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【摘 要】通过不同的试验、材料分组、配合比及外部环境影响来分析。提出混凝土抗渗漏耐久的要求。
【关键词】试验；混凝土配合比；外部环境；
一、隧道渗水地质危害与防治
隧道工程在施工或运营阶段出现的各类病害严重影响了隧道功能，造成隐患，危及交通安全。这些病害主要表现为：（1）衬砌过度变形、裂损、剥落掉块；（2）地下水的渗漏和涌出。因此，对隧道进行防水防渗就变得非常必要。
开挖隧道对地下水的影响，是隧道发生渗漏水的客观因素。根据水力学和水文地质学原理，地下水从高压水位向低压水位流动，有其固定的流线，由于隧道的开挖，形成临空面的低水压区，改变了围岩的力学特性和地下水流路线，使周围地下水向隧道内汇集和积聚，给衬砌及底部渗漏水留下隐患。隧道开挖影响范围的大小与地层的渗透系数、水位高低、过水断面大小有关，此外还受大气降水、隧道进深及隧道周围溶洞、泉眼、水库或江、河、湖泊的影响。
二、抗渗混凝土的研究
混凝土的耐久性，与水和其它有害液体、气体向其内部流动的数量、范围等有关，因此抗渗性能高的混凝土，其耐久性就好。高性能混凝土首先要求是耐久性有保证的混凝土。因此，要研究高性能混凝土，就不能不关注混凝土的抗渗性能。然而，服役期间的混凝土，其抗渗性能并非是一个常数，其与龄期、浆体水化程度等因素丝丝相扣，与微裂纹的延伸扩展更是密切相关。本文正是针对上述问题，分析了混凝土的抗渗性能的主要影响因素，并且介绍了研究现状。
1.试验方法的研究
研究混凝土抗渗性能有多种试验方法；有传统的水压力试验法，还有近年来越来越引起人们重视的抗氯化物渗透试验法，以及气体渗透性试验法等。气体渗透法比较适合在现场测试，在我国应用相对较少，试验室测试以前两种为主。
1.1水压力法
试验方法标准中采用的是所谓抗渗标号法，采用6个高度为180mm的圆台形试件从0.1MPa开始施加水压，每隔8小时水压增加0.1MPa，直至6个试件中有3个被压力水穿透，停止试验，记录此时的水压力值；通过一个简单的线性换算关系，将停止试验时的水压力值换算成一个整数，这个整数即所谓混凝土的抗渗标号；也可以认为抗渗标号法是渗透深度法的一种特例。
1.2氯离子渗透试验法
直流电量法是氯离子渗透试验的代表：将一个50mm厚的混凝土圆饼试件用装在两个腔室里的两个铜网制成的电极夹紧，氢氧化钠（013N）和氯化纳（重量3%）溶液分别被倾倒在混凝土试样两面的腔室里，这样两种溶液被混凝土试件分隔开；然后施加60伏的直流电穿过两个表面。每隔30分钟监测一次电流通过混凝土的情况，持续试验时间6小时；总的电荷库仑数由电流—时间函数曲线（单位是安培·秒）下的面积计算。这一试验的基本原理是，氯化物离子的负电荷将被吸引到正电极；因此，测试期间电流的传输量就是氯化物渗透混凝土的量。上述方法存在的问题之一是在长时间电压作用下溶液产生热量，实验数据受到干扰。为解决这一问题，许多学者进行了探讨，例如有的学者在盛溶液的容器中加了水泵和热交换器来减少溶液温升的影响；而有的人则采用降低电压（12伏）而延长试验时间（30小时）的方法降低溶液热量；当然，延长试验时间毕竟不是一个优良的选择，将导致混凝土龄期对渗透性的影响增加，尤其龄期较低时是如此。目前，有研究人员提出用高频而低压的交流电取代直流电并配以电桥进行混凝土渗透性测量；其原理是：由试件与可变电阻和电容形成电桥的半桥，两个标准电阻形成另外半桥。通过调节可变电阻与电容使电桥平衡，由此可测得试件的阻抗、电导或通过试件的电量等参数，并以此评定混凝土的渗透性。该方法测试时间短，电桥调节平衡后即读取数据，结束试验，避免了溶液升温的影响。
2材料组分与配合比的影响
混凝土的抗渗性能首先要在配合比设计方面予以考虑。氯化物渗透性，作为混凝土耐久性的一部分，在配合比设计中是能够采取措施予以保证的；在配合比设计中应兼顾考虑强度和耐久性两方面的要求。
2.1粉煤灰和硅灰
关于掺粉煤灰和硅灰对提高混凝土抗渗性能有利。但明确粉煤灰掺量的上限是必要的。研究了大量掺入粉煤灰对混凝土抗渗性能的影响。研究中不掺粉煤灰的参考加气混凝土28天强度为41MPa；掺粉煤灰的混凝土配合比中水泥重量的0%～70%被粉煤灰取代，试验中测试了抗压强度、氯化物渗透性、空气渗透性和水渗透性。研究发现：在28天龄期，无粉煤灰混凝土的空气渗透性低于高掺量粉煤灰混凝土；在91天龄期，50%替代量的混凝土配比，其空气渗透性最低，水渗透性亦然；通常而言，只要水泥替代量不超过50%，粉煤灰的掺入将降低温凝土的氯离子渗透性。矿渣和硅灰掺入混凝土中对渗透性的影响时发现，少量的硅灰（3%～5%）和高达47%的矿渣在水灰比为0.4～0.45的情况下，可获得既经济又具有足够强度的低渗透性混凝土。得出结论：用矿渣作为胶凝材料的一部分比单纯用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料配制的混凝土，其抗氯离子渗透的能力更高。
2.2其它组分材料
除硅灰、粉煤灰等人造火山灰质材料外，还有其它可能影响混凝土抗渗性能的组分。研究了聚丙烯纤维掺入混凝土中，是否会与混凝土的各种外加组分如：粉煤灰、硅灰、或磨细的高炉矿渣发生反应导致抗渗性能下降的问题；通过实验确定：虽然聚丙烯纤维掺入会降低温凝土的抗渗性，但聚丙烯纤维基本不与上述其它组分发生反应，上述组分对混凝土抗渗性能的正面影响在掺入聚丙烯纤维后依然存在，也就是说混凝土耐久性不会受到合成纤维的影响。膨胀剂对混凝土抗渗性能的影响，视混凝土内、外部对膨胀的限制情况而定。钢纤维、合成纤维以及膨胀剂在混凝土硬化过程中对收缩开裂的影响进行了研究，研究结果证实：钢纤维与膨胀剂混合增强混凝土，钢纤维能够对膨胀产生很大的内部限制，使得混凝土更加致密，混合增强的方式能够取得很好的抑制硬化期间收缩裂纹的效果，从而极大地改进抗渗性能。 一般观点认为含气剂有助于提高混凝土的抗渗性；引气剂有助于混凝土的水密性，但无助于抗渗性。
针对目前流动混凝土用量大增的现状，研究了超塑化剂对混凝土渗透性的影响；通过试验发现：当超塑化剂掺量达水泥用量的110%、坍落度高达200mm之上时，硅灰对抗渗透性非常重要；没有掺硅灰的混凝土的渗透性是掺硅灰的混凝土的渗透性的3～5倍。进行的氯离子渗透试验却未能敏感得足以揭示超塑化剂掺量和坍落度的不同对混凝土材料微结构产生的影响。
2.3水灰比
一般情况下认为，材料的组分与配合比中对混凝土抗掺性最具影响力的因素是水灰（胶）比；总结指出：事实上，在水灰比小于0.3，特别是掺有硅灰的情况下，混凝土对于水与氯化物来说都可认为是不可渗透的，这样的混凝土可以在下面的暴露条件下工作：
（1）高水头压力；
（2）需要防止氯化物侵蚀；
（3）恶劣的冻融条件存在；
（4）需抵抗有害化学品侵蚀。
只要将水灰比限制在不超过0.4，就能够获得渗透性足够低的混凝土，能够抵抗很高的水压力。如果不考虑时间这个因素，这些结论无疑是正确的，但从前面提到的近年来高强与高性能混凝土遭遇到的一些耐久性病害来看，则上述结论难免有偏颇之嫌。配合比设计不仅要考虑新浇筑混凝土的抗渗性能，也要考虑服役期间的工作环境使微裂纹扩展导致抗渗性能劣化的问题。
三、服役期间的工作环境使微裂纹扩展导致抗渗性能劣化
在定性分析荷载与变形作用对混凝土抗渗性能的影响机理方面，人们是很容易达成共识的。比较权威的观点是：在外加荷载施加之前，在砂浆与骨料界面之间就存在粘结裂缝，在砂浆和骨料本身，也存在微裂纹，但这些微裂纹与粘结裂纹相比是微不足道的；在所施加的荷载不超过极限荷载的30%之前，粘结裂纹的增量可以忽略不计；如果荷载进一步增加，粘结裂纹不论是在宽度还是在长度方面都将随之增加。荷载达到70%～90%极限荷载时，在砂浆内部的微裂纹已经发展延伸，开始连接粘结裂纹；如果是高强混凝土，此时在骨料中也已经开始产生微裂纹；这样就在混凝土内部形成了一个复杂的裂纹网络。连续裂纹在混凝土内部的散布延伸导致混凝土体积的增加。这意味着混凝土内部形成了大于毛细管尺寸的内部孔、空隙系统。这将为气体、液体及可溶解固体在混凝土内部迁移提供了潜在的通道。
由于疲劳试验与抗渗试验都是非常复杂的试验，将二者复合起来研究更是难上加难。循环荷载作用对混凝土渗透性能的影响研究，该研究项目采用了尺寸为150mm×150mm×550mm的单侧缺口梁，缺口高度为25mm，在弯曲循环荷载作用下缺口根部一定范围内将出现微裂纹。事先在缺口根部附近贴有应变片并且埋设有空气渗透性探测探头，在试验中测试空气渗透性随循环次数的变化关系，并且对一些承受了循环荷载产生微裂纹的试件在缺口根部附近钻孔取芯，得到圆饼状的带缝混凝土试件，然后以该种试件测试水渗透性。研究获得的主要结论为：安设在混凝土应力区的空气渗透仪气压表上显示出负压的不断损失，能够很好地表示疲劳裂纹的扩展。在裂纹扩展的初始阶段，循环初期的压力损失速率很高；在第二阶段（裂纹扩展阶段），下降速率极大地降低；在第三阶段，试件即将破坏前，气压损失迅速直至测试值为0。在该阶段（开裂阶段），混凝土处于非常不稳定的状态，随时会发生结构破坏。混凝土的破坏可以由结构内部的大量开裂为表征，开裂则可通过空气渗透值所检测。持续的零读数表明不连续裂纹的严重发展和混凝土基体的破坏。像硅灰和粉煤灰这样的火山灰成分通常减少混凝土在加载期间初始裂纹的形成及其扩展的范围。对于给定的应力水平S，空气渗透率Kair与循环率NR之间存在指数关系，这表明随着循环次数增加，应力区的抗渗透能力呈指数规律递减。
四、总结
本文回顾了混凝土抗渗性能研究的研究历程，对研究现状进行了阐述，并对研究中出现的某些问题的产生原因进行了分析，此外，对某些可能取得突破的发展方向进行了展望，主要结论如下：
（1）由于高效减水剂等的广泛应用，混凝土水灰比趋低，混凝土在服役初期其抗渗性能往往是有保障的。混凝土的抗渗性能研究应该进一步关注荷载作用和微裂纹扩展的影响；在研究材料组分、尤其是比较传统的组分对抗渗性能的影响时，也要更多地结合时间因素和服役环境来考虑才更有意义；总之，考虑混凝土在服役环境中抗渗性能的劣化，是混凝土抗渗性能研究的一个发展方向。对于混凝土孔结构对抗渗性能的影响问题，如果与适合于描述杂乱无章事物的分形几何理论进行结合，可能获得进展；
（2）在研究荷载作用对混凝土抗渗性能的影响这一问题的过程中，荷载的作用形式对试验结果的影响非常大，目前不同研究人员的研究结论之所以相差如此悬殊，试验条件不同是一个主要原因；因此，在研究具体问题时应尽可能使试验边界条件与实际相符合。
【关键词】试验；混凝土配合比；外部环境；
一、隧道渗水地质危害与防治
隧道工程在施工或运营阶段出现的各类病害严重影响了隧道功能，造成隐患，危及交通安全。这些病害主要表现为：（1）衬砌过度变形、裂损、剥落掉块；（2）地下水的渗漏和涌出。因此，对隧道进行防水防渗就变得非常必要。
开挖隧道对地下水的影响，是隧道发生渗漏水的客观因素。根据水力学和水文地质学原理，地下水从高压水位向低压水位流动，有其固定的流线，由于隧道的开挖，形成临空面的低水压区，改变了围岩的力学特性和地下水流路线，使周围地下水向隧道内汇集和积聚，给衬砌及底部渗漏水留下隐患。隧道开挖影响范围的大小与地层的渗透系数、水位高低、过水断面大小有关，此外还受大气降水、隧道进深及隧道周围溶洞、泉眼、水库或江、河、湖泊的影响。
二、抗渗混凝土的研究
混凝土的耐久性，与水和其它有害液体、气体向其内部流动的数量、范围等有关，因此抗渗性能高的混凝土，其耐久性就好。高性能混凝土首先要求是耐久性有保证的混凝土。因此，要研究高性能混凝土，就不能不关注混凝土的抗渗性能。然而，服役期间的混凝土，其抗渗性能并非是一个常数，其与龄期、浆体水化程度等因素丝丝相扣，与微裂纹的延伸扩展更是密切相关。本文正是针对上述问题，分析了混凝土的抗渗性能的主要影响因素，并且介绍了研究现状。
1.试验方法的研究
研究混凝土抗渗性能有多种试验方法；有传统的水压力试验法，还有近年来越来越引起人们重视的抗氯化物渗透试验法，以及气体渗透性试验法等。气体渗透法比较适合在现场测试，在我国应用相对较少，试验室测试以前两种为主。
1.1水压力法
试验方法标准中采用的是所谓抗渗标号法，采用6个高度为180mm的圆台形试件从0.1MPa开始施加水压，每隔8小时水压增加0.1MPa，直至6个试件中有3个被压力水穿透，停止试验，记录此时的水压力值；通过一个简单的线性换算关系，将停止试验时的水压力值换算成一个整数，这个整数即所谓混凝土的抗渗标号；也可以认为抗渗标号法是渗透深度法的一种特例。
1.2氯离子渗透试验法
直流电量法是氯离子渗透试验的代表：将一个50mm厚的混凝土圆饼试件用装在两个腔室里的两个铜网制成的电极夹紧，氢氧化钠（013N）和氯化纳（重量3%）溶液分别被倾倒在混凝土试样两面的腔室里，这样两种溶液被混凝土试件分隔开；然后施加60伏的直流电穿过两个表面。每隔30分钟监测一次电流通过混凝土的情况，持续试验时间6小时；总的电荷库仑数由电流—时间函数曲线（单位是安培·秒）下的面积计算。这一试验的基本原理是，氯化物离子的负电荷将被吸引到正电极；因此，测试期间电流的传输量就是氯化物渗透混凝土的量。上述方法存在的问题之一是在长时间电压作用下溶液产生热量，实验数据受到干扰。为解决这一问题，许多学者进行了探讨，例如有的学者在盛溶液的容器中加了水泵和热交换器来减少溶液温升的影响；而有的人则采用降低电压（12伏）而延长试验时间（30小时）的方法降低溶液热量；当然，延长试验时间毕竟不是一个优良的选择，将导致混凝土龄期对渗透性的影响增加，尤其龄期较低时是如此。目前，有研究人员提出用高频而低压的交流电取代直流电并配以电桥进行混凝土渗透性测量；其原理是：由试件与可变电阻和电容形成电桥的半桥，两个标准电阻形成另外半桥。通过调节可变电阻与电容使电桥平衡，由此可测得试件的阻抗、电导或通过试件的电量等参数，并以此评定混凝土的渗透性。该方法测试时间短，电桥调节平衡后即读取数据，结束试验，避免了溶液升温的影响。
2材料组分与配合比的影响
混凝土的抗渗性能首先要在配合比设计方面予以考虑。氯化物渗透性，作为混凝土耐久性的一部分，在配合比设计中是能够采取措施予以保证的；在配合比设计中应兼顾考虑强度和耐久性两方面的要求。
2.1粉煤灰和硅灰
关于掺粉煤灰和硅灰对提高混凝土抗渗性能有利。但明确粉煤灰掺量的上限是必要的。研究了大量掺入粉煤灰对混凝土抗渗性能的影响。研究中不掺粉煤灰的参考加气混凝土28天强度为41MPa；掺粉煤灰的混凝土配合比中水泥重量的0%～70%被粉煤灰取代，试验中测试了抗压强度、氯化物渗透性、空气渗透性和水渗透性。研究发现：在28天龄期，无粉煤灰混凝土的空气渗透性低于高掺量粉煤灰混凝土；在91天龄期，50%替代量的混凝土配比，其空气渗透性最低，水渗透性亦然；通常而言，只要水泥替代量不超过50%，粉煤灰的掺入将降低温凝土的氯离子渗透性。矿渣和硅灰掺入混凝土中对渗透性的影响时发现，少量的硅灰（3%～5%）和高达47%的矿渣在水灰比为0.4～0.45的情况下，可获得既经济又具有足够强度的低渗透性混凝土。得出结论：用矿渣作为胶凝材料的一部分比单纯用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料配制的混凝土，其抗氯离子渗透的能力更高。
2.2其它组分材料
除硅灰、粉煤灰等人造火山灰质材料外，还有其它可能影响混凝土抗渗性能的组分。研究了聚丙烯纤维掺入混凝土中，是否会与混凝土的各种外加组分如：粉煤灰、硅灰、或磨细的高炉矿渣发生反应导致抗渗性能下降的问题；通过实验确定：虽然聚丙烯纤维掺入会降低温凝土的抗渗性，但聚丙烯纤维基本不与上述其它组分发生反应，上述组分对混凝土抗渗性能的正面影响在掺入聚丙烯纤维后依然存在，也就是说混凝土耐久性不会受到合成纤维的影响。膨胀剂对混凝土抗渗性能的影响，视混凝土内、外部对膨胀的限制情况而定。钢纤维、合成纤维以及膨胀剂在混凝土硬化过程中对收缩开裂的影响进行了研究，研究结果证实：钢纤维与膨胀剂混合增强混凝土，钢纤维能够对膨胀产生很大的内部限制，使得混凝土更加致密，混合增强的方式能够取得很好的抑制硬化期间收缩裂纹的效果，从而极大地改进抗渗性能。 一般观点认为含气剂有助于提高混凝土的抗渗性；引气剂有助于混凝土的水密性，但无助于抗渗性。
针对目前流动混凝土用量大增的现状，研究了超塑化剂对混凝土渗透性的影响；通过试验发现：当超塑化剂掺量达水泥用量的110%、坍落度高达200mm之上时，硅灰对抗渗透性非常重要；没有掺硅灰的混凝土的渗透性是掺硅灰的混凝土的渗透性的3～5倍。进行的氯离子渗透试验却未能敏感得足以揭示超塑化剂掺量和坍落度的不同对混凝土材料微结构产生的影响。
2.3水灰比
一般情况下认为，材料的组分与配合比中对混凝土抗掺性最具影响力的因素是水灰（胶）比；总结指出：事实上，在水灰比小于0.3，特别是掺有硅灰的情况下，混凝土对于水与氯化物来说都可认为是不可渗透的，这样的混凝土可以在下面的暴露条件下工作：
（1）高水头压力；
（2）需要防止氯化物侵蚀；
（3）恶劣的冻融条件存在；
（4）需抵抗有害化学品侵蚀。
只要将水灰比限制在不超过0.4，就能够获得渗透性足够低的混凝土，能够抵抗很高的水压力。如果不考虑时间这个因素，这些结论无疑是正确的，但从前面提到的近年来高强与高性能混凝土遭遇到的一些耐久性病害来看，则上述结论难免有偏颇之嫌。配合比设计不仅要考虑新浇筑混凝土的抗渗性能，也要考虑服役期间的工作环境使微裂纹扩展导致抗渗性能劣化的问题。
三、服役期间的工作环境使微裂纹扩展导致抗渗性能劣化
在定性分析荷载与变形作用对混凝土抗渗性能的影响机理方面，人们是很容易达成共识的。比较权威的观点是：在外加荷载施加之前，在砂浆与骨料界面之间就存在粘结裂缝，在砂浆和骨料本身，也存在微裂纹，但这些微裂纹与粘结裂纹相比是微不足道的；在所施加的荷载不超过极限荷载的30%之前，粘结裂纹的增量可以忽略不计；如果荷载进一步增加，粘结裂纹不论是在宽度还是在长度方面都将随之增加。荷载达到70%～90%极限荷载时，在砂浆内部的微裂纹已经发展延伸，开始连接粘结裂纹；如果是高强混凝土，此时在骨料中也已经开始产生微裂纹；这样就在混凝土内部形成了一个复杂的裂纹网络。连续裂纹在混凝土内部的散布延伸导致混凝土体积的增加。这意味着混凝土内部形成了大于毛细管尺寸的内部孔、空隙系统。这将为气体、液体及可溶解固体在混凝土内部迁移提供了潜在的通道。
由于疲劳试验与抗渗试验都是非常复杂的试验，将二者复合起来研究更是难上加难。循环荷载作用对混凝土渗透性能的影响研究，该研究项目采用了尺寸为150mm×150mm×550mm的单侧缺口梁，缺口高度为25mm，在弯曲循环荷载作用下缺口根部一定范围内将出现微裂纹。事先在缺口根部附近贴有应变片并且埋设有空气渗透性探测探头，在试验中测试空气渗透性随循环次数的变化关系，并且对一些承受了循环荷载产生微裂纹的试件在缺口根部附近钻孔取芯，得到圆饼状的带缝混凝土试件，然后以该种试件测试水渗透性。研究获得的主要结论为：安设在混凝土应力区的空气渗透仪气压表上显示出负压的不断损失，能够很好地表示疲劳裂纹的扩展。在裂纹扩展的初始阶段，循环初期的压力损失速率很高；在第二阶段（裂纹扩展阶段），下降速率极大地降低；在第三阶段，试件即将破坏前，气压损失迅速直至测试值为0。在该阶段（开裂阶段），混凝土处于非常不稳定的状态，随时会发生结构破坏。混凝土的破坏可以由结构内部的大量开裂为表征，开裂则可通过空气渗透值所检测。持续的零读数表明不连续裂纹的严重发展和混凝土基体的破坏。像硅灰和粉煤灰这样的火山灰成分通常减少混凝土在加载期间初始裂纹的形成及其扩展的范围。对于给定的应力水平S，空气渗透率Kair与循环率NR之间存在指数关系，这表明随着循环次数增加，应力区的抗渗透能力呈指数规律递减。
四、总结
本文回顾了混凝土抗渗性能研究的研究历程，对研究现状进行了阐述，并对研究中出现的某些问题的产生原因进行了分析，此外，对某些可能取得突破的发展方向进行了展望，主要结论如下：
（1）由于高效减水剂等的广泛应用，混凝土水灰比趋低，混凝土在服役初期其抗渗性能往往是有保障的。混凝土的抗渗性能研究应该进一步关注荷载作用和微裂纹扩展的影响；在研究材料组分、尤其是比较传统的组分对抗渗性能的影响时，也要更多地结合时间因素和服役环境来考虑才更有意义；总之，考虑混凝土在服役环境中抗渗性能的劣化，是混凝土抗渗性能研究的一个发展方向。对于混凝土孔结构对抗渗性能的影响问题，如果与适合于描述杂乱无章事物的分形几何理论进行结合，可能获得进展；
（2）在研究荷载作用对混凝土抗渗性能的影响这一问题的过程中，荷载的作用形式对试验结果的影响非常大，目前不同研究人员的研究结论之所以相差如此悬殊，试验条件不同是一个主要原因；因此，在研究具体问题时应尽可能使试验边界条件与实际相符合。