混凝土氣體滲透性試驗(yàn)方法

龐超明 羅時(shí)勇 秦鴻根 孫 偉

(東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)

(東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京211189)

近年來，混凝土耐久性問題日益受到關(guān)注，快速、準(zhǔn)確、有效地評(píng)估混凝土耐久性已成為人們關(guān)心的熱門話題.環(huán)境中侵蝕性物質(zhì)通過傳輸進(jìn)入混凝土內(nèi)部，是混凝土劣化的根源，大多數(shù)影響混凝土耐久性的物理和化學(xué)過程都與氣體滲透、離子遷移等密切相關(guān)，因此滲透性是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一.氣體滲透系數(shù)(簡(jiǎn)稱為氣滲系數(shù))可準(zhǔn)確反映微細(xì)孔結(jié)構(gòu)，不受混凝土孔液化學(xué)成分影響且測(cè)試速度快、重復(fù)性好［1-2］.由于實(shí)驗(yàn)原理、預(yù)處理等不同，氣體滲透性(簡(jiǎn)稱為氣滲性)測(cè)試方法較多，測(cè)試結(jié)果差異也較大.Figg 法是在試樣上鉆一直徑為5.5 mm、深度30 mm 的孔，表面用橡膠塞密封，用一注射器插入橡膠塞中抽真空，測(cè)量壓力從15 kN/m2增到20 kN/m2所需的時(shí)間以計(jì)算氣滲系數(shù).Figg 法對(duì)孔隙率、含水率較為敏感，與混凝土耐久性相關(guān)性良好，但密封效果不理想［3］.以O(shè)2為滲透介質(zhì)的Cembureau 法，采用輪胎式密封結(jié)構(gòu)，密封效果明顯，但試驗(yàn)操作繁瑣［4］.Torrent 法采用負(fù)壓吸盤式測(cè)試，無須密封，適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，但誤差較大［5］.Dinku 等［6］提出過壓法，無須進(jìn)行預(yù)處理，是一種適合實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)使用的無損測(cè)試方法.《水工混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中的混凝土氣滲系數(shù)測(cè)試方法，對(duì)Figg 法進(jìn)行了改進(jìn)，在密封的50 mm 厚試件一端設(shè)置空腔，給定真空度為0.056 MPa，氣體通過混凝土另一側(cè)滲入該空腔，測(cè)量真空度降至0.050 MPa 時(shí)所需的時(shí)間以計(jì)算氣滲系數(shù)，一般所需時(shí)間很短，幾十秒到幾分鐘不等.由于現(xiàn)代混凝土性能大幅提高，滲透性顯著降低，甚至呈數(shù)量級(jí)降低，如采用原規(guī)定參數(shù)，在部分C50 高性能混凝土測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間達(dá)數(shù)小時(shí)甚至幾天，實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長，且結(jié)果誤差較大，難以準(zhǔn)確評(píng)估［7-8］.因此，本文研究了氣滲系數(shù)測(cè)試中的影響因素及規(guī)定參數(shù)(如真空度、試件含水率、附加壓力和試件厚度等)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，以便準(zhǔn)確地對(duì)氣滲性進(jìn)行評(píng)估.

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料和配合比

實(shí)驗(yàn)采用海螺P·Ⅱ42.5R 水泥，華能Ⅰ級(jí)粉煤灰，需水量比為93%，0.045 方孔篩篩余11.0%，燒失量為2.1%;馬鋼S95 礦粉，比表面積為433 m2/kg，流動(dòng)度比為96%，燒失量為1.9%.細(xì)度模數(shù)為2.7 的中砂，含泥量為0.9%.5 ～25 mm 連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量0.2%，含水率為0.6%，表觀密度為2 930 kg/m3，空隙率為44.7%.蘇博特聚羧酸減水劑JM-PCA.

試驗(yàn)用混凝土采用工程常用設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30 和C50，其中C30 水膠比為0.55，砂率37%，減水劑摻量為0.7%，用水量為187 kg/m3，水泥用量為238 kg/m3，粉煤灰和礦渣微粉用量均為50 kg/m3;C50 水膠比為0.31，砂率38%，減水劑摻量為0.9%，用水量為154 kg/m3，水泥用量為400 kg/m3，粉煤灰和礦渣微粉用量均為50 kg/m3.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

氣體滲透性測(cè)試方法參考《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 270—1998)，研究了不同尺寸、不同測(cè)試壓力和不同含水率等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響.實(shí)驗(yàn)采用壓力可調(diào)的NELD-BL 混凝土透氣性測(cè)定儀.滲透系數(shù)按下式［9］計(jì)算:

當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)方法，真空度從0.056 MPa 下降到0.050 MPa 時(shí)，采用如下計(jì)算公式:

式中，Ka為氣滲系數(shù)，m2/s;ta為所測(cè)透氣時(shí)間，s;Vs為抽真空試驗(yàn)槽體積與連接閥門、試驗(yàn)槽皮管的體積之和，m3;L 為試件厚度，m;A 為試件透氣截面積，m2;P0，P1分別為起始和終止測(cè)試時(shí)試驗(yàn)槽側(cè)的壓力;Pa為外側(cè)壓力(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為大氣壓).

采用高頻率水分儀FD-100A，以電磁感應(yīng)原理快速測(cè)定50 mm 范圍內(nèi)的含水率，試驗(yàn)時(shí)測(cè)量4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，取其平均值作為試樣的含水率.

2 氣體滲透性影響因素

2.1 試件厚度對(duì)氣滲性試驗(yàn)的影響

定義曲折度ξ 為實(shí)際傳輸距離le與兩點(diǎn)間直線距離l 之比，其值總大于1.ξ 物理含義簡(jiǎn)單明了，廣泛用于傳輸?shù)睦碚摲治鲋?，但?shí)際測(cè)試和應(yīng)用時(shí)非常復(fù)雜.如圖1所示，實(shí)際傳輸距離le為圓弧或曲線，角度θ 用弧度x 表示，則曲折度為

圖1 曲折度定義示意圖

初始長度l 為弧度x 的函數(shù)，而曲折度ξ 是長度l 的函數(shù)，因此ξ 與角度x 及長度l 取值有關(guān).隨著角度x 的增大，長度l 增大，曲折度ξ 則也隨之增大.而多孔材料的滲透性與孔結(jié)構(gòu)的曲折度有關(guān)，隨著曲折度的增大，氣體傳輸路徑增大，氣滲系數(shù)減小.鑒于曲折度的復(fù)雜性，研究中常用曲折度因子τ 來分析.τ 是指曲折度ξ 與限制長度f 的比值，即τ=ξ/f.如以10 mm 作為限制長度，分別采用50，30，20 和10 mm 四個(gè)不同厚度的試件，研究不同厚度對(duì)混凝土氣滲性的影響.試驗(yàn)時(shí)，先測(cè)量厚度為50 mm 試件的氣滲系數(shù)，然后將試件切成30 mm 厚進(jìn)行試驗(yàn)，再切成20 mm 進(jìn)行試驗(yàn)，最后切成10 mm 厚度進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)測(cè)量了4 組C50試件和1 組C30 試件，測(cè)得的氣滲系數(shù)和計(jì)算所得曲折度因子τ 如表1所示.

表1 C50 混凝土樣品厚度對(duì)氣滲系數(shù)的影響

結(jié)果表明:不同厚度混凝土樣品所獲得的氣滲系數(shù)不同，測(cè)試結(jié)果受孔隙曲折度的影響較大.以試件厚度10 mm 為基礎(chǔ)，從20 mm 至50 mm，隨著厚度的增加，曲折度因子逐步增大，其增大程度除與混凝土自身的密實(shí)性有關(guān)外，還與測(cè)量長度f 有關(guān).隨著厚度的增加，氣滲系數(shù)略有降低，這是由于多孔介質(zhì)中氣體實(shí)際傳輸?shù)穆窂讲⒎浅示€性增長，而是以曲折度因子為系數(shù)呈比例增長，因此可基于不同厚度樣品的滲透性來研究多孔材料的曲折度.當(dāng)厚度較大，按標(biāo)準(zhǔn)取值50 mm 時(shí)，對(duì)于致密性較高的C50 高性能混凝土，往往測(cè)試時(shí)間過長，甚至無法得到測(cè)量結(jié)果.降低試件厚度，有利于大幅度縮短試驗(yàn)時(shí)間.但試件厚度過小時(shí)，缺陷對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響顯著增大，易由于某個(gè)缺陷的存在，導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間過短，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的代表性降低.因此建議樣品厚度取30 mm.

2.2 含水率對(duì)混凝土氣滲性試驗(yàn)的影響

當(dāng)混凝土含水率較大時(shí)，其空隙中充滿水，能減小不溶氣體如N2的擴(kuò)散速率.隨著烘干時(shí)間的延長，混凝土毛細(xì)孔中的自由水不斷蒸發(fā)，所測(cè)得的氣滲系數(shù)顯著增大，因此測(cè)試前，樣品應(yīng)經(jīng)過烘干處理［10］.當(dāng)采用較高烘干溫度時(shí)，可能會(huì)改變混凝土的孔隙率及孔徑分布，而導(dǎo)致滲透性顯著增加［11］.王中平等［12］認(rèn)為混凝土在60 ℃下干燥產(chǎn)生的微裂紋在空間上可以看作是隨機(jī)分布的，對(duì)孔隙群的連通性影響不大，不會(huì)破壞混凝土原有孔隙結(jié)構(gòu)，故而對(duì)氣滲系數(shù)影響甚微.為研究烘干程度即含水率對(duì)混凝土氣滲性的影響，將制作好的φ100 mm ×30 mm 的C50 和C30 混凝土試樣各1組放置養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，取出后，置于60℃的烘箱中烘干，每隔24 h 測(cè)試其含水率，并在真空度0.056 ～0.050 MPa 下進(jìn)行試驗(yàn).烘干時(shí)間與含水率變化及對(duì)氣滲性的影響如圖2所示.由圖可見，隨著樣品干燥時(shí)間的延長，前3 d 含水率迅速降低，之后含水率的降幅減緩，7 d 含水率僅為5.5%，之后基本維持不變.延長烘干時(shí)間至30 d，含水率仍在4.3%以上.李春秋等［13］在研究混凝土中水分傳輸時(shí)也發(fā)現(xiàn)，干燥過程中混凝土失水量與干燥時(shí)間有類似關(guān)系.隨著含水率的降低，當(dāng)含水率高于5.6%時(shí)，氣滲系數(shù)由18.2 ×10－8m2/s 增加至25.0 ×10－8m2/s，受含水率影響較大，但進(jìn)一步降低含水率，氣滲系數(shù)受含水率的影響顯著降低.因此為獲得較為精確的氣滲系數(shù)，應(yīng)使混凝土含水率趨于穩(wěn)定的較低值(如5.5%左右).C50 試件烘干時(shí)間應(yīng)至少7 d，但過長的烘干時(shí)間，對(duì)于摻加摻合料的混凝土，可能會(huì)改變混凝土密實(shí)狀態(tài)，此時(shí)可用低真空干燥加速烘干.

圖2 含水率對(duì)混凝土氣滲性的影響

2.3 附加氣體壓力對(duì)氣滲系數(shù)的影響

取含水率基本穩(wěn)定、尺寸為φ100 m m ×30 mm的C50 混凝土試樣進(jìn)行氣滲試驗(yàn)，將原通大氣的接口通N2，在0.1 ～1.0 MPa 內(nèi)調(diào)整附加壓力，然后測(cè)試真空度由0.056 MPa 降到0.050 MPa 所用的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.由圖可見，附加N2壓力后，氣體滲透速度較快，能夠顯著加快混凝土透氣性實(shí)驗(yàn)進(jìn)程.隨著N2附加壓力的增大，測(cè)試時(shí)間呈現(xiàn)出非線性遞減的規(guī)律.當(dāng)N2附加壓力低于0.2 MPa 時(shí)，氣滲系數(shù)顯著降低;當(dāng)附加壓力為0.3 MPa 時(shí)，氣滲系數(shù)基本平穩(wěn)，隨著附加壓力的進(jìn)一步增大，當(dāng)附加壓力大于0.5 MPa 時(shí)，測(cè)試時(shí)間降幅降低，氣滲系數(shù)反而略有增大，此時(shí)氣體在微細(xì)孔中的滲透不再服從達(dá)西定律，即為Klinkenberg (氣體的滑移)效應(yīng)，該效應(yīng)在很大程度上取決于漿體的孔徑分布和通過氣體的壓力［14-16］.實(shí)際上，氣體在混凝土尤其是在高性能混凝土中的傳輸分為黏性流擴(kuò)散和紐特遜流擴(kuò)散［17］.當(dāng)孔徑遠(yuǎn)大于氣體分子平均自由程λ(N2的分子平均自由程在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下約為78 nm)時(shí)，氣體分子滑移速度可以忽略，此時(shí)以黏性流擴(kuò)散為主;當(dāng)孔徑與分子平均自由程相近時(shí)，氣體分子滑移速度開始顯著增加，趨于紐特遜流擴(kuò)散［18］.目前應(yīng)用最廣泛的Klinkenberg 理論認(rèn)為，氣體擴(kuò)散速率受限于微細(xì)孔中的非黏性流擴(kuò)散，氣滲系數(shù)與測(cè)試時(shí)1/2 兩側(cè)壓力差的倒數(shù)成線性關(guān)系［19］.對(duì)于混凝土材料而言，Klinkenberg 效應(yīng)的存在使得滲透系數(shù)對(duì)孔徑尺寸更為敏感，能更好地反應(yīng)其孔結(jié)構(gòu)特征.線性擬合0.1 ～1.0 MPa 之間壓差均值的倒數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.947 3，而在0.3 ～0.5 MPa 之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.999 8，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好.

圖3 附加氣體壓力對(duì)滲透系數(shù)的影響

綜上所述，當(dāng)附加氣壓較小(＜0.2 MPa)時(shí)，氣體擴(kuò)散機(jī)制不夠明確，測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定，同時(shí)測(cè)試時(shí)間過長，影響試驗(yàn)效率;當(dāng)氣壓過大時(shí)，在增加密封難度的同時(shí)，Ka增加，這可能是氣體壓力增加了原透氣性小、對(duì)滲透性影響不明顯部分的連通孔透氣量，因此建議附加外壓力在0.3 ～0.5 MPa 范圍內(nèi)取值.

2.4 初始真空度對(duì)氣滲系數(shù)的影響

試驗(yàn)中采用的透氣儀可自由設(shè)定試驗(yàn)的起始與終止真空度，研究采用4 個(gè)真空度區(qū)間，分別為0.096 ～0.090 MPa，0.076 ～0.070 MPa，0.056 ～0.050 MPa，0.036 ～0.030 MPa，測(cè)定φ100 mm ×30 mm 的C50 樣品在不同真空度下的透氣時(shí)間，結(jié)果如表2所示.

表2 不同真空度對(duì)C50 氣滲系數(shù)的影響

隨著初始真空度的增加，實(shí)驗(yàn)過程所需要的時(shí)間顯著縮短，由于多孔材料的Klinkenberg 效應(yīng)，滲透系數(shù)呈明顯線性下降趨勢(shì).為反映混凝土的真實(shí)滲透系數(shù)，引入國外廣泛應(yīng)用的本征滲透系數(shù)K［20-21］來反映混凝土實(shí)際孔隙狀況.根據(jù)Klinkenberg 理論，有

式中，p 為滲透時(shí)壓差平均值;b 為Klinkenberg 系數(shù)，在外壓一定時(shí)僅與混凝土的水飽和度有關(guān).由表2可以看出，在較小壓差變化范圍內(nèi)，本征滲透系數(shù)基本不受真空度選擇的影響，這為根據(jù)需要選擇不同真空度范圍測(cè)試結(jié)果比較的可行性提供了依據(jù).由于目前普遍使用的高性能混凝土滲透性較低，按標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，往往需要很長時(shí)間，甚至無法測(cè)出，在減小試件厚度至30 mm 的條件下，真空度宜進(jìn)一步提高至0.096 ～0.090 MPa 以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間.

3 結(jié)論

1)多孔材料的曲折度非常復(fù)雜，可通過不同厚度的氣滲性來研究.隨著試件厚度的增大，氣滲系數(shù)增大，其增長系數(shù)為曲折度因子.在保證試件均勻性的條件下，使用較薄試件可以大幅縮短試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)為了降低樣品缺陷對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，高強(qiáng)混凝土樣品厚度宜取30 mm.

2)混凝土含水率對(duì)透氣性影響較大，因此試件需進(jìn)行良好的預(yù)處理，宜在60 ℃下烘干使內(nèi)部含水率降至5.5%以下.試驗(yàn)表明對(duì)于C50 烘干時(shí)間應(yīng)達(dá)到7 d 以上.

3)使用N2增加外壓可大幅縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，然而并非附加壓力越大越好，附加壓力在0.3 ～0.5 MPa 之間時(shí)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好，更能反應(yīng)孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土滲透性的影響.

4)由于起始真空度的選擇對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大影響，因此宜采用本征滲透系數(shù)表征.對(duì)于高性能混凝土，建議選擇真空度為0.096 ～0.090 MPa.

5)綜合考慮含水率、外壓及測(cè)試時(shí)真空度的選擇對(duì)混凝土氣滲性測(cè)試結(jié)果的影響，建議將含水率控制在5.5%以下，樣品厚度取30 mm，真空度為0.096 ～0.090 MPa，外加壓力范圍為0.3 ～0.5 MPa，并采用本征滲透系數(shù).在上述測(cè)試條件下，能保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，并縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間.

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