混凝土气体渗透性试验方法

庞超明 罗时勇 秦鸿根 孙 伟

(东南大学材料科学与工程学院，南京211189)

(东南大学江苏省土木工程材料重点实验室，南京211189)

近年来，混凝土耐久性问题日益受到关注，快速、准确、有效地评估混凝土耐久性已成为人们关心的热门话题.环境中侵蚀性物质通过传输进入混凝土内部，是混凝土劣化的根源，大多数影响混凝土耐久性的物理和化学过程都与气体渗透、离子迁移等密切相关，因此渗透性是评价混凝土耐久性的重要指标之一.气体渗透系数(简称为气渗系数)可准确反映微细孔结构，不受混凝土孔液化学成分影响且测试速度快、重复性好［1-2］.由于实验原理、预处理等不同，气体渗透性(简称为气渗性)测试方法较多，测试结果差异也较大.Figg 法是在试样上钻一直径为5.5 mm、深度30 mm 的孔，表面用橡胶塞密封，用一注射器插入橡胶塞中抽真空，测量压力从15 kN/m2增到20 kN/m2所需的时间以计算气渗系数.Figg 法对孔隙率、含水率较为敏感，与混凝土耐久性相关性良好，但密封效果不理想［3］.以O2为渗透介质的Cembureau 法，采用轮胎式密封结构，密封效果明显，但试验操作繁琐［4］.Torrent 法采用负压吸盘式测试，无须密封，适合现场测试，但误差较大［5］.Dinku 等［6］提出过压法，无须进行预处理，是一种适合实验室、现场使用的无损测试方法.《水工混凝土实验规程》中的混凝土气渗系数测试方法，对Figg 法进行了改进，在密封的50 mm 厚试件一端设置空腔，给定真空度为0.056 MPa，气体通过混凝土另一侧渗入该空腔，测量真空度降至0.050 MPa 时所需的时间以计算气渗系数，一般所需时间很短，几十秒到几分钟不等.由于现代混凝土性能大幅提高，渗透性显著降低，甚至呈数量级降低，如采用原规定参数，在部分C50 高性能混凝土测试时，试验时间达数小时甚至几天，实验时间过长，且结果误差较大，难以准确评估［7-8］.因此，本文研究了气渗系数测试中的影响因素及规定参数(如真空度、试件含水率、附加压力和试件厚度等)对测试结果的影响，以便准确地对气渗性进行评估.

1 原材料与实验方法

1.1 原材料和配合比

实验采用海螺P·Ⅱ42.5R 水泥，华能Ⅰ级粉煤灰，需水量比为93%，0.045 方孔筛筛余11.0%，烧失量为2.1%;马钢S95 矿粉，比表面积为433 m2/kg，流动度比为96%，烧失量为1.9%.细度模数为2.7 的中砂，含泥量为0.9%.5 ～25 mm 连续级配碎石，含泥量0.2%，含水率为0.6%，表观密度为2 930 kg/m3，空隙率为44.7%.苏博特聚羧酸减水剂JM-PCA.

试验用混凝土采用工程常用设计强度等级C30 和C50，其中C30 水胶比为0.55，砂率37%，减水剂掺量为0.7%，用水量为187 kg/m3，水泥用量为238 kg/m3，粉煤灰和矿渣微粉用量均为50 kg/m3;C50 水胶比为0.31，砂率38%，减水剂掺量为0.9%，用水量为154 kg/m3，水泥用量为400 kg/m3，粉煤灰和矿渣微粉用量均为50 kg/m3.

1.2 实验方法

气体渗透性测试方法参考《水运工程混凝土试验规程》(JTJ 270—1998)，研究了不同尺寸、不同测试压力和不同含水率等对试验结果的影响.实验采用压力可调的NELD-BL 混凝土透气性测定仪.渗透系数按下式［9］计算:

当采用标准方法，真空度从0.056 MPa 下降到0.050 MPa 时，采用如下计算公式:

式中，Ka为气渗系数，m2/s;ta为所测透气时间，s;Vs为抽真空试验槽体积与连接阀门、试验槽皮管的体积之和，m3;L 为试件厚度，m;A 为试件透气截面积，m2;P0，P1分别为起始和终止测试时试验槽侧的压力;Pa为外侧压力(标准状态下为大气压).

采用高频率水分仪FD-100A，以电磁感应原理快速测定50 mm 范围内的含水率，试验时测量4个测量点，取其平均值作为试样的含水率.

2 气体渗透性影响因素

2.1 试件厚度对气渗性试验的影响

定义曲折度ξ 为实际传输距离le与两点间直线距离l 之比，其值总大于1.ξ 物理含义简单明了，广泛用于传输的理论分析中，但实际测试和应用时非常复杂.如图1所示，实际传输距离le为圆弧或曲线，角度θ 用弧度x 表示，则曲折度为

图1 曲折度定义示意图

初始长度l 为弧度x 的函数，而曲折度ξ 是长度l 的函数，因此ξ 与角度x 及长度l 取值有关.随着角度x 的增大，长度l 增大，曲折度ξ 则也随之增大.而多孔材料的渗透性与孔结构的曲折度有关，随着曲折度的增大，气体传输路径增大，气渗系数减小.鉴于曲折度的复杂性，研究中常用曲折度因子τ 来分析.τ 是指曲折度ξ 与限制长度f 的比值，即τ=ξ/f.如以10 mm 作为限制长度，分别采用50，30，20 和10 mm 四个不同厚度的试件，研究不同厚度对混凝土气渗性的影响.试验时，先测量厚度为50 mm 试件的气渗系数，然后将试件切成30 mm 厚进行试验，再切成20 mm 进行试验，最后切成10 mm 厚度进行试验.试验测量了4 组C50试件和1 组C30 试件，测得的气渗系数和计算所得曲折度因子τ 如表1所示.

表1 C50 混凝土样品厚度对气渗系数的影响

结果表明:不同厚度混凝土样品所获得的气渗系数不同，测试结果受孔隙曲折度的影响较大.以试件厚度10 mm 为基础，从20 mm 至50 mm，随着厚度的增加，曲折度因子逐步增大，其增大程度除与混凝土自身的密实性有关外，还与测量长度f 有关.随着厚度的增加，气渗系数略有降低，这是由于多孔介质中气体实际传输的路径并非呈线性增长，而是以曲折度因子为系数呈比例增长，因此可基于不同厚度样品的渗透性来研究多孔材料的曲折度.当厚度较大，按标准取值50 mm 时，对于致密性较高的C50 高性能混凝土，往往测试时间过长，甚至无法得到测量结果.降低试件厚度，有利于大幅度缩短试验时间.但试件厚度过小时，缺陷对测试结果的影响显著增大，易由于某个缺陷的存在，导致测试时间过短，实验结果的代表性降低.因此建议样品厚度取30 mm.

2.2 含水率对混凝土气渗性试验的影响

当混凝土含水率较大时，其空隙中充满水，能减小不溶气体如N2的扩散速率.随着烘干时间的延长，混凝土毛细孔中的自由水不断蒸发，所测得的气渗系数显著增大，因此测试前，样品应经过烘干处理［10］.当采用较高烘干温度时，可能会改变混凝土的孔隙率及孔径分布，而导致渗透性显著增加［11］.王中平等［12］认为混凝土在60 ℃下干燥产生的微裂纹在空间上可以看作是随机分布的，对孔隙群的连通性影响不大，不会破坏混凝土原有孔隙结构，故而对气渗系数影响甚微.为研究烘干程度即含水率对混凝土气渗性的影响，将制作好的φ100 mm ×30 mm 的C50 和C30 混凝土试样各1组放置养护室，养护至规定龄期，取出后，置于60℃的烘箱中烘干，每隔24 h 测试其含水率，并在真空度0.056 ～0.050 MPa 下进行试验.烘干时间与含水率变化及对气渗性的影响如图2所示.由图可见，随着样品干燥时间的延长，前3 d 含水率迅速降低，之后含水率的降幅减缓，7 d 含水率仅为5.5%，之后基本维持不变.延长烘干时间至30 d，含水率仍在4.3%以上.李春秋等［13］在研究混凝土中水分传输时也发现，干燥过程中混凝土失水量与干燥时间有类似关系.随着含水率的降低，当含水率高于5.6%时，气渗系数由18.2 ×10－8m2/s 增加至25.0 ×10－8m2/s，受含水率影响较大，但进一步降低含水率，气渗系数受含水率的影响显著降低.因此为获得较为精确的气渗系数，应使混凝土含水率趋于稳定的较低值(如5.5%左右).C50 试件烘干时间应至少7 d，但过长的烘干时间，对于掺加掺合料的混凝土，可能会改变混凝土密实状态，此时可用低真空干燥加速烘干.

图2 含水率对混凝土气渗性的影响

2.3 附加气体压力对气渗系数的影响

取含水率基本稳定、尺寸为φ100 m m ×30 mm的C50 混凝土试样进行气渗试验，将原通大气的接口通N2，在0.1 ～1.0 MPa 内调整附加压力，然后测试真空度由0.056 MPa 降到0.050 MPa 所用的时间，实验结果如图3所示.由图可见，附加N2压力后，气体渗透速度较快，能够显著加快混凝土透气性实验进程.随着N2附加压力的增大，测试时间呈现出非线性递减的规律.当N2附加压力低于0.2 MPa 时，气渗系数显著降低;当附加压力为0.3 MPa 时，气渗系数基本平稳，随着附加压力的进一步增大，当附加压力大于0.5 MPa 时，测试时间降幅降低，气渗系数反而略有增大，此时气体在微细孔中的渗透不再服从达西定律，即为Klinkenberg (气体的滑移)效应，该效应在很大程度上取决于浆体的孔径分布和通过气体的压力［14-16］.实际上，气体在混凝土尤其是在高性能混凝土中的传输分为黏性流扩散和纽特逊流扩散［17］.当孔径远大于气体分子平均自由程λ(N2的分子平均自由程在标准大气压下约为78 nm)时，气体分子滑移速度可以忽略，此时以黏性流扩散为主;当孔径与分子平均自由程相近时，气体分子滑移速度开始显著增加，趋于纽特逊流扩散［18］.目前应用最广泛的Klinkenberg 理论认为，气体扩散速率受限于微细孔中的非黏性流扩散，气渗系数与测试时1/2 两侧压力差的倒数成线性关系［19］.对于混凝土材料而言，Klinkenberg 效应的存在使得渗透系数对孔径尺寸更为敏感，能更好地反应其孔结构特征.线性拟合0.1 ～1.0 MPa 之间压差均值的倒数与渗透系数的关系时，相关系数为0.947 3，而在0.3 ～0.5 MPa 之间的相关系数高达0.999 8，数据稳定性良好.

图3 附加气体压力对渗透系数的影响

综上所述，当附加气压较小(＜0.2 MPa)时，气体扩散机制不够明确，测试结果不稳定，同时测试时间过长，影响试验效率;当气压过大时，在增加密封难度的同时，Ka增加，这可能是气体压力增加了原透气性小、对渗透性影响不明显部分的连通孔透气量，因此建议附加外压力在0.3 ～0.5 MPa 范围内取值.

2.4 初始真空度对气渗系数的影响

试验中采用的透气仪可自由设定试验的起始与终止真空度，研究采用4 个真空度区间，分别为0.096 ～0.090 MPa，0.076 ～0.070 MPa，0.056 ～0.050 MPa，0.036 ～0.030 MPa，测定φ100 mm ×30 mm 的C50 样品在不同真空度下的透气时间，结果如表2所示.

表2 不同真空度对C50 气渗系数的影响

随着初始真空度的增加，实验过程所需要的时间显著缩短，由于多孔材料的Klinkenberg 效应，渗透系数呈明显线性下降趋势.为反映混凝土的真实渗透系数，引入国外广泛应用的本征渗透系数K［20-21］来反映混凝土实际孔隙状况.根据Klinkenberg 理论，有

式中，p 为渗透时压差平均值;b 为Klinkenberg 系数，在外压一定时仅与混凝土的水饱和度有关.由表2可以看出，在较小压差变化范围内，本征渗透系数基本不受真空度选择的影响，这为根据需要选择不同真空度范围测试结果比较的可行性提供了依据.由于目前普遍使用的高性能混凝土渗透性较低，按标准测试方法，往往需要很长时间，甚至无法测出，在减小试件厚度至30 mm 的条件下，真空度宜进一步提高至0.096 ～0.090 MPa 以缩短实验时间.

3 结论

1)多孔材料的曲折度非常复杂，可通过不同厚度的气渗性来研究.随着试件厚度的增大，气渗系数增大，其增长系数为曲折度因子.在保证试件均匀性的条件下，使用较薄试件可以大幅缩短试验时间，同时为了降低样品缺陷对测试结果的影响，高强混凝土样品厚度宜取30 mm.

2)混凝土含水率对透气性影响较大，因此试件需进行良好的预处理，宜在60 ℃下烘干使内部含水率降至5.5%以下.试验表明对于C50 烘干时间应达到7 d 以上.

3)使用N2增加外压可大幅缩短实验时间，然而并非附加压力越大越好，附加压力在0.3 ～0.5 MPa 之间时，数据稳定性更好，更能反应孔隙结构对混凝土渗透性的影响.

4)由于起始真空度的选择对测试结果有较大影响，因此宜采用本征渗透系数表征.对于高性能混凝土，建议选择真空度为0.096 ～0.090 MPa.

5)综合考虑含水率、外压及测试时真空度的选择对混凝土气渗性测试结果的影响，建议将含水率控制在5.5%以下，样品厚度取30 mm，真空度为0.096 ～0.090 MPa，外加压力范围为0.3 ～0.5 MPa，并采用本征渗透系数.在上述测试条件下，能保证数据的稳定性，并缩短实验时间.

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