1、关于混凝土抗渗性试验方法的研究2006 年第 2 期(总第 196 期)Number2in2006(TotalNo.196)混凝土Concrete全国中文核心期刊TheCoreJournalofChina关于混凝土抗渗性试验方法的研究李志勇,姚佳良,张宇(长沙理工大学,湖南长沙 410076)摘要】 混凝土的渗透性是决定耐久性的一个重要因素.本文分析了水渗透,气体渗透和氯离子渗透三种不同的渗透性测试方法的优缺点和使用范围.并提出了混凝土渗透性今后有待进一步研究的问题.关键词】水泥混凝土;耐久性;抗渗性能;试验方法中图分类号】TU528.01文献标识码】A 文章编号】10023550(2006)
2、02005704TestingmethodsonconcretepermeabilityLIZhiyong,YAOJialiang,ZHANGYu(ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410076,China)Abstract:Thepermeabilityofconcreteisanimportantfactor.Threedifferenttestingmethodsonpermeabilityofconcrete,includingwaterpermeabilitytest,gaspermeabilitytestandchlo
3、ridepermeabilitytestarestudied.Eachtestingmethodhasmeritsofitsown,buteachhasitsdemerits.Soeachtestingmethodcanbeusedinsomecertainfield.Inaddition,someproblemsofpermeabilitythatneedfurtherresearchinthefuturearepointedOUt.Keywords:cementconcrete;durability;permeability;testmethod1 前言自从 18 世纪 20 年代发明 P
4、ortland 水泥以来,水泥基材料已成为使用最为广泛的工程材料.但由于人们普遍强调混凝土的强度,而忽视了材料的耐久性.为修复和更换损坏的建筑付出了沉重的代价.给许多国家造成了巨大的损失,而且这种损失呈日益上升之势.昆凝土耐久性可采用抗冻性,抗渗性,抗碳化侵蚀性,抗氯盐侵蚀性,抗磨性等评定.上述性质基本上都与混凝土的密实性直接相关,混凝土密实性决定了混凝土的渗透性,因此可以说渗透性是决定混凝土耐久性的一个重要因素.混凝土渗透性是指液体,气体或离子受压力,化学势或电场作用在 7 昆凝土中的渗透,扩散或迁移的难易程度,渗透是指液体在压力作用下的运动;扩散是指气体或液体中的粒子在化学势作用下的运动;
5、迁移则指带电粒子在电场力作用下的运动.混凝土渗透性的高低反映了气体,液体或离子等介质在其中扩散,迁移的难易程度.人们最早关注混凝土的渗透性是始于 20 世纪 30 年代对大型水工工程的建设.混凝土的非力学破坏行为无不在侵蚀性介质中进行.这些非力学破坏行为包括碱集料反应,硫酸盐侵蚀,碳化,钢筋锈蚀,冻融等.因而提高混凝土在严酷的自然环境下具有较长的使用寿命有着极为重要的现实意义.而科学的试验方法是测试结果准确的保障.同时也更有效指导混凝土其它相关性能的研究.2 试验方法的研究混凝土的渗透性试验是一项相当耗时的工作,用什么方法能快速准确地测量出反映混凝土的性能的参数,是我们所共同关注的.研究混凝土
6、渗透性方法大致有:水压力法,氯离子渗收稿日期20050824基金项目】湖南省教育厅项目(04C078)透法,透气法等.2.1 透水法研究混凝土渗透性的手段一般有:测量流过试样的介质 ,而使某一容器内压力改变(升高或降低);保持试样两端工作压力差恒定,测量在规定的时间内流过介质的量.或在规定的体积流过的时间;以工作压力作梯度变化,测量混凝土的渗透性等.进一步又分为稳定流动法,渗透深度法,抗渗标号法及现场混凝土表层渗水性测试方法.2.1.1 稳定流动法(constantflowmethod)稳定流动法测量压力液体流过混凝土的流量,流速,适用于研究具有较高渗透性,例如强度不高,龄期不长的混凝土.在该
7、方法中渗透系数 Kl 可以根据达西定律来确定.在足够缓慢的单向稳定流中达西定律可表示为:Kt=Q.d 百式中 K流动法测量的渗透系数;“液体的粘度;Q液体流量;A流动液体穿越的试件截面积;t流量穿越试件所花时间;d试件高度;H水头高度.在根据达西定律计算渗透系数过程中,测量一般存在相当大的试验误差,所以谨慎起见,要在不同的低流速下进行测量,将流速对压降作图,用一条直线来拟合这些数据点 L1J.2.1.2 渗透深度法该法从 0.4MPa 开始加压,逐步增到 1.2MPa 水压,劈开?57?试件.量算平均高度.在该方法中.对渗透系数可用下式计算 2J:Kp-式中 K.渗透深度法测量的渗透系数;d平
8、均渗透高度;,r 一混凝土孔隙率;恒定压力时问;H_一水头高度.由于孔隙率实测困难而常采用估算值,K.值有误差, 一般仅用于进行相对值的比较.在 JC4741999 中防水剂使用此方法检测.该方法适用于研究具有低渗透性的混凝土,能有效区分不同抗渗性能的普通混凝土,对于高性能混凝土则难以区别.R.II.Khatriau8V.Siri,rivatnanon【31 在研究中,建立了稳定流动法与渗透深度法之间的联系,给出了两种研究方法的选择标准.他们认为.究竟采用哪种试验方法为宜,取决于混凝土的 28d 抗压强度 0 与龄期 T.临界条件如下:如果 2.3(T)0+1.1(0)10400,采用渗透深度
9、法;如果 2.3(T)+1.1(Fz)10400,采用稳定流动法.2.1.3 抗渗标号法我国国标(GBJ8285)J 采用的就是抗渗标号法.以上I:I 直径为 175mm.下口直径为 185mm,高 150mm 圆台形试件或下直径与高均为 150mm 圆柱试体,一组 6 个试件,从试体底部施加 0.2MPa 水压开始试验.每隔 8h 增加水压 0.1MPa.直至 6 个试件中有 3 个被压力水穿透,停止试验,以每组 6 个试件中 4 个未发现有渗水现象时的最大水压称为混凝土的抗渗标号.抗渗标号按下式计算:P=10H 一 1式中 P混凝土抗渗标号;H第三个试件顶面开始有渗水时的水压力(MPa).
10、混凝土抗渗标号分级为 P2,P4,P6,P8,P10,P12 等.抗渗标号的优点是简单,赢观,因此该方法在建筑领域广泛使用,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:(1)其操作烦琐 ,劳动强度大 ,噪音大,测试时间长,最长14d.而且经常中途由于管道漏水,密封试块漏水,停电而使试验停止或报废.对于大于 C30 的混凝土则远远能达到,因而在大于 C30 混凝土评判上没有什么区别.(2)按抗渗标号的分级来评定混土的渗透性,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,差异更大.(3)混凝土抗渗标号不便于在水工建筑物上使用,
11、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,仍沿用钻孑 L 压水的方法.并据此算出坝体混凝土的渗透系数.(4)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.(5)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.(6)由于混凝土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.对于长龄期及抗渗性较高的高性能混凝土也不适用.2.1.4 现场混凝土表层渗水性测试方法由于上述一些试验方法所用的仪器复杂,试验需要的时间?58?长,一般仅限于试验室测试.对于现场混凝土表面渗水性测试一般采用 GWT(G
12、ermannsWaterpermeabilityTest)测试仪,见图 1.它适用于测试混凝土表面的微裂纹及孔隙率;测试接缝和防水薄膜的完整性;测试混凝土表面缺陷的深度;测试混凝土垂直和水平表面的渗透性.注水杯压钳图 1GwT 测试仪测试的基本原理是混凝土表面在一定水压力条件下,压力水透过混凝土孑 L 隙渗入混凝土内.从而测试得到混凝土的平均流量,然后计算其渗透系数.试验时,(1)将带有 L 形接头的注水杯和压力容器的出水阀相连.并用密封胶带缠绕螺纹.测试水平表面时.使注水杯处于垂直位置,测试垂直表面时,使注水杯与压力容器的出水阀平齐.(2)将压力容器的盖向上旋,便可以看到 34 个螺纹位于容
13、器外,将毫米表(将容器内的水挤入混凝土毛细孔内.最后由毫米表读数计算渗透系数)调至初始位置(如 20mm),选择合适量程(1.5bar,4.0bar.lbar=1OPa)的压力表.并安装好.(3)用胶带将密封垫片粘于混凝土表面,确保防水.(4) 钻两个直径分别为 8mm,深 40mm 的孔,用膨胀螺栓锚紧固夹钳,并将 GGT 仪器安装在密封垫片上.用紧固夹钳将其锁紧.(5)将冷却后的沸水倒入注水杯中,等待 5 分钟使水被混凝土表面吸收,用铝制扳手顺时针方向转动压力容器盖,直到压力表达到需要的压力值(随?昆凝土的密实性不同而不同,一般在 1bar4bar).(6) 顺时针旋转压力表(将容器内的水
14、挤入? 昆凝土毛细孑 L 内),使压力表读数始终保持恒定,直到毫米表读数为 0 为止(最大量程).每隔一段时间(一般为 1 分钟)记录毫米表读数.将读取的毫米表读数带入下式计算混凝土平均水流量:B1(glg2)q一式中 q压力水下? 昆凝土的平均水流量 (mm/sec);B毫米表浸入压力容器中的断面积大小,对于lOmm 探针 B 值为 78.6mm;A压力水作用面积,压力容器直径为 62mm 时,A为 3018mm;g1测试开始时毫米表的读数(mm);g2测试结束时毫米表的读数 mm);t测试持续时间(see).然后通过下式计算混凝土的渗透系数:一 g:.cpb,D式中 c混凝土的渗透系数(m
15、m/sec);b混凝土中水泥浆体体积的百分含量(假设骨料是不透水的);p所选择的压力(bar);L压力水作用于混凝土的高度(15mm.相当于垫片的高度)根据所测得的表层混凝土渗透系数,将结构混凝土表层渗透性分为 3 级,如表 1 所示:表 1 结构混凝表层渗透性分级2.2 氯离子渗透法随着高性能混凝土(C)技术的迅速发展.过去的一些耐久性测试方法变得越来越不适用,因此一些学者正在积极致力于寻找更好,更能反映实际情况的快速测试方法.因此,通电增加氯离子渗透速度的试验方法为许多研究人员采用.一般来说,抗氯化物渗透性好,就意味着抗水及抗气体渗透性好;反之亦然.氯离子渗透法有直流电量法,氯离子渗透法,
16、氯离子扩散系数快速测定方法等.2.2.1 直流电量法该方法是 Whiting51 研究提出的,后来先后被美国两个标准 AASHTOT27783 和 ASTMC202C】所采用,并已成为当前国际上最有影响的混凝土渗透性试验方法.试验示意图如图2o 其基本原理是氯化物离子的负电荷将被吸引到正电极,因此在测试期间电流的传输量就是氯化物渗透混凝土的量.03NN有图 2 直流电量法渗透性试验试验时,将一个 50mm 厚的混凝土圆饼试件用装在两个腔室里的两个铜网制成的电极夹紧,氢氧化钠(0.3N)和氯化钠(重量 3%)溶液分别被倾倒在混凝土试样两面的腔室里.这样两种溶液被混凝土试件分隔开;然后施加 60
17、伏的直流电穿过两个表面.每隔 3O 分钟监测一次电流通过混凝土的情况 ,持续试验时问 6 小时;然后计算 6 个小时中总的电量(库仑)数来评价混凝土的渗透性,如表 2.表 2ASTMC1202 导电量及其对混凝土分类AASHTOT277 和 ASTMC1202 方法目前应用最广 .其优点是能快速大致反映一般混凝土的渗透性.其缺点也相当多.如(1)使用 60V 高的电压.容易发生极化反映 ,使溶液温度升高,试验数据受到干扰,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,而非只是 cl 一运动;(4):fL 溶液
18、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,等等.为解决高电压产生的问题,许多学者进行了探讨.例如有的学者在盛溶液的容器中加了水泵和热交换器来减少溶液温升的影响;而 Zhang】等人则采用降低电压 (12 伏) 而延长试验时间(30 小时) 的方法降低溶液热量.2.2.2 氯离子渗透法将试件浸没于含 cl 一离子的水池中,传统氯池浸泡法属于此类.试验简图如图 3 所视,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.按图 3 试验一定时间后,取下试件,烘干,在暴露 Cl 一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
19、定各片上的 C1 一离子含量,从而获得原试件沿 Cl 一离子渗透方向上的离子含量梯度,以此计算渗透系数.几几/厂 含一定 cr 浓度的ca(on):饱和溶液 Ca(OH)饱和溶液图 3C1 一渗透性试验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,该法的试验过程比较复杂.2.2.3 氯离子扩散系数快速测定的 RCM 法氯离子扩散系数快速测定的 RCM 方法最早由唐路平提出(CTH),后被定为北欧标准(NTBuild492), 德国 ibactest采用的
20、RCM 法也是以此为依据的 ,ibactest 为欧盟资助的有关混凝土结构耐久性的联合研究项目 DuraCrete 所采用.作为一种快速测定氯离子扩散系数的标准试验方法,并已被采纳为瑞士标准 SIA262/1.本试验方法适用于骨料粒径不大于25mm(一般不宜大于 20mm)的试验室制作的或从实体结构取芯获得的混凝土试件,能定量评价混凝土抵抗氯离子扩散的能力,试验数据可以用于氯离子侵蚀环境耐久混凝土的配合比设计和混凝土质量检验的评定依据,也可按 DuraCrete 提出的方法用于结构使用寿命的评估.RCM 测定仪示意图如图 4 所视.橡胶简(内径 1,外径 114120.高 I50-17o)KO
21、H 溶液阳极板环箍试件阴极板K0H+cr 溶液图 4RCM 测定仪示意图(图中尺寸单位为 mm)试件在试验室制作时,一般使用100mm300mm 或150mm150mm150mm 试模,制作后立即用塑料薄膜覆盖?59?并移至标准养护室,24h 后拆模并浸没于标准养护室的水池中.试验前 7d 加工成标准尺寸(直径 100mmlmm.高 50mm2mm)的试件,加工时至少切除混凝土表层 20mm,并用水砂纸细锉刀打磨光滑,然后继续浸没在水中养护至试验龄期.若试件在实体混凝土结构中钻取时,应先切割成标准试件尺寸,再在标准养护室水池中浸泡 4d,然后才可以进行试验.试验温度控制在(205) ,试件安装前需进行 15min 超声浴.在无负荷状态下,将 40V/SA 的直流电源调到(3o0.2)V,然后关闭电源.把装有试件的橡胶筒安装到试验槽中,然后在橡胶筒中注入约 300ml 的 0.2mol/L 的 KOH 溶液,在试验槽中注入
