摘 要：本文介紹了國外混凝土表層滲透性的測試技術的最新進展，也結合國內(nèi)工程實例對混凝土表層滲透性的現(xiàn)場檢測做了說明，并提出今后幾個可能發(fā)展方向。
關鍵詞：混凝土，表層滲透性，現(xiàn)場檢測
1 前言
混凝土結構耐久性與混凝土材料本身的滲透性密切相關，尤其是表層混凝土，是抵御水、CO2 等有害介質侵蝕的第一道防線�；炷两Y構自建成起自身存在大量不連通的微裂縫，在環(huán)境因素及應力作用下，這些微裂縫不斷擴展直至連通，此時混凝土的滲透性決定了水或有害介質進入內(nèi)部的速度，從而決定了劣化發(fā)展的速度。裂縫擴展（由混凝土斷裂能控制）加速了水等介質的滲透速度，也加速了劣化進程。交互作用的模型見圖1。
圖1 混凝土性能劣化交互作用模型[1]
從圖1 可知，混凝土的劣化與其微觀結構和侵蝕性介質的傳輸有關，混凝土的滲透性取決于其自身的微結構和飽水程度，是決定混凝土性能劣化的關鍵因素。因此可通過檢測混凝土的滲透性來評估其耐久性。
國外自上世紀六、七十年代開始即開始研究在現(xiàn)場檢測混凝土滲透性的方法，大致分為三類：吸水性試驗、滲透性試驗（水或空氣滲透）和離子擴散試驗。比較著名的如ISAT試驗（初期表面吸水性試驗）已在1970 年列為英國標準：BS 1881: part 5；1973 年J. W. Figg研發(fā)的鉆孔法，可檢測表層混凝土的吸水性及透氣性指標；之后有R. K. Dhir、Schonlin 等開發(fā)的空氣滲透性試驗等。丹麥的Germanns 公司也于上世紀90 年代初開發(fā)了用于現(xiàn)場評估的滲水、滲氣試驗儀。上述測試方法的自動化程度均不高。
目前國際上較為先進的是英國Belfast 的女王大學研發(fā)的Autoclam 自動滲透性測試儀[2]，能在現(xiàn)場同時自動檢測吸水量、滲水性和滲氣性三項指標，本文主要對此儀器的原理及應用作一簡介。
2 自動滲透儀的原理及應用
2.1 原理
Autoclam 系統(tǒng)主要部件如圖2 所示。
圖2 自動滲透儀系統(tǒng)
自動檢測吸水量、滲水性和滲氣性三種試驗的第一步都是把一個鋼的基礎圓環(huán)固定或膠結在混凝土表面，這樣就能達到空氣和水的密封。基礎環(huán)的內(nèi)徑通常是50mm，實際上的“AUTOCLAM”試驗裝置就固定在基礎環(huán)上，如圖3-a。
儀器主體包括一個壓力轉換器，可以檢測試驗區(qū)域的壓力；一個柱桶體，供活塞在里面運行；一個主閥門，用以引入水或空氣（或其它氣體）；一個釋放閥門，用以釋放水或氣體。通過測量活塞在柱桶中移動的距離，可計算混凝土表層的吸水量。設計考慮了不同的柱桶、活塞尺寸，以適合不同的混凝土滲透性。因為表層混凝土的濕含量影響滲透性，所以一般要求檢測的混凝土表層是干燥的。
對于吸水性試驗，使用了2Kpa 的壓強，這和ISAT 法使用的200mm 水柱相當。整個試驗都是自動的，試驗時間大約15 分鐘。繪制出累計吸收的水量對時間平方根的曲線，就可以得到一個線性關系，其斜率即為吸水性指標，單位m3/√min。
自動化水滲透性測試在原理上和自動化吸水性試驗是相同的，只不過試驗用的壓強更高。如圖3-b，對于自動化水滲透性試驗，壓強保持在150Kpa，水滲透性指標采用和吸水性指標相同的方法計算。
自動化空氣滲透性試驗如圖3-c 所示，試驗裝置中的壓強增加到大約150Kpa 后關閉開關閥，記錄壓強隨時間的衰減曲線，可以發(fā)現(xiàn)壓強的自然對數(shù)值對時間是線性的。取線性回歸直線的斜率作為空氣滲透性指標，單位是ln(壓強的單位)/min。
因為實際上空氣和水的滲透并沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此這些試驗都只能得到和滲透性相關的相對指標。兩個試驗都簡單快速，適合試驗室和現(xiàn)場應用，但是水滲透性受混凝土濕含量狀況的影響要小一些。
圖3 自動化試驗示意圖
（a）固定在混凝土表面的基礎環(huán)；
（b）水滲透性試驗方法；
（c）空氣滲透性方法
2.2 滲透性指數(shù)與耐久性指標的關系
2.2.1 空氣滲透指數(shù)與耐久性
試驗考察了碳化深度、鹽剝蝕深度、凍－融循環(huán)剝蝕和Autoclam 空氣滲透系數(shù)之間的關系，結果如圖4(a-c)所示。因Autoclam 的滲水系數(shù)與凍－融循環(huán)剝蝕有更好的關系，所
以在圖6 中Autoclam 的滲水系數(shù)是橫坐標。從圖可知，耐久性與Autoclam 指標間有很好的相關性。
圖2 a.空氣滲透指數(shù)和砼碳化深度的關系
2.2.2 現(xiàn)場吸水量指數(shù)與耐久性
圖5 給出了現(xiàn)場吸水量指數(shù)與不同耐久性指標之間的關系。其中碳化深度與吸水量的相關性不如圖4 中與水滲透性指數(shù)之間段相關性好。鹽剝蝕深度也有類似現(xiàn)象。這些相關性的減小是因為吸水量直接與近表面層混凝土的孔隙率有關，而與更深一些混凝土的孔結構相關性不太強。
然而從圖5-c,d 圖可知，氯離子侵入保護層的量與吸水性指標有良好的相關性。E 圖更說明銹蝕開始時間與混凝土表層吸水量高度相關，保護層的作用也非常明顯。
上述試驗是Autoclam 現(xiàn)場檢測指數(shù)與耐久性試驗的部分內(nèi)容，從中可以看出，這些指數(shù)與混凝土多個耐久性指標有良好的相關性。
3 國內(nèi)現(xiàn)狀
3.1 試驗室研究
我國國家標準中規(guī)定的是抗?jié)B等級法確定混凝土的滲透性[3]。近來隨著對混凝土耐久性的研究的深入，不少研究者開展了水壓法的改進工作，有的還利用CH2Cl2 的滲透進行評價[4-5]。另外一個熱點是研究氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)，國內(nèi)結合美國、歐洲的提議進行了大量試驗，主要有電量法、自然擴散法及Nel 法等。這些工作對研究混凝土結構的耐久性壽命具有重大意義。但其都有一個共同特點，及需要取樣在實驗室操作，無法在現(xiàn)場對既有結構進行檢測。
3.2 現(xiàn)場檢測
國內(nèi)對既有結構的滲透性檢測一般是取樣到試驗室進行，較少進行現(xiàn)場試驗。本單位自上世紀90 年代中期從丹麥引進了系列混凝土耐久性無損檢測設備，其中即有氣體滲透測試儀和水滲透測試儀，可在現(xiàn)場進行檢測。
如在2004 年11 月，某地鐵既有區(qū)間隧道停運大修，其中混凝土結構耐久性評估中需對混凝土滲透性進行評價。我中心利用GWT（Germanns Water Permeability）儀器對隧道側
墻的混凝土進行了檢測評價，收到了良好效果[7]。
4 現(xiàn)場檢測評定混凝土滲透性的意義
4.1 對施工質量進行控制
目前我國大規(guī)模建設的勢頭還將持續(xù)幾十年，許多關鍵土木基礎設施及標志性建筑已提出服役壽命100 年的要求，如杭州灣大橋和北京2008 奧運會主體育場等。對混凝土結構而言，現(xiàn)場施工質量在很大程度上決定了混凝土結構未來的耐久性，而表層混凝土（一般指40mm 左右的混凝土保護層）的質量更應認真控制。
過去主要靠現(xiàn)場目測進行評定，沒有科學的辦法對其密實性進行檢測。在2004 年5 月頒布的中國工程建設標準化協(xié)會標準《混凝土結構耐久性施工與設計指南》中第6.3.2 條明確要求，對重要工程應在現(xiàn)場用便攜式儀器檢測評定現(xiàn)場表層混凝土的氣體滲透性或水的滲透性。
目前有關工作正在進行，對現(xiàn)場表層混凝土的滲透性將結合我國混凝土的特點設定不同的指數(shù)，用以在工程上進行質量控制。
4.2 對既有結構滲透性分級
既有重要結構，如橋梁、隧道等在耐久性檢測評估時，表層混凝土的滲透性指標也非常重要。近10 年來國外研究表明，吸水量、滲水性、滲氣性指標與許多耐久性指標密切相關[8-10]。如果在現(xiàn)場得到第一手數(shù)據(jù)，可根據(jù)實驗室得到的二者關系，對碳化速度、抗鹽剝蝕性、抗凍融性、鋼筋銹蝕開始時間等進行預測，進而建立混凝土結構的劣化模型，對制訂建構的維護、檢修策略具有重大意義。
4.3 對防護措施效果進行檢測
國內(nèi)外研究表明，在混凝土表面進行浸漬或用成膜型涂料進行保護，可大大延長結構使用壽命。過去僅能在實驗室小試樣檢測涂裝后的效果，現(xiàn)場無法評價。利用滲透性測試儀，如Autoclam 等，可檢測涂裝前后混凝土表層滲透性指數(shù)的變化，直接計算保護的效果，更具直觀性[11-12]。進一步可在保護后的滲透性指數(shù)基礎上預測混凝土結構的老化速度。
5 建議
鑒于現(xiàn)場檢測表層混凝土滲透性的上述意義，筆者認為以下幾方面是今后的發(fā)展方向：
5.1 開展實驗室試驗，找出表層混凝土滲透性與常規(guī)滲透性試驗之間的關系；
5.2 繼續(xù)現(xiàn)場檢測，積累數(shù)據(jù)，為編制現(xiàn)場施工表層混凝土評定質量制定標準作準備；
5.3 通過實驗室、現(xiàn)場試驗對比研究，為建立基于表層滲透性的混凝土劣化模型奠定基礎。 |
