結(jié)構(gòu)混凝土表面吸水率實驗方法研究

張 敬，張孟霞，謝小元，馬 郁，劉夢喬

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

海量實踐證明，混凝土滲透性與耐久性息息相關(guān)。從專業(yè)角度分析，混凝土滲透性是制約混凝土耐久性的核心要素。滲透性的實現(xiàn)主要取決于多孔材料的屬性，集中代表材料空隙的規(guī)模以及分布趨勢，能夠有效反饋介質(zhì)侵入的實際水平。結(jié)合混凝土自身性質(zhì)，結(jié)構(gòu)混凝土滲透性影響力巨大，是決定混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵，事關(guān)結(jié)構(gòu)的長久性。也就是說，混凝土滲透性需要借助吸水性能進行呈現(xiàn)。而通過實驗室檢測混凝土吸水率與現(xiàn)場混凝土存在很大差異。因此現(xiàn)場檢測結(jié)構(gòu)混凝土表面吸水率實驗能夠?qū)崿F(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)狀態(tài)的準確反映，發(fā)揮對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響功能。從一方面反應混凝土結(jié)構(gòu)的實際情況，對預測混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性起到了一定的作用。

從本質(zhì)上講，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性直接取決于混凝土材料的滲透性，以表層混凝土為主要組成，代表了其應對有害介質(zhì)的重要手段。在混凝土結(jié)構(gòu)中，微小裂縫始終存在，一旦遭遇環(huán)境條件的制約，很容易出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，此時混凝土的滲透性決定了水或有害物質(zhì)進入內(nèi)部的速度，從而決定了劣化發(fā)展的速度。一旦裂縫出現(xiàn)急速擴張，滲透速度加快，惡化加劇，有害物質(zhì)會迅速侵入［1］。

1 混凝土滲透性的主要影響因素

混凝土表面接觸到水時，會有兩種力促使水分向混凝土內(nèi)部滲入：壓力和毛細孔壓力。隨著混凝土表面水分的滲入，水與毛細孔壁摩擦阻力增大，滲水速度隨滲透深度的增加成比例下降，當水達到混凝土的另一側(cè)時，毛細孔壓力變更了方向，會阻礙水分滲出。若壓力差小于摩擦阻力和毛細阻力，則水的遷移為毛細孔遷移，此時的遷移速度取決于混凝土背水面的蒸發(fā)速度［2］。

混凝土之所以出現(xiàn)滲透現(xiàn)象，其與多方面因素息息相關(guān)，如混凝土自身材料組成和結(jié)構(gòu)特性、混凝土所處的環(huán)境?；炷磷陨聿牧辖Y(jié)構(gòu)和性能可通過配合比設計及適當?shù)闹谱鞴に噥韺崿F(xiàn)。混凝土所處的環(huán)境是客觀存在的，提高混凝土滲透性的關(guān)鍵在于減少混凝土對腐蝕介質(zhì)的感知，提高混凝土自身的密實度，盡可能減少裂縫，加強體積穩(wěn)定性。

1.1 膠凝材料用量和水膠比的影響

混凝土同其他工業(yè)產(chǎn)品一樣，必須講究原材料的選擇和合理配合。實際施工中，對于影響性能極大的加水量，往往由施工人員根據(jù)澆筑是否方便而定。為了加快施工和避免出現(xiàn)蜂窩孔洞等缺陷，加水量常常過多，過多超量的水在混凝土內(nèi)部留下了孔隙，從而大大降低了混凝土的密實度而增加了空隙率和滲透性，使混凝土容易受到有害氣體和液體的侵蝕滲透，這是水膠比影響滲透性的主要原因。一些工程的滲透就是由于水灰比增加后，表面吸水率和滲透也增大，使抗?jié)B能力大幅度下降。

在混凝土配制過程中，一旦水泥使用量超標，硬化現(xiàn)象隨之發(fā)生，干燥收縮較大，勢必引發(fā)混凝土體積縮小，大大增加水泥使用規(guī)模，減縮值擴大。在水泥水化進程中，水量會出現(xiàn)蒸發(fā)，伴隨著水量的散失，硬化的漿體會產(chǎn)生收縮作用引起混凝土開裂，進而導致混凝土抗?jié)B透性能的下降［3］。

1.2 骨料的影響

對于砂石而言，其粒徑存在差異，是一種混合骨料的類型，粒徑與表面積呈現(xiàn)反比關(guān)系，同時，粒徑與漿體需要量也呈現(xiàn)反比關(guān)系。在使用大粒徑骨料的時候，為了維護流動性達標，同時，保證水泥使用量一定，需要合理減少水量的使用，以便降低水膠比，切實提升混凝土強度。無論使用何種骨料，都避免使用過粗顆粒。主要源于粒徑的增加會加劇顆粒下部空隙，此空隙是導致混凝土滲透性能降低的主要問題。因此，要保證骨料顆粒級配達標，粒形規(guī)整，使混凝土密度達標，切實改善混凝土的滲透性能。

1.3 外加劑和礦物摻合料的影響

摻入優(yōu)質(zhì)的引氣劑或者減水劑，可以有效減少混凝土出現(xiàn)微小氣泡的幾率，實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化，防止具有腐蝕性物質(zhì)的侵入。而優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料對混凝土孔隙的填充起到很好的效果，能夠有效提高混凝土的密實度，增強混凝土的抗?jié)B透能力。

1.4 現(xiàn)場施工過程的影響

在工程實際中，即便對于優(yōu)質(zhì)的混凝土材料，即便配合科學，但是攪拌不合理，振搗不均衡，就會引發(fā)漿體分離或者離析，麻面很難避免，嚴重影響混凝土滲透性和耐久性。因此施工過程中的工藝流程在很大程度上影響混凝土的滲透性和耐久性。

2 常見的結(jié)構(gòu)混凝土滲透性檢測實驗方法

一旦氣體、水和離子進入混凝土內(nèi)部，極有可能發(fā)生滲透與遷移現(xiàn)象。其發(fā)生的情況往往同時出現(xiàn)，作用相互影響。依據(jù)差異化的環(huán)境與條件，滲透模式也各不相同。目前一些快速評價混凝土滲透性的方法有：透水法、透氣法、吸水法等。

2.1 透水法和透氣法

透水法又可以分為：抗?jié)B標號法、滲透系數(shù)法?？?jié)B標號法將混凝土的抗?jié)B性能分成不同的級別，通過施加水壓的方法來觀察混凝土是否有滲水現(xiàn)象。這種方法不適用于水環(huán)境下的混凝土滲透性現(xiàn)場檢測，而且標號法沒有混凝土結(jié)構(gòu)設計上的透水計算，具有一定的局限性。滲透系數(shù)法的計算公式如式（1）所示。式中：K 是相對滲透系數(shù)，mm/h；Q 是滲水量，mm3；A 是水施加面積，mm2，H 是水壓力，mm；T 是恒壓經(jīng)過實踐，h；a 是混凝土吸水率，%。

滲透系數(shù)法是對混凝土進行不同測點滲透系數(shù)計算，并取其平均值的過程，這個方法比抗?jié)B標號法要合理一些。透氣法和透水法類似，都需要一定的壓力，只是介質(zhì)不同，而且在檢測過程中做好密封很重要。

2.2 PERMT 試驗方法

PERMT 離子遷移儀是現(xiàn)場檢測表層混凝土抗氯離子擴散能力的專用設備，是北愛爾蘭女王大學結(jié)構(gòu)材料課題組研制開發(fā)的，它可以在現(xiàn)場對混凝土進行檢測評估，避免了從結(jié)構(gòu)物中取芯，并在實驗室進行檢測的麻煩。

PERMIT 離子遷移儀包括數(shù)字控制器和測試儀器兩個部分，數(shù)字控制器對測試儀器進行控制并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；測試儀器由內(nèi)外 2 個室組成，并分別設有鐵電極。在實驗開始之前，對混凝土進行清理，選擇較為平整的側(cè)面鉆孔，鉆出 3 個 4 cm 左右的孔，并埋入膨脹管，然后將 PERMIT 離子遷移儀固定在混凝土測試表面，在內(nèi)外室分別注入去離子水，在去離子水自然飽和達到 24 h 后，抽走去離子水，然后在室內(nèi)注入濃度為 0.55 m ol/L 的氯化鈉溶液，在室外注入 650 m L 的去離子水。在內(nèi)外室的電極之間施加 60 V 的直流電，室內(nèi)的氯離子將會逐漸向室外轉(zhuǎn)移，而室外的電導率儀按照之前設定的時間間隔電壓。在外加電壓的影響下，對室內(nèi)氯化鈉溶液進行電導率的測試，測定單位時間內(nèi)氯離子的遷移量，進而計算出混凝土保護層的氯離子擴散系數(shù)。

2.3 Autoclam 滲透性測定儀

Autoclam 滲透性測定儀是用來測試普通或者侵蝕環(huán)境下混凝土的耐久性，可以對混凝土表面的空氣、水的滲透性、吸水性、透氣性進行無損檢測。Autoclam 滲透性測試儀由儀器主機、電子控制器和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)兩部分組成，實驗方法非常簡單，不需要專業(yè)技術(shù)技能。在透氣性實驗中，電子控制器和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)會自動記錄空氣氣壓的衰減，通過這個系數(shù)可以計算出混凝土的透氣性指數(shù)。

3 結(jié)構(gòu)混凝土表面吸水率試驗方法研究

為了驗證該方法的有效性和準確性，試驗采用了兩種不同配合比進行研究。兩種不同配合比如表5 所示，圖1、圖2 分別為水平表面和垂直表面試驗裝置圖。

圖1 混凝土水平表面吸水量測試裝置圖

圖2 混凝土垂直表面吸水量測試裝置圖

3.1 試驗原材料

1）水泥為某公司生產(chǎn)的 P.O 42.5 水泥，性能指標如表1 所示。

表1 水泥性能指標

2）砂子為砂石料廠生產(chǎn)的天然砂 Ⅱ 區(qū)中砂，性能指標如表2 所示。

表2 中砂性能指標

3）碎石為砂石料廠生產(chǎn)的 5～25 mm 碎石，性能指標如表3 所示。

表3 碎石性能指標

4）外加劑為廈門浩友建材有限公司生產(chǎn)的抗裂硅質(zhì)防水劑，性能指標如表4 所示。

表4 防水劑性能指標

3.2 實驗方法

該裝置試驗接觸面積為 80 mm2，與混凝土固定接觸面寬度 3 cm。接觸面上帶有粘貼吸附式粘接劑。試驗時將粘鋼膠涂于接觸面，將其固定在結(jié)構(gòu)混凝土表面，并使用玻璃膠或者石蠟將周圍密封，保證不漏水。之后加水至零刻度線，在裝置上面封上一層保鮮膜或者用石蠟密封，以防止水分蒸發(fā)。開始記時，測定不同時間液面下降的高度，得出吸水量。

表5 試驗采用兩種不同配合比

表6 不同平面吸水量

單位時間內(nèi)混凝土表面的滲透系數(shù)如式（2）所示。

式中：K 為平均滲透系數(shù)，m/s；V 為混凝土單位時間內(nèi)的吸水量，ml；S 為吸水面積，mm2；T 為吸水時間，h。

3.3 數(shù)據(jù)分析

表6 給出了不同配合比下兩種混凝土表面吸水量及其 2 h 平均滲透系數(shù)。從表6 可以看出，添加防水劑混凝土在 2 h 后吸水量增加量趨于穩(wěn)定，24 h 后，吸水量增長很小。而未添加防水劑混凝土隨著時間的增長而逐漸增加。

3.4 結(jié)論

該實驗方法非常適合現(xiàn)場操作、簡單、快捷、準確度高?？梢袁F(xiàn)場有效的測試混凝土表面吸水量，評價混凝土的滲透性能，不僅適用于混凝土水平表面，也適合于混凝土垂直表面。拉毛打磨的混凝土接觸面吸水量要高于未處理情況下混凝土的吸水量。該方法可以快速有效的測試出混凝土表面的滲透性，以及能夠檢測添加防水劑混凝土的防水效果。

4 結(jié)語

該試驗方法，在不破壞工程實體的情況下，快速、簡易、準確的評價結(jié)構(gòu)混凝土表面吸水量。從而解決了現(xiàn)場評價混凝土滲透性，而不完全依靠實驗室內(nèi)部評價，保證工程質(zhì)量，提高耐久性。