混凝土孔径尺寸对其抗渗性的影响
第33卷第4期 2005年4月
硅酸盐学报
Vol. 33,No. 4April , 2005
J OURNAL OF T H E CHIN ESE CERAMIC SOCIET Y
混凝土孔径尺寸对其抗渗性的影响
陈立军, 王永平, 尹新生, 张 丹
(吉林建筑工程学院, 长春 130021)
摘 要:根据Darcy 公式和Cantor 方程, , 毛细孔半径对混凝土渗透速率和渗透深度的不同影响。指出用Darcy 。混凝土中毛细孔半径越小, 混凝土的抗渗性越差; , , 提出测试混凝土抗渗性的改进方法和提高混凝土抗渗性的两种途径。
关键词:混凝土; 孔径尺寸; ; ; ; 渗透速率; 抗渗等级; 临界渗透深度中图分类号:TU528:A 文章编号:0454
5648(2005) 04
0500
06
EFFECT OF APERTURE SIZE ON IMPERMEABIL IT Y OF CONCRETE
C H EN L i j un , W A N G Yong ping , Y I N X inshen , Z HA N G Dan
(Jilin Architectureal and Civil Engineering Institute , Changchun 130021, China )
Abstract :On the basis of the Darcy fo rmula and the Canto r equatio n , the impact of the aperture size of concrete to its imper 2meability was discussed. The different influences of the capillary radius to the permeating speed and depth of concrete under different water p ressure were investigated. The weaknesses of exp ressing the concrete impermeability by using the permea 2ting coefficient in the Darcy formula was pointed out , and the deficiency of methods to determine the concrete impermeability in the National Standards was also demonstrated. The conclusion is that the smaller concrete capillary radius results in the worse impermeability , and the smaller non 2capillary radius or super 2tiny aperture in the concrete is , the better impermeability is obtained. In addition , an improved method to measure the concrete impermeability and two ways to increase this impermeability are presented.
K ey w ords :concrete ; aperture size ; capillary radius ; impermeability ; permeating coefficient ; permeating speed ; impermeability
grade ; critical permeating depth
混凝土的抗渗性是决定混凝土耐久性的最重要因素之一, 而混凝土的孔隙率和孔径分布又是决定混凝土抗渗性的关键因素。对大多数混凝土而言, 硬化后的混凝土是以毛细孔为主要孔隙的多孔体系。一般情况下, 随着混凝土内部孔隙率的降低, 大毛细孔数量减少, 微毛细孔数量增多, 混凝土的最可几孔径尺寸减小。因此, 混凝土内部最可几孔径尺寸的大小基本代表了混凝土孔隙率和孔径分布
收稿日期:2004
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02。修改稿收到日期:2005
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10。
的主要特点, 也直接影响混凝土的抗渗性和耐久性。
吴中伟[1]根据孔径尺度将混凝土中孔的孔径分为大于103nm ,102~103nm ,10~102nm 和小于10nm 4种[1]。ШE ЙK ИH [2]将混凝土中的孔分为
超微孔(半径r ≤5nm ) 、微毛细孔(5nm
102nm 也称过渡微孔) 、大毛细孔[(103~104) nm >
234
r >10nm ]和非毛细孔[r >(10~10) nm ]4类。
Mehta 认为:大于100nm 的孔(毛细孔) 混凝土渗透
R eceived d ate :2004
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02. Approved d ate :2005
01
10.
第一作者:陈立军(1956~) , 男, 教授。
) , male , professor. First author :CH EN Lijun (1956—E m ail :ccchenlijun @163. com
第33卷第4期 陈立军等:混凝土孔径尺寸对其抗渗性的影响・501・
性的影响更大[3]。寺村悟等[4]则认为:影响混凝土渗透性的是孔径为10~50nm 的中毛细孔和孔径为50~104nm 的大毛细孔。
人们普遍认为混凝土的毛细孔半径越小, 混凝土的抗渗等级越高, 抗渗性越好。其实, 这只是在规定的试件尺寸和实验方法条件下, 人们得到的一种并不全面的认识。实际上, 在不同的水压条件下, 规定厚度的混凝土试件抗渗透能力, 并不能正确反映液体在实际渗透深度以内或钢筋保护层厚度以内的抗渗透能力。在不同压力的水作用下, 液体渗入混凝土内部的深度与毛细孔半径的大小并不完全呈正比关系。在不同的渗透深度, 可几孔径尺寸的减小表层混凝土的渗透速度是一个由大变小、再由小变大, 最后又重新变小的重复过程。
没有全面考虑毛细孔半径对毛细孔压力的影响。根据式(1) , 多孔材料所承受的水压差越小, 其渗水速率越小。当水压差为零时, 就不会有渗透现象发生。实际上混凝土只要与水接触, 即使不存在水压差, 由于毛细孔压力作用, 也会有渗透现象发生。多孔材料浸入水中后, 实际受到水作用的力来自于两个方面:一方面是水压差; 另一方面是毛细孔压力[6]。毛关。
(也称毛细管渗透力) θ及孔半径r 有如下关系:
γθ(2) p =2co s /r Cantor 方程可知毛细管压力与毛细孔半径成
反比。孔径越细, 毛细管压力越强, 液体吸入越深。据研究[9]发现:当相对湿度在80%~100%时, 水泥浆体内部毛细孔负压可达0~30M Pa , 国家标准中规定的混凝土抗渗等级所对应的水压差也仅为0. 4~1. 2M Pa 。因此, 在很多情况下, 毛细孔压力对混凝土抗渗性的影响远大于水压力对抗渗性的影响, 例如在高低水位之间和临近水面的部位等。
综合考虑水压力、毛细孔压力和毛细孔阻力的影响,Darcy 公式并没有完整地表示出多孔材料的渗水速率与这3种力之间的关系。用式(1) 中的渗透系数表示混凝土抗渗性的高低, 其不足之处有以下两点。(1) 它忽略了试件的条件、状态与实际混凝土结构的的差别, 特别是在水压差不同的条件下, 毛细孔压力及其作用方向对渗水速率和渗透深度的重要影响。渗透系数仅是规定厚度试件渗透速率高低的一个标志, 对于不同厚度的试件其渗透系数既不是一个固定的常数, 也不是与厚度相关的线性函数, 而是一个随着试件厚度和渗透深度变化而变化的非线性函数[见公式(3) ]。因此, 压力水作用下规定厚度试件的渗透系数, 在很多情况下不能正确反映液体侵入混凝土实际渗透深度以内的渗透速率, 尤其是对以毛细孔为主要孔隙的实际混凝土结构而言, 它基本没有参考价值, 而且会有误导作用, 对基本不含毛细孔的混凝土而言, 它有参考价值的。(2) 由于材料的渗透速率是随着渗透深度而发生变化的, 表层混凝土的渗透速率、深层混凝土的渗透速率以及规定厚度混凝土的平均渗透速率不但不是渗透深度或厚度的线性函数。在规定厚度的混凝土渗透系数较小的情况下, 对混凝土耐久性影响最大的表层混凝土的渗透速率却有可能更大, 这是非常关键的问题。因为, 混凝土表层的抗渗性
1 渗透系数与混凝土渗水速率和渗透深度
的关系
对于以水硬性胶凝材料为胶结组分的混凝土而言, 硬化后该混凝土不可避免含有大量的孔隙, 故其在水中必然具有一定的渗透性。在压力水的作用下, 多孔体的渗水速率通常用Darcy 为公式[5]表示
(1) d q /d t =KA Δh/L 其中:dq /d t 为渗水速率; A 为多孔试件的横截面积;
Δh 为作用在试件表面上的水压差; L 为试件厚度; K 为渗透系数。
多孔材料的抗渗性通常用式(1) 中的渗透系数表示, 其物理意义是一定厚度的材料, 在单位水压差作用下, 在单位时间内透过单位面积的水量。式(1) 也反映了材料在单位水压差作用下, 规定厚度范围内的平均渗透速率(渗透速率是指单位时间内的渗透深度) 。渗透系数越小, 表示材料的抗渗性越好。显然, 混凝土材料渗透系数的大小与渗水速率的高低密切相关, 但又有所不同。渗透系数只与材料内部毛细孔半径的大小有关, 而与毛细孔数量的多少无关。因为毛细孔数量多, 渗水量大, 但渗透孔的总截面积也大, 其渗透深度不会随之而变。通常认为毛细孔半径越小, 抵抗液体渗入的阻力越大, 渗透系数也就越小, 混凝土的抗渗性越好。这种认识只是片面地考虑了毛细孔半径对毛细孔阻力的影响, 而
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变差, 会使表层遭受腐蚀和冻害并使钢筋锈蚀而导致混凝土破坏的速度加快。同时, 随着表层的
快速剥蚀和开裂, 这种破坏向深层扩展的速度也会加快。
实际上混凝土浸入水中后, 在受水压差作用的同时, 就已经受到了毛细孔压力和毛细孔阻力的综合影响。因此, 全面地反映混凝土材料实际受到水的压力、毛细孔压力及毛细孔阻力与渗水速率之间关系的计算式应为:
(3) d q /d t =K ′A (Δh +p -h f ) /L ′其中:K ′为真实渗透系数; p 为毛细孔压力; h f 为毛细孔阻力; L ′为实际渗透深度。
式(3) 实际物理含义。式(3) 概括了响, 。因为随。, 毛细孔压力的作用方向也会发生改变[6], 即由正值变为负值(与水压力方向相反) 。原先促使液体渗透加快的毛细孔压力, 此时则阻碍液体渗透。所以用式(3) 计算得到的真实渗透系数是随着实际渗透深度变化而呈非直线变化的变量。用毛细孔半径相对较细的混凝土, 当渗透深度达到试件厚度的另一侧时, 由于毛细孔压力的加大和反向作用, 使透过混凝土厚度的平均渗水速率显著降低。但是对于表层混凝土, 由于毛细孔压力的加大和正向作用, 使透过混凝土表层厚度的渗水速率反而更大。即使混凝土孔隙率相对较低, 渗水量相对较少, 但向纵深方向渗透的速率仍会加快。因此, 通过式(3) 可以对混凝土真实渗透系数的影响因素及其作用效果进行较全面的分析。
弱抗渗性。当渗透深度达到混凝土厚度的另一侧时, 两者对混凝土抗渗性的影响趋势一致, 都能够不同程度地增强抗渗性。因此, 毛细孔半径的减小, 对混凝土抗渗性的影响既有正面效应, 也有负面效应。随着渗透深度和毛细孔半径的变化, 水压力、毛细孔压力和毛细孔阻力对抗渗性影响的主次关系和正负效应都会发生转化。
根据式(3) , Δh =0,0p 的3Δh 0q t K ′A (p –h f ) /L ′的增加, 毛细孔阻力h f 会不断p 的大小从理论上讲不会随渗透[见式(2) ]。但是当渗透深度达到混凝土厚度的另一侧时, 由于其作用方向会发生变化, 即可以由正值变为负值, 所以也可以说是随着渗透深度的增加而减小。当毛细孔阻力增大到与毛细孔压力平衡时的渗透深度, 即为平衡渗透深度或称为临界渗透深度L 0, 即:
p =h f , d q /d t =0, L ′=L 0
如果渗透时间较短, 即L ′
当0L 0, 则h f >p 。从式(3) 中可以看出毛细孔压力和毛细孔阻力的综合作用结果为负值, 因此降低渗水速率。毛细孔半径越小, 毛细孔阻力越大[见式(4) ], 混凝土的渗水速率越慢。但是对于在实际渗透深度以内的平均渗水速率, 因水压差小于毛细孔压力, 实际渗透深度大于仅在毛细孔压力作用下的临界渗透深度的幅度有限, 即L ′-L 0
当Δh >p 且渗透时间足够时, 则L ′>L 0, h f >p 且L ′-L 0>L 0, 此时, 无论是混凝土的瞬间渗水速率, 还是在实际渗透深度内的平均渗水速率都会随着毛细孔半径的减小而变慢。当渗透深度达到混凝土厚度的另一侧时, 毛细孔渗透力由正值变为负值, 与毛细孔阻力的作用方向一致, 因此, 会大幅降低渗水速率。
由此, 毛细孔半径的减小对渗水速率影响的关键在于材料的临界渗透深度和环境水压力的大小。
2 孔径尺寸与混凝土渗水速率和渗透深度
的关系
2. 1 毛细孔半径与混凝土渗水速率和渗透深度的关系
混凝土内部毛细孔半径的大小, 不仅影响抵抗液体渗入的阻力高低, 即抗渗能力的大小, 也影响产生毛细作用的强弱, 即毛细孔压力的大小, 这两种力都随着毛细孔半径的减小而增大。随着渗透深度和混凝土厚度条件的变化, 这两种力对混凝土抗渗性的影响效果却大不一样。当渗透深度不能达到混凝土厚度的另一侧时, 两者对混凝土抗渗性的作用效果截然相反, 毛细孔阻力增强抗渗性, 毛细孔压力削
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实际渗透深度在临界渗透深度以内, 毛细孔半径越小, 渗水速率越快。在临界渗透深度以外, 毛细孔半径越小, 渗水速率越慢, 但当0
渗透深度的关系
由于非毛细孔和超微孔不具有毛细作用, 所以对于分别以非毛细孔和超微孔为主要孔隙的混凝土而言, 随着非毛细孔和超微孔半径的减小, 隙阻力, 而不增大毛细孔压力, 透的能力相应增强。速率都会随之降低的半径较粗, , 但因孔隙阻力降低, 抵抗压力水渗入的能力下降, 混凝土的实际渗透深度和渗水速率就会随之加大。
由式(6) 可以看出:在上述假设条件下, 多孔材料的临界渗透深度L 0与毛细孔半径r 的平方成反比关系, 即:毛细孔半径减小1倍, 临界渗透深度将增大4倍, 可见毛细孔半径对临界渗透深度的影响之大。因此, 对以毛细孔为主的大多数混凝土而言, 毛细孔半径越小, 混凝土的临界渗透深度将急剧增大。3. 2 非毛细孔和超微孔半径与临界渗透深度的关
系
, 没有, 。但因大多, 液体在毛(相当于临界渗透深度) 可以达到m [6]。当然, 随着混凝土最可几孔径尺寸和混
凝土实际厚度的变化, 以及所处的条件不同, 临界渗透深度会有很大变化。混凝土内部的毛细孔、非毛细孔和超微孔之间是一个互相连通的网络体系。受各种固相颗粒集聚状态的影响, 每一段孔隙的半径尺寸都是不均匀的, 是由不同孔隙交替构成的。非毛细孔和超微孔半径越小, 孔隙阻力越大, 却不增加毛细孔压力, 故混凝土内部孔隙阻力和毛细孔压力达到平衡时的临界渗透深度必然越小。
根据从上分析, 随着混凝土最可几孔径尺寸由非毛细孔到毛细孔和超微孔的依次减小, 混凝土的临界渗透深度大致是一个由小变大, 最后又重新变小的重复过程。故在临界渗透深度范围内同样厚度的表层混凝土渗透速率也是一个由小变大, 最后又重新变小的重复过程。
3 孔径尺寸与临界渗透深度的关系
由于临界渗透深度涉及到对混凝土耐久性影响最大的混凝土表层或钢筋保护层的抗渗性, 所以, 临界渗透深度的大小对混凝土耐久性的影响至关重要。临界渗透深度越大, 说明混凝土的毛细孔压力越大, 在此范围内同样厚度的表层混凝土渗水速率越快。临界渗透深度本身又与混凝土孔隙半径的大小密切相关。3. 1 毛细孔半径与临界渗透深度的关系
根据流体在管道内的沿程阻力计算公式[10]
2
(4) H f =λL v /(2d g ) 其中:H f 为沿程阻力; L 为管道长度; v 为断面流体
平均流速; d 为管径; λ为沿程阻力系数。
设混凝土内毛细孔为一平行于渗透深度方向的流体管道, 毛细孔中的水既是吸附水, 也是重力水。式(4) 对液体渗入毛细孔的沿程阻力进行粗略的计算和分析。当孔半径为r 的毛细孔阻力H f 与毛细孔压力p 达到平衡时, 则有p =H f 。根据式(2) 和式(4) 得
2
θ(5) 2γco s /r =λL 0(d q /d t ) /(4rg )
d q /d t 为无水压差, 仅受毛细孔压力作用时的渗透速
γθ率, 即d q /d t =K ′A p/L 0=K ′A 2co s /rL 0, 将其代
入式(5) , 得
22
θ(6) 2r 2L 0g =λK ′A γcos
4 混凝土抗渗等级确定方法的不足与建议
根据G BJ 8285普通混凝土长期性能和耐久
性能试验方法的规定, 混凝土抗渗等级测定用顶面直径为175mm 、底面直径为185mm 、高为150m 的圆台体标准试件, 以规定试验条件下测定的最大水压力计算和表示混凝土的抗渗等级。抗渗等级越高, 表示混凝土的抗渗性越好。G BJ 8285的不足在于:它只能反映规定厚度的混凝土试块所能承受的最大水压力, 而不能反映液体在实际渗透深度以内或钢筋保护层厚度以内所能承受的最大水压力, 也不能反映混凝土在不同压力水作用下渗入混凝土的实际渗透深度和不同渗透深度以内的渗水速率。所以, G BJ 8285并不能正确反映混凝土尤其是表层混凝土在不同水压力条件下的抗渗透能力。
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用于水工的钢筋混凝土, 一般来说其体积都比较大, 但钢筋外面的保护层厚度也只有70mm 左
右。测定混凝土抗渗等级规定的标准试块厚度为150mm , 相当于保护层厚度的2倍左右, 但却远小于混凝土的实际厚度。当混凝土处于压力较低(低于毛细孔压力) 的环境水中, 例如:在高低水位之间和临近水面的部位, 液体渗入混凝土的深度主要取决于毛细孔压力, 而水压力的影响不是主要因素。在这种的情况下, 用密实度相对较大、毛细孔半径相对较细的混凝土, 虽然在试验条件下, 标准规定厚度的混凝土试件不易渗漏, 混凝土抗渗等级较高, 但对于实际体积较大的细孔混凝土, , 粗混凝土的更大, 的破坏。在压力较高() 的环境水中, 液体渗入混凝土的深度主要取决于水压力, 而毛细孔压力变为相对次要因素。虽然毛细孔半径相对较细的混凝土, 由于毛细孔阻力的加大, 使混凝土在水压较高的环境当中实际渗透深度和平均渗透速率相对较小。对于临界渗透深度以内的表层混凝土, 由于毛细孔沿程阻力的不足和毛细孔压力的加大, 仍然会使表层混凝土的渗透速率加快。
针对上述情况, 建议进行混凝土抗渗等级测定时, 应同时检测毛细孔压力对表层混凝土渗透性的影响。为此, 试验中用C40,C30和C203个强度等级的混凝土试块, 将其底部分别浸入水中15~20mm , 然后, 直接观测水在混凝土外测表面浸润上升的高度和所用的时间。结果发现浸水10min 后, 对于C40,C30和C203种混凝土试块, 水浸润上升的高度分别约为8,5mm 和2~3mm 左右(高出水面) 。1h 后, 对于C40混凝土, 水浸润上升的平均高度约增加了2~3mm ; 对于C30混凝土, 水浸润上升的平均高度约增加了3~4mm , 并且个别部位的最大浸润上升高度和最小上升高度相差较大; 对于C20混凝土, 除个别部位水浸润上升的高度略有增加外, 平均浸润上升高度的增加不很明显。2h 后, 对于3种混凝土试块, 水浸润上升的高度除个别部位有所增加外, 对于每种混凝土, 水平均浸润上升高度均没有十分明显的增加。因此, 不同种类的混凝土在上述同一时间段内, 其渗透深度的高低各不相同, 差别十分明显。因此, 用这种方法能够简单有效地反映在毛细孔压力作用下, 不同种类混凝土表
层在相同时间段内的不同渗透速率和渗透深度。
5 有利于提高混凝土抗渗性的两种孔径尺
寸
综上所述, 随着混凝土内部最可几孔径尺寸的减小, 即非毛细孔的由粗变细, 再由非毛细孔依次变为毛细孔和超微孔。个由大变小、程:一个是超微。因此, 综合, 改善不同使用条件下的混凝土的抗渗性, 有两种途径:一种途径是尽量减小混凝土的孔径尺寸, 使其形成以超微孔为主的孔隙体系; 另一种途径是适当增大混凝土的孔径尺寸, 使其形成以尽量细的非毛细孔为主的孔隙体系。对于水压力大于毛细孔渗透力的情况, 宜用第1种途径。这种方法既可以减小毛细孔渗透力, 又可以增大孔隙阻力, 从而大幅提高混凝土在高压水中的抗渗性。对于水压力远小于毛细孔渗透力或水压差接近零的情况, 可用第2种途径。这种方法同样可以减小毛细孔渗透力, 又由于水压力低, 无须较大的孔隙阻力就可以满足抗渗要求。
值得注意的是无论水压力的高低, 毛细孔半径的减小, 对于在临界渗透深度以内的表层混凝土的抗渗性都是不利的。在临界渗透深度以内, 毛细孔渗透力的作用大于毛细孔阻力的作用, 两者综合作用的结果使混凝土的渗透速率加快。毛细孔越细, 对表层混凝土抗渗性的负面影响越大。
6 结 论
(1) 计算混凝土渗透系数的Darcy 公式没有全
面考虑试件的条件、状态与实际混凝土结构的差别, 特别是毛细孔压力及其作用方向对渗透速度和渗透深度的重要影响, 忽略了渗透系数随试件厚度和渗透深度变化的非线性函数关系。因此, 计算所得的渗透系数不能正确反映以毛细孔为主要孔隙的实际混凝土结构的抗渗性, 而且存在着透过混凝土试件厚度的平均渗透速率即渗透系数低, 但透过混凝土表层厚度的实际渗透速率反而更大的情况。
(2) G BJ 8285中混凝土抗渗等级的确定方法, 只能反映规定厚度的混凝土试块所能承受的最
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大水压力, 而不能反映相同压力或不同压力液体在实际厚度混凝土内的渗透深度和渗透速率。所以, G BJ 8285也不能正确反映混凝土在实际应用环境中的抗渗能力, 同样对于抗渗等级高的混凝土, 其临界渗透深度以内的表层混凝土的实际渗透速率反而更大。
(3) 由于混凝土的抗渗性对混凝土耐久性的影响, 既不取决于液体透过混凝土的平均渗透速率, 也不取决于混凝土所能承受的最大水压力, 而决定于液体在混凝土表层或钢筋保护层内的渗透速率。所以, 建议进行混凝土抗渗透等级测定时, 应重点检测毛细孔压力对表层混凝土渗透性的影响, 试块部分浸入水中后, 润上升的高度和所用的时间, (4) , 即非毛细孔的由粗变细, 再由非毛细孔依次变为毛细孔和超微孔, 液体在混凝土临界渗透深度以内同样厚度的表层混凝土中的渗透速率是一个由大变小、再由小变大, 最后又重新变小的重复过程。超微孔和非毛细孔的孔径越细, 表层混凝土的渗透速率越慢。毛细孔半径越细, 表层混凝土的渗透速率越快。
(5) 提高混凝土的抗渗性, 既可以使混凝土形成以超微孔为主的孔隙体系, 也可以使其形成以尽量细的非毛细孔为主的孔隙体系, 这两种途径都可以大幅减小混凝土的毛细孔压力。此外, 前者能同时提高混凝土的孔隙阻力, 更适合水压力较高的环境; 后者不能大幅度提高混凝土的孔隙阻力, 不太适合水压力过高的环境, 但对于临界渗透深度以内的混凝土表层或钢筋保护层, 仍比毛细孔半径相对较细的混凝土具有较好的抗渗性。
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