混凝土抗渗性能研究的现状与进展(一)

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摘要：阐述了关注混凝土抗渗性能的重要性，分析了影响混凝土抗渗性能的各个方面和主要影响因素，并且针对这些影响因素，介绍了国内外研究现状及目前获得的一些重要结论，对今后混凝土抗渗性能研究的发展方向也进行了探讨。认为水渗透性试验、氯化物渗透性试验、空气渗透性测试各适合于不同的场合和情况，不存在某一种强于另一种的问题。提出混凝土的抗渗研究应该更多地关注混凝土在服役环境中由于荷载、裂纹扩展等导致的抗渗性能劣化的问题。在荷载作用对混凝土抗渗性能的影响问题上，目前不同研究人员的研究结论之所以相差悬殊，试验条件不同是一个主要原因。

关键词：混凝土抗渗性能 耐久性 微裂纹

1 　前言

20 世纪30 年代，人们开始关注混凝土的抗渗性能，是始于大型水工工程的建设，诸如混凝土水坝、水渠、涵管及位于地下水位线以下的地下结构如隧道等；一旦混凝土的抗渗性能不足或受到破坏，会降低这些结构的使用效能，造成污染、渗漏等事故。尤其是水坝之类的大型水工结构，在设计中需要确知混凝土抵抗高水压下水穿透的能力[ 1 ] 。

从20 世纪80 年代起，人们重新对混凝土抗渗性能产生兴趣，是由于混凝土的耐久性问题日益为人们所关注。混凝土的耐久性，与水和其它有害液体、气体向其内部流动的数量、范围等有关，因此抗渗性能高的混凝土，其耐久性就好。近年来，高性能混凝土的概念大有取代高强混凝土概念的趋势[ 2 ] ，因为人们认识到强度这一单一的指标并不足以揭示结构材料的工作状态。高性能混凝土首先要求是耐久性有保证的混凝土。因此，要研究高性能混凝土，就不能不关注混凝土的抗渗性能。然而，服役期间的混凝土，其抗渗性能并非是一个常数，其与龄期、浆体水化程度等因素丝丝相扣，与微裂纹的延伸扩展更是密切相关。正是因为涉及的影响因素太多，试验耗功耗时，因此，目前人们在这方面获得的研究成果还远远不能令人满意，有必要在这方面进一步深入进行研究。本文正是针对上述问题，分析了混凝土的抗渗性能的主要影响因素，并且介绍了研究现状。

2 　试验方法的研究

混凝土的渗透试验是一项艰难而耗时的工作，用什么方法能快速而且准确地测量出反映混凝土渗透性能的数据，首先成为有关研究人员的研究领域。

研究混凝土抗渗性能有多种试验方法；有传统的水压力试验法，还有近年来越来越引起人们重视的抗氯化物渗透试验法，以及气体渗透性试验法等。气体渗透法比较适合在现场测试，在我国应用相对较少，试验室测试以前两种为主。

2.1 　水压力法

传统的水压力试验法又分为稳定流动法(constant flow method) 、渗透深度法(depth of peration method) 和抗渗标号法。

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。在该方法中，渗透系数Kf 可以根据Darcy 定律来确定，在足够缓慢的单向稳定流中Darcy 定律可表示为:

Kf = μ Q d/ A ・t ・H (1)

在此， Kf ―――流动法测量的渗透系数；

μ―――液体的黏度；

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Darcy 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[ 3 ] 。渗透深度法测量压力液体穿透混凝土的深度，适用于研究具有低渗透性的混凝土。在该方法中，相对渗透系数可用下式

计算[ 4 ] :

Kp = .d2 ・v /2t ・H (2)

在此， Kp ―――渗透深度法测量的渗透系数；.

d―――平均渗透高度；

v ―――混凝土孔隙率；

t ―――恒定压力时间；

H ―――水头高度。

应该说，由于孔隙率实测困难而常采用估算值， Kp 值有误差，一般仅用于进行相对值的比较。R1P1Khatri and V1Sirivivatnanon[ 5 ]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28 天抗压强度F28 c 与龄期T ，临界条件如下: 如果213 ( T) 2 + 111 (F28 c ) 2 > 10400 ，采用渗透深度法； 如果213 ( T) 2 + 111 (F28 c ) 2 < 10400 ，采用稳定流动法。

我国试验方法标准中采用的是所谓抗渗标号法[ 6 ] ，采用6 个高度为180mm 的圆台形试件从0.1MPa 开始施加水压，每隔8 小时水压增加011MPa ，直至6 个试件中有3 个被压力水穿透，停止试验，记录此时的水压力值；通过一个简单的线性换算关系，将停止试验时的水压力值换算成一个整数，这个整数即所谓混凝土的抗渗标号；也可以认为抗渗标号法是渗透深度法的一种特例。该方法的特点是简单，适合工程上评价混凝土抗渗性能，但对于科学研究，该方法获得的数据太少。

2.2 　氯离子渗透试验法

近年来随着新型外加剂的不断出现，混凝土的水灰比越来越小，所测试的试件越来越密实，导致水压力试验法非常费时，而且渗透深度小，计算也易导致较大误差。人们希望有一种能加快试验速度的试验方法。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。一般而言，抗氯化物渗透性好，往往就意味着抗水及抗气体渗透性好；反之亦然。当然，它们也非完全没有差别。因为抗氯离子渗透性能不仅仅反映材料的致密程度，而且反映混凝土成分与氯离子的化学反应，最能直接反映混凝土的耐久性能。

直流电量法是氯离子渗透试验的代表，它也是AASHTO T277 和ASTM C1202 推荐的测量混凝土渗透性的方法[ 7 ，8 ] 。文献[ 9 ]对这一方法进行了较详细的阐述: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(013N) 和氯化纳(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 伏的直流电穿过两个表面。每隔30 分钟监测一次电流通过混凝土的情况，持续试验时间6 小时；总的电荷库仑数由电流―时间函数曲线(单位是安培・秒) 下的面积计算。这一试验的基本原理是，氯化物离子的负电荷将被吸引到正电极；因此，测试期间电流的传输量就是氯化物渗透混凝土的量。上述方法存在的问题之一是在长时间电压作用下溶液产生热量，实验数据受到干扰。为解决这一问题，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[ 10 ] ；而有的人则采用降低电压(12 伏) 而延长试验时间(30 小时) 的方法降低溶液热量[ 11 ] ；当然，延长试验时间毕竟不是一个优良的选择，将导致混凝土龄期对渗透性的影响增加，尤其龄期较低时是如此。目前，有研究人员提出用高频而低压的交流电取代直流电并配以电桥进行混凝土渗透性测量；其原理是：由试件与可变电阻和电容形成电桥的半桥，两个标准电阻形成另外半桥。通过调节可变电阻与电容使电桥平衡，由此可测得试件的阻抗、电导或通过试件的电量等参数，并以此评定混凝土的渗透性。该方法测试时间短，电桥调节平衡后即读取数据，结束试验，避免了溶液升温的影响。有学者认为其可能成为替代AASHTO T277 和ASTMC1202 标准的方法[ 12 ] 。

从上面的分析看，似乎氯离子渗透试验有取代水压力法试验的趋势，其实不然；笔者认为，影响氯离子渗透试验数据稳定性的影响因素是多方面的，该方法还有待进一步完善；另一方面，近年来许多研究者把研究注意力放在微裂纹对抗渗性能劣化的影响上，在这一类问题中，古老的稳定流动法有不可替代的优势。相反，在裂纹发展到贯通情况下，通电的方法就不适宜了。 因此，目前各种试验测试方法各有优缺点，不存在某种方法绝对强于另一种方法的说法。而且近年来，国外研究人员在一项研究中同时测试水渗透性、氯化物渗透性、空气渗透性然后分别讨论结果的情况增多，可以认为这是一种趋势。

3 　材料组分与配合比的影响

混凝土的抗渗性能首先要在配合比设计方面予以考虑。Larson and Mc Vay[ 13 ]经过研究在93 年提出，强度与耐久性不是相关的性能；氯化物渗透性，作为混凝土耐久性的一部分，在配合比设计中是能够采取措施予以保证的；在配合比设计中应兼顾考虑强度和耐久性两方面的要求。

3.1 　粉煤灰和硅灰

在外掺料对混凝土抗渗性能的影响研究中，粉煤灰和硅灰大概是被研究得最多的外掺料。20 世纪70 年代以来，欧美日等一些发达国家发现，50 年代以后建造的混凝土工程设施，往往要比二三十年代建造的工程先出现病害、开裂、甚至严重损害。日本的新干线使用不到十年，就出现大面积混凝土开裂，剥蚀现象。据分析，这与近年来水泥产品的细度减小、活性增加，使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加有关，最终导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加[ 14 ，15 ] 。微裂纹和宏观裂纹的增加对混凝土的抗渗、耐久性能是不利的。为此，人们在配制高性能混凝土时，常常掺加粉煤灰等外掺料取代部分水泥，一方面降低造价，另一方面减少热开裂。

关于掺粉煤灰和硅灰对提高混凝土抗渗性能有利的文献数不胜数，难以一一列举。但明确粉煤灰掺量的上限是必要的。文献[ 16 ]研究了大量掺入粉煤灰对混凝土抗渗性能的影响。研究中不掺粉煤灰的参考加气混凝土28 天强度为41MPa ；掺粉煤灰的混凝土配合比中水泥重量的0 %～70 %被粉煤灰取代，试验中测试了抗压强度、氯化物渗透性、空气渗透性和水渗透性。研究发现:在28 天龄期，无粉煤灰混凝土的空气渗透性低于高掺量粉煤灰混凝土；在91 天龄期，50 %替代量的混凝土配比，其空气渗透性最低，水渗透性亦然；通常而言， 只要水泥替代量不超过50 % ，粉煤灰的掺入将降低温凝土的氯离子渗透性。Celik Ozyildirim[ 17 ] 在研究矿渣和硅灰掺入混凝土中对渗透性的影响时发现，少量的硅灰(3 %～5 %) 和高达47 %的矿渣在水灰比为014～0145 的情况下，可获得既经济又具有足够强度的低渗透性混凝土。他得出结论:用矿渣作为胶凝材料的一部分比单纯用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料配制的混凝土，其抗氯离子渗透的能力更高。

在我国和其它许多国家，受现行规范的限制，粉煤灰在结构混凝土中掺量常不超过25 %。这表明规范的观念已经滞后，文献[15 ]认为，应该有新的规范指导抗渗、耐久混凝土的配制使用。

众多的文献指出，掺入硅灰后对混凝土的强度和抗渗性能增强效应极佳[ 17 ，19 ，20 ] ；对它的性能研究是目前国际混凝土行业的热门方向之一。但是由于硅灰是电弧炉冶炼硅铁合金时的副产品，其来源相对稀少，应用中的冷清与研究中的热情形成较大反差，略显尴尬局面。

3.2 　其它组分材料

除硅灰、粉煤灰等人造火山灰质材料外，还有其它可能影响混凝土抗渗性能的组分。文献[21 ]研究了聚丙烯纤维掺入混凝土中，是否会与混凝土的各种外加组分如:粉煤灰、硅灰、或磨细的高炉矿渣发生反应导致抗渗性能下降的问题；通过实验确定:虽然聚丙烯纤维掺入会降低温凝土的抗渗性，但聚丙烯纤维基本不与上述其它组分发生反应，上述组分对混凝土抗渗性能的正面影响在掺入聚丙烯纤维后依然存在，也就是说混凝土耐久性不会受到合成纤维的影响。膨胀剂对混凝土抗渗性能的影响，视混凝土内、外部对膨胀的限制情况而定。孙伟等人在文献[22 ]中对钢纤维、合成纤维以及膨胀剂在混凝土硬化过程中对收缩开裂的影响进行了研究，研究结果证实：钢纤维与膨胀剂混合增强混凝土，钢纤维能够对膨胀产生很大的内部限制，使得混凝土更加致密，混合增强的方式能够取得很好的抑制硬化期间收缩裂纹的效果，从而极大地改进抗渗性能。

一般观点认为含气剂有助于提高混凝土的抗渗性；然而文献[1 ]却提出：含气剂有助于混凝土的水密性(watertight) ，但无助于抗渗性。

针对目前流动混凝土用量大增的现状，文献[23 ]中研究了超塑化剂对混凝土渗透性的影响；通过试验发现:当超塑化剂掺量达水泥用量的110 %、坍落度高达200mm 之上时，硅灰对抗渗透性非常重要；没有掺硅灰的混凝土的渗透性是掺硅灰的混凝土的渗透性的3～5 倍。此外，按照AASHTO T277 标准进行的氯离子渗透试验却未能敏感得足以揭示超塑化剂掺量和坍落度的不同对混凝土材料微结构产生的影响。

3..3 　水灰比

一般情况下认为，材料的组分与配合比中对混凝土抗掺性最具影响力的因素是水灰(胶) 比；文献[1 ]更是总结指出:事实上，在水灰比小于013 ，特别是掺有硅灰的情况下，混凝土对于水与氯化物来说都可认为是不可渗透的，这样的混凝土可以在下面的暴露条件下工作：(1) 高水头压力； (2) 需要防止氯化物侵蚀； (3) 恶劣的冻融条件存在； (4) 需抵抗有害化学品侵蚀。只要将水灰比限制在不超过014 ，就能够获得渗透性足够低的混凝土，能够抵抗很高的水压力。笔者认为，如果不考虑时间这个因素，文献[1 ]的这些结论无疑是正确的，但从前面提到的近年来高强与高性能混凝土遭遇到的一些耐久性病害来看，则上述结论难免有偏颇之嫌。配合比设计不仅要考虑新浇筑混凝土的抗渗性能，也要考虑服役期间的工作环境使微裂纹扩展导致抗渗性能劣化的问题；当然这是一个非常复杂的问题，从下面的介绍可以看到，这方面每前进一步都是十分艰难的。