混凝土抗渗性能综述

广州大学硕士研究生课程结业论文论文题目混凝土抗渗性能综述课程名称高等钢筋混凝土理论学院土木工程学院专业结构工程学生姓名(学号)2014年12月5日混凝土抗渗性能综述ReviewofConcretePermeationResistancePerformance（1.广州大学土木工程学院，广东广州510006）摘要：讲述了混凝土抗渗性能的重要性。混凝土抗渗性能测试是研究混凝土渗透性必不可少的工作。混凝土抗渗性能测试方法多样，文中主要阐述了水压力试验法，氯离子渗透法。其中水压力法可分为稳定流动法，渗透深度法和抗渗标号法等，氯离子渗透法中包含直流电量法，氯离子渗透试验法等。本文还介绍了影响混凝土抗渗性能的因素，这些因素有：混凝土水灰比，龄期以及外掺料等。混凝土水灰比越小，混凝土越密实，抗渗性能越好；龄期越长，水泥水化越充分，混凝土也越密实，抗渗性能越好；外掺料的加入有效填充了混凝土里的微裂纹和孔隙，很好地提高了混凝土抗渗性能。关键词：混凝土；抗渗性能；测试方法；影响因素Abstract：Theimportanceofpermeationresistanceperformanceofconcreteisposedinthispaper.Asthenecessaryprocedureofconcretepermeabilityresearch,permeabilitytestcanbeconductedthroughvariousmethods,thatwaterpressuremethodandchloridepermeabilitymethodwhichareintroducedinthispaper,areincluded.Thewaterpressuremethodcanbedividedintoconstantflowmethodanddepthofpenetrationmethodwhilethechloridepermeabilitymethodcanbedividedintodirectcurrentelectricmethodandchloridepermeabilitytestmethodandsoon.Moreover,theinfluencefactorsofpermeabilityofconcretearedescribed,includingwatercementratio,ageandadmixtureforcementslurry.Lowerthewatercementratiois,betterthepermeationresistanceperformancewillbe,whilelongeragewillleadtobetterpermeationresistanceperformance.Theemploymentofadmixtureforcementslurrycanalsoimprovethepermeationresistanceperformanceeffectively.Keyword：concretepermeationresistanceperformancetestmethodinfluencefactor1、前言20世纪30年代，由于大型水利工程的建设，人们开始关注混凝土的抗渗性能。混凝土的抗渗性能不足或遭到破坏将会降低这些结构的使用效能，甚至造成污染、渗漏等事故。因此在设计中需要对混凝土抵抗高压水穿透的能力有充分的了解[1]。20世纪80年代起，混凝土的耐久性问题日渐受到关注，人们混凝土抗渗性能再次产生兴趣[2]。水和其他有害液体向其内部渗透的数量，范围对混凝土的耐久性有重要影响，因此抗渗性能高的混凝土，耐久性就比较好[1]。近年来，高性能混凝土的概念日益为人们所关注，因为人们认识到要了解混凝土的工作状态，单靠强度这单一的指标是不够的。耐久性有保证的混凝土才能称得上高性能混凝土[2]。所以，想要研究高性能混凝土就必须要关注混凝土的抗渗性能。然而，服役期间的混凝土的抗渗性能与龄期、水灰比、浆体水化程度等因素有关。正是因为混凝土抗渗性能的影响因素太多，试验方法也有各种各样。针对上述问题，本文总结了混凝土抗渗性能的测试方法及主要影响因素。2、抗渗性能测试方法测试混凝土的抗渗性能是一件十分耗时的工作，用什么方法能快速有效地测量出混凝土的抗渗性能，是众多研究人员所关注的[3]。测试混凝土抗渗性能的试验方法有：水压力法、氯离子渗透法、透气法等。2.1水压力法水压力试验方法又可以分为稳定流动法（constantflowmethod）、渗透深度法（depthofpenetrationmethod）和抗渗标号法[1]。水压力试验法能直观真实地反映混凝土的抗渗性能[4]。2.1.1稳定流动法稳定流动法通过测量压力液体流过混凝土的流速和流量来评价混凝土的渗透性，适合用于研究渗透性较高的混凝土，例如低强度、期龄短的混凝土。由达西定律确定渗透系数𝐾𝑓，在足够缓慢的单向稳定流中，渗透系数可表示为𝐾𝑓=𝜇𝑄𝑑𝐴𝑡𝐻[3]（1）其中：𝐾𝑓—流动法测量的渗透系数；μ—液体的粘度；Q—液体流量；A—流动液体穿越试件截面积；T—流量穿越试件所花时间；D—试件高度；H—水头高度。由于测量通常存在比较大的试验误差，所以谨慎起见，需要在不同的低流速下分别进行测量，然后将流速对压降作图，并对数据进行拟合[5]。2.1.2渗透深度法渗透深度法通过测量液体渗透深度来评定渗透性，适用于低渗透性的混凝土抗渗性能的研究，用以下公式计算相对渗透系数：𝐾𝑝=𝑑2𝑣2𝑡𝐻[6](2)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。因为孔隙率难以测量，试验中常采用估算的方法得出孔隙率，所以Kp值存在一定误差，通常只用于相对比较。渗透深度法一般适用于研究低渗透性混凝土，此方法能有效地区分普通混凝土的抗渗性能，但不适用于高性能混凝土。R.P.Khatri和V.Sirivivatnanon[7]通过大量的研究，提出了稳定流动法和渗透深度法的选择标准。他们认为试验方法的选择取决于试件的28天抗压强度𝐹𝐶28和龄期T，判别式如下：如果2.3𝑇2+1.1（𝐹𝑐28）210400，则采用渗透深度法；如果2.3𝑇2+1.1（𝐹𝑐28）210400，则采用稳定流动法。2.1.3抗渗标号法抗渗标号法是我国试验标准所采用的测试方法[8]。试验中采用6个圆台形试件，每个试件高度为180mm。从0.1MPa开始施加水压，每隔8小时水压增加0.1MPa，直到6个试件中有3个被压力水穿透时停止试验，记录此时的水压力值(H,MPa)。通过公式：S=10H−1[3]（3）将停止试验时的水压力值换算混凝土抗渗标号。式中：S—混凝土抗渗标号；H—试验停止时的水压。此方法操作简单，比较适合在工程上进行混凝土抗渗性能的测量，但由于获得的数据比较少，不适于在科学实验中使用。2.2氯离子渗透试验法由于新型外加剂的研发和使用，配制出来的混凝土水灰比越来越小，试件密实度越来越高，大幅度增加了水压力试验方法的试验时间，而且由于渗透深度变小时，误差也会相对变大。因此，许多研究人员采用通电增加氯离子渗透速度的氯离子渗透试验方法。氯离子渗透试验法主要有：直流电量法、氯离子渗透法。2.2.1直流电量法直流电量法是Whiting[9]研究提出并受AASHTOT277和ASTMC1202推荐的混凝土渗透性试验方法，同时也是氯离子渗透试验的典型代表[10,11]。试验方法为：用装在两个腔室里的两个铜网电极将一个50mm厚的混凝土圆饼试件夹紧，往两个腔室中分别倒入氢氧化钠（0.3N）和氯化钠（重量3%）溶液，这样混凝土试件就把两种溶液分隔开；然后施加60V直流电穿过两个表面；每30分钟监测一次通过混凝土的电流的情况，持续试验6小时；通过计算电流-时间函数（单位A/s）下的面积来计算出总的电荷库伦数，通过总电荷库伦数来衡量试件的抗渗性能[12]。示意图如图1。图1直流电量法示意图[3]上述的直流电量法存在的问题是在电压的长时间作用下，溶液产生的热量对实验数据造成干扰。为解决这一问题，有学者提出用水泵和热交换器来减少溶液温度升高的影响[13]；而有的人则通过采用12V低压和延长试验时间的方法降低溶液热量[14]，但试验时间的延长将会增大混凝土龄期对渗透性的影响。目前，有人提出用高频低压的交流电取代直流电，配以电桥来测试混凝土渗透性。2.2.2氯离子渗透法用试件将水池分割成两部分，分别倒入Ca(OH)2饱和溶液和含一定Cl-浓度的Ca（OH）2饱和溶液，使Cl-离子只能从试件的一个表面向内部渗透。示意图如图2。图2氯离子渗透法示意图[3]试验一定时间后取下试件烘干，然后在Cl-离子开始渗透一侧表面向试件内部方向按顺序切取薄片，经过取样、磨细、分析工序后，测定各片上Cl-离子的含量，从而得出Cl-离子沿渗透方向上的含量梯度，以此计算渗透系数。此方法试验过程与试件实际服役情况相似，但所需要的时间太长，通常至少要几十天至几个月。对于低渗透性混凝土，测试时间更长，而且当渗透深度比较小时，可利用切片数量太少，容易使试验误差增大。3、影响混凝土抗渗性能的因素从本质上讲，混凝土是一种复杂的多孔材料，孔隙分布错综复杂，孔径分布很广，混凝土渗透性能和微观孔结构有很强相关性[15]。影响混凝土抗渗性能的各个因素根本上都是通过改善混凝土内部的孔结构，细化孔径，减少混凝土内部连通的渗透通道[16]。这些因素包括水灰比，龄期以及外掺料等。3.1水灰比对混凝土抗渗性能的影响水灰比越小，水泥浆凝固后越密实，抗渗性能越高，参见图3。图3水泥浆抗渗性能与水灰比的关系[17]图3表明，水灰比小于0.5时，水泥浆的渗透系数非常小，抗渗性能很好；水灰比大于0.6时，水泥浆的渗透系数迅速增大，抗渗性能也急剧降低。由此可以得出水灰比越小，混凝土抗渗性越高。从一些大坝工程的实测结果来看，不同水灰比混凝土28天龄期可以达到的抗渗等级大概如表1。表1不同水灰比混凝土28d可达到的抗渗等级[18]水灰比0.50.550.60.650.7可达到的抗渗等级W12W8W6W4W23.2不同龄期对混凝土抗渗性能的影响由于随龄期增长，水泥水化程度越充分，混凝土越密实，所以混凝土的抗渗性，不但随着水灰比减小而同提高，还会随龄期的增长而提高。见表2。表2乌江渡大坝工程测得的不同龄期混凝土的抗渗等级[18]水灰比0.6650．70龄期（d）28907142890180抗渗等级W7W21W1W2W4W17W25表2表明：（1）龄期相同时，水灰比0.65的混凝土抗渗性比水灰比0.70的高，说明水灰比减小，抗渗性提高。（2）龄期从7天至180天过程中，因为水泥浆水化程度越来越充分，混凝土越来越密实，渗透性持续提高。（3）外掺料对混凝土渗透性能的影响在外掺料对混凝土抗渗性能的影响研究中，被研究得最多的材料大概是粉煤灰[1]。在配制混凝土时，掺入的粉煤灰能取代部分水泥，不仅可以降低造价，还能减少热开裂。裂纹的减少对混凝土的抗渗性能是有利的[19,20]表3水灰比0.55、粉煤灰不同掺量的混凝土28d，90d的相对渗透系数[18]粉煤灰掺量（%）015304528d相对渗透系数（10-10cm/s）5.286.251383.790d相对渗透系数（10-10cm/s）3.560.720.700.86由表3可知：（1）龄期28天时，掺粉煤灰后的混凝土相对渗透系数有所增大，抗渗性能低于不掺粉煤灰的混凝土，这是因为粉煤灰尚未水化。（2）龄期90天时，粉煤灰充分水化，有效填充了混凝土孔隙，掺粉煤灰的混凝土相对渗透系数明显降低。4、总结（1）混凝土抗渗性能对混凝土耐久性有显著影响，因而必须将混凝土抗渗性能作为混凝土一个重要的性能加以重视。（2）混凝土抗渗性能的测试方法主要有水压力法，氯离子渗透法。其中水压力法分为稳定流动法、渗透深度法以及渗透标号法等；氯离子渗透法又可分为直流电