超高性能混凝土氣體滲透性能測試方法優化研究

唐曉雙（上海健研檢測有限公司， 上海 201315）

大氣中的 CO2可導致混凝土孔隙溶液的碳化反應，降低孔隙溶液堿度，造成鋼筋混凝土結構中鋼筋的脫鈍。大氣和其他環境中的 O2是混凝土內部鋼筋發生銹蝕電化學反應的必要條件[1]。此外，由于氣體分子相對能夠更加容易穿過混凝土材料的孔隙結構，尤其是當采用氮氣等惰性氣體作為滲流介質時，其滲流過程和滲透系數能夠更加準確地反映水泥基材料的孔隙結構對外部介質侵入的抵抗能力，因此氣體滲透系數的測量對于混凝土耐久性的評估和預測具有重要意義[2]，同時氣體滲透性能測試方法還有著無損、快速的優點，具有廣闊的應用前景。

超高性能混凝土性能得到提升的重要原因是其設計理論，采用最大堆積密度理論，其組成材料不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密堆積，其中高效活性礦物摻料是超高性能混凝土達到最緊密堆積的重要組成。其的摻入有利于改善硬化漿體的水化產物，降低 C-S-H 的鈣硅比（C/S），提高水化凝膠的質量，同時削弱 CH 的負面影響，并且其內部發生的火山灰反應可大大提高混凝土的密實程度。其內部總孔隙率和孔連通性較普通混凝土進一步降低，且水分對孔隙連通性影響更為明顯，氣體更難通過，適用于普通混凝土的測試方法已經不能滿足測試需求，因此本文根據試驗情況對其進行了優化。

1 混凝土原材料和試驗方法

1.1 原材料和配合比

普通混凝土原材料配合比見表 1。

表 1 普通混凝土原材料配合比

1.1.2 超高性能混凝土原材料及配合比

超高性能混凝土配合比參數見表 2 。

表 2 超高性能混凝土配合比參數

2.2 試驗方法

氣體滲透性測試方法主要參考 GB 36900.2-2018《低、中水平放射性廢物高完整性容器—混凝土容器》，研究了干燥過程中質量損失百分率、恒溫恒濕靜置時間、壓力范圍對普通混凝土和超高性能混凝土氣體滲透性能的影響。試件尺寸均為直徑 150 mm、厚度 50 mm。試驗采用壓力可調的混凝土氣體滲透測試儀。表觀滲透系數ka按式（1）計算[3]。

式中：μ—氣體的動黏度系數，Pa·s；

L—試件厚度，m；

Q—滲透單元出氣嘴的穩定氣體流量，m3/s；

patm—測試條件下的大氣壓力，Pa；

A—混凝土試件橫截面積，m2；

p—滲透單元進氣嘴的絕對壓力，Pa。

根據式（1）計算混凝土試件在壓力范圍內選取的 4個進氣壓力下的表觀氣體滲透率，然后對不同壓力下的 1/Pm[滲透單元進氣嘴和出氣嘴的平均壓力，Pa，等于（P＋Patm）/2]與對應的表觀滲透率ka按照進行線性回歸，所得回歸參數kv即為試件的固有氣體滲透率（滲透系數）。

2 超高性能混凝土氣體滲透性能測試方法優化

2.1 測試壓力范圍優化

普通混凝土的進氣口測試壓力范圍為 0.15～0.40 MPa，氣體在這個壓力范圍下可以順利通過試件，一段時間后流量在混凝土內部達到穩定流動狀態，得到可信度較高的氣體滲透系數。但在超高性能混凝土測試中，發現普通混凝土測試壓力范圍明顯不適用于超高性能混凝土。

通過對干燥一定時間后的超高性能混凝土試件采取由低到高的測試壓力，依次測試其在各個壓力下的穩定氣體流量。0.15～0.30 MPa 壓力下，流量為 0 或數值較小但波動較大，難以穩定；0.3～1.0 MPa 壓力下則可以測得相對穩定的氣體流量。將試驗結果整理如表 3，由表 3 分析得知，隨著壓力的增長，氣體流量也會有明顯的增長。對結果按式（1）進行線性回歸分析，發現當進氣口壓力為0.30～0.65 MPa 時，擬合結果會有較明顯的偏差，而在0.70 MPa 以上時，擬合程度較高，可以獲得準確度較高的滲透系數，所以 0.70 MPa 的進氣口壓力是能獲得較準確滲透系數的最小壓力。

表 3 超高性能混凝土在不同壓力下的氣體流量

超高性能混凝土測試壓力較普通混凝土有較大提升的原因是超高性能混凝土中會有由 C-S-H 凝膠轉化而成的托貝莫來晶體（該晶體具有高密性），同時鋼纖維之間會相互搭接，形成交錯的網格結構，而這些網格狀能進一步填充混凝土內部的孔隙，使混凝土內部孔結構趨于優化，密實性大大提高。由于超高性能混凝土較普通混凝土孔徑更小更加均勻密實，低壓力下氣體難以通過，因此在測試中將進氣口壓力范圍調整至 0.7～1.0 MPa，可獲得較好的測試結果和擬合結果。

2.2 干燥時間優化

文獻[4]表明，在自然狀態下，水泥基材料會不同程度地含有液態水，內部孔隙也是由孔隙溶液和氣相孔隙（空氣和水蒸氣地混合物）所組成，在混凝土氣體滲透性能測試中，氣體需要在連通的氣相孔隙中進行，而試件內水分的存在會使氣體的傳輸通路部分或全部打斷，所以孔隙含水狀態對氣體滲透系數有直接影響[5]，因此，在測試前需要將成型后的試塊放入 60 ℃ 烘箱干燥以減少水分對氣體滲透性能的影響。不過過短的干燥時間會導致混凝土試件內部水分含量未達到相對穩定的狀態，而過長的干燥時間又可能會改變混凝土的密實形態，使內部孔結構受損，因此，干燥時間的選擇對氣體滲透性的測試結果尤為重要。通過在相同條件下對普通混凝土和超高性能混凝土氣體滲透性能進行測試，發現了兩者在選擇合理干燥時間上的差異。

2.2.1 干燥時間試驗結果

（1）普通混凝土在干燥過程中，試件質量因內部水分干燥而減少，原本因為含水而閉塞的孔隙被打開，孔隙連通性增加，滲透系數隨之增加。在試驗中，在前 7 d 每隔24 h 對試件稱重，每隔 48 h 測試其氣體滲透性，7 d 后因質量損失減緩，所以每隔 48 h 稱重并測試滲透系數。采取0.15～0.40 MPa 的測試壓力范圍，分別測試 4 個壓力下普通混凝土的穩定氣體流量。

（2）超高性能混凝土在試驗中，采取與普通混凝土一樣的稱重和測試間隔，得出的試驗結論基本同普通混凝土一樣，隨著內部毛細孔內自由水不斷被干燥，質量不斷減少。但在試驗中發現，超高性能混凝土質量損失速度明顯比普通混凝土要緩慢，干燥 3 d 后質量損失逐漸變緩，僅為1～2 g/d；同時發現干燥 5 d 前并不能觀測到氣體流量。對兩者的試驗數據進行整理計算，得出不同干燥時間下的滲透系數，見表 4。

表 4 混凝土在干燥過程中氣體滲透系數變化

2.2.2 試驗結果分析

通過表 4 的試驗結果可以看出：

（1）普通混凝土的滲透系數增在第 7 d 時發生了數量級上的變化，由 10-18變化為 10-17，之后便一直緩慢增長，干燥到第15 d的結果僅比干燥 9 d 增長 40%。所以根據試驗結果，普通混凝土的干燥時間為 7 d 即可在提高試驗效率的同時獲得較為可靠的試驗結果。

（2）超高性能混凝土由于其較普通混凝土更密實，干燥失水的阻力更大，達到良好測試狀態所需要的干燥時間也就更長：干燥至第 5 d 時，可測得較為穩定的氣體流量，之后隨著干燥時間的延長，孔隙連通性隨著質量的減少而逐步增大，滲透系數也隨之增長；11 d 時達到 3.378×10-20m2，較 5 d 增長了 70%；隨后增長趨勢變緩。所以，根據干燥過程中滲透系數的變化情況，超高性能混凝土的干燥時間應≥11 d，才可獲得準確性較高的滲透系數。

2.3 恒溫恒濕靜置時間優化

將普通混凝土試塊干燥 7 d 后置于（20±2）℃、（60±5）% RH 的恒溫恒濕養護箱中靜置 14 d 即可以獲得較好的試驗結果，但在超高性能混凝土靜置前可以測出通過試件的氣體流量數值，在靜置 14 d 后測得的流量為 0。

為了驗證這種現象，將干燥 34 d 后的超高性能混凝土試件放入恒溫恒濕箱中靜置，測試其流量和滲透系數的變化，試驗結果如表 5 所示。由表 5 可知靜置后試件質量增加，通過的氣體流量減小，滲透系數減小。

表 5 不同靜置條件和壓力下超高性能混凝土的流量和滲透系數

因為超高性能混凝土自身具有高密性，孔徑較小，在靜置過程中恒溫恒濕箱中的水分會被試件吸收從而打斷本已連通的孔隙，阻斷氣體傳輸路徑，所以恒溫恒濕靜置過程對超高性能混凝土氣體滲透性的影響更為明顯。同時，在靜置過程中，混凝土內部 C-S-H 中未水化完全的水泥顆粒與水進一步反應，生成水化產物，凝膠孔被填充，C-S-H 體積減少，密實度提高，氣體更難以通過[6]。所以,根據試驗結果，應該取消恒溫恒濕靜置這一過程以測得較為準確的超高性能混凝土氣體滲透系數。

2.4 穩壓時間優化

滲透系數的計算取決于氣體在試件內部達到穩定時的流量。從開始測試到氣體流量達到相對穩定的時間即為穩壓時間，穩壓時間的界定對于指導混凝土氣體滲透性測試起著重要的作用。一個恰當的測試時間，可大大提高測試效率，并保證測試結果準確性。

2.4.1 普通混凝土穩壓時間

普通混凝土內部孔隙率、大孔含量、孔隙連通性均較高，所以氣體在滲透過程中更易在試件內部達到穩定流動的狀態。

在普通混凝土干燥 11～15 d 時分別測試其在不同進氣壓力下的流量穩定時間，通過對數據進行整理歸納并繪制流量隨時間變化曲線圖（以普通混凝土干燥 11 d 為例），見圖 1。發現普通混凝土氣體流量在試驗前 10 min 普遍處于不穩定增長階段，10 min 后流量逐漸趨于穩定，最后達到穩定的時間普遍為 10～30 min。因此可以得出普通混凝土的穩壓時間一般都在 30 min 以內的結論。

圖 1 普通混凝土干燥 11 d 流量變化曲線

2.4.2 超高性能混凝土穩壓時間

由于超高性能混凝土內部大孔含量與普通混凝土相比明顯減少且凝膠孔含量增加，硅灰的加入還會進一步細化孔徑，且在其內部還有水泥水化物和水蒸氣在局部堵塞毛細孔徑，此外鋼纖維的摻入也會使混凝土密實度進一步提高，造成氣體滲透時阻力較大，氣體達到穩定的時間也會更長。

對超高性能混凝土進行同樣的試驗，發現其流量普遍在前 30 min 內有較明顯的增長，隨后增長趨勢放緩，此時流量開始逐漸趨于穩定，并大多在 60 min 左右達到穩定狀態（以超高性能混凝土干燥 11 d 后氣體流量隨時間變化曲線為例，見圖 2）。因此，根據試驗結果，可以將超高性能混凝土氣體滲透性能試驗測試穩壓時間界定為 60 min，即每個壓力下的測試時間≥60 min，并在 60 min 以后讀取流量，若流量仍未穩定，可繼續觀測流量變化直至其達到最后的穩定。

圖 2 超高性能混凝土干燥 11 d 流量隨時間變化曲線

3 結 語

（1）通過對超高性能混凝土測試，根據試驗結果將干燥時間優化為 11 d 以上，此時可達到一個良好的測試狀態，滲透系數不會因干燥時間增長有較大變化，所測得的滲透系數具有較高的可信度。

（2）優化后的測試方法取消了恒溫恒濕靜置時間。

（3） 試驗中發現，超高性能混凝土的進氣口測試壓力范圍宜調整優化至 0.7～1.0 MPa。

（4）分析得出超高性能混凝土的穩壓時間普遍在 60 min左右，所以在優化后的測試中可以觀察 60 min 以后的流量變化情況，若達到穩定即為最終流量，若仍有變化可持續觀測直至流量達到相對穩定并持續一段時間。