混凝土抗渗透性能测试方法及其相关性综述

2022-06-10杨志辉陈晋栋赵汝英唐孟雄

广东建材 2022年5期

杨志辉祝雯陈晋栋赵汝英张硕唐孟雄

（1 广州建设工程质量安全检测中心有限公司；2 广州建筑股份有限公司）

0 引言

随着我国基建事业的高速发展，混凝土的耐久性问题逐渐成为行业关注重点，其中沿海地区诸如水坝、隧道和装配式建筑等钢筋混凝土建筑极易因混凝土的抗渗性能问题而影响其使用寿命，造成巨额经济损失。经国内外统计资料调查发现，世界范围内各国因混凝土耐久性问题包括直接性和间接性造成的巨额经济损失均分占国民生产总值的3%～5%[1-2]。而混凝土的抗渗性能是决定混凝土耐久性好坏的重要指标，因此对于混凝土的渗透性能的探索也在不断深入。混凝土的抗渗性能是指抵抗液体、气体或离子受压力、离子浓度差、电场等外界作用在混凝土中的扩散、渗透或迁移的难易程度。国内外针对混凝土的抗渗性能的表征主要有抗氯离子渗透性能、抗水渗透性能[3-5]。现有的测试混凝土抗渗性能方法众多，每种方法都各具优缺点，针对不同的应用场景及使用者需求选择合适的测试手段，更有利于表征混凝土的抗渗性能的真实情况。

1 抗水渗透性能

1.1 逐级加压法

该方法是通过逐级施加水压力来测定以抗渗等级来表示的混凝土的抗水渗透性能。其优点是能真实地反映出混凝土的抗水渗透性能，然而随着应用需求的多样性增加以及常用的混凝土强度等级逐渐提高，该方法的不足之处也逐步凸显，如操作繁琐、劳动强度大、噪音大、测试时间长等缺点。研究发现[6]，对于强度等级为C30 以上的混凝土其测试结果较相近，因此不适用于较长龄期和高性能混凝土。该方法不能准确反映混凝土的抗水渗透性能，故不能直接用于混凝土结构设计上的透水性计算。

1.2 渗水高度法

该试验首先对样品进行密封处理后，然后置于抗渗仪上并随时观察试件端面的渗水情况，最后将试件劈裂后读取其渗水高度。该方法的优点是试验周期短，数据可信度较高等；其缺点是试验操作繁杂、劳动强度大等，因人为操作误差大，常因密封未完全等问题须试验返工，试验完成后的劈裂处理也相对费时费力。

1.3 北欧标准试验方法

北欧针对水渗透试验法收录于NT Build 369 标准中，原理是在相对湿度差的试验条件下影响水的扩散，根据测试样品的重量损失来计算得到水扩散系数。其操作是在28d 养护后，将圆柱体试件嵌入环氧树脂中并切平两端，将样品放入40℃、恒定湿度的烘箱中干燥7 d。然后将切片安装在试验装置中（如图1）。将试件置于相对湿度为30%～40%的环境中，每7d 记录一次的重量损失即为水的扩散情况，试验周期较长，至少持续2 个月。可用于评价混凝土修补材料、保护涂料等。

图1 北欧标准试验装置[5]

1.4 英国标准试验方法

英国针对水渗透试验法收录于EN 12390-8：2000[6]标准中，其基本原理是施加水压力在混凝土表面，达到规定时间后劈裂试件，测量水的贯入深度。其操作是将达到指定龄期的试件从养护室中取出后，擦拭干净试件表面多余的杂物和水分，将测试面置于试验装置（如图2）的水压力下，持压时间（72±2）h。沿垂直于施加水压力的面将试件劈裂一分为二，一旦裂面干燥到可以清楚地看到水渗透前缘的程度，就在试件上标记，并记录测量测试区域下的最大穿透深度，即测量水边的贯入深度，以此评定混凝土抗渗性能。

图2 英国标准试验装置[6]

1.5 四种混凝土抗水渗透试验方法对比

见表1。

表1 水渗透试验方法对比

2 抗氯离子渗透性能

2.1 电通量法（RCPT 法）

该方法最早收录于ASTM C1202-19 标准中，其原理：在外加电场的作用下，带电荷的氯离子会加快迁移速率，与此同时每间隔一定时间对流经测试样品的电流记录一次，再由相应分析方法处理所得结果并绘制关于时间和电流的关系曲线，再对六小时内通过样品的总电量结果进行积分，最终得到的结果作为定性评价混凝土抗氯离子侵蚀性能的依据。该方法具有操作简便、快速等优点，但有使用者发现60V 测试电压会使混凝土出现极化现象，随着测试时间延长，混凝土内部会产生热量，最终影响结果[7]；混凝土的孔溶液离子浓度对试验结果也有较大影响；研究表明[8]，该方法不具备普遍适用性，只适用于一些中等强度普通混凝土的测试。

图3 RCPT 法试验装置[9-10]

2.2 非稳态电迁移法（RCM 法）

该方法收录于现行国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GBT 50082-2009 中，其原理为在外加电场的作用下使得溶液中的氯离子定向迁移至试块内部，并渗透入一定深度，再用硝酸银显色法测试其氯离子的迁移深度，换算得到氯离子扩散系数。因其具有测试结果稳定、操作相对简单、试验可重复性强等优点，是目前最常用的测试抗氯离子侵蚀的手段之一。然而该方法也具有一定缺陷，研究发现[11-12]，长时间的通电和混凝土饱水过程会使孔溶液产生变化，影响测试结果；同时，随着龄期的延长，混凝土内部原有的氯离子会发生迁移，同样会影响其测试结果。

图4 非稳态电迁移法（RCM 法）试验装置[13]

2.3 RCM 法和RCPT 法的适用性对比

RCPT 法所使用的电压电流较RCM 法大，因此RCPT法受待测样品溶液的离子数影响较大，特别是掺亚硝酸盐、钢纤维的混凝土不适用该方法。相反，RCM 法采用的低电压电流可以较稳定地测试出结果。RCM 法试验过程中需要用到的溶液种类相对多、浓度大、用量大，操作略显烦琐，相比之下，RCPT 法操作相对较为简便。两种方法虽然都需外加电场，但测试原理有所不同。具体的RCM 法和RCPT 法的特点与对比见表2。

表2 RCM 法和RCPT 法的特点对比情况

2.4 饱盐直流电导率法（NEL 法）

该方法最先由清华大学路新瀛[14]最先提出，其原理是基于混凝土的电导率与渗透性之间的相关性，假定混凝土为固体电解质，则偏电导与该混凝土内部的带电粒子i 有联系，基于此，一旦知道带电粒子i 的浓度及其偏电导，则根据Nernst-Einstein 方程便能轻松推导出带电粒子i 的扩散系数。该方法的优点是实验时间短，5～8min 即可完成，数据稳定；适用于普通混凝土和高强混凝土测试。缺点是饱盐过程无法确保NaCl 离子溶液均匀地分布在试件内部，影响其测试结果；由于饱盐过程后须对试件干燥处理，极易使得高强混凝土内部产生微裂纹，最终也会使得测试结果有偏差。大量研究表明，其测试结果偏于保守，不能准确评价真实情况。

图5 饱盐直流电导率法（NEL 法）试验装置[15]

2.5 加速氯离子迁移实验（ACMT 法）

该方法是基于RCPT 法改进而得，其原理是在试件两端施加较低的直流电压以加快氯离子在混凝土中的迁移，定期测量阳极池中的氯离子数量，以获得氯离子浓度随时间的变化曲线。氯离子在混凝土中的扩散包含稳态扩散和非稳态扩散两个阶段，其中非稳态扩散阶段氯离子尚未到达阳极池。基于Fick 第二定律，根据阳极池中氯离子浓度显著增加的时间可确定氯离子非稳态扩散系数[16]。优点是试验采用了更低的直流电压，可有效减小电极反应；增加的溶液体积可减少焦耳效应的影响；可真实模拟氯离子在混凝土中的稳态及非稳态迁移过程。然而，由于测试时间长且测试误差大，试验可重复性较差；需要定期测量阳极中氯离子浓度，数据采集难度大，操作烦琐。

图6 加速氯离子迁移实验（ACMT 法）实验装置[17]

2.6 饱水电导率实验法（Permit 法）

该方法是由北爱尔兰女王大学的Basheer[18]基于稳态电迁移的实验原理改进后提出的，其原理是用Permit 实验装置测试外室溶液的电导值，直到测试结果达到稳定状态（即电导-时间曲线的斜率恒定）；同时对温度造成的影响结果进行修正，结合电导率和氯离子浓度两者的关系即可得到氯离子浓度-时间关系曲线；最后基于Nernst-Plank 方程原理计算得出氯离子扩散系数。该方法具有操作简单、实验周期短、自动采集数据等优点；缺点是理论规范不成熟、实验成本较高等。

2.7 抗氯离子渗透试验方法对比

见表3。

图7 饱水电导率实验法（Permit 法）实验装置[18]

表3 基于电场作用的渗透试验法的比较[17]

3 抗气体渗透性能

3.1 混凝土透气性试验

该方法收录于我国规范《水运工程混凝土试验规程》（TJ 270-1998）中，其原理是混凝土试件两边分别抽真空、通大气。由于试件两边气体压差的作用，空气不断地从通大气一侧透过混凝土试件，使抽真空试验槽内的真空度下降，混凝土表层一定厚度范围具有压力增量，从而可以计算出混凝土的透气性系数。优点是可进行现场试验，操作便捷；缺点是含水率对试验结果影响较大，对试件进行烘干处理时，该过程的干燥温度对结果也有影响，烘干后的试件与混凝土实际服役情况不符，且试验周期较长。现有研究表明[19]，该方法可适用于C50 高性能混凝土，用于比较混凝土的透气性，不适用于掺有硅灰的混凝土。

图8 混凝土透气性试验装置[19]

3.2 Cembureau 法

该方法是北爱尔兰女王大学的Basheer 基于稳态电迁移的实验原理改进后提出的，用于评估混凝土抗气体渗透性能。其原理是给试样施加稳定的气压，记录在此压力下通过试样的气体流量，再转换到渗透系数，以此来比较混凝土渗透性能。该方法的特点是试验步骤严格，测试程序复杂，测试结果的精度较高[20]。为了更加简化试验操作流程，同济大学王中平等[21]对此方法进行了优化，通过改进测试手段、改善密封状况等，研制出一套气体渗透试验装置（见图9），结果表明其测试结果良好。

图9 Cembureau 法改进后的试验装置[21]

4 不同测试方法之间的相关性

4.1 抗水渗透性能与抗氯离子渗透性能测试方法的相关性

针对渗水高度法与RCPT 法，曹芳等[22]研究表明，在不掺任何掺合料的混凝土中两种方法测试结果基本一致，在掺了掺合料的混凝土中存在较大差异；RCPT 法由于受溶液离子影响较大，特别适用于不掺混合材的混凝土。徐宝维等[23]研究表明，针对普通混凝土、掺粉煤灰混凝土、掺高效减水剂混凝土，渗水高度法和RCPT 法测试得到的结果相关性不大。对比逐级加压法与RCM 法，刘艳涛等[24]的研究发现RCM 法与逐级加压法所得结果的相关性较差，两种试验方法用于评价混凝土的渗透性会有较大差异；粉煤灰掺量较多的混凝土及强度等级中低（≤C40）的粉煤灰混凝土采用抗水渗透试验更能准确反映和评价混凝土的实际渗透性，采用抗氯离子渗透性能试验方法则会夸大了混凝土的抗渗性能；相反，对于密实性较好、强度等级较高的混凝土，抗水渗透试验所得测试结果差异性较小，难以反映混凝土渗透性能的差异，宜采用抗氯离子渗透试验评价。

4.2 不同的抗氯离子渗透性能测试方法

为了建立Permit 法与RCM 法的相关性，吴立朋等[25]进行了平行试验，得到了两者的线性换算关系，即DPermit=0.3DRCM，结果表明两者测试结果相关性较高。Ming等[26]用这两种方法测得的氯离子扩散系数呈线性关系，并拟合出了经验公式，同样说明了两者具有较高的相关性。对比RCM 法和RCPT 法，冯仲伟等[27]试验结果表明，当水泥用量、矿渣掺量及水灰比改变时，两种方法所测得的氯离子扩散系数和电通量之间相关性较好；当粉煤灰掺量及含气量改变时，两种方法的测试结果相关性较差。陆晗等[28]的试验结果表明，对于渗透性能较低的混凝土，所得RCPT 法与氯离子扩散系数相关性较差。杨清泉等[29]的试验结果表明，RCPT 法与氯离子扩散系数的线性关系不随混凝土龄期的变化而变化，但相关系数随着混凝土龄期的增加而增加。针对NEL 法和RCPT 法，易成等[30]研究表明：针对低水胶比混凝土，两种方法测试结果具有较好的相关性，可以建立两者之间的定量关系；针对高水胶比混凝土，两种方法测试结果（即电通量与氯离子扩散系数）之间的相关性较差，难以建立两者之间的定量关系。

4.3 抗气体渗透性能与抗氯离子渗透性能

王振等[31]研究表明：对于掺合料混凝土，RCPT 法和抗气体渗透性能试验分别得到电通量和气体渗透系数之间存在显著的线性关系；然而相关的转化关系仍须进一步探讨。研究建议，为了更好地评价混凝土的抗氯离子渗透性能，可以考虑以实际的氯离子迁移量（包括：阴极溶液氯离子减少量、阳极溶液氯离子增加量、氯离子渗透深度）作为辅助指标，这可以避免因导电量能否直接用于评价混凝土抗氯离子渗透性能所产生的质疑。

5 建议与展望

⑴针对逐级加压法和渗水高度法提出的建议和改进。

逐级加压法是目前实验室应用得最多的测试混凝土抗水渗透性能的手段，因其测试原理是模拟真实的水渗透过程，因此，测试结果能较好地表征工程实际情况。渗水高度法则是使硬化混凝土在恒定的水压力作用下测试其渗水高度来表征其抗水渗透性能的。两种方法均收录于《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009 规范中，两者有本质的区别，逐级加压法主要是用于测试硬化混凝土是否满足抗渗设计要求，其测试结果一般为定性结果，主要用于普通混凝土；而渗水高度法则可以通过测量其渗水高度的平均值来表征，其测试结果一般为定量结果，该方法较常用于掺有防水剂材料的混凝土抗渗测试，因该方法试验操作较为复杂，不适用于施工现场试验。测试结果可否量化和操作的复杂程度使得二者的应用场景不同。开发一种可用于现场测试并能定量表征混凝土抗水渗透性能的方法是很有必要的。

操作繁琐、劳动强度大是这两种抗水渗透测试方法的共同缺点。为克服该缺点，类比抗压强度测试通过引入修正系数的手段来缩小试件尺寸的原理，刘正捷等[4]提出将抗渗样品尺寸减小，与标准方法相比，试件重量减少约60%，试模重量减少约50%，极大减轻试验人员的劳作强度。针对试件密封问题，建议采用抗渗试模形状的橡胶套进行密封，有效避免返工且操作方便；除此之外，还考虑改变试件的形状、测试条件等，以达到提高测试效率的目的，如采用立方体、圆柱形、棱柱形，调整水压为（500±50）kPa，即0.5MPa，有效减少持压时间等，然而这些修正是否可行有待验证。

⑵目前不同混凝土抗渗透性能测试方法之间的相关性研究，更多的是抗氯离子侵蚀方向的研究，侧重单一影响因素[32]，而关于抗水渗透性能与抗气体渗透性能之间的联系研究较少，常用的两种抗水渗透性能的方法之间的相关性研究也不多，并且渗透高度法测试结果与目前设计要求的抗渗等级之间的关系并不明确。由于工程环境复杂性和材料性能要求多样性的增加，高性能混凝土是混凝土技术进入高科技时代的必然产物[33]，能够高效准确地评价混凝土的抗渗透性能具有重要意义，同时也为混凝土耐久寿命预测提供依据[34]。参考检测行业从业人员提出的建议并改进，研究开发一种适用于普通混凝土和高性能混凝土的抗渗试验方法显得尤为重要，或者通过研究获得各个抗渗方法之间的相关性，建立多种方法的测试数据关联模型，达到以简便测试方法替代复杂测试方法的目的，这能在很大程度上减轻检测人员的体力消耗、降低试验成本，进而推动相关检测技术的革新与发展。