摘 要：本文介紹了國外混凝土表層滲透性的測試技術(shù)的最新進(jìn)展，也結(jié)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(guān)鍵詞：混凝土，表層滲透性，現(xiàn)場檢測
1 前言
混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與混凝土材料本身的滲透性密切相關(guān)，尤其是表層混凝土，是抵御水、CO2 等有害介質(zhì)侵蝕的第一道防線�；炷两Y(jié)構(gòu)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(yīng)力作用下，這些微裂縫不斷擴(kuò)展直至連通，此時混凝土的滲透性決定了水或有害介質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部的速度，從而決定了劣化發(fā)展的速度。裂縫擴(kuò)展（由混凝土斷裂能控制）加速了水等介質(zhì)的滲透速度，也加速了劣化進(jìn)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(jié)構(gòu)和侵蝕性介質(zhì)的傳輸有關(guān)，混凝土的滲透性取決于其自身的微結(jié)構(gòu)和飽水程度，是決定混凝土性能劣化的關(guān)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(jì)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)；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(jì)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(jìn)的是英國Belfast 的女王大學(xué)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(biāo)，本文主要對此儀器的原理及應(yīng)用作一簡介。
2 自動滲透儀的原理及應(yīng)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(chǔ)圓環(huán)固定或膠結(jié)在混凝土表面，這樣就能達(dá)到空氣和水的密封�；A(chǔ)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(chǔ)環(huán)上，如圖3-a。
儀器主體包括一個壓力轉(zhuǎn)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(yùn)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(shè)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(qiáng)，這和ISAT 法使用的200mm 水柱相當(dāng)。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(guān)系，其斜率即為吸水性指標(biāo)，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(qiáng)更高。如圖3-b，對于自動化水滲透性試驗，壓強(qiáng)保持在150Kpa，水滲透性指標(biāo)采用和吸水性指標(biāo)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(qiáng)增加到大約150Kpa 后關(guān)閉開關(guān)閥，記錄壓強(qiáng)隨時間的衰減曲線，可以發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)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(biāo)，單位是ln(壓強(qiáng)的單位)/min。
因為實際上空氣和水的滲透并沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此這些試驗都只能得到和滲透性相關(guān)的相對指標(biāo)。兩個試驗都簡單快速，適合試驗室和現(xiàn)場應(yīng)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(chǔ)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(biāo)的關(guān)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(guān)系，結(jié)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(guān)系，所
以在圖6 中Autoclam 的滲水系數(shù)是橫坐標(biāo)。從圖可知，耐久性與Autoclam 指標(biāo)間有很好的相關(guān)性。
圖2 a.空氣滲透指數(shù)和砼碳化深度的關(guān)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(biāo)之間的關(guān)系。其中碳化深度與吸水量的相關(guān)性不如圖4 中與水滲透性指數(shù)之間段相關(guān)性好。鹽剝蝕深度也有類似現(xiàn)象。這些相關(guān)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(guān)，而與更深一些混凝土的孔結(jié)構(gòu)相關(guān)性不太強(qiáng)。
然而從圖5-c,d 圖可知，氯離子侵入保護(hù)層的量與吸水性指標(biāo)有良好的相關(guān)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(guān)，保護(hù)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(biāo)有良好的相關(guān)性。
3 國內(nèi)現(xiàn)狀
3.1 試驗室研究
我國國家標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)工作，有的還利用CH2Cl2 的滲透進(jìn)行評價[4-5]。另外一個熱點是研究氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)，國內(nèi)結(jié)合美國、歐洲的提議進(jìn)行了大量試驗，主要有電量法、自然擴(kuò)散法及Nel 法等。這些工作對研究混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。
3.2 現(xiàn)場檢測
國內(nèi)對既有結(jié)構(gòu)的滲透性檢測一般是取樣到試驗室進(jìn)行，較少進(jìn)行現(xiàn)場試驗。本單位自上世紀(jì)90 年代中期從丹麥引進(jìn)了系列混凝土耐久性無損檢測設(shè)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(jìn)行檢測。
如在2004 年11 月，某地鐵既有區(qū)間隧道停運(yùn)大修，其中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估中需對混凝土滲透性進(jìn)行評價。我中心利用GWT（Germanns Water Permeability）儀器對隧道側(cè)
墻的混凝土進(jìn)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(zhì)量進(jìn)行控制
目前我國大規(guī)模建設(shè)的勢頭還將持續(xù)幾十年，許多關(guān)鍵土木基礎(chǔ)設(shè)施及標(biāo)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(yùn)會主體育場等。對混凝土結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)場施工質(zhì)量在很大程度上決定了混凝土結(jié)構(gòu)未來的耐久性，而表層混凝土（一般指40mm 左右的混凝土保護(hù)層）的質(zhì)量更應(yīng)認(rèn)真控制。
過去主要靠現(xiàn)場目測進(jìn)行評定，沒有科學(xué)的辦法對其密實性進(jìn)行檢測。在2004 年5 月頒布的中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性施工與設(shè)計指南》中第6.3.2 條明確要求，對重要工程應(yīng)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(guān)工作正在進(jìn)行，對現(xiàn)場表層混凝土的滲透性將結(jié)合我國混凝土的特點設(shè)定不同的指數(shù)，用以在工程上進(jìn)行質(zhì)量控制。
4.2 對既有結(jié)構(gòu)滲透性分級
既有重要結(jié)構(gòu)，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(biāo)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(biāo)與許多耐久性指標(biāo)密切相關(guān)[8-10]。如果在現(xiàn)場得到第一手?jǐn)?shù)據(jù)，可根據(jù)實驗室得到的二者關(guān)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(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而建立混凝土結(jié)構(gòu)的劣化模型，對制訂建構(gòu)的維護(hù)、檢修策略具有重大意義。
4.3 對防護(hù)措施效果進(jìn)行檢測
國內(nèi)外研究表明，在混凝土表面進(jìn)行浸漬或用成膜型涂料進(jìn)行保護(hù)，可大大延長結(jié)構(gòu)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(hù)的效果，更具直觀性[11-12]。進(jìn)一步可在保護(hù)后的滲透性指數(shù)基礎(chǔ)上預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)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(rèn)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(guān)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(zhì)量制定標(biāo)準(zhǔn)作準(zhǔn)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(chǔ)。 |
