損失均分占國民生產總值的3%～5%[1-2]。而混凝土的抗滲性能是決定混凝土耐久性好壞的重要指標，因此對于混凝土的滲透性能的探索也在不斷深入。混凝土的抗滲性能是指抵抗液體、氣體或離子受壓力、離子濃度差、電場等外界作用在混凝土中的擴散、滲透或遷移的難易程度。國內外針對混凝土的抗滲性能的表征主要有抗氯離子滲透性能、抗水滲透性能[3-5]。現有的測試混凝土抗滲性能方法眾多，每種方法都各具優缺點，針對不同的應用場景及使用者需求選擇合適的測試手段，更有利于表征混凝土的抗滲性能的真實情況。

1 抗水滲透性能

1.1 逐級加壓法

該方法是通過逐級施加水壓力來測定以抗滲等級來表示的混凝土的抗水滲透性能。其優點是能真實地反映出混凝土的抗水滲透性能，然而隨著應用需求的多樣性增加以及常用的混凝土強度等級逐漸提高，該方法的不足之處也逐步凸顯，如操作繁瑣、勞動強度大、噪音大、測試時間長等缺點。研究發現[6]，對于強度等級為C30 以上的混凝土其測試結果較相近，因此不適用于較長齡期和高性能混凝土。該方法不能準確反映混凝土的抗水滲透性能，故不能直接用于混凝土結構設計上的透水性計算。

1.2 滲水高度法

該試驗首先對樣品進行密封處理后，然后置于抗滲儀上并隨時觀察試件端面的滲水情況，最后將試件劈裂后讀取其滲水高度。該方法的優點是試驗周期短，數據可信度較高等；其缺點是試驗操作繁雜、勞動強度大等，因人為操作誤差大，常因密封未完全等問題須試驗返工，試驗完成后的劈裂處理也相對費時費力。

1.3 北歐標準試驗方法

北歐針對水滲透試驗法收錄于NT Build 369 標準中，原理是在相對濕度差的試驗條件下影響水的擴散，根據測試樣品的重量損失來計算得到水擴散系數。其操作是在28d 養護后，將圓柱體試件嵌入環氧樹脂中并切平兩端，將樣品放入40℃、恒定濕度的烘箱中干燥7 d。然后將切片安裝在試驗裝置中（如圖1）。將試件置于相對濕度為30%～40%的環境中，每7d 記錄一次的重量損失即為水的擴散情況，試驗周期較長，至少持續2 個月。可用于評價混凝土修補材料、保護涂料等。

圖1 北歐標準試驗裝置[5]

1.4 英國標準試驗方法

英國針對水滲透試驗法收錄于EN 12390-8：2000[6]標準中，其基本原理是施加水壓力在混凝土表面，達到規定時間后劈裂試件，測量水的貫入深度。其操作是將達到指定齡期的試件從養護室中取出后，擦拭干凈試件表面多余的雜物和水分，將測試面置于試驗裝置（如圖2）的水壓力下，持壓時間（72±2）h。沿垂直于施加水壓力的面將試件劈裂一分為二，一旦裂面干燥到可以清楚地看到水滲透前緣的程度，就在試件上標記，并記錄測量測試區域下的最大穿透深度，即測量水邊的貫入深度，以此評定混凝土抗滲性能。

圖2 英國標準試驗裝置[6]

1.5 四種混凝土抗水滲透試驗方法對比

見表1。

表1 水滲透試驗方法對比

2 抗氯離子滲透性能

2.1 電通量法（RCPT 法）

該方法最早收錄于ASTM C1202-19 標準中，其原理：在外加電場的作用下，帶電荷的氯離子會加快遷移速率，與此同時每間隔一定時間對流經測試樣品的電流記錄一次，再由相應分析方法處理所得結果并繪制關于時間和電流的關系曲線，再對六小時內通過樣品的總電量結果進行積分，最終得到的結果作為定性評價混凝土抗氯離子侵蝕性能的依據。該方法具有操作簡便、快速等優點，但有使用者發現60V 測試電壓會使混凝土出現極化現象，隨著測試時間延長，混凝土內部會產生熱量，最終影響結果[7]；混凝土的孔溶液離子濃度對試驗結果也有較大影響；研究表明[8]，該方法不具備普遍適用性，只適用于一些中等強度普通混凝土的測試。

圖3 RCPT 法試驗裝置[9-10]

2.2 非穩態電遷移法（RCM 法）

該方法收錄于現行國家標準《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GBT 50082-2009 中，其原理為在外加電場的作用下使得溶液中的氯離子定向遷移至試塊內部，并滲透入一定深度，再用硝酸銀顯色法測試其氯離子的遷移深度，換算得到氯離子擴散系數。因其具有測試結果穩定、操作相對簡單、試驗可重復性強等優點，是目前最常用的測試抗氯離子侵蝕的手段之一。然而該方法也具有一定缺陷，研究發現[11-12]，長時間的通電和混凝土飽水過程會使孔溶液產生變化，影響測試結果；同時，隨著齡期的延長，混凝土內部原有的氯離子會發生遷移，同樣會影響其測試結果。

圖4 非穩態電遷移法（RCM 法）試驗裝置[13]

2.3 RCM 法和RCPT 法的適用性對比

RCPT 法所使用的電壓電流較RCM 法大，因此RCPT法受待測樣品溶液的離子數影響較大，特別是摻亞硝酸鹽、鋼纖維的混凝土不適用該方法。相反，RCM 法采用的低電壓電流可以較穩定地測試出結果。RCM 法試驗過程中需要用到的溶液種類相對多、濃度大、用量大，操作略顯煩瑣，相比之下，RCPT 法操作相對較為簡便。兩種方法雖然都需外加電場，但測試原理有所不同。具體的RCM 法和RCPT 法的特點與對比見表2。

表2 RCM 法和RCPT 法的特點對比情況

2.4 飽鹽直流電導率法（NEL 法）

該方法最先由清華大學路新瀛[14]最先提出，其原理是基于混凝土的電導率與滲透性之間的相關性，假定混凝土為固體電解質，則偏電導與該混凝土內部的帶電粒子i 有聯系，基于此，一旦知道帶電粒子i 的濃度及其偏電導，則根據Nernst-Einstein 方程便能輕松推導出帶電粒子i 的擴散系數。該方法的優點是實驗時間短，5～8min 即可完成，數據穩定；適用于普通混凝土和高強混凝土測試。缺點是飽鹽過程無法確保NaCl 離子溶液均勻地分布在試件內部，影響其測試結果；由于飽鹽過程后須對試件干燥處理，極易使得高強混凝土內部產生微裂紋，最終也會使得測試結果有偏差。大量研究表明，其測試結果偏于保守，不能準確評價真實情況。

圖5 飽鹽直流電導率法（NEL 法）試驗裝置[15]

2.5 加速氯離子遷移實驗（ACMT 法）

該方法是基于RCPT 法改進而得，其原理是在試件兩端施加較低的直流電壓以加快氯離子在混凝土中的遷移，定期測量陽極池中的氯離子數量，以獲得氯離子濃度隨時間的變化曲線。氯離子在混凝土中的擴散包含穩態擴散和非穩態擴散兩個階段，其中非穩態擴散階段氯離子尚未到達陽極池。基于Fick 第二定律，根據陽極池中氯離子濃度顯著增加的時間可確定氯離子非穩態擴散系數[16]。優點是試驗采用了更低的直流電壓，可有效減小電極反應；增加的溶液體積可減少焦耳效應的影響；可真實模擬氯離子在混凝土中的穩態及非穩態遷移過程。然而，由于測試時間長且測試誤差大，試驗可重復性較差；需要定期測量陽極中氯離子濃度，數據采集難度大，操作煩瑣。

圖6 加速氯離子遷移實驗（ACMT 法）實驗裝置[17]

2.6 飽水電導率實驗法（Permit 法）

該方法是由北愛爾蘭女王大學的Basheer[18]基于穩態電遷移的實驗原理改進后提出的，其原理是用Permit 實驗裝置測試外室溶液的電導值，直到測試結果達到穩定狀態（即電導-時間曲線的斜率恒定）；同時對溫度造成的影響結果進行修正，結合電導率和氯離子濃度兩者的關系即可得到氯離子濃度-時間關系曲線；最后基于Nernst-Plank 方程原理計算得出氯離子擴散系數。該方法具有操作簡單、實驗周期短、自動采集數據等優點；缺點是理論規范不成熟、實驗成本較高等。

2.7 抗氯離子滲透試驗方法對比

見表3。

圖7 飽水電導率實驗法（Permit 法）實驗裝置[18]

表3 基于電場作用的滲透試驗法的比較[17]

3 抗氣體滲透性能

3.1 混凝土透氣性試驗

該方法收錄于我國規范《水運工程混凝土試驗規程》（TJ 270-1998）中，其原理是混凝土試件兩邊分別抽真空、通大氣。由于試件兩邊氣體壓差的作用，空氣不斷地從通大氣一側透過混凝土試件，使抽真空試驗槽內的真空度下降，混凝土表層一定厚度范圍具有壓力增量，從而可以計算出混凝土的透氣性系數。優點是可進行現場試驗，操作便捷；缺點是含水率對試驗結果影響較大，對試件進行烘干處理時，該過程的干燥溫度對結果也有影響，烘干后的試件與混凝土實際服役情況不符，且試驗周期較長。現有研究表明[19]，該方法可適用于C50 高性能混凝土，用于比較混凝土的透氣性，不適用于摻有硅灰的混凝土。

圖8 混凝土透氣性試驗裝置[19]

3.2 Cembureau 法

該方法是北愛爾蘭女王大學的Basheer 基于穩態電遷移的實驗原理改進后提出的，用于評估混凝土抗氣體滲透性能。其原理是給試樣施加穩定的氣壓，記錄在此壓力下通過試樣的氣體流量，再轉換到滲透系數，以此來比較混凝土滲透性能。該方法的特點是試驗步驟嚴格，測試程序復雜，測試結果的精度較高[20]。為了更加簡化試驗操作流程，同濟大學王中平等[21]對此方法進行了優化，通過改進測試手段、改善密封狀況等，研制出一套氣體滲透試驗裝置（見圖9），結果表明其測試結果良好。

圖9 Cembureau 法改進后的試驗裝置[21]

4 不同測試方法之間的相關性

4.1 抗水滲透性能與抗氯離子滲透性能測試方法的相關性

針對滲水高度法與RCPT 法，曹芳等[22]研究表明，在不摻任何摻合料的混凝土中兩種方法測試結果基本一致，在摻了摻合料的混凝土中存在較大差異；RCPT 法由于受溶液離子影響較大，特別適用于不摻混合材的混凝土。徐寶維等[23]研究表明，針對普通混凝土、摻粉煤灰混凝土、摻高效減水劑混凝土，滲水高度法和RCPT 法測試得到的結果相關性不大。對比逐級加壓法與RCM 法，劉艷濤等[24]的研究發現RCM 法與逐級加壓法所得結果的相關性較差，兩種試驗方法用于評價混凝土的滲透性會有較大差異；粉煤灰摻量較多的混凝土及強度等級中低（≤C40）的粉煤灰混凝土采用抗水滲透試驗更能準確反映和評價混凝土的實際滲透性，采用抗氯離子滲透性能試驗方法則會夸大了混凝土的抗滲性能；相反，對于密實性較好、強度等級較高的混凝土，抗水滲透試驗所得測試結果差異性較小，難以反映混凝土滲透性能的差異，宜采用抗氯離子滲透試驗評價。

4.2 不同的抗氯離子滲透性能測試方法

為了建立Permit 法與RCM 法的相關性，吳立朋等[25]進行了平行試驗，得到了兩者的線性換算關系，即DPermit=0.3DRCM，結果表明兩者測試結果相關性較高。Ming等[26]用這兩種方法測得的氯離子擴散系數呈線性關系，并擬合出了經驗公式，同樣說明了兩者具有較高的相關性。對比RCM 法和RCPT 法，馮仲偉等[27]試驗結果表明，當水泥用量、礦渣摻量及水灰比改變時，兩種方法所測得的氯離子擴散系數和電通量之間相關性較好；當粉煤灰摻量及含氣量改變時，兩種方法的測試結果相關性較差。陸晗等[28]的試驗結果表明，對于滲透性能較低的混凝土，所得RCPT 法與氯離子擴散系數相關性較差。楊清泉等[29]的試驗結果表明，RCPT 法與氯離子擴散系數的線性關系不隨混凝土齡期的變化而變化，但相關系數隨著混凝土齡期的增加而增加。針對NEL 法和RCPT 法，易成等[30]研究表明：針對低水膠比混凝土，兩種方法測試結果具有較好的相關性，可以建立兩者之間的定量關系；針對高水膠比混凝土，兩種方法測試結果（即電通量與氯離子擴散系數）之間的相關性較差，難以建立兩者之間的定量關系。

4.3 抗氣體滲透性能與抗氯離子滲透性能

王振等[31]研究表明：對于摻合料混凝土，RCPT 法和抗氣體滲透性能試驗分別得到電通量和氣體滲透系數之間存在顯著的線性關系；然而相關的轉化關系仍須進一步探討。研究建議，為了更好地評價混凝土的抗氯離子滲透性能，可以考慮以實際的氯離子遷移量（包括：陰極溶液氯離子減少量、陽極溶液氯離子增加量、氯離子滲透深度）作為輔助指標，這可以避免因導電量能否直接用于評價混凝土抗氯離子滲透性能所產生的質疑。

5 建議與展望

⑴針對逐級加壓法和滲水高度法提出的建議和改進。

逐級加壓法是目前實驗室應用得最多的測試混凝土抗水滲透性能的手段，因其測試原理是模擬真實的水滲透過程，因此，測試結果能較好地表征工程實際情況。滲水高度法則是使硬化混凝土在恒定的水壓力作用下測試其滲水高度來表征其抗水滲透性能的。兩種方法均收錄于《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 50082-2009 規范中，兩者有本質的區別，逐級加壓法主要是用于測試硬化混凝土是否滿足抗滲設計要求，其測試結果一般為定性結果，主要用于普通混凝土；而滲水高度法則可以通過測量其滲水高度的平均值來表征，其測試結果一般為定量結果，該方法較常用于摻有防水劑材料的混凝土抗滲測試，因該方法試驗操作較為復雜，不適用于施工現場試驗。測試結果可否量化和操作的復雜程度使得二者的應用場景不同。開發一種可用于現場測試并能定量表征混凝土抗水滲透性能的方法是很有必要的。

操作繁瑣、勞動強度大是這兩種抗水滲透測試方法的共同缺點。為克服該缺點，類比抗壓強度測試通過引入修正系數的手段來縮小試件尺寸的原理，劉正捷等[4]提出將抗滲樣品尺寸減小，與標準方法相比，試件重量減少約60%，試模重量減少約50%，極大減輕試驗人員的勞作強度。針對試件密封問題，建議采用抗滲試模形狀的橡膠套進行密封，有效避免返工且操作方便；除此之外，還考慮改變試件的形狀、測試條件等，以達到提高測試效率的目的，如采用立方體、圓柱形、棱柱形，調整水壓為（500±50）kPa，即0.5MPa，有效減少持壓時間等，然而這些修正是否可行有待驗證。

⑵目前不同混凝土抗滲透性能測試方法之間的相關性研究，更多的是抗氯離子侵蝕方向的研究，側重單一影響因素[32]，而關于抗水滲透性能與抗氣體滲透性能之間的聯系研究較少，常用的兩種抗水滲透性能的方法之間的相關性研究也不多，并且滲透高度法測試結果與目前設計要求的抗滲等級之間的關系并不明確。由于工程環境復雜性和材料性能要求多樣性的增加，高性能混凝土是混凝土技術進入高科技時代的必然產物[33]，能夠高效準確地評價混凝土的抗滲透性能具有重要意義，同時也為混凝土耐久壽命預測提供依據[34]。參考檢測行業從業人員提出的建議并改進，研究開發一種適用于普通混凝土和高性能混凝土的抗滲試驗方法顯得尤為重要，或者通過研究獲得各個抗滲方法之間的相關性，建立多種方法的測試數據關聯模型，達到以簡便測試方法替代復雜測試方法的目的，這能在很大程度上減輕檢測人員的體力消耗、降低試驗成本，進而推動相關檢測技術的革新與發展。

6 結論

總結現有的國內外常用的混凝土抗滲方法的優缺點、適用性以及各個方法之間的相關性，得出以下結論：

⑴檢驗混凝土是否滿足抗水滲透性能設計要求時，可選用逐級加壓法，該結果更加接近真實情況，并且可用于施工現場實驗；需要表征混凝土的抗水滲透性能的具體情況，則可以采用滲透高度法，但該方法操作復雜，且不適用于施工現場試驗；

⑵抗水滲透試驗方法更加接近混凝土結構的真實服役狀態，應當優先考慮采用抗水滲透試驗方法，可以研究縮小試塊尺寸對試驗方法的影響，進一步降低工作強度；

⑶RCM 和RCPT 法是目前最為常用的測試混凝土抗氯離子侵蝕性能的手段，當待測樣品的孔溶液離子數目較多時，RCPT 法操作簡單但測試結果穩定性較差，RCM法操作略煩瑣但可重復性較好；

⑷抗水滲透性能試驗方法和抗氯離子滲透試驗方法測試結果間的相關性受到混凝土組分、試驗條件等因素的影響，目前尚未建立完善的關聯模型；

⑸關于抗水滲透試驗方法和抗氣體滲透試驗方法測試結果之間的相關性的研究相對較少，建立二者間的聯系對于完善混凝土抗滲透性能試驗方法體系具有重要意義。