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摘要：本文从混凝土发展历史入手，通过混凝土抗渗性能检测重要性和目前抗渗性能检测方法局限性进行分析、着重阐述了一种新的混凝土结构实体抗渗性能现场检测方法的试验原理、诞生过程与验证过程。该检测方法灵活、方便、快捷、准确，既可用于旧混凝土结构实体的抗渗性能评估和鉴定，也可用于新建混凝土结构实体的抗渗性能质量检测和监督，具有较强的适用性。
关键词：混凝土、抗渗性能、检测
一、前言
广义上的混凝土已经出现了数千年，早期的混凝土是以粘土石灰、石膏等气硬性材料作为胶凝材料。十九世纪前后，随着波特兰水泥的被发明出来，以水泥作为主要胶凝材料的水泥混凝土出现了，随着人们对混凝土的认识和科技的进步，各种新材料，新工艺不断出现，先后出现了添加各种外加剂的新型混凝土、特种混凝土以及加入钢筋的钢筋混凝土结构等。
二、混凝土抗渗性能重要性
纵观混凝土的发展史，人们对混凝土的认识也逐渐提高，混凝土的性能也从简单追求抗压强度到根据各种使用工况，细分到追求多个方面性能有机结合。目前，对混凝土的性能研究主要包括拌合物性质、抗裂性、收缩性、抗冻性、抗腐蚀性、耐磨性、强度（抗折、抗压等），后期强度和抗渗性等多个方面。
研究表明：胶凝材料用量相对较少的混凝土，水胶比相对偏大，混凝土成型后内部形成的充水空间相对较大，水泥水化产物相对有限，不能填充密实，这种混凝土和易性差、均匀性差，容易离析和泌水现象，施工性能也不是很理想。总之，就是这种混凝土密实程度欠佳，从而引起各种性能表现不佳，抗渗性能也相对较差。相反，如果胶凝材料用量较多，水胶比相对偏小，混凝土成型后内部形成的充水空间较小，水泥水化产物就足够把充水空间填充比较密实，混凝土也不易形成连通的毛细孔。这样的混凝土均匀性、和易性好，施工性能较好，也不易泌水、离析现象，抗渗性能表现也更优秀。
混凝土的各项性能之间都与抗渗性有着非常密切的内在关系，它们是现代混凝土质量的不可分割的有机整体，提高抗渗性能就是提高这个有机整体的基础。
三、现有混凝土抗渗性能检测方法分析
人们最早关注研究混凝土的抗渗性是在大型水工工程的建设中地下（或水下）结构。研究表明，混凝土抗渗性能好坏直接关系到这些结构的使用效果及年限。
混凝土的抗渗性包括三个方面：一是对液体渗透方面，相应的检测方法为透水法，包括稳定流动法、渗透深度法和抗渗标号法；二是对气体渗透方面，相应的检测方法为透气法。三是对离子方面，检测方法包括快速氯离子迁移系数法、直流电量法、氯池浸泡法等。
混凝土抗渗性一般是指混凝土在受水压力作用下，混凝土抵抗水渗透的能力。在现行国家标准GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗水渗透试验包括两种方法：一是渗水高度法；二是逐级加压法。在现行行业标准JTJ 270-1998《水运工程混凝土试验规程》中也包括两种方法：一是混凝土渗水高度试验；二是混凝土抗渗试验。它们分别一一对应，检测原理和操作步骤基本一致。GB/T50082-2009中的渗水高度法和JTJ 270-1998中的混凝土渗水高度法的检测原理是：给硬化混凝土在规定时间内施加并保持恒定水压力（规定时间为24h、水压力为1.2±0.05MPa），然后用平均渗水高度来表式混凝土抗水渗透性能。在《水运工程混凝土试验规程》JTJ 270-1998中除了用渗水高度比较混凝土密实性外，还给出了一种用相对渗透系数来比较混凝土密实性的方法。逐级加压法是通过给硬化混凝土逐级施加水压力的方法来确定混凝土抗水渗透性能，以抗渗等级（抗渗标号）来表示。
这两种试验方法的都是采用圆台体试件（上底直径175mm，下底直径185mm，高度为150mm），试件数量都是1组6个试件。主要试验仪器都是符合现行行业标准《混凝土抗渗仪》JG/T 249规定的混凝土抗渗仪。
这两种方法的加压程序不同：渗水高度法的加压程序是在试件安装在混凝土抗渗仪上以后，开通6个测试位的阀门，在5分钟内加压到1.2±0.05MPa的水压力，加压到规定水压力时开始计时，并保持规定的水压力24h。加压完成后，停止试验、取出试件，剖开试件，必要时用带颜色的细笔标记水痕位置，并用钢直尺沿水痕等间距量测10个测点的渗水高度值。单个试件的渗水高度取该试件10个测点渗透高度的平均值，一组试件的平均渗水高度以本组6个试件的渗水高度的算术平均值作为最终结果。逐级加压法的加压程序是：在试件安装在混凝土抗渗仪上以后，开通6个测试位的阀门，水压从0.1MPa开始并保持8h，以后每增加0.1MPa都保持8h，并随时注意抗渗试件端面是否出现渗水情况。当加到规定压力并保持8h，6个抗渗试件中表面渗水试件不超过2个，或者6个抗渗试件中有3个出现表面渗水时，可以停在试验，记录此时的水压力。取第3块试件渗水时的水压力（单位：MPa）乘以10然后减去1，即为该组混凝土的抗渗标号。
这两种方法都可以比较混凝土的抗渗性能，适用于室内试验。试件的成型都是采用标准规定成型方法，并按标准规定进行养护，与建设工程施工现场混凝土结构实体的成型和养护有较大差别，其试验结果数据不能完美代表现场结构混凝土的实际抗渗性能。对于既有的结构混凝土抗渗性能的测试更为勉强。
现在有一种方法是现场钻取直径为150mm的混凝土芯样，然后带回试验室加工，加工成高度为150mm的圆柱体，将加工好的长度为150mm的试件放在混凝土抗渗试件成型试模中央，四周用拌制的水泥基渗透结晶型防水材料（或用其他抗渗性能明显优于结构混凝土的材料）填充的方法制作混凝土抗渗试件。按混凝土抗渗试验的要求拆模和养护，试件养护至28天后进行试验。因水泥基渗透结晶型防水材料或其他抗渗性能明显优于结构混凝土的材料）的抗渗性能明显优于混凝土本身，所以按该方案制作的混凝土抗渗试件理论上能够代表原混凝土的抗渗试件，试验结果理应保持一致。这种方法虽然在一定程度上能够代表现场混凝土的抗渗性能，但是它检测周期长，一般需要40d左右；二是现场钻取混凝土芯样时，取芯深度较深，经常是完全钻通混凝土结构，同时因取芯直径较大，很容易钻到钢筋。一般情况下需要测试的结构混凝土的迎水面都会接触或经常接触大量的水，并受到一定的水压力。如果混凝土结构被钻通然后再用相对抗渗性能更好的材料补上，因填补材料材质不同和两种材料之间存在界面的原因，修补取芯孔后的现场实体混凝土的抗渗效果很难恢复到取芯前完整的混凝土结构抗渗效果。所以不到万不得已，建设方或施工方一般不会乐意采用这种方法。
四、混凝土抗渗性能现场检测方法
鉴于这些不尽如人意的地方，期望能有一种原位实测方法，直接在现场混凝土结构上测定混凝土的抗渗性能。为此，笔者查阅大量资料，研究混凝土渗水机理，发现混凝土的抗渗性能用渗透系数来表征更为合适，各种方法所得的结果数据只是对混凝土试件渗透试验后从某个不同层面进行描述。通过渗透系数这个桥梁，各种方法所得结果数据就能够联系在一起了。
混凝土渗透系数公式：S=（m*D2）/[2*Σ（T*H）]，
式中：S—混凝土渗透系数（mm/min），（注意JTJ 270-1998标准中S为相对渗透系数）；
M—混凝土的吸水率，一般取值0.03，，（取值参照JTJ 270-1998标准）；
D—最大渗水深度（mm），（注意JTJ 270-1998标准中Dm为平均渗水高度）；
T—恒压经过的时间（min）；
H—水压力，以水柱高度表式（mm），当水压力为0.1MPa时一般取值为10000mm。根据逐级加压法的加压程序和混凝土渗透系数公式，通过计算，结果表1：
表1 混凝土试件的渗透系数与抗渗等级对应表
就这样，一个新的检测方法诞生了。该方法原理就是在混凝土结构现场试验（恒定水压力，固定时间），测试加压结束后混凝土的最大渗水深度，然后通过混凝土抗渗等级（抗渗标号）与渗透系数的内在联系和渗透系数与最大渗水深度的对应关系，推定出现场混凝土结构实体的抗渗等级（抗渗标号）。
五、混凝土抗渗性能现场检测方法验证
为了和室内试验结果更具可比性，笔者先加工一个加压试模和橡胶密封圈（迎水面积直径185mm），然后又买了一台手动试压泵，为获得更高的水压力，从而缩短加压时间，笔者选择了一种最大加压压力为6.0MPa的机型。连接的加压水管也由普通软管升级为抗高压软管。为了在加压时能有效排除试模腔中的空气，在加压试模内部空腔（迎水面）对称的两边，各设置了一个内外连通的4分管口内丝，其中一个用作加压入水口，另一个作为排气口（当需要串联多个加压试模试验时，则该孔又作为出水口使用）。
在准备设备的同时，笔者又成型了2块混凝土试件（500mm×1000mm×200mm），强度等级分别为C30和C40，并各成型了一组抗渗试块。
设备准备到位后，混凝土试件养护时间已经有将近40d。同时进行2种方法试验，按现场检测方法试验结果如表3：
表3 现场检测方法试验结果汇总表
结合表2和表3数据可知：测试压力大小和测试时间长短对混凝土抗渗等级（抗渗标号）的判定影响不大，C30混凝土在不同压力和不同测试时间的试验结果都是抗渗性能达到P6，C40混凝土在不同压力和不同测试时间的试验结果都是抗渗性能达到P8。
按逐级加压法的试验结果：C30混凝土的抗渗性能达到P6，C40混凝土的抗渗性能达到P8。这与现场检测方法所得到的试验结果保持一致。
两种试验方法对比测试结果表明：这2种方法试验相关性较好，结果一致性较好，证明采用该种方法进行混凝土结构实体抗渗性能试验可行。
后来到工地现场进行试验，发现一个新问题，现场结构实体是钢筋混凝土结构，安装加压试模时容易碰到钢筋，又因为试压区域不能出现钢筋（有钢筋可能会对渗水路径有影响，从而对最大渗水深度产生影响）。据理论分析，加压迎水面直径大于骨料最大粒径的2~3倍，最大渗水深度基本不会受到影响。为此笔者又加工了一个加压试模，把加压试模尺寸改小，改为迎水面直径为70mm，然后把迎水面直径为185mm和70mm的2个加压试模串联，同时在C30混凝土试件上进行恒定水压力（2.0MPa）固定时间（120min）抗渗试验，最大渗水深度结果分别为60mm和62mm，又在C40混凝土试件上进行恒定水压力（2.0MPa）固定时间（120min）试验，最大渗水深度结果分别为53mm和49mm。结果表明：两种迎水面直径的加压试模试验结果基本一致。迎水面直径为70mm的加压试模在混凝土结构实体上具有更好的适用性（能轻易的避开钢筋）。
在验证过程中，关于如何测量渗水最大深度，笔者尝试了以下几种方法：
（1）钻孔测试法：使用冲击钻，钻头为6mm，钻孔位置为中心和中心四周距中心2~3cm的位置（共5点），钻出的粉末先是潮湿的，随着钻头不断深入，当出现了干燥状态的粉末时，立即停止，测量钻孔深度，据此作为最大渗水深度计算渗透系数。按照渗透机理，这5 个点的渗水深度应该是比较接近的，然而现实情况却是：这5个渗水深度数值离散很大，基本不具备可比性，笔者又用冲击钻转在原钻孔里继续往里钻，有的钻孔又出现潮湿粉末了。经分析，造成这种现象的原因是：混凝土是非匀质的，里面包括粗细不等的石子，还有砂、水泥和其他粉末类掺合料与水反应生成的填充石子空隙的水泥砂浆。在加压的过程中，渗水路径在水泥砂浆中，在深度方向上不断垂直渗入（同时也略微沿周围扩散），但是碰到颗粒较粗的石子时，水还来不及渗入石子（水要渗透到石子里面需要一个较长的时间），水就绕过石子继续往深度方向以及四周渗透。这样就造成了深度较浅的部位（石子内部）没有被水渗入（干燥状态），深度较深的部位相反已经被水渗入了（潮湿状态），该方法不可取。
（2）切割机切割实测法：用手持式岩石切割机，从加压区中心部位一分为二进行切割，切割深度应大于最大渗水深度，最后用榔头凿子凿开其中一边，找出最大渗水深度点，并量取最大深度数值。这种办法也不太理想，因为在切割的时候，混凝土的干湿界面因为切割时的锯片的高速摩擦变得模糊不清，不易找到最大渗透深度点。
（3）取芯剖开实测法：在加压区域内取芯，通过剖开芯样直接量取最大渗水深度，这个方法也不太理想，一是取芯时最好干钻，然而干钻对钻头损耗太大，不实用，二是取芯时不知道渗透深度，往往需要钻取较深的深度（很可能会钻穿混凝土结构实体），对混凝土结构实体的抗渗性能会带来隐患。
（4）超声测试法：效仿测混凝土裂缝的方法，用超声波的方法来测试，结果也不成功，因为超声波在潮湿混凝土里的传播速度比干燥混凝土中快，从超声波测试曲线上无法识别渗水结果。
（5）局部凿开实测法：用榔头凿子在迎水面中心，逐渐往里凿，直到找到最深干湿交界点，然后用直尺采用常规方法测量最大渗水深度。虽然这种方法比较笨，但是它对混凝土实体破坏比较小，只要找到最大渗水深度即可，不需要继续破坏混凝土实体，所以此方法可以接受。
六、混凝土抗渗性能现场检测试验总结
经过一定检测数量的试验验证，使用该套混凝土现场试验检测设备试验的试验结果与采取逐级加压法得到的试验结果相关性较好，检测结果基本一致，能够比较好的反应现场混凝土结构实体的实际抗渗性能水平。该方法属原位测试，代表性更好，可以广泛应用于现场结构实体抗渗性能检测。这种方法既可以进行单点测试，也可以成组进行测试，成组测试时，为与逐级加压法判定方法匹配，最大渗水深度可以取一组6个试验数据中第3个（数据从大到小排序）数据进行计算分析（逐级加压法是取第3个试件渗水时的水压力作为判别条件），具有很强的适用性。
目前，关于测量最大渗水深度的方法，还不是很完美。由于笔者水平和所接触的资源有限，目前还没找到更好的办法，希望以后能有所突破，找到一种能够完全不用破坏混凝土结构实体也能准确测出最大渗水深度的方法。
参考文献
[1]《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009
[2]《水运工程混凝土试验规程》JTJ 270-1998
论文作者:刘文博
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年8期
论文发表时间:2019/8/2
标签：混凝土论文; 性能论文; 深度论文; 水压论文; 方法论文; 现场论文; 混凝土结构论文; 《建筑学研究前沿》2019年8期论文;