水工混凝土的抗渗性评价与改善对策研究

孙玉玲

(朝阳市喀左县六官营子镇水利服务站，辽宁 朝阳 122300)

近年来，随着水利事业的迅速发展，水工混凝土耐久性问题逐渐引起人们的广泛关注。混凝土耐久性是指受外界环境、自然条件和自身成分等因素作用，未超过设计目标要求的使用期就不需要花费巨大的资金加固整治，从而保证混凝土外观质量、使用功能和安全运行的能力。从内在机理上，通过混凝土微裂缝和孔隙溶解于水的有害介质、气体等迁移至内部，并与内部组分发生一系列复杂的物理化学反应，致使钢筋锈蚀劣化和结构刚度、承载力下降，混凝土开裂损坏外观甚至减少结构的服役年限[1]。实际上，气、水和离子的输移过程在很大程度上决定了混凝土的破坏，发生破坏的部位必须有气、水和离子的侵蚀。

混凝土抗渗性反映了有害离子或其他分子以及水、气等侵入混凝土内部的难易程度，故又称为侵入性。针对不同介质的输移特征和传输机理，一般以吸收率、扩散系数、渗透系数等指标综合度量混凝土耐久性[2]。混凝土是经搅拌、浇筑、硬化而形成的一种由水、骨料、水泥等组成的多孔材料，混凝土符合多孔介质输移原理，如毛细吸附、Darcy定理、Poiseuille公式、非稳定和稳定扩散下的FIck第一及第二定律等，不同环境和介质下的输移原理存在一定差异，故渗透性评价方法也有较大区别。鉴于此，文章探讨了渗透性评价方法及其适用范围，并结合工程实践提出改善混凝土渗透性的对策。

1 水工混凝土渗透评价指标

1.1 液态水

水是与混凝土最容易接触而又最常见的介质，水既是其它输移其它介质的载体又是引起渗漏、渗透等破坏的关键。一般地，工程设计人员重点关注水工建筑物的抗水渗透性，规程推荐的评价如下[3-5]。①抗渗等级法，该试验从0.1MPa按每隔8h逐级增大0.1MPa水压，以压力水穿透3个原台形试件作为试验终止条件，并准确纪录压力值；然后利用试验停止时的水压力值和简单的线性换算关系，计算确定抗渗等级。②渗透深度法：采用一次加压法测试压力液体穿透深度，即恒压24h后劈开混凝土试件测量其渗水高度，结合测试数据确定渗透系数。③渗透系数法：采用石蜡密封各侧面，从上端施加压力水并测量特定时间内的渗水量，利用达西定律计算特定厚度混凝土的渗透系数。

抗渗等级法具有直观、简单的明显优势，结构设计时应考虑水质条件、排水情况、水力梯度、渗水危害和结构承受水头等因素，合理确定水工结构抗渗等级，设计技术要求与该试验方法可以直接建立联系，使用范围可以覆盖大多数混凝土类型并且经验较丰富，对混凝土抗渗性尤其是工程上的评价具有较好适用性。然而，该方法受最大水压限制不适用于低渗透性混凝土，并且试验效率低、周期长。渗透深度法能够测定反映不同混凝土抗渗性的相对渗透系数，对于较高渗透性能的混凝土比较适用，对较低渗透性的混凝土存在量测误差大、渗水高度小的问题[6]。采用渗透系数法测定，该方法操作较复杂，但抗渗等级物理概念清晰有利于比较分析现场和室内试验。一般地，在心墙、面板等水工建筑物中主要使用沥青混凝土，施工质量评定依据和设计技术指标多选用渗透系数，而渗透系数法与此相适应，即渗透性较小或较大时利用变水头和常水头试验，该方法两侧指标准确、设计相对合理，并逐渐成为混凝土渗透性测试广泛使用的方法[7]。

1.2 大气环境

氧气和二氧化氮的扩散性能在一定程度上影响着水工混凝土的耐久性，如何确定其扩散速度对于抑制钢筋腐蚀和评价混凝土耐久性等意义重大，规范推荐的透气性和碳化试验方法如下：①透气性试验，其基本原理是测定固定压降段(预先给试样上、下断面施加1个气压)的透气时间，以测算的气体扩散系数反映混凝土透气性。②碳化试验，通过测定混凝土试件受二氧化碳侵入的碳化深度评定其抗碳化能力。

透气性试验具有不受低渗透混凝土限制、时间短、试验设备和操作简单等特点，但存在测试精度低、试样密封不密室、以及实际工作状态与试验干燥状态相差较大等问题。为加速混凝土碳化速度一般利用(20±2)%的高浓度二氧化碳，该方法试验周期较自然碳化法段，测试结果能够直观反映混凝土抗碳化能力，但人工模拟试验与大气环境的自然碳化过程存在一定偏差。

1.3 侵蚀离子

硫酸根离子和氯离子是影响水工结构耐久性的关键因素，氯离子加速钢筋锈蚀和钝化膜破坏，这也是导致钢筋锈蚀的重要原因，尤其是氯盐环境中氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀甚至混凝土破坏更为严重[8]。水泥中铝酸三钙与硫酸盐发生反应生成钙矾石，硫酸盐侵蚀导致体积膨胀和结构疏松，内部产生应力混凝土失去强度并导致开裂破坏，结构服役年限和安全使用受到严重影响，规范推荐的试验方法如下：

1)抗氯离子渗透快速试验，该方法主要是以直流电压加速氯离子向正极移动，通过测量电荷量反映氯离子透过混凝土的程度，电流与混凝土离子电导呈正比，测电荷量与测混凝土试件电导相同都能评定抗氯离子渗透性。针对混凝土抗氯离子渗透性《水工混凝土试验规程》以通电量来衡量，该方法与测定的氯离子扩散系数高度相关，具有速度快、操作简便等优点。然而，在试验过程中要注意以下事项：电压超过60V时会影响试验数据，升高溶液温度；掺亚硝酸钙等掺合料时会降低测试精度，该条件下不适用此方法；掺硅粉、粉煤灰等掺合料时会明显改变混凝土孔溶液的离子浓度及其组成，大大降低通电量测试数据，并导致测试结果偏高。对于相对氯离子扩散系数试验规程以电导值来衡量，与测电荷量相比该方法更加快速、简便，电荷量与电导的线性关系更好，并且不受通电发热的影响。然而，混凝土粗骨料含量较大或水灰比超过0.6时会影响试验精度，故所用混凝土水灰比不超过0.6。

2)RCM氯离子扩散系数法，试件外部的氯离子在外加电场作用下加速迁移至内部，经一定时间沿轴向劈裂，用硝酸银滴定，氯离子与硝酸银反应生成白色沉淀，通过测量沉淀深度反映氯离子的渗透性，并计算确定扩散系数。该方法以电迁移非稳态偏微分方程为理论基础，具有试验周期短、精准度高等优势，能够快速准确地计算出氯离子扩散系数，但对已碳化或受氯盐侵蚀的试件无法测量。对于接触氯化物的3、4、5类环境《水工混凝土耐久性技术规范》明确提出抗氯离子扩散系数DRCM标准，以RCM法反映抗氯离子性能。

3)抗硫酸盐侵蚀试验，对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能水利水电行业试验规范尚未给出试验方法，对干湿循环环境和强度等级较高的混凝土可以利用国标规定的试验方法，以抗硫酸盐等级作为评价指标。然而，该方法还存在一些不足之处：全浸泡条件下混凝土的硫酸盐侵蚀速度、破坏机理不同，全浸泡试验结果无法用干湿交替试验来测定。

2 水工混凝土渗透性改善对策

离子、气和水的输移在一定程度上决定了混凝土耐久性，所以阻断物质传播途径及改善混凝土渗透性是保护混凝土不被破坏的出发点[9]。因此，必须综合考虑施工控制、材料选用和工程设计等防控措施。

2.1 改善孔隙结构

混凝土内部的孔结构直接决定了非均质多孔材料的渗透性，孔结构主要包括集料与浆体界面间的孔隙、集料和各种水泥浆体中的孔隙等。吴中伟等通过试验研究划分了四个孔径等级，即<10nm、10-100nm、100-1000nm、>1000nm，研究发现水透过更细小的凝胶孔流动比透过毛细孔更难，并且渗透性还受连通情况、孔分布、孔隙率等因素影响，渗透路径越曲折、连通性越差和孔隙率越较则抗渗透性越好[10]。

通过优化混凝土配合比可以有效改善其抗渗性，掺入高效减水剂能够减少单方用水量，在很大程度上降低混凝土及其内部毛细管的孔隙率；此外，掺入引气剂可以发挥减水作用，虽然增大了孔隙率但引入的密闭微小气泡阻断了毛细管通道，附着于水泥颗粒表面的憎水膜大大减少了毛细孔抽吸作用，显著提高了抗渗性能；掺入硅灰、磨细矿渣和粉煤灰等掺合料能够充分填充内部孔隙，大大提高混凝土密实度；掺入火山灰性的优质掺合料还会与硬化后的氢氧化钙反应生成一定的凝胶组分，随着龄期的延长逐渐发挥火山灰效应，大大改善浆体的孔隙结构和孔隙曲折度，使得孔径更加细化，孔隙连通明显减少，混凝土抗渗性得到进一步改善[11-14]。

2.2 强化施工控制

1)拌和、浇筑控制。实际工程中因混凝土拌和、浇筑控制不严影响施工质量的情况经常出现，如表面多孔与泛浆、拆模时掉脚脱棱、孔洞、蜂窝、麻面等质量问题，大大降低混凝土的密实度、强度和抗渗性能。因此，施工过程中必须严格执行设定的搅拌时间、投料顺序和配合比，预埋件、模板边脚振捣适用以及混凝土入模、搅拌均匀，严禁随意加水以及过振、漏振，从根本上保证浇筑密实。

2)养护控制。混凝土抗渗性能受养护条件影响显著，尤其是早期成熟阶段养护不到位，水分快速蒸发引起混凝土严重收缩，并发展形成许多裂缝或连通孔，对抗渗性能明显降低；针对即时水养护或标准养护的混凝土，水泥充分水化和掺合料、水化产物的二次水化物填充混凝土内部孔隙，减小了混凝孔径、孔隙率和毛细孔贯通程度，混凝土密实性和抗渗透能力明显提升。

浇筑完成后，《水工混凝土施工规范》规定应及时洒水保护保持表面湿润，混凝土养护前期要防止暴晒，塑性混凝土和低塑性混凝土浇筑后要立即洒水养护、喷雾及早洒水养护，养护期内要连续养护保持表面湿润；对于有特殊要求的部位应适当增大养护时间，安排专人复杂养护并做好纪录；根据结构所处环境和类别，规范要求施工养护应符合混凝土耐久性有关规定。

2.3 附加防渗措施

水工混凝土耐久性附加防渗措施有别于常规的增加保护层厚度、优化混凝土的配合比等手段，主要探讨钢筋阻锈剂、防水材料等措施。

1)钢筋阻锈剂。工程中，可以利用阻锈剂抑制钢筋混凝土结构氯离子侵蚀，该化学物质能够有效控制电化学腐蚀，一般有渗透型和掺入型两大类型，多用于已有工程的修复和新建工程。阻锈剂保护钢筋的基本原理是抑制钢筋与混凝土界面孔溶液中的电化学腐蚀反应，可直接参与界面化学反应促使形成吸附于钢筋表面的阻碍层或氧化铁的钝化膜。阻锈剂抑制了钢筋钝化膜受氯离子的破坏，降低了钢筋的活化性能和氯离子的临界浓度、扩散系数，一定程度上增强了抗氯离子渗透性。对于极端(F级)和非常(E级)严重的腐蚀环境，设计规范提出可以掺入钢筋阻锈剂和优质耐久的混凝土，阻锈剂的防护效能随混凝土密实度的的增大而增强；对于无法利用涂层防护的预应力钢索和钢筋掺入阻锈剂发挥保护作用，钢筋阻锈剂还可与混凝土外涂层、阴极保护、环氧涂层钢筋、密实耐久混凝土等搭配、联合使用，以此发挥复合防护作用[15]。

2)防水材料。目前，渗透结晶型水泥基防水材料已广泛应用于民用建筑、地下、水稻、水工等防水工程。该材料以水为载体渗透混凝土内部，水泥水化产物与材料含有的活性化学物质生成针状结晶体，微细裂缝和毛细孔道被填塞，以此发挥增强混凝土防水和密实性的作用。该材料既可干撒压入未完全凝固的混凝土表面也可与水拌和调配成浆液喷涂或涂刷在混凝土表面，还可直接掺入使用，具有与混凝土黏结能力出色、施工简单、长久自我修复、双重防水、早强、快凝、耐久等特点。水电工程中主要用于顶面、地面、墙面等厂房重要部位以及大坝上游面，配合主体防渗结构以及形成无接缝防水层等。

3 结 论

文章全面分析了水工混凝土中离子、气、水等介质的渗透原理，从不同角度探讨了规范推荐的渗透性评价方法，并阐述了各方法的局限性和适用范围。实际工程中应考虑具体工程，选择合适的方法满足混凝土施工和设计要求，并针对主要矛盾突出一系列有效改善混凝土渗透性的对策，旨在为工程结构方案设计及水工混凝土施工提供技术支持。