影響混凝土氣體滲透性的因素研究

金文娟，宋楊

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春130026；2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032)

影響混凝土氣體滲透性的因素研究

金文娟1，宋楊2

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春130026；2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032)

采用氣壓差值法，利用國外精密儀器，對混凝土的氣體滲透性及其影響因素進行了研究分析。結(jié)果表明：被研究混凝土為低滲透介質(zhì)，其氣體滲透性為8.61×10-18～1.90×10-17m2；由于混凝土孔隙體積受到外界壓力而減小，導(dǎo)致連通通道閉合，氣體滲透系數(shù)隨圍壓的增大而減?。换炷翚怏w滲透中的Klinkenberg效應(yīng)不明顯，氣體滲透系數(shù)隨氣壓的增大而略有減??；由于粉煤灰有利于增加混凝土的密實度，混凝土的氣體滲透性隨著粉煤灰含量的增大(0%、15%、30%)而逐漸減??；由于較低的水灰比有利于增加混凝土內(nèi)的水化產(chǎn)物比例，混凝土的氣體滲透性隨著水灰比(0.55、0.45、0.35)的不斷減小而逐漸減小。

混凝土；滲透性；配合比；Klinkenberg效應(yīng)

0 引言

滲透性作為混凝土材料的一個重要參數(shù)，對混凝土抗碳化、抗?jié)B水、抗氯離子擴散等性能具有重要意義，是評價混凝土耐久性的重要指標。我國《混凝土耐久性檢驗評定標準》(JGJ/T 193—2009)提出了對混凝土抗氯離子擴散、抗碳化、抗水滲透能力的國家標準測試方法與評價體系?；炷量箽怏w滲透的能力也是混凝土耐久性的重要影響因素與評價標準，在國際材料與結(jié)構(gòu)研究實驗聯(lián)合會(RILEM)中已經(jīng)使用多年。近年來，隨著混凝土材料的廣泛應(yīng)用，我國對于混凝土抗氣體滲透能力的需求也逐漸增加，如醫(yī)院、科研院所有輻射源的儀器需應(yīng)用抗輻射混凝土，核電站混凝土安全殼對防止核泄漏的要求，以及氣體本身對混凝土的滲透侵害，如混凝土的碳化。因此，評價和衡量混凝土的氣體滲透性能具有重要的意義。

由于普通混凝土的氣體滲透性較低，一般為10-19～10-16m2[1]，因此采用常規(guī)的滲透性儀器很難保證測試的精準度。目前，用于測試混凝土氣體滲透性的方法，主要包括：M Levitt[2]提出的基于測試混凝土表面滲透性的ISAT方法;Basheer和P A Muhammed[3]在ISAT方法的基礎(chǔ)上提出的，也是目前應(yīng)用較廣的Autoclam方法;文獻[4]中精確的混凝土氣體滲透性測試的Cembureau方法，該方法由RILEM組織在1999年作為推薦標準推出；根據(jù)Cembureau的方法，交通部《水運工程混凝土試驗規(guī)程》(JTJ 270—1998)提出的使用空氣為滲透介質(zhì)的實驗室氣體抗?jié)B性測試方法[5]；Calogovic提出的以時間為變量的氣壓差值法，此方法保留了Cembureau方法精確測量的優(yōu)點，同時簡化了測量程序，不需要測量氣體流速。我國尚未將混凝土氣體滲透性作為衡量混凝土耐久性的重要指標，也并未提出相應(yīng)的、廣泛推廣的試驗標準。由此可見，對混凝土的

氣體滲透性進行測試，并研究不同配比對其影響具有十分重要的研究和應(yīng)用價值。本文采用國外精密儀器，利用改進的氣壓差值法，對混凝土的氣體滲透性進行研究，探討了混凝土氣體滲透性在不同圍壓和進氣壓下的測試規(guī)律，以及不同配比對混凝土氣體滲透性的影響。

1 試驗方法

1.1 混凝土材料

1)水泥。水泥是決定混凝土性能的最為關(guān)鍵的部分，本次試驗選用南京海螺水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥PO 42.5R。

2)粉煤灰。粉煤灰產(chǎn)品的物理性能，見表1。

表1 粉煤灰物理性能 %

3)骨料。砂采用中砂，表觀密度2 600 kg/m3，堆積密度1 450 kg/m3，含泥量約為1.0%，細度模數(shù)2.7。石子采用無針片狀顆粒錘破碎石，石灰?guī)r質(zhì)，粒徑為5～15 mm，表觀密度2 800 kg/m3，堆積密度1 400 kg/m3，含泥量約為0.3%，壓碎指標為6%。

4)水。采用自來水，pH約為7。

1.2 混凝土配比

為了研究不同水灰比、粉煤灰含量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)對混凝土滲透性能的影響，本實驗采用保持單位體積混凝土用水量的方法，分別采用0.35、0.45、0.55的水灰比和0%、15%、30%的粉煤灰含量等5種混凝土配比，具體配置情況見表2。

表2 混凝土配合比設(shè)計

將混凝土澆筑在邊長為15 cm的標準立方體模塊內(nèi)，并采用磁鐵式搗固機進行振動搗固，直至表面泛漿為止，使用鏟子抹平，并立即將其放入標準養(yǎng)護室內(nèi)(溫度(20±2)℃，相對濕度為(98±2)%)進行養(yǎng)護，放置48 h后脫模，共養(yǎng)護60 d。

對于養(yǎng)護完成的混凝土立方塊，首先采用50 mm內(nèi)徑的取芯套筒進行鉆心取樣，然后用切割機將其切割成高度為50 mm的試件(如圖1)，進行混凝土的氣體滲透性試驗。

圖1 混凝土試件

1.3 氣體滲透性測試方法

氣體滲透性測試示意圖及實物如圖2、圖3所示。測試在湖北工業(yè)大學(xué)滲透實驗室利用恒定流量法進行，試驗采用引進的法國里爾中央理工大學(xué)自主研發(fā)單軸氣液滲透儀，利用達西定律，保證進氣端氣壓相對穩(wěn)定，出氣端連通大氣，通過測試相對穩(wěn)定流動下的進氣端氣壓變化，來計算混凝土的氣體滲透性。此種方法的精密測試區(qū)間一般在10-19～10-16m2，可以用于大多數(shù)干燥混凝土氣體滲透性的測試。

圖2 氣體滲透儀器示意圖

(a)氣體滲透儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(b)輸氣裝置圖3 氣體滲透測試儀器

試驗選用高度為50 mm的試件，在試件上下表面各墊一個滲透分散片，使進氣和出氣端的氣體可以均勻地通過整個試件表面；使用橡膠套罩住整個試件和分散片，并用螺栓套箍緊，防止因加設(shè)圍壓造成機油滲入滲透儀；倒入圍壓機油，密封整個滲透儀，并分別增大圍壓為3、6、9、12 MPa。滲透氣壓一般維持在2 MPa左右，為了測試混凝土的Klinkenberg效應(yīng)，采用0.5、1.0、1.5和2.0 MPa的氣壓進行測試。

氣體滲透性的計算可以直接由廣義達西定律得出：

(1)

式中：Vx=Qx/A，為氣體流速；x為距離試件進氣端的距離；kx為氣體滲透系數(shù)；μ為氣體黏度系數(shù)；Px為試件內(nèi)部隨著進氣端距離而產(chǎn)生的氣壓變化。

當(dāng)氣罐中的氣壓P1隨著滲透的不斷進行而在Δt的時間內(nèi)，產(chǎn)生了ΔP1的壓力差，可以推定在此時間段，滲透的進氣壓平均值Pmoyenne為P1-ΔP1/2，故此時間段內(nèi)通過試件的平均流量可以表述為

(2)

滲透系數(shù)的計算公式則可以表述為

(3)

式中：h為試件高度；A為試件的表面積。

試驗分別對不同配比的混凝土試件進行測試，每一個配比選用3個50mm厚度的試件。

2 結(jié)果分析

2.1 不同圍壓混凝土的氣體滲透性

通常對于無荷載狀態(tài)的混凝土，其氣體滲透性為其不接受任何圍壓時的數(shù)值，然而，目前的測試手段在沒有圍壓時很難對混凝土的氣體滲透性施加進氣壓力，導(dǎo)致試驗的時間較為漫長，造成測試過程干擾因素過多，試驗精確度進一步降低。因此，為了縮短試驗的時間并保持混凝土初始狀態(tài)的滲透性，滲透測試的標準圍壓選用Pc=3MPa，標準進氣壓選用Pin=1MPa。

不同圍壓下，混凝土試件1-8、3-2、4-7的氣體滲透性如圖4(a)所示。隨著圍壓的逐漸增大，混凝土的滲透性逐漸降低，并在圍壓為12MPa時達到最低，分別降低至圍壓3MPa時的0.44～0.85。以上現(xiàn)象主要是由于隨著圍壓的逐漸增大，混凝土的整體體積被壓縮，而混凝土顆粒的彈性模量較高，因此，體積壓縮主要體現(xiàn)在內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的壓縮，造成內(nèi)部孔隙率降低，孔徑收縮，并且導(dǎo)致某些孔隙由連通孔變?yōu)殚]合孔，進一步降低試件的滲透性。

試件的圍壓在3～6MPa時，滲透性變?yōu)樵袧B透性的0.97～1.03，如圖4(b)，滲透性變化較小，較為穩(wěn)定。由此可見，在較低圍壓下，混凝土試件的變形較小，對試件滲透性的影響也很小，以此近似地反映混凝土試件在無圍壓下的真實滲透狀態(tài)。

(a)不同圍壓下的混凝土滲透性

(b)不同圍壓下的混凝土滲透性變化比圖4 混凝土滲透性隨圍壓變化

2.2 不同氣壓混凝土的氣體滲透性

混凝土的本質(zhì)滲透性是混凝土的自身屬性，不受滲透介質(zhì)和滲透條件的影響。對于混凝土測試中圍壓變化導(dǎo)致的混凝土滲透性的變化，主要是力學(xué)條件使混凝土自身孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，然而，圖5表明試驗測得混凝土的滲透系數(shù)同樣與滲透介質(zhì)的壓力有關(guān)，隨著氣體壓力的逐漸增大，混凝土的滲透系數(shù)逐漸減小。這種滲透系數(shù)隨著滲透壓力增大而逐漸減小的現(xiàn)象稱之為Klinkenberg效應(yīng)，可以用以下公式表示：

(4)

式中：kapp為直接測得的滲透系數(shù)，也稱為表觀滲透系數(shù)，m2；kint為介質(zhì)的本質(zhì)滲透系數(shù)，m2；β為Klinkenberg因子，MPa;Pm為試件內(nèi)平均壓力，MPa。

從理論上講，Klinkenberg效應(yīng)主要是由于滲透氣體分子的自由行程與孔隙直徑相比不可忽視，造成氣體分子在滲透傳遞的過程中，容易在孔隙表面產(chǎn)生滲透滑移現(xiàn)象，滲透壓力越大，滲透性越小，因此，需要用Klinkenberg因子β來進行矯正。這種現(xiàn)象通常跟孔隙的大小有關(guān)，孔隙越小的介質(zhì)，Klinkenberg效應(yīng)越明顯。同時，這種現(xiàn)象也受溫度影響，因此，本次試驗的溫度固定為(20±2)℃。

上述公式表明表觀滲透率系數(shù)與本質(zhì)滲透系數(shù)呈線性關(guān)系，線性比率為1/Pin。據(jù)此，將混凝土試件的滲透系數(shù)與1/Pin的關(guān)系進行線性模擬，如圖5所示?？芍?，混凝土的本質(zhì)滲透系數(shù)在4×10-18～1×10-17m2，與文獻[1]中的結(jié)果較為相似。此外，Klinkenberg因子β的結(jié)果表明混凝土試件的Klinkenberg效應(yīng)不是特別明顯，混凝土滲透的孔徑相較氣體的自由行程較大。

圖5 不同圍壓下的混凝土滲透性

2.3 不同配比混凝土的氣體滲透性

根據(jù)上述氣體滲透性的測量方法，分別對不同配比的15個試件進行測試，測試結(jié)果見圖6?；炷猎嚰臐B透性在10-18～10-17m2，與之前的研究結(jié)果較為相似，此區(qū)間已經(jīng)屬于低滲透性區(qū)間[6]。

由圖6(a)可見，對于粉煤灰含量為30%，水灰比分別為0.35、0.45和0.55的混凝土試件，其滲透性均在10-18m2級別，并且隨著水灰比的不斷增大，其滲透性也略微增大。這是由于混凝土內(nèi)部的孔隙主要是由膠凝材料水化物內(nèi)部孔隙和膠凝材料與骨料之間的孔隙構(gòu)成，水灰比的增大導(dǎo)致膠凝材料內(nèi)部游離水增多，內(nèi)部孔隙率增大，具有連通性的孔隙結(jié)構(gòu)增多，氣體滲透性增大。

由圖6(b)可見，對于水灰比為0.45、粉煤灰含量分別為0%、15%和30%的混凝土試件，其滲透性變化區(qū)間為10-18～10-17m2，且隨著粉煤灰含量的增多，其滲透性逐漸減小。這是由粉煤灰的火山灰效應(yīng)和密實填充效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果。粉煤灰與水泥熟料生成的Ca(OH)2進一步發(fā)生水化反應(yīng)，生成更多的水化產(chǎn)物填充孔隙，同時，粉煤灰的水化反應(yīng)消耗了毛細孔隙中的水分，且生成的水化產(chǎn)物重新對孔隙進行了劃分，減小了孔隙的尺寸，增加了混凝土的密實度，因此，混凝土氣體滲透性也更低。

(a)不同水灰比混凝土的滲透性

(b)不同粉煤灰含量混凝土的滲透性圖6 不同配比混凝土的氣體滲透性

3 結(jié)論

混凝土試件的氣體滲透性在8.61×10-18～1.90×10-17m2，屬于低滲透性介質(zhì)；試驗測得氣體滲透系數(shù)隨圍壓的增大而減小，主要是由于混凝土孔隙體積受到外界壓力減小，導(dǎo)致連通通道閉合。

氣體滲透系數(shù)隨氣壓的增大而減小，這是由于氣體滲透中的Klinkenberg效應(yīng)，混凝土的Klinkenberg因子為0.05～0.4，表明其Klinkenberg效應(yīng)不明顯，混凝土內(nèi)部孔徑明顯大于10倍的氣體分子自由行程。

當(dāng)粉煤灰含量在0%～30%，混凝土的氣體滲透性隨著粉煤灰含量的增大而逐漸減小，這是由于粉煤灰有利于增加混凝土的密實度；當(dāng)水灰比在0.35～0.55，混凝土的氣體滲透性隨著水灰比的不斷減小而減小，這是由于較低的水灰比有利于增加混凝土內(nèi)的水化產(chǎn)物比例，降低混凝土的氣體滲透性。

[1]M′JAHAD S.Impact de la fissuration sur les propriétés de rétention d′eau et de transport de gaz des géomatériaux:Application au stockage géologique des déchets radioactifs[D].LILLE:Ecole Centrale de Lille,2012.

[2]LEVITT M.Non-destructive testing of concrete by the initial surface absorption method[J].Thomas Telford,1970,31(2):652-659.

[3]BASHEER,MUHAMMED P A.Clam′ permeability tests for assessing the durability of concrete[D].Belfast:Queen′s University of Belfast,1991.

[4]KOLLEK J J.The determination of the permeability of concrete to oxygen by the Cembureau method-a recommendation[J].Materials and Structures,1989,22(3):225-230.

[5]張國榮,韓依璇,Skoczylas F,等.混凝土氣體滲透性測試技術(shù)研究[J].硅酸鹽通報,2015,34(S1):116-122.

[6]CHEN W,LIU J,BRUE F,et al.Water retention and gas relative permeability of two industrial concretes[J].Cement and Concrete Research,2012,42(7):1001-1013.

責(zé)任編輯：唐海燕

Study on Gas Permeability of Concrete and Its Influencing Factors

JIN Wenjuan1,SONG Yang2

(1.School of Construction Engineering,Jilin University,Changchun 130026;2.School of Civil of Enginering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032)

Gas permeability of concrete and its influencing factors are studied by means of pressure difference method and abroad precision instruments.Results show that the studied concrete is medium of low permeability and its gas permeability is in the range of 8.61×10-18-1.90×10-17m2.The gas permeability decreases with increasing of confining pressure due to decreasing of internal pore volume and closed pore throat.The Klinkenberg effect in concrete gas infiltration is not obvious,and the gas permeability decreases slightly with increasing of gas pressure.Along with the increasing of fly ash content from 0% to 30%,density of concrete increases and the gas permeability of concrete decreases gradually.And low water-cement ratio can increase the proportion of hydration products in the concrete,which reduces gradually the gas permeability of the concrete with decreasing water-cement ratio (0.55,0.45,0.35).

concrete;permeability;mix ratio;Klinkenbergeffect

10．3969/j．issn．1671?0436．2016．06．003

2016-11-19

金文娟(1989— )，女，碩士研究生。

TU528

A

1671- 0436(2016)06- 0012- 06