基于渗透性评价混凝土耐久性研究综述

汤洁，张士萍，宗兰，顾月琴

（1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

基于渗透性评价混凝土耐久性研究综述

汤洁1，张士萍2，宗兰2，顾月琴1

（1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

混凝土的渗透性与混凝土的耐久性紧密联系，是评定混凝土耐久性的一个重要指标。渗透性控制着水、气体以及其他侵蚀性离子在混凝土中的传输速率，表征混凝土的渗透性可以通过不同介质来测定。文章综述了目前各种渗透性测试的方法、适用条件及优缺点，指出研究三种渗透性表征方法之间相关性的必要性。

混凝土；耐久性；渗透性；试验方法

0 引言

钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点且造价较低，已被广泛应用于房屋建筑、水利设施、隧道和海洋开发等工程中。钢筋混凝土结构已成为世界上应用最为“广泛的结构形式”[1]。长久以来，人们认为混凝土是耐久性的材料，但近几十年来，以混凝土为主体材料的工程过早劣化的事例在国内外屡见不鲜。混凝土结构耐久性问题是协调经济发展与资源、能源和环境保护之间矛盾，实现社会可持续发展的重大问题，提高混凝土结构的耐久性已无法回避，刻不容缓[2]。Mehta基于整体论，指出混凝土在外界环境作用下而劣化的“整体模型”[3]，该模型中提出，混凝土的劣化，不管是何种破坏(冻融破坏、钢筋锈蚀、碱—骨料反应等)，渗透性的好坏是导致混凝土膨胀开裂的重要原因。广义的混凝土渗透性是指“气体、液体或者离子在压力梯度、浓度梯度或者电位梯度作用下，由高压力、高浓度、高电位向低压力、低浓度、低电位方向渗透、扩散或迁移的性质或能力”。因此，表征混凝土耐久性的抗渗指标可以通过其抗水渗透性、抗气体渗透性和抗离子渗透性来表达。

1 抗水渗透性

图1 混凝土中水的传输过程影响

混凝土是一种多孔材料，其耐久性与混凝土的传质能力相关。混凝土的破坏(碳化、钢筋锈蚀、碱—骨料反应等)都是在有水分的参与下发生的，其抗水渗透性在一定程度上能很好地评价混凝土耐久性。水分在混凝土中的传输过程受到扩散作用、毛细管效应和渗透效应的影响，具体如图1所示[4]。

评价混凝土抗水渗透性的方法有多种，现行标准GB/T 50082-2009关于混凝土抗水渗透试验规定了两种试验方法：一种是渗水高度法，另一种是逐级加压法。渗水高度法采用上口直径、下口直径分别为175 mm、185 mm，高度为150 mm的圆台体混凝土试块，一组6个，在恒定水压力(1.2±0.05)MPa下测试24 h内水渗入混凝土的高度，以此来评价混凝土的抗水渗透性能。计算式如下：式中：hj—第i个试件第j个测点处的渗水高度（mm）；—第i个试件的平均渗水高度（mm），应以10个测点渗水高度的平均值作为该试件渗水高度的测定值。—一组6个试件的平均渗水高度（mm），应以一组6个试件渗水高度的算术平均值作为该组试件渗水高度的测定值。

通过渗水高度还可以直接计算出相对渗透系数，计算式如下：

式中：Kr—相对渗透系数（cm/h）；Dm—平均渗水高度（cm）；H—水压力，以水柱高度表示（cm），1 MPa=10 200cm；T—恒压时间，h；a—混凝土的吸水率，一般为0.03。

渗水高度法用于相对比较不同混凝土的渗透性，一般用于抗渗等级较高、水灰比较低的混凝土。

逐级加压法是从原标准GBJ 82—85的抗渗标号而来，基本保留了原标准的内容，是通过逐级施加水压力，以抗渗等级来表达混凝土的抗水渗透性能，适用于抗渗等级较低的混凝土，抗渗等级可按下式计算：

式中：P—混凝土抗渗等级；H—6个试件中有3个试件渗水时的水压力(MPa)。

稳定流动法采用水压式渗透测定仪，测定混凝土的渗水量，通过Darcy定律可计算得到渗透系数K，以此来评定混凝土抗渗透性能，在国外得到广泛应用。该法适合于具有较高渗透性的混凝土，对于低渗透性混凝土，依据达西定律计算渗透系数往往存在较大的试验误差[5]。

R.P.Khatri和V.Sirvivatnanon[6]经过研究，给出了选择稳定流动法与渗透深度法的判定临界条件：

如果2.3（T）2+1.1（Fc28）>10 400，采用渗透深度法；如果2.3（T）2+1.1（Fc28）<10 400，采用稳定流动法。其中T指混凝土的临期，Fc28指混凝土的28 d抗压强度。

2 气体渗透性

对于混凝土透气性的研究，人们很早就给予了关注，但由于种种原因，国内外在这方面的研究成果较少，近十年来国内在这方面的研究进展缓慢。气体渗透性是指气体在混凝土中，由于受压力、化学势或电场的作用而发生渗透、扩散或迁移的难易程度。多孔材料中气体的扩散在很大程度上受孔结构的影响，根据多孔材料孔径大小气体在多孔材料中的扩散主要有普通扩散(Fick扩散)、Knudsen扩散和过渡区扩散3种传输机制。用气体来测定混凝土的渗透系数，常用的气体有CO2、O2、N2等，事实上CO2在混凝土中的渗透其实就是碳化的过程，而用O2、N2也是常用的气体。

评定气体渗透性的试验方法有很多种，主要有两类：一类是压差稳定法，比较有代表的是Cembureau法[7]。该方法是采用直径为150 mm、厚为50 mm的圆盘试件，在环境为（50±5）℃的烘箱中烘干至恒重，然后放于试验中，一端通大气，另一端施加恒定气体压力，30 min后测定气体流速，通过公式计算该压力下气体的渗透系数kg；另一类是压差变化法，主要是指Figg法。

应用于现场无损检测的TORRENT法[8]是一种测试混凝土空气渗透性能的新方法，在我国应用此种方法测试混凝土空气渗透性能的报道还较少。石亮等[9]通过试验对TORRENT测试方法的校正进行了研究，并分析了混凝土密封状态、湿度、孔隙连通程度对TORRENT空气渗透性能测试结果的影响。结果表明，内腔残余气压的扣除是TORRENT测试方法校正的关键，相比于试件密封状态，湿度与孔隙连通程度对TORRENT法空气渗透性能的测试结果影响更为明显，TORRENT法在中低密实程度混凝土空气渗透性能测试过程中误差较小。

3 抗氯离子渗透性

引起钢筋锈蚀的最主要原因之一就是氯离子的侵入，氯离子侵入混凝土结构内部，一部分与水泥水化产物发生化学反应，以结合氯离子存在；其余部分则以自由离子状态存在于混凝土孔溶液中，自由氯离子半径很小(1.81 pm),并且具有很强的穿透能力，容易破坏钢筋表面钝化膜，形成腐蚀电池，还起到去极化、导电作用，加速了钢筋的锈蚀，严重威胁混凝土结构的耐久性。当混凝土暴露在具有氯盐环境中时，氯离子侵入混凝土中具有多种机制，Hooton[10]指出“迁移机制至少有6种：吸附、扩散、结合、渗透、毛细作用和弥散等”。

测定氯离子迁移渗透的方法有多种，一般按测试时间的长短，可分为慢速法、快速法(加速法)和其他方法。测定氯离子在混凝土中的输移性能的慢速法，比较有影响的有如下几种：扩散槽法(暂无标准)、自然浸泡法(AASHTO T 259)以及高浓度盐溶液浸泡法(NordTest NTBuild 443)等。采用浸泡法或者扩散槽法，能够较客观真实地反映氯离子在混凝土中的传输速率，缺点是实用性差、耗时长，即使提高浸泡溶液或扩散槽上游的氯离子浓度，往往仍需数月或数年。

测试氯离子在混凝土中的输移性能的快速法，比较有影响的大致有以下几种[11]：库仑法或电量法（ASTM C 1202和AASHTO T 277）、稳态电迁移法（NordTest NT-Build 355）、RCM法(NordTest NTBuild 492)、电阻（导）率法（中国水利部行业标准DT/T 5150-2001）、交流阻抗谱法和压力渗透法（目前暂无标准）。

电通量法是利用外加电场来加速混凝土试件两端溶液离子的输移速率，该法不适用于掺有亚硝酸盐和钢纤维等良导电材料的混凝土，其优点是能快速地反映普通混凝土的渗透性，但也存在很多缺点(如试验结果精度较差、试验反映的是总体离子的运动结果等)。电迁移技术采用的装置与库仑法类似，但施加的进行加速的外加电场可低至12 V的直流电压，并与混凝土孔隙率存在很好的相关性，该法适用于渗透性较低的HPC的渗透性评价。

我国现行标准GB/T50082—2009规定的RCM法测定标准最早由唐路平等人[12]提出，该方法通过测定氯离子在混凝土中非稳态迁移的迁移系数来表征混凝土抗氯离子渗透性能，此法操作简单实用，与高浓度盐溶液浸泡法结果相关性很好，但对于已受氯盐侵蚀和碳化的混凝土试块则没有办法进行试验测量。

北爱尔兰女王大学P.A.M.Basheer[13]教授等人提出的，用于现场测定混凝土保护层抗氯离子渗透的Permit法，此法易于操作，试验过程用时短，试验数据自动采集，设备简单便携，实务装置如图2所示。

图2 实务装置图

一些学者对此法进行了相关研究，明静等[14]通过对比试验，分析了Permit方法与RCM方法试验结果之间的相关性。结果表明，Permit试验测定的混凝土氯离子渗透性指标与RCM试验结果有良好的对应关系。吴立朋等[15]通过试验表明，“PERMIT”离子迁移测试结果与RCM快速氯离子迁移试验结果存在良好的线性相关关系，在此基础上建立了“PERMIT”离子迁移方法与RCM快速氯离子迁移方法的关系。由于是无损检测方法，用于现场测试Permit方法比RCM法更具优越性。

4 结语

渗透性是多孔结构材料的本质属性之一，它表征的是材料内部孔隙结构(大小、数量、分布和联通)的状况，控制着水、气体以及其他侵蚀性离子在多孔材料中的传输速率。混凝土作为一种多孔材料，其渗透性与混凝土的耐久性(抗冻性、抗碳化性、钢筋锈蚀等)有密切的关系，是评价混凝土耐久性的一个综合性指标，应继续关注其试验方法的探索、创新及改进。目前各种测试混凝土抗渗性主要以在不同介质种类(水、气体、离子)中的抗渗特性来表达，且其试验方法各有不同，得到的试验结果也不能进行相互比较，因此研究三种渗透性表征方法之间的相关性将对综合准确评定混凝土渗透性有很大帮助，建议有更多学者对这方面进行相关研究。

参考文献

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本刊编辑部

Permeability of the concrete works closely with the durability of concrete.It is an important indicator for assessing the durability of concrete.Permeability controls the water,gas and other aggressive ions in concrete transfer rates.Characterization of concrete permeability can be measured by different media.This paper reviews the current penetration testing methods,applicable conditions,advantages and disadvantages,and notes the necessity of correlation of the three permeability methods.

concrete；durability；permeability；test method

汤洁(1986-)，男，硕士，研究方向为混凝土耐久性。

岚嵘）（

2014-6-10）

国家自然科学基金（51108231）；江苏省住建厅科技项目（2013ZD07）。