影响混凝土气体渗透性的因素研究

金文娟，宋杨

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春130026；2.常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213032)

影响混凝土气体渗透性的因素研究

金文娟1，宋杨2

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春130026；2.常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213032)

采用气压差值法，利用国外精密仪器，对混凝土的气体渗透性及其影响因素进行了研究分析。结果表明：被研究混凝土为低渗透介质，其气体渗透性为8.61×10-18～1.90×10-17m2；由于混凝土孔隙体积受到外界压力而减小，导致连通通道闭合，气体渗透系数随围压的增大而减小；混凝土气体渗透中的Klinkenberg效应不明显，气体渗透系数随气压的增大而略有减小；由于粉煤灰有利于增加混凝土的密实度，混凝土的气体渗透性随着粉煤灰含量的增大(0%、15%、30%)而逐渐减小；由于较低的水灰比有利于增加混凝土内的水化产物比例，混凝土的气体渗透性随着水灰比(0.55、0.45、0.35)的不断减小而逐渐减小。

混凝土；渗透性；配合比；Klinkenberg效应

0 引言

渗透性作为混凝土材料的一个重要参数，对混凝土抗碳化、抗渗水、抗氯离子扩散等性能具有重要意义，是评价混凝土耐久性的重要指标。我国《混凝土耐久性检验评定标准》(JGJ/T 193—2009)提出了对混凝土抗氯离子扩散、抗碳化、抗水渗透能力的国家标准测试方法与评价体系。混凝土抗气体渗透的能力也是混凝土耐久性的重要影响因素与评价标准，在国际材料与结构研究实验联合会(RILEM)中已经使用多年。近年来，随着混凝土材料的广泛应用，我国对于混凝土抗气体渗透能力的需求也逐渐增加，如医院、科研院所有辐射源的仪器需应用抗辐射混凝土，核电站混凝土安全壳对防止核泄漏的要求，以及气体本身对混凝土的渗透侵害，如混凝土的碳化。因此，评价和衡量混凝土的气体渗透性能具有重要的意义。

由于普通混凝土的气体渗透性较低，一般为10-19～10-16m2[1]，因此采用常规的渗透性仪器很难保证测试的精准度。目前，用于测试混凝土气体渗透性的方法，主要包括：M Levitt[2]提出的基于测试混凝土表面渗透性的ISAT方法;Basheer和P A Muhammed[3]在ISAT方法的基础上提出的，也是目前应用较广的Autoclam方法;文献[4]中精确的混凝土气体渗透性测试的Cembureau方法，该方法由RILEM组织在1999年作为推荐标准推出；根据Cembureau的方法，交通部《水运工程混凝土试验规程》(JTJ 270—1998)提出的使用空气为渗透介质的实验室气体抗渗性测试方法[5]；Calogovic提出的以时间为变量的气压差值法，此方法保留了Cembureau方法精确测量的优点，同时简化了测量程序，不需要测量气体流速。我国尚未将混凝土气体渗透性作为衡量混凝土耐久性的重要指标，也并未提出相应的、广泛推广的试验标准。由此可见，对混凝土的

气体渗透性进行测试，并研究不同配比对其影响具有十分重要的研究和应用价值。本文采用国外精密仪器，利用改进的气压差值法，对混凝土的气体渗透性进行研究，探讨了混凝土气体渗透性在不同围压和进气压下的测试规律，以及不同配比对混凝土气体渗透性的影响。

1 试验方法

1.1 混凝土材料

1)水泥。水泥是决定混凝土性能的最为关键的部分，本次试验选用南京海螺水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥PO 42.5R。

2)粉煤灰。粉煤灰产品的物理性能，见表1。

表1 粉煤灰物理性能 %

3)骨料。砂采用中砂，表观密度2 600 kg/m3，堆积密度1 450 kg/m3，含泥量约为1.0%，细度模数2.7。石子采用无针片状颗粒锤破碎石，石灰岩质，粒径为5～15 mm，表观密度2 800 kg/m3，堆积密度1 400 kg/m3，含泥量约为0.3%，压碎指标为6%。

4)水。采用自来水，pH约为7。

1.2 混凝土配比

为了研究不同水灰比、粉煤灰含量等关键数据对混凝土渗透性能的影响，本实验采用保持单位体积混凝土用水量的方法，分别采用0.35、0.45、0.55的水灰比和0%、15%、30%的粉煤灰含量等5种混凝土配比，具体配置情况见表2。

表2 混凝土配合比设计

将混凝土浇筑在边长为15 cm的标准立方体模块内，并采用磁铁式捣固机进行振动捣固，直至表面泛浆为止，使用铲子抹平，并立即将其放入标准养护室内(温度(20±2)℃，相对湿度为(98±2)%)进行养护，放置48 h后脱模，共养护60 d。

对于养护完成的混凝土立方块，首先采用50 mm内径的取芯套筒进行钻心取样，然后用切割机将其切割成高度为50 mm的试件(如图1)，进行混凝土的气体渗透性试验。

图1 混凝土试件

1.3 气体渗透性测试方法

气体渗透性测试示意图及实物如图2、图3所示。测试在湖北工业大学渗透实验室利用恒定流量法进行，试验采用引进的法国里尔中央理工大学自主研发单轴气液渗透仪，利用达西定律，保证进气端气压相对稳定，出气端连通大气，通过测试相对稳定流动下的进气端气压变化，来计算混凝土的气体渗透性。此种方法的精密测试区间一般在10-19～10-16m2，可以用于大多数干燥混凝土气体渗透性的测试。

图2 气体渗透仪器示意图

(a)气体渗透仪器内部结构

(b)输气装置图3 气体渗透测试仪器

试验选用高度为50 mm的试件，在试件上下表面各垫一个渗透分散片，使进气和出气端的气体可以均匀地通过整个试件表面；使用橡胶套罩住整个试件和分散片，并用螺栓套箍紧，防止因加设围压造成机油渗入渗透仪；倒入围压机油，密封整个渗透仪，并分别增大围压为3、6、9、12 MPa。渗透气压一般维持在2 MPa左右，为了测试混凝土的Klinkenberg效应，采用0.5、1.0、1.5和2.0 MPa的气压进行测试。

气体渗透性的计算可以直接由广义达西定律得出：

(1)

式中：Vx=Qx/A，为气体流速；x为距离试件进气端的距离；kx为气体渗透系数；μ为气体黏度系数；Px为试件内部随着进气端距离而产生的气压变化。

当气罐中的气压P1随着渗透的不断进行而在Δt的时间内，产生了ΔP1的压力差，可以推定在此时间段，渗透的进气压平均值Pmoyenne为P1-ΔP1/2，故此时间段内通过试件的平均流量可以表述为

(2)

渗透系数的计算公式则可以表述为

(3)

式中：h为试件高度；A为试件的表面积。

试验分别对不同配比的混凝土试件进行测试，每一个配比选用3个50mm厚度的试件。

2 结果分析

2.1 不同围压混凝土的气体渗透性

通常对于无荷载状态的混凝土，其气体渗透性为其不接受任何围压时的数值，然而，目前的测试手段在没有围压时很难对混凝土的气体渗透性施加进气压力，导致试验的时间较为漫长，造成测试过程干扰因素过多，试验精确度进一步降低。因此，为了缩短试验的时间并保持混凝土初始状态的渗透性，渗透测试的标准围压选用Pc=3MPa，标准进气压选用Pin=1MPa。

不同围压下，混凝土试件1-8、3-2、4-7的气体渗透性如图4(a)所示。随着围压的逐渐增大，混凝土的渗透性逐渐降低，并在围压为12MPa时达到最低，分别降低至围压3MPa时的0.44～0.85。以上现象主要是由于随着围压的逐渐增大，混凝土的整体体积被压缩，而混凝土颗粒的弹性模量较高，因此，体积压缩主要体现在内部孔隙结构的压缩，造成内部孔隙率降低，孔径收缩，并且导致某些孔隙由连通孔变为闭合孔，进一步降低试件的渗透性。

试件的围压在3～6MPa时，渗透性变为原有渗透性的0.97～1.03，如图4(b)，渗透性变化较小，较为稳定。由此可见，在较低围压下，混凝土试件的变形较小，对试件渗透性的影响也很小，以此近似地反映混凝土试件在无围压下的真实渗透状态。

(a)不同围压下的混凝土渗透性

(b)不同围压下的混凝土渗透性变化比图4 混凝土渗透性随围压变化

2.2 不同气压混凝土的气体渗透性

混凝土的本质渗透性是混凝土的自身属性，不受渗透介质和渗透条件的影响。对于混凝土测试中围压变化导致的混凝土渗透性的变化，主要是力学条件使混凝土自身孔隙结构发生了改变，然而，图5表明试验测得混凝土的渗透系数同样与渗透介质的压力有关，随着气体压力的逐渐增大，混凝土的渗透系数逐渐减小。这种渗透系数随着渗透压力增大而逐渐减小的现象称之为Klinkenberg效应，可以用以下公式表示：

(4)

式中：kapp为直接测得的渗透系数，也称为表观渗透系数，m2；kint为介质的本质渗透系数，m2；β为Klinkenberg因子，MPa;Pm为试件内平均压力，MPa。

从理论上讲，Klinkenberg效应主要是由于渗透气体分子的自由行程与孔隙直径相比不可忽视，造成气体分子在渗透传递的过程中，容易在孔隙表面产生渗透滑移现象，渗透压力越大，渗透性越小，因此，需要用Klinkenberg因子β来进行矫正。这种现象通常跟孔隙的大小有关，孔隙越小的介质，Klinkenberg效应越明显。同时，这种现象也受温度影响，因此，本次试验的温度固定为(20±2)℃。

上述公式表明表观渗透率系数与本质渗透系数呈线性关系，线性比率为1/Pin。据此，将混凝土试件的渗透系数与1/Pin的关系进行线性模拟，如图5所示。可知，混凝土的本质渗透系数在4×10-18～1×10-17m2，与文献[1]中的结果较为相似。此外，Klinkenberg因子β的结果表明混凝土试件的Klinkenberg效应不是特别明显，混凝土渗透的孔径相较气体的自由行程较大。

图5 不同围压下的混凝土渗透性

2.3 不同配比混凝土的气体渗透性

根据上述气体渗透性的测量方法，分别对不同配比的15个试件进行测试，测试结果见图6。混凝土试件的渗透性在10-18～10-17m2，与之前的研究结果较为相似，此区间已经属于低渗透性区间[6]。

由图6(a)可见，对于粉煤灰含量为30%，水灰比分别为0.35、0.45和0.55的混凝土试件，其渗透性均在10-18m2级别，并且随着水灰比的不断增大，其渗透性也略微增大。这是由于混凝土内部的孔隙主要是由胶凝材料水化物内部孔隙和胶凝材料与骨料之间的孔隙构成，水灰比的增大导致胶凝材料内部游离水增多，内部孔隙率增大，具有连通性的孔隙结构增多，气体渗透性增大。

由图6(b)可见，对于水灰比为0.45、粉煤灰含量分别为0%、15%和30%的混凝土试件，其渗透性变化区间为10-18～10-17m2，且随着粉煤灰含量的增多，其渗透性逐渐减小。这是由粉煤灰的火山灰效应和密实填充效应导致的结果。粉煤灰与水泥熟料生成的Ca(OH)2进一步发生水化反应，生成更多的水化产物填充孔隙，同时，粉煤灰的水化反应消耗了毛细孔隙中的水分，且生成的水化产物重新对孔隙进行了划分，减小了孔隙的尺寸，增加了混凝土的密实度，因此，混凝土气体渗透性也更低。

(a)不同水灰比混凝土的渗透性

(b)不同粉煤灰含量混凝土的渗透性图6 不同配比混凝土的气体渗透性

3 结论

混凝土试件的气体渗透性在8.61×10-18～1.90×10-17m2，属于低渗透性介质；试验测得气体渗透系数随围压的增大而减小，主要是由于混凝土孔隙体积受到外界压力减小，导致连通通道闭合。

气体渗透系数随气压的增大而减小，这是由于气体渗透中的Klinkenberg效应，混凝土的Klinkenberg因子为0.05～0.4，表明其Klinkenberg效应不明显，混凝土内部孔径明显大于10倍的气体分子自由行程。

当粉煤灰含量在0%～30%，混凝土的气体渗透性随着粉煤灰含量的增大而逐渐减小，这是由于粉煤灰有利于增加混凝土的密实度；当水灰比在0.35～0.55，混凝土的气体渗透性随着水灰比的不断减小而减小，这是由于较低的水灰比有利于增加混凝土内的水化产物比例，降低混凝土的气体渗透性。

[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]张国荣,韩依璇,Skoczylas F,等.混凝土气体渗透性测试技术研究[J].硅酸盐通报,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.

责任编辑：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，硕士研究生。

TU528

A

1671- 0436(2016)06- 0012- 06