水工混凝土渗透性能评价方法及其改善措施.pdf

2 0 1 4年 第 3 3卷 第 4期 D WR H E 水 利 水 电2 1 2 程 设 计 3 9 水工混凝土渗透性能评价方法及其改善措施 陈 衍 摘 要 混凝土 耐久性很大程度上 由渗透性 能决定 。根据输移介质 的不同 ，介绍 了水工混凝土渗透 性能的评价方法 及其各 自适 用性和局 限性。工程实践 中，应 突 出主要矛盾 ，针对具体 情况 ，采用适 宜的评价方 法，还 列 出了改善 混 凝土渗透性 能的一些措施 ，供工程实践 中参考。 关键词 水工混凝土 渗透性能 评价方法 改善措施 中图分类号T V 4 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 3 9 0 3 混凝 土耐久性 是其暴露在 使用环境 下抵抗 各种物理 和 化学作用 的能力 ，近年来 由于结构耐久 性不 足而引起 巨大 经济损失 越来越受 到人们 的关注 。影响混凝 土结构耐久 性 的材 料本身 内在机 理是混凝 土材料 成分与气 体 、水化学 反 应 中溶解物有 害物质在混 凝土孑 L 隙和裂缝 中的迁移 ，迁移 过程 导致混凝 土产生物理 和化学方 面的劣 化和钢筋 锈蚀的 劣化 其结果将使结构承载力下降 、刚度降低和开裂 ， 以及 外观 的损伤影响着结构的使用效果m 。混凝土破坏 的发生 ，很 大程 度上就是要 有离子 、水或气 的输移过 程 ，将发 生破坏 所必需 的离子 、水或气带到发生破坏 的部位 。 混凝 土渗 透性 也称侵人性 ，表达外部物质 ( 水 、气及溶 于水 、气中的其他分子和离子等 ) 入侵到混凝土 内部难易 程 度的混 凝土性 能 。根据人 侵 物质 的不 同传输 机理 与特 征 ， 常用渗透系数 、扩散系数 、吸收率等不 同参数表示 ， 作为混 凝土材料耐久性的综合度量指标圄 。混凝土作 为一种 多孔 介 质满 足多孔介质物 质输移 的一些基 本原理 ，如 稳定扩散 下 的 F i c k第 一 定 律 、非 稳 定 扩 散 下 的 F i c k第 二 定 律 、 P o i s e u i l l e公式 、D a r c y定理 、毛细吸附等 ，在不同介质以及 环境 下 ，输移原 理上有 区别 ，因而 评价混凝 土渗透 性的方 法也 有所不 同。本文介绍 了水利水 电行业试 验规程 中水工 混凝 土渗透性 能的评价 方法及其 各 自适用 性和局 限性 ，并 列 出了一些提高混凝土渗透性能 的措施 。 1 混凝 土渗透评价指标 1 1 液 体 水 水是最 常见又最 容易和混 凝土接 触的介质 ，它除 了引 起渗透 、渗漏等破坏 以外 ，同时也是其 它介 质输移的载体 。 对于水 工建筑物来 说 ，其抗 水渗透性 能是工程 设计人 员关 注 的重要 指标 ，规 程上关 于水渗 的评 价方法 主要有稳定 流 动法 、渗透深度法和抗渗等级法 。 ( 1 )抗 渗 等级 法 。试 验采 用 6个 圆 台形 试 件从 0 1 MP a开 始施 加 水 压 ，每 隔 8 h水 压增 加 0 1 MP a ，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 压力值换算成混凝土 的抗渗等级 。 ( 2 )渗 透深度 法 。测量 压力 液体穿 透混 凝土 的深 度 ， 采用一次加压 法 ，恒压 2 4 h后劈开试件 ，测试平均渗水 高 度 并 以此计算渗透系数 。 ( 3 )渗透 系数 法 。将试 件各侧 面密封 ，从 一面 以压 力 水施压 ，测量 指定 时间 内透过 特定厚 度混 凝土 的渗水 量 ， 按达西定律求得渗透 系数 。 抗渗等级法 的特点是 简单 、直观 ，通 常结 构设计 时根 据结构所承 受的水头 、水力梯 度以及下游 排水条件 、水质 条件和渗透水 的危害 程度等 因素确定结构 所需 的混凝 土抗 渗等级 ，该 试验方法 与设计技 术要求易建 立直接联 系 ，应 用经验较丰富 ，且能够覆盖 目前使用 的大部分混凝 土种类 ， 适合工程 上评价混凝 土抗渗性 能 。但受 最大水压 限制 ，此 法对低 渗透性的混凝 土不适用 ，且试验周 期较 长 ，效率很 低 。渗 透深度法得 到 的结果 称为相对 渗透系数 ，比较不 同 混凝 土抗渗性 ，适 合于抗 渗性能较高 的混凝土 ，但对于 渗 透 性很低的混凝 土 ，存在 渗水高度很 小 ，量测 误差大 的问 题 。在测定全级 配混凝 土以及碾 压混 凝土本体 和层 间的渗 透 系数时采用渗 透系数法 ，其操作 方法相对 较复杂 ，但 评 定碾压混凝 土的渗透性 比抗渗等级 物理概 念清晰 ，与现场 坝体压水试验 测定参数 一致 便 于室 内和 现场试验分 析 比 较 。在水工 建筑物 中 ，沥青 混凝土 主要 用于 面板和 心墙 ， 采用渗透 系数作为设 计技术指标 和施工质 量评定依 据 ，与 此相适应 采用渗透 系数法测试 渗透性 ：渗透性较 大时采用 常水头试验 渗透性 较小时采 用变水 头试 验 。渗 透系数法 设计相 对合理 ，量 测指标准 确 ，已成 为国外常 用的一种测 试普通混凝土渗透性的试 验方 法。 1 2气 体 大气 环境混凝 土的耐久性 在很大 程度上受 二氧化碳 及 氧 气在混凝土 中的扩散性 能影响 ，其 在混凝 土中扩散速 度 的确定对于混凝 土耐久性 的评价及 腐蚀的 防止具有重要 的 意义 。 规程上介绍 了混凝土碳化试验和透气性试验的方法 。 ( 1 )碳化试 验 。测 定在一定 浓度的二 氧化 碳气体介质 中混凝 土试件 的碳化深度 。以评定该混凝 土的抗碳化能力。 ( 2 )透气 性试验 。其原理是 给试样 2个 断面施加 1个 气压差 ，测定 某段 固定 压降段 的透气时 间，算 出气体 扩散 4 0 水 利 水 电 5 1 2 程 设 计D WR HE 2 0 1 4年 第 3 3卷 第 4期 系数 以此来 比较混凝土透气性 。 碳化试验采用 的是 高浓度的二氧化碳气体 ( 2 0 ：t 3 ) ，从 而加速碳 化速度 。该 方法用 来表 征混凝 土 的抗 碳化 能力 ， 试 验结果直观 ，相对 自然碳 化法试验周 期短 ，但 不能正确 反 映大气 中混凝 土 自然碳化 的规律 。透 气性试验 操作 、设 备均较简单 ，时间较短 ，不 受混凝土低 渗透性 的限制 ，但 存在的问题包 括 ：试样密封 不易密实 ，测试精度 较低 ；试 验采用 的干燥状态与混凝土实际工作状态相差很大 。 1 3离 子 对水 工建筑耐 久性影 响较 大的离子 主要为氯 离子和硫 酸根离子 。氯离 子破坏钢筋钝 化膜 ，加 速锈蚀反 应 ，是引 起钢 筋锈蚀 的主要 因素 ，特别 是在氯盐 污染环境 中 ，因氯 离 子侵蚀造成钢筋 锈蚀更是混 凝土破坏 的主要原 因。硫酸 盐侵蚀 是危害性最 大的一种环 境水侵蚀 ，硫酸盐 中的硫酸 根离 子与水泥 中铝 酸三钙作用 ，生成钙 矾石 ，会使 体积膨 胀 ，内部 产生应力 ，造成结构 疏松 ，失 去强度 ，从 而导致 混凝 土开 裂破坏 ，以至 最终影 响建 筑 的安 全使 用 和寿命 。 试验规程上列出了以下几种方法3 ,4 ,6 。 ( 1 )抗 氯离子渗 透快速试验 。也称 为直流 电量法 ，其 基本原理 是氯离子在 直流 电压 作用 下 ，能透 过混凝土 试块 向正极方 向移动 。测 量流过混凝 土的 电荷量 ，就能反 映出 透过混凝 土的氯离 子量。混凝 土是 离子导 电 ，其 电导 与 电 流成正 比 ：因此 测量 混凝土试件 的 电导 与测 电荷 量一 样 ，也能 评 定 混凝 土抗 氯 离 子 渗透 性 能 。S L 3 5 2 -2 0 0 6 水工混凝土试验规程 中以通 电量来评定混凝 土抗氯离子 渗透性 。该方 法与长期 氯离子渗透 试验测定 的氯离子 扩散 系数有 良好 的相关性 ，具有方法简便 ，快速 等特点 。需要 注意的问题包括 ：6 0 V电压易使溶 液温度升高 试验 数据 受 影响 ；当混凝 土 中掺加 亚硝酸钙 时 ，本试验方 法可能会 导致错误结果 ，因此不适 用于掺亚 硝酸钙等 的混凝土 ：对 于掺其他外加剂 或表 面处理 过的混凝 土 当有 疑问时 应 进 行氯化 物溶 液的长 期浸 泡试验 ；混凝 土 中掺入 粉煤灰 、 硅粉 等掺合料 后 混凝 土的孔溶 液组成及 孔溶液 中的离子 浓度会产生很大的变化 ，使测得的通电量急剧减少 ，从而夸大 了含掺合料混凝土的抗氯离子渗透能力等 。D L 5 1 5 0 -2 0 0 1 水工混凝土试验规程 中以电导值求得试件 的相对氯离子 扩散 系数 ，其相对 测 电荷量 的方法更 简便 、快速 ，无试件 通 电发热的干扰 。电导与 电荷 量之间有较好 的线性 对应关 系。但 对于 水灰 比大 于 0 6的混凝 土 ，粗 骨料 含量 较大 ， 将影响试验结果 的正确性 因此 ，只适用 于水灰 比小 于 0 6 的混凝土 ( 2 )氯离子扩散系数试验( R C M法) 。其原理是利用外加 电场 的作 用使试件 外部 的氯离 子向试件 内部 迁移 。经 过一 段时 间后 ，将 该试件沿 轴 向劈裂 ，在新劈开 的断面上 喷洒 硝酸银溶 液 根据生成 的氯化银 沉淀测量氯 离子渗透 的深 度 ，以此计算 出混凝土 氯离子扩 散系数 。该 方法理论基 础 是非稳 态 电迁 移偏 微分方 程 的分析解 ，有 较好 的准确 度 ， 试验周期较短 ，可直接 可靠地测 定混凝土 的氯离子扩 散系 数 。但该方法对于已受氯盐侵蚀和碳化影响的混凝土试件无 法进行试验测量 。在 D L tT 5 2 4 1 -2 0 1 0 水 工混凝土耐久性 技术规范中采用 R C M法作 为抗氯离子侵入性指标 规定 对于接触氯化 物的三 、四 、五类环境 中 ，宜在设 计 中提 出 混凝土的氯离 子扩散系数 D 咖指标 。 ( 3 )抗硫 酸盐侵蚀试验 。 目前水利 水 电行业 试验规 范 中还没有关 于混凝土抗硫 酸盐侵蚀 的试 验方法 可采用 国 家标准 中的试 验方法 其适 用于处 于干湿循环环 境 中遭受 硫酸盐侵蚀 的混凝土抗硫 酸盐侵蚀试 验 ，尤其适 用于强度 等级较高 的混 凝土 。评价 指标为抗 硫酸盐等级 。存在 的主 要问题 是 ：由于混凝 土在 全浸泡 条件 下的侵 蚀破 坏机理 、 速度并不完全 相同 ，用干 湿交替条件 下的试验结 果并不 能 代表全浸泡试验 。 2 提高混凝土渗透性 能的措施 如前所述 ，混 凝土 的耐久 性很大程 度上取决 于水 、气 或离子的输移 ，因此 ，保护混 凝土不受 破坏 就要 改善混 凝 土 的渗 透性能 ，截 断物 质的传 播途径 。这 需要从 设计 、 材料 和施工综合考 虑 ，这里列 出了一些 提高混凝 土渗透性 能的措施 。 2 1 孔 结 构 的 改 善 混凝 土是一种 多孔非均质 材料 其渗 透性很 大程度上 取决 于其 内部 的孑 L 结构。混凝 土的孔结构包 括各种水 泥浆 体孔 隙 、集料 中的孔隙 、浆体 与集料界 面间的孔 隙等。吴 中伟将混凝土中孔的孔径分为 1 0 、1 0 2 - - 1 0 、1 0 - 1 0 、 1 0 n 。 研究表 明水透过毛 细孔而流动 比透过更 细小的凝胶孔 容易 得 多。除此之外 ，孔隙率 、孔 的分布 、连通情况 等均会对 渗透性产 生影响 。孑 L 隙率低 、孔 隙连通性差 ，渗透路 径 曲 折时 ，混凝土抗渗透性较好 。 通过混凝 土高性能 优化措施 ，优化混凝 土配合 比 ，可 以较好地 提高混凝 土抗 渗性能 。高效减水剂 的掺入 进一 步降低 了混凝 土的单方 用水量 ，使 得混凝土 的孔 隙率 ，特 别是毛细 管孔 隙率 降低 。引气剂 的掺人一方 面可 以起 到一 定程度减水作 用 ，另一 方面虽然孔 隙率增大 但是引 人的 微小密 闭气泡 ，切断 了毛细管通道 。同时在水 泥颗粒 表面 形成憎水膜 ，显著降低毛细孔的抽吸作用 ， 从而使混凝土抗 渗性能得到提高 。粉煤灰 、磨细矿渣及硅灰 等优 质掺合料 的加入 ，较好地 填充 了混凝 土的孔 隙 ，使混凝 土的密实 度 大大增加 ；同时 ，由于掺合 料的火 山灰性 ，它们在混凝 土 硬化后还会与混凝 土 中的氢氧化钙发生 化学反应 生成具 有 胶凝性 的组分 ，随着龄期增长 ，火 山灰效 应逐 渐发挥出来 ， 使 浆体 中的孔 隙结 构得 到改善 ，孔径 细化 、孔 隙曲折度增 加 ，连通 的孔隙减少 ，从 而进 一步改善混凝土的抗渗透性 。 2 2强化 施 工 过 程 控 制 2 _ 2 1 拌合 、浇筑过程控制 在工 程实际 中 ，由于拌 合 、浇筑过 程控制不 严 ，影 响 混凝土施工质量的事情屡有发生 ，常见 的质量 问题 如蜂窝 、 麻 面 、孔洞 、拆模 时脱棱掉 角 、表面泛 浆和多孔 ，这不仅 影 响了混 凝土强度 ，也使混凝 土密实度 降低 从 而降低混 凝土抗渗性能 。应确保严格按照设定 的配合 比 、投 料顺 序、 陈衍 -水 工 混 凝 土 渗 透 性 能 评 价 方 法 及 其 改 善 措 施 4 1 搅拌 时 间施 工 ，严 禁 随意加 水 ，混凝 土搅拌 、人 模均 匀 ， 模板边 、角 、预埋 件处振捣 适 中 ，避 免漏振 或过振 ，使混 凝土浇筑密实 。 2 2 2养护 养 护条件尤 其是早期养 护条件对 混凝 土抗 渗性能 影响 非 常明显 。在混 凝土早期成 熟 阶段 ，如果养 护不到位 ，水 分迅 速蒸发 ，混凝土 收缩 严重 ，形成 了大 量的大于 1 0 0 n m 的连通孔甚至裂 缝 降低 了混凝 土的抗渗 性能 ；而对 于标 准 养护 或即时水 养护 的混 凝土 ，由于水 泥可 以充分 水化 ， 水化 产物和掺合 料的二 次水化物 大量填充 ，可 以均匀 地消 除混凝土 内的孔 混凝 土孔 隙率 和孔径均 会减小 毛细孔 的贯通程度也会 减小 ，增加 了混 凝土 的密 实性 从 而提高 混凝 土的抗渗透能力 。 D L T 5 l 4 4 2 0 0 1 水工混凝 土施工规范规 定混凝 土 浇筑完毕后 ，应及时洒 水养护 ，保持混凝 土表面 湿润 ；养 护前宜避免 太阳光曝 晒 ：塑性混 凝土应在 浇筑完 毕后开始 洒水养护 ，低塑性混凝 土宜在 浇筑完毕 后立 即喷雾养护并 及早开始洒 水养护 ：应 连续养 护 ，养 护期 内始终 使混凝 土 表面保持湿 润 ；养护 时间不 宜少于有特 殊要求 的部位 ，宜 适当延长养护时间：养护应有专人负责并应作好养护记录【1 1 。 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 混凝 土耐久性设 计规 范 要求 根据结 构所处 的环境类别 与作用等级 ，混凝 土耐久性 所需的施工 养护应符合相应的规定。 2 3防渗 附加措施 这里指 有别于 常规优化 混凝土 的配合 比和增 加保护 层 厚度 等手段来提 高混凝 土结 构耐久 性的其他 特殊措施 ，这 里 主要介绍 防水材料 、钢筋阻锈剂。 2 3 1 防水材料 目前在 水工 、隧道 、地 下 、民用 建筑 等防水 工 程 中 ， 水 泥基渗透结 晶型 防水材料 ( C C C W) 已经广泛应用 。该材料 为 一种用 于水 泥混凝 土 的刚性 防水 材料 其与 水作 用后 材 料 中含有 的活性 化学物 质 以水为 载体在 混凝 土 中渗透 ， 与水泥水化产 物生成不 溶于水 的针状结 晶体 ，填 塞毛细孔 道 和微 细裂缝 ，从而提高混凝土致密性与防水性l 12 1 。该材料 可与水拌合后 调配成 可刷涂 或喷涂在水 泥混凝土 表面 的浆 液 ，亦可 干撒 压入未 完全凝 固的水泥混凝 土表 面 ，或者掺 入水泥混凝 土拌合物 中使用 ，具 有耐久 、双重 防水 、长久 自我修复 、快凝 、早 强 、施 工简单 以及 与混凝 土粘结 能力 出色等特 点。其在水 电工程 中的应用包 括 ，作 为一种辅 助 防渗涂层 ，布置在 大坝上游 面 ，以配合 主体 防渗 结构 ；厂 房重要部 位 ，涂刷 墙面 、地 面及顶 面 ，使室 内形成无 接缝 的整体防水层等。 2 3 _ 2 钢筋阻锈 剂 针对 钢筋混凝 土结构 中 氯离 子渗透引起 的钢筋 锈蚀 可 以采用 钢筋 阻锈 剂 ，它是 能抑制 混凝土 中钢筋 电化 学腐 蚀的化学物质 ，分为掺人 型阻锈 剂和渗透型阻锈剂目 。前者 为掺加到新拌混凝 土中的化 学 t- J J D 剂 ，主要用于新建工程 ； 后 者涂 于混凝 土表面并渗 透到混凝 土中 主要用于 已有 工 程 的修复 。阻锈 剂通过抑 制混凝 土与钢筋界 面孔溶液 中发 生的阳极或 阴极 电化学腐 蚀反映来保 护钢筋 。其一般 工作 原理是直接参 与界面化 学反应 ，使钢筋表 面形成氧化 铁的 钝 化膜 ，或者 吸附在钢 筋表面形 成阻碍层 。阻锈剂减 弱 了 钢筋的活化性 能 ，阻止 了氯离子 对钢筋钝化 膜的破坏 ，降 低了氯离子 的扩散 系数 和临界浓 度 ，使混凝 土的抗氯 离子 渗透性 有所增 强 。G B ， I 5 0 4 7 6 2 o o 8 混凝 土耐 久性设 计 规范中提到在非常严重和极端严重 的环境作用 ( E和 F级) 下 。可在使用 优质耐久 混凝 土的基础上 ，在 混凝 土中掺入 钢筋阻锈剂 。混凝土越 密实 ，钢筋阻锈 剂的防护效 能就越 高 。对 于难 以采用 涂层 防护 的预应 力钢筋 和钢 索 的保护 ， 在混凝 土或灌浆中掺加钢筋阻锈剂是有效 的防护方法 之一 。 作为复合 防护措施 ，钢筋阻锈 剂除与密 实的耐久 混凝土配 合外 ，还 可与环氧涂层 钢筋 、阴极保护 及混凝土 外涂层联 合 、搭配使 用。 3结语 本文 介绍 了水 利水 电行 业试 验规程 中 ，水 、气 、离子 不 同介 质在混凝土 中的渗透 性能评价方 法 。这些 方法从不 同方面反映 了混凝土渗透性 能具有 各 自适用 性和局限性。 工程 实践中 ，应 突 出主要 矛盾 ，针对 具体工程 ，采用适 宜 的评 价方法 ，以满 足设计及 施工 的要 求 。本 文还列 出了改 善混凝土渗透性能的一些措施 ，供工程 实践 中参考 。 参考 文 献 1 张誉 ，蒋利学 ，张伟平 ，等 混凝 土结构耐久性概论【 M】 上海： 上海科学技术出版社 ，2 0 0 3 I 2 1 C E C S 0 1 -2 0 0 4 混 凝土结构耐久性设计 与施 工指南【 s 【 3 DL T 5 1 5 0 -2 0 0 1 水工 混凝土试验规程 S 【 4 S L 3 5 2 -2 0 0 6 水 工混凝 土试验规程 s 【 5 】 DL T 5 3 6 2 -2 0 0 6水工沥青混凝 土试验规程【 s 】 【 6 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 标准 S 】 7 蒋 林华 ，李 娟 混凝 土抗 氯离子 渗透性试 验方 法 比较 研究 J 】 河海 大学学报 ( 自然科学版 ) ，2 0 0 4 ( 1 ) ： 5 5 5 8 8 吴建华 ，张亚梅 混凝 土抗氯离子渗透性试验方 法综述 J 混 凝 土，2 0 0 9 ( 2 ) ： 3 8 4 1 【 9 】 吴 中伟 ，廉慧 珍 高性 能混凝 土 【 M】 北京： 中国铁 道 出版社 ， 1 9 9 9 1 0 】杨 钱荣 掺粉煤灰和引气剂混凝土渗透性 与强度的关系叨 建筑 材料学报 ，2 0 0 4( 1 2) ： 4 5 7 4 6 1 1 1 D I r 5 1 4 4 -2 0 0 1 水工混凝土施工规范【 s 】 1 2 】 G B 1 8 4 4 5 -2 0 1 2 水泥基渗透结晶型防水材料 S 作者简 介 陈 衍 男 工程师 中国水 电顾 问集 团昆明勘测设 计研 究 院 有 限公 司 云 南 昆 明 6 5 0 0 5 1 ( 收 稿 日期2 01 4 0 9 2 7 )