混凝土渗透性的就地测试方法综述.pdf
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1、 1 0 6 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 3年 1 1月( 上) 第 2 7卷第 1 l 期 混凝土渗透性的就地测试 方法综述 贾路风 , 史才军 , 曹 张 , 王德辉 , 胡张莉 , 吴泽媚 , 欧志华 ( 1 湖南大学土木工程学院, 长沙 4 1 0 0 8 2 ; 2 湖南工业大学土木工程学院, 株洲 4 1 2 0 0 7 ) 摘要 混凝土渗透性是表征其耐久性的一项重要指标。现场混凝土与实验室混凝土有很大差异, 因此现场混 凝土渗透性的就地测试尤为重要。对国内外可用于混凝土渗透性的就地测试方法研 究进展进行 了综合评述,这些 方法可分为表面测试法和钻孔测试法两大类。 表面测试
2、方法中的 Au t o c l a m测试方法操作简单、 应用范围广, 钻孔测 试法对混凝土结构有一定的损害, 并且不能测试有表面处理的试件。P e r mi t 试验法是较好的现场测试离子渗透的测 试方法。最后就混凝土渗透性就地测试方法的进一步研究和改进提 出建议。 关键词 渗透性就地测试方法耐久性混凝土 中图分类号 : T U5 2 8 文献标识码 : A A Re v i e w o n M e t ho ds f o r I n - s i t u Co nc r e t e Pe r me a b i l i t y Te s t i ng J I A L u f e n g , S
3、 HI C a ij u n , C AO Z h a n g ,WANG De h u i ,HU Z h a n g l i , W U Z e me i ,OU Z h i h u a , ( 1 C o l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Hu n a n Un i v e r s i t y,Ch a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ; 2 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ,Hu n a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o
4、l o g y,Z h u z h o u 4 1 2 0 0 7 ) Ab s t r a c t Th e p e rm e a b i l i t y o f c o n c r e t e i s a n i mp o r t a n t p r o p e r t y o f c o n c r e t e Co n c r e t e ma d e i n - s i t u a r e d i f f e r e n t f r o m t h e c o n c r e t e ma d e i n l a b o r a t o r y ,s o i t i s p a r
5、t i c u l a r l y i mp o r t a n t t o f i n d a n i n s i t u c o n c r e t e p e rm e a b i l i t y t e s t i n g me t h o d Th e c o n c r e t e i n - s i t u t e s t me t h o d s a t h o me o r a b r o a d a r e r e v i e we d Th e me t h o d s c a n b e c l a s s i f i e d i n t o s u r f a c e
6、 t e s t me t h o d s a n d d r i l l i n g h o l e t e s t me t h o d s Amo n g t h e s u r f a c e t e s t me t h o d s ,Au t o c l a m t e s t me t h o d h a s a s i mp l e o p e r a t i o n a n d wi d e a p p l i c a t i o n Th e d r i l l i n g h o l e t e s t me t h o d s ma y c a u s e d a ma
7、 g e s o n s t r u c t u r e s ,a n d c a n n o t t e s t t h e s u r f a c e t r e a t me n t o f c o n c r e t e s t r u c t u r e Th e Pe r mi t t e s t me t h o d i s a p r e f e r a b l y i n - s i t u i o n p e r me a b i l i t y t e s t me t h o d Fi n a l l y,s u g g e s t io n s f o r f u r
8、 t h e r d e v e l o p me n t a r e p r o p o s e d Ke y wo r d s p e rm e a b i l i t y ,i n - s i t u t e s t i n g me t h o d s ,d u r a b i l i t y ,c o n c r e t e 0 引言 混凝土渗透性 的好坏在很大程度上决定了混凝土 的耐 久性_ 】 。最早用来表征混凝土渗透性 的参数是混凝土抗压 强度 。回弹法 2 是可用来测试现场混凝土强度 的无损检测 方法 , 该方法虽然操作简单, 但存在 以下两方 面问题 : ( 1 ) 回 弹
9、仪所测数据反应的只是测试点的小部分混凝土, 测试深度 约 3 O mm, 为混凝土表面l 3 ; ( 2 ) 混凝土表层碳化、 湿度 以及 与被测试件所成的角度对结果有影 响。AS T M C 8 0 5 0 2中 对于第一个 问题给出了推荐选用的测试点, 吴慧敏等 针对 第二个问题也做过相应研究 , 并且中国的规范_ 5 也针对此问 题对回弹值进行修正。虽然回弹法可以间接反应出混凝土 其他方面性能如渗透性 , 但该方法主要测试 的还是表层混凝 土的硬度 。 覃维祖等 指出实验室成型的试件可 以承受 3 0 0次 以 上的冻融循环 , 而现场取 回的芯样却只能承受 5 O次甚 至更 低 的冻融
10、循环次数。所 以实验室内与现场浇注成 型的混凝 土相比具有显著的差距 , 混凝土的就地测试就尤为重要 。可 用于新拌混凝土的现场测试方法较多 7 , 这些方法主要用 于测定新拌混凝土的工作性、 水胶 比以及矿物掺合料 的掺 量。虽说这些参数对硬化混凝土的渗透性有影响, 但养护对 渗透性也有显著的影响_ 】 , 因而不能直接用这些 因素来评判 混凝土的渗透性。到 目前为止 , 人们对混凝土渗透性现场测 试 的研究较少, 尚未取得较大的进展l 】 。 文献中渗透性就地测试方法可分为两类 , 一类是混凝 土 表层测试法 , 另一类是钻孔测试法, 试验所用 的介质多为气 体和水两种易渗透材料 。两类方
11、法都在试验部位加压或制 造真空环境形成压力梯度, 介质沿一定 的路线进入或通过混 凝土, 根据介质渗透 的难易程度来评判混凝土的渗透性 , 混 凝土渗透性的离子渗透测试方法相对较少。本文对国内外 可用于 昆 凝土渗透性的就地测试方法进行了综合评述, 并就 进一步的研究方向提出了一些建议 。 *国家 自然科 学基金( 5 1 1 0 8 3 9 6 ; 5 0 9 7 8 0 9 3 ; 5 1 0 7 2 0 5 O ) ; 国家“ 9 7 3 ” 计划( 2 0 0 9 C B 6 2 3 1 0 0 1 ) 贾路风: 男 , 1 9 8 5 年 生, 硕士生 , 研 究方 向为混凝土耐 久
12、性 E - ma i l : 1 6 7 0 5 2 8 6 3 0 q q c o m史才 军: 通 讯作者 , 男 ,1 9 6 3年 生, 博 士, 教授, 研究方向为水泥和混凝土材料的设计、 测试与应用, 混凝土耐久性等Dma i l : c a i j u n s h i y a h o o c o m 混凝土渗透性的就地测试方法综述 贾路风等 1 0 7 1 混凝土渗透性就地测试方法 1 1 表面测试法 表面测试方法大致可以分为两类 : 一种是在测试表面加 压 , 使气体或液体在压力作用下 向外界渗透; 另一种是在测 试表面制造真空环境 , 气体在外界的高压作用下透过试件进 入真空
13、室内。 L e v i t t 1 提出 I S AT( I n i t i a l s u r f a c e a b s o r p t i o n t e s t ) 实 验方法, 如 图 1所示 。将 装 置安装 在 被测 面上 并记 录 1 O mi n 、 3 O mi n 、 6 0 mi n和 1 2 0 rai n的 I S A数据。该实验是基于 测试表面加压的方法, 操作相对简单, 但该实验方法存在下 列不足: ( 1 ) 单室 的表层测试方法在实验原理上存在很大弊 端 , 途中气体或液体渗透 的几何路径无法量化 , 因此在理论 推导上无法定量 , 只能在不 同组试件间定性
14、判别渗透性的好 坏 ; ( 2 ) 实验受表层混凝土的状况影响较大如碳化等, 因此该 实验方法可用于表层混凝土状况 的评估 , 但无法测试混凝土 的整体性能 ; ( 3 ) 该实验方法很容易在实验室 内完成 , 但在现 场测试方面还有一定的弊端 , 如水渗透实验无法测试试样的 竖直面如柱子等_ 1 , 气体渗透实验中气体介质无论是 0 ( 残 留在混凝土内造成钢筋锈蚀) 还是 C 0 。 ( 残留在 混凝土 内造 成混凝土中性化) 都会对原混凝土造成一定 的影 响_ 1 。但是 D h i r 等 1 5 , 1 6 研究发现 I S A T数据与冻融循环次数存在较好 的线性关系 , 说明 I
15、 S AT可用来表征混凝土冻融循环程度从 而为混凝土耐久性能评定提供一定的依据 。 图 1 I S AT试验方法示意图【=l Fi g 1 I l l u s t r a t i o n o f I S AT me t h o d j 依据 I S AT的实验原理 , B a s h e e r等 研制 出可用于测 试混凝土的空气渗透 、 水吸收和水渗透性 的 Au t o c l a m 实验 仪。实验对测试面位置没有要求 , 由于测试构件的相对湿度 会影响 Au t o c l a m的渗透性测试 , 因此在测试前应确保表面 是干燥 的。仪器所测得 的渗透系数对应 的对数值与碳化深 度之间
16、有很好的线性关系 1 , 表 明 Au t o c l a m气体渗透指数 可用来表征碳化深度 , 进而为混凝土服役寿命 的评估提供参 考数据。相对于加速碳化实验 , 此实验方法操作简单、 仪器 易携带并且试验周期短 。Au t o c l a m 的气体渗透性指数的对 数值也与累计冻融质量的对数值呈线性关系 1 , 如 图 2所 示。这是因为气体是通过混凝 土的连通孔径进入其内部 , 因 此气体渗透性在一定程度上受被测试件本身的孑 L 结构的影 响, 而混凝土冻融循环情况又与混凝土孔结构有密切 的关 系 。因此, 气体渗透性指数也可作为评测现场混凝土抗冻 融循环的一项指标。 0 0 0 2
17、0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 Lo g a r i t hm o f a i r p e r me a b i l i t y i n d e x 图 2 冻融累积质量损失与气体渗透指数关系图_ l 。 F i g 2 Re l a t i o n s h i p b e t we e n a i r p e r me a b i l i t y i n d e x a n d we i g h t o f s c a l e d ma t e r i a l f o r g r a v e l c o n c r e t e 。 B a s h e e r 等D 7
18、 研究了吸水量与氯离子渗透以及钢筋腐蚀 的关系, 发现 Au t o c l a m水 吸收指数与初始钢筋锈蚀时间之 间有很好的线性关系, 但此关系也只是当钢筋埋深较浅时才 成立。因此 , 此指标可以作为混凝土氯离子渗透性的快速评 判性指标 。水吸收性实验 只需 0 5 h , 而普通 的混凝土氯离 子渗透实验需要 2 4 h以上 , 而且此法还可表征混凝土表面处 理的效果l 】 。 A u t o c l a m水渗透实验与水吸收实验类似, 前者是在一定 压力下( O 5 MP a ) 测试混凝 土的吸水速率, 后者是在常压下 测试水吸收的速率。Ha l l _ 2 O 研究发现对于水泥基类
19、的多孔 材料( 无论是砂浆还是混凝土) , 水渗透指数与时间开平方之 间都存在较好 的线性关系。B a s h e e r等口 也得到 同样 的结 论 , 并且发现当渗透深度为 2 5 mm时混凝土水渗透性指数与 氯离子渗透之间有着很好的线性关系 , 但随着渗透深度的增 加线性关系变差。这是因为氯离子渗 透深度受很多 因素的 影响, 当氯离子从环境中迁移到水泥基 材料 中时, 其 中的一 些氯离子会被水化产物吸附从而影响氯离子渗透的深度 2 。 另外 , 氯离子的渗透深度还受到水泥用量| 2 、 水胶 比和外加 剂等因素的影响【 , 而这些因素不会对水渗透产生影响。因 此 , 要建立水渗透性指
20、数与氯离子渗透深度之间的关系较为 困难 。 A u t o c l a m实验方法是在 I S A T基础上开发的单室表层 渗透性测试方法 , 该方法与 I S AT有类似的缺点, 但它克服了 I S AT无法测试竖直面的弊端 , 拓展了实验仪器的应用范围。 T o r r e n t 等口 依据 I S A T的原理 , 提出一种两室的气体 测试方法 , 简称 C o v e r c r e a t , 此实验采用真空测试方法 , 实验 示意图如图 3所示。首先打开 3调节阀, 在真空泵 的作用 下 , 内外室的压力达到相 同值 ; 关闭调节 阀 3 , 此时真空泵只 对外室工作 , 使外室
21、的压力为恒定值。侧 面的外界气体透过 混凝土试件只进入外室内, 从而保证内室的气体渗透路径为 其的正下方混凝土试件。同时通过压力记录仪记录 内室的 气压变化情况。 1 0 8 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 3 年 1 1月( 上) 第 2 7卷第 1 1 期 3 一 w a y s t o p c o c k D i a p h r a g m pr es s ur e r e g u l a t o r 图 3 双室气体渗透原理示意图l_ 2 F i g 3 Pr i n c i p l e o f d o u b l e c h a mb e r v a c u u m c e l
22、l t e s t P o i s s e u i l l e 方程为 : 一d V 一 丝 二 ( 1 d t 2 v LPn 式中: d V 出是内室内气体体积随时间变化率; L是指气体渗 透深度与时间t 有关 ; P 。 是指内室压强 ; P 是指外室压强 ; A 为内室下表层混凝土面积( 4 6 5 1 0 _ 咭 m ) 。根据理想气体 方程 , P V =n RT, 由于内室的体积一定 , 因此 V=V。 , 并根据 初始条件推导出式( 2 ) : k 一 4 A ( PV c ( d P o d t) ) 1 _ ( 山( 2 ) 实验稳定状态为内外界压力相等 , 此时 , L
23、=D。式中: V 是 内室的体积( 6 8 1 1 0 m 。 ) , 是混凝土孔隙率。 该实验方法假设的条件很难达到, 仪器 固定在试件表面 以后 , 内室的密封程度也无法验证。一旦气体从内室泄露到 外室 , 若此时外界气体渗透速度又大于泄露速度 。则所测得 的数据的可靠性无法判断。且式( 2 ) 中的关键系数 e是被测 试件孔隙率 , 它又会随被测试件不同而变化, 需要另外测试 , 增加了实验的难度。 1 2 钻孔测试法 F i g g 等l_ 2 研发出可用于现场测试空气渗透和水渗透的 方法, 其原理如图4 和图 5 所示。F i g g 将压力 由1 5 k P a 升至 2 0 k
24、P a所用的时间作为被测试样的气体渗透指标。图 6为 钻孔深度对气体 和水渗透的影响。钻孔深度对气体渗透的 影响较小 , 而对水渗透的影响较大。气体渗透的路径是从试 件上表面到测试 区, 因此气体渗透与钻孔深度相关性不大; 而水渗透的渗透路径是从侧面到试验区 , 因此当钻孔深度增 加时, 渗透截面积也相应增加所 以达到 目标压力所用的时间 相应的减少。 此方法操作简单, 目标压力较容易实现, 但其缺点是 : ( 1 ) 塞子的密闭性较难保证 , 塞子一旦漏气将会直接影 响到 实验结果的可靠性; ( 2 ) 试件的尺寸即孔壁到侧面距离也是 影响实验结果的关 键因素 , 因为它直接决定气体渗透 的
25、路 径; ( 3 ) 对于低渗透性的混凝土压力从 1 5 k P a升至 2 0 k P a , 测 试所用的时间也较长。 图 4 F i g g水渗透性试验示意图 F i g 4 S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f F i g g wa t e r p e r me a b i l i t y t e s t 6 To p r e s s ga ug e 图 5 F i g g 气体渗透性试验示意图 “ F i g 5 S c h e ma t i c i l l us t r a t i o n o f F i g g g a s p
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