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摘 要：随着混凝土工程实践经验的积累，已开始注意到混凝土表面特性对耐久性的重要影响。众所周知，混凝土是一种多相、不均质、多孔的复合体系，具有一定的渗透性，当其表面存在相对压力、浓度和电位差时，就会发生介质的迁移，混凝土的许多性能在一定程度上都与其孔隙率、孔隙结构和孔连通程度有关。混凝土表面层对结构起着防护作用，可以抵御来自外部环境的物理和化学劣化的作用，例如碳化、化学侵蚀、钢筋锈蚀、冻融破坏等，对混凝土结构的长期耐久性起着决定性的影响。本文通过一系列试验并结合国内某港口工程实例，进行了混凝土表面渗透性对混凝土耐久性影响的系统分析。
关键词：表层渗透性；碳化；抗冻性；孔结构；耐久性
1 试验方法
国内某港口建设过程中，C50 预制方桩在施打过程中由于遇到坚硬地质结构，施打次数增大，为检测施打过程对混凝土桩身是否造成破坏，进行了表层渗透性、超声波法匀质性、回弹取芯等检验，并对钻取的芯样进行了强度、碳化、氯离子渗透性、冻融循环等试验。由于海工混凝土受侵蚀最严重的部位属于潮差区及浪溅区，本研究选择了潮差区的桩身进行试验。
试验采用 autoclam 自动渗透性测试仪，拟同时在现场对混凝土构件进行吸水量、渗水量和透气性三项指标的检验。由于渗透试验中的吸水量试验对混凝土材料的表面含湿量有严格的限制，对于潮差区的混凝土，其含湿量较高，经过测试发现无法进行吸水性试验，本研究主要选用了不受含湿量影响的渗水量試验方法作为试验研究手段。渗水量试验测试水压恒为 50 kPa （0.5 ba）r，控制器自动采集每分钟的渗水量。文中水渗透系数的单位为 10-7m3/min1/2。
2 数据分析
2.1 混凝土碳化深度与表面渗透性之间的关系
混凝土碳化是空气中 CO2与水泥中的碱性物质相互作用，使其成分、结构和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。CO2可以与混凝土中的铝酸盐及 C-S-H 产物反应，使凝胶分解成 CaCO3以及无定型硅胶等多孔状结构。混凝土碳化后的孔结构改变，影响混凝土与侵蚀离子的化学结合能力，可能导致混凝土中化学结合和物理吸附的氯离子释放出来，增加了自由氯离子的数量。混凝土碳化的主要危害是混凝土碱度降低，使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜（钝化膜） 遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，导致混凝土中钢筋锈蚀。同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。寒冷地区或冬季气候条件下，混凝土遭受冻融循环造成内部微裂缝和表面剥落；同时，大气环境中的 CO2侵入混凝土，破坏钢筋表面钝化膜引起锈蚀，在两者共同作用下，最终导致混凝土破坏，这也是许多混凝土结构未达到设计使用年限便过早失效的原因之一。
碳化是 CO2通过混凝土表面缓慢向内部扩散的过程。混凝土碳化速率主要受扩散到孔系统中的 CO2和孔结构的影响，混凝土中 CO2的浓度梯度可以作为 CO2迁移的驱动力。从分析可以看出碳化过程与混凝土渗透性有密切联系。分析可以得出混凝土渗透性能与国家标准中加速碳化条件下混凝土碳化深度之间的相关性结果。混凝土的水渗透系数与混凝土碳化深度的对数值之间存在良好的线性关系，随着渗透系数的增大，混凝土碳化深度逐渐增加。根据混凝土碳化的机理可知，混凝土的渗透系数增大，表明 CO2在混凝土中的扩散速度加快。
2.2 混凝土氯离子渗透性与表面渗透性之间的关系
氯离子引起的钢筋腐蚀是沿海地区最常见的钢筋混凝土结构破坏原因之一。由于混凝土中溶液的高碱性，钢筋处于钝化状态。当环境中的氯离子渗入混凝土内，而且其含量达到了氯离子临界值时，钝化的钢筋被活化并开始腐蚀，导致钢筋的承载力降低；腐蚀产物膨胀引起混凝土开裂、剥落，因而造成钢筋混凝土构筑物服役寿命缩短。所以，在海洋环境中，钢筋混凝土构筑物的耐久性取决于混凝土的抗氯离子渗透性和引起钢筋开始腐蚀的氯离子临界值。
为了提高钢筋混凝土构筑物的耐久性，有必要对氯离子在混凝土中的扩散行为及其规律进行检测和研究，以便进行混凝土结构耐久性分析。由于目前工程中普遍采用高性能减水剂配制低水胶比的混凝土，其抗渗性能良好，采用常规的水渗透法无法测试其渗透性能，一般通过测试混凝土的抗氯离子渗透系数来表征其渗透性能。氯离子在混凝土中的渗透速度主要与表面氯离子浓度、混凝土的孔结构及孔隙率有关。表面氯离子浓度越高，由于浓度梯度较大，氯离子渗透的动力就越大，渗透速率也就越快。混凝土的孔隙率越高，尤其是毛细孔的比例越高，孔隙连通程度越高，氯离子的传输路径就越通畅，渗透速度就越快。由于氯离子对钢筋有较强的腐蚀作用，因此钢筋保护层即表层混凝土的质量至关重要。从分析可以看出，表层混凝土的水渗透系数与混凝土的氯离子渗透系数有一定的相关性。水渗透系数越大，氯离子的渗透系数也逐渐增大，混凝土的孔隙率及孔隙连通程度也就越高，混凝土抵抗外界侵蚀的能力逐渐降低。
2.3 混凝土抗冻性与表面渗透性之间的关系
混凝土在海水的冻融作用下的破坏是比较复杂的，混凝土冻融破坏的作用机理主要有静水压破坏和渗透压破坏。静水压机理：当大孔中的水结冰时，引起体积膨胀，产生的膨胀力并不是施加在孔壁上，而是把未结冰的水推向空气泡的方向，进而形成孔压力，当最大静水压超过混凝土的强度时，就会引起混凝土结构的破坏。渗透压机理：当温度下降到 0 ℃时，混凝土大孔里的水开始结冰，而小孔中的水冰点较低而不会结冰，这时在混凝土中，水以液相和固相两种形态同时存在，由于水的饱和蒸气压大于冰的饱和蒸气压，两相之间的自由能是不一样的，这样自由能高的水就会向自由能低的水区迁移，并在该水区转变成冰，这个推动液相水流动的压力就是渗透压，当最大渗透压超过混凝土的强度时，就会引起混凝土结构的破坏。此外，在混凝土受冻时，当孔中水有一部分冻结以后，在未冻结的水中，溶液的浓度随着冰体积的增加而提高，于是孔外未冻结的水向孔内迁移，也产生渗透压。混凝土的冻融破坏至少应是在静水压力和渗透压力共同作用下的结果。当非均质材料混凝土受冻时，在两种压力的作用下，有的部位有可能产生微细裂缝，如果长期经受冻融的反复作用，每次发生的微细裂缝累积迭加起来，混凝土就发生破坏。
影响混凝土的抗冻性因素很多，但主要取决于混凝土材料的品质和饱水程度。混凝土是多孔材料，多孔材料受冻破坏的程度与材料的含水率有密切的关系，干燥材料不在特殊的低温下是不会被冻坏的，混凝土只有与水接触，在毛细孔、气泡吸水的情况下受冻才会被破坏。混凝土材料存在发生冻融破坏的临界饱水值 （极限充水程度）。在自然环境中，当混凝土的实际吸水值小于临界饱水值时，混凝土就不会遭受冻融的破坏。此外，混凝土的内部孔结构对抗冻性影响至关重要，当掺加引气剂后，内部形成的空气泡一方面截断了毛细孔的吸水通道，另一方面可以起到泄压的作用。而表层混凝土的孔隙率低，可以减少外界水分进入混凝土内部的通道，保证混凝土内部始终低于临界饱水值，就不会经受冻融作用破坏。高强预应力大管桩混凝土未掺加引气剂，含气量不高，但其抗冻融破坏能力较强，就是由于混凝土的表层致密，起到了密封的保护作用。
图 3 水渗透系数与冻融质量损失的关系图
图 4 水渗透系数与冻融剥蚀深度的关系图
从图 1 和图 2中可以看出，混凝土的冻害与其表面孔结构参数密切相关。图 1 所示为在海水溶液快速冻融循环条件下，混凝土冻融后质量损失率与混凝土表层水渗透性能相关性的试验结果。可见，在海水溶液中进行快速冻融循环，随着混凝土表层渗透系数增大，混凝土冻融后的质量损失率逐渐增加，即混凝土的抗冻融循环破坏的能力降低，表明混凝土的抗冻性能与其表层水渗透系数存在较好的相关关系。混凝土表层渗透系数大，表明在通过表层进入混凝土内部的水就越多，混凝土越容易达到临界饱水值，因而在冰冻条件下产生的冻融破坏作用大，造成混凝土的抗冻性能下降。图 2 为在海水溶液快速冻融循环条件下，混凝土剥蚀深度与混凝土表层水渗透性能相关性的试验结果。现实中处于海水中的混凝土结构，受海水中盐份的作用会加剧混凝土表面受冻破坏，其原因是由于混凝土上表面在不受冻的季节里，与海水干、湿交替地接触，使混凝土表面形成一富盐的砂浆层，其上面出现无数微细的裂缝，在寒冷季节中，这个薄层在冻融的更迭作用下很快剥落。这样就造成了混凝土在海水中遭受冻融比淡水中破坏严重的结果，对表面渗透性的现场测试可以较为直观地推测其抗冻性。
3 结语
研究结果表明，混凝土碳化深度、抗冻融循环破坏能力、抗氯离子渗透性均与混凝土表层渗透性能存在明显的相关性，这种相关性可从混凝土的微观结构分析得到解释。混凝土表层渗透特性参数能够体现混凝土的耐久性能。通过对外部侵蚀介质在混凝土表层内的渗透性能与水渗透系数的相关性研究，可以合理评价混凝土结构的耐久性，水渗透系数作为表征混凝土耐久性能的现场测试参数具有一定的可行性。
参考文献：
[1] 田俊峰,潘德强,赵尚传.海工高性能混凝土抗氯离子侵蚀耐久寿命预测[J]. 中国港湾建设. 2002(02)
[2] 范志宏,王成启,李俊毅,范卫国,张国志.海工混凝土结构的耐久性原型调查研究[J]. 中国港湾建设. 2010(S1)
[3] 李颖,田双珠,朱崇诚.港口水工建筑物中氯离子分布规律的研究[J]. 水道港口. 2004(S1)
[4] 黄君哲,王胜年,潘德强.海工高性能混凝土结构使用寿命预测浅析[J]. 水运工程. 2004(02)
关键词：表层渗透性；碳化；抗冻性；孔结构；耐久性
1 试验方法
国内某港口建设过程中，C50 预制方桩在施打过程中由于遇到坚硬地质结构，施打次数增大，为检测施打过程对混凝土桩身是否造成破坏，进行了表层渗透性、超声波法匀质性、回弹取芯等检验，并对钻取的芯样进行了强度、碳化、氯离子渗透性、冻融循环等试验。由于海工混凝土受侵蚀最严重的部位属于潮差区及浪溅区，本研究选择了潮差区的桩身进行试验。
试验采用 autoclam 自动渗透性测试仪，拟同时在现场对混凝土构件进行吸水量、渗水量和透气性三项指标的检验。由于渗透试验中的吸水量试验对混凝土材料的表面含湿量有严格的限制，对于潮差区的混凝土，其含湿量较高，经过测试发现无法进行吸水性试验，本研究主要选用了不受含湿量影响的渗水量試验方法作为试验研究手段。渗水量试验测试水压恒为 50 kPa （0.5 ba）r，控制器自动采集每分钟的渗水量。文中水渗透系数的单位为 10-7m3/min1/2。
2 数据分析
2.1 混凝土碳化深度与表面渗透性之间的关系
混凝土碳化是空气中 CO2与水泥中的碱性物质相互作用，使其成分、结构和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。CO2可以与混凝土中的铝酸盐及 C-S-H 产物反应，使凝胶分解成 CaCO3以及无定型硅胶等多孔状结构。混凝土碳化后的孔结构改变，影响混凝土与侵蚀离子的化学结合能力，可能导致混凝土中化学结合和物理吸附的氯离子释放出来，增加了自由氯离子的数量。混凝土碳化的主要危害是混凝土碱度降低，使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜（钝化膜） 遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，导致混凝土中钢筋锈蚀。同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。寒冷地区或冬季气候条件下，混凝土遭受冻融循环造成内部微裂缝和表面剥落；同时，大气环境中的 CO2侵入混凝土，破坏钢筋表面钝化膜引起锈蚀，在两者共同作用下，最终导致混凝土破坏，这也是许多混凝土结构未达到设计使用年限便过早失效的原因之一。
碳化是 CO2通过混凝土表面缓慢向内部扩散的过程。混凝土碳化速率主要受扩散到孔系统中的 CO2和孔结构的影响，混凝土中 CO2的浓度梯度可以作为 CO2迁移的驱动力。从分析可以看出碳化过程与混凝土渗透性有密切联系。分析可以得出混凝土渗透性能与国家标准中加速碳化条件下混凝土碳化深度之间的相关性结果。混凝土的水渗透系数与混凝土碳化深度的对数值之间存在良好的线性关系，随着渗透系数的增大，混凝土碳化深度逐渐增加。根据混凝土碳化的机理可知，混凝土的渗透系数增大，表明 CO2在混凝土中的扩散速度加快。
2.2 混凝土氯离子渗透性与表面渗透性之间的关系
氯离子引起的钢筋腐蚀是沿海地区最常见的钢筋混凝土结构破坏原因之一。由于混凝土中溶液的高碱性，钢筋处于钝化状态。当环境中的氯离子渗入混凝土内，而且其含量达到了氯离子临界值时，钝化的钢筋被活化并开始腐蚀，导致钢筋的承载力降低；腐蚀产物膨胀引起混凝土开裂、剥落，因而造成钢筋混凝土构筑物服役寿命缩短。所以，在海洋环境中，钢筋混凝土构筑物的耐久性取决于混凝土的抗氯离子渗透性和引起钢筋开始腐蚀的氯离子临界值。
为了提高钢筋混凝土构筑物的耐久性，有必要对氯离子在混凝土中的扩散行为及其规律进行检测和研究，以便进行混凝土结构耐久性分析。由于目前工程中普遍采用高性能减水剂配制低水胶比的混凝土，其抗渗性能良好，采用常规的水渗透法无法测试其渗透性能，一般通过测试混凝土的抗氯离子渗透系数来表征其渗透性能。氯离子在混凝土中的渗透速度主要与表面氯离子浓度、混凝土的孔结构及孔隙率有关。表面氯离子浓度越高，由于浓度梯度较大，氯离子渗透的动力就越大，渗透速率也就越快。混凝土的孔隙率越高，尤其是毛细孔的比例越高，孔隙连通程度越高，氯离子的传输路径就越通畅，渗透速度就越快。由于氯离子对钢筋有较强的腐蚀作用，因此钢筋保护层即表层混凝土的质量至关重要。从分析可以看出，表层混凝土的水渗透系数与混凝土的氯离子渗透系数有一定的相关性。水渗透系数越大，氯离子的渗透系数也逐渐增大，混凝土的孔隙率及孔隙连通程度也就越高，混凝土抵抗外界侵蚀的能力逐渐降低。
2.3 混凝土抗冻性与表面渗透性之间的关系
混凝土在海水的冻融作用下的破坏是比较复杂的，混凝土冻融破坏的作用机理主要有静水压破坏和渗透压破坏。静水压机理：当大孔中的水结冰时，引起体积膨胀，产生的膨胀力并不是施加在孔壁上，而是把未结冰的水推向空气泡的方向，进而形成孔压力，当最大静水压超过混凝土的强度时，就会引起混凝土结构的破坏。渗透压机理：当温度下降到 0 ℃时，混凝土大孔里的水开始结冰，而小孔中的水冰点较低而不会结冰，这时在混凝土中，水以液相和固相两种形态同时存在，由于水的饱和蒸气压大于冰的饱和蒸气压，两相之间的自由能是不一样的，这样自由能高的水就会向自由能低的水区迁移，并在该水区转变成冰，这个推动液相水流动的压力就是渗透压，当最大渗透压超过混凝土的强度时，就会引起混凝土结构的破坏。此外，在混凝土受冻时，当孔中水有一部分冻结以后，在未冻结的水中，溶液的浓度随着冰体积的增加而提高，于是孔外未冻结的水向孔内迁移，也产生渗透压。混凝土的冻融破坏至少应是在静水压力和渗透压力共同作用下的结果。当非均质材料混凝土受冻时，在两种压力的作用下，有的部位有可能产生微细裂缝，如果长期经受冻融的反复作用，每次发生的微细裂缝累积迭加起来，混凝土就发生破坏。
影响混凝土的抗冻性因素很多，但主要取决于混凝土材料的品质和饱水程度。混凝土是多孔材料，多孔材料受冻破坏的程度与材料的含水率有密切的关系，干燥材料不在特殊的低温下是不会被冻坏的，混凝土只有与水接触，在毛细孔、气泡吸水的情况下受冻才会被破坏。混凝土材料存在发生冻融破坏的临界饱水值 （极限充水程度）。在自然环境中，当混凝土的实际吸水值小于临界饱水值时，混凝土就不会遭受冻融的破坏。此外，混凝土的内部孔结构对抗冻性影响至关重要，当掺加引气剂后，内部形成的空气泡一方面截断了毛细孔的吸水通道，另一方面可以起到泄压的作用。而表层混凝土的孔隙率低，可以减少外界水分进入混凝土内部的通道，保证混凝土内部始终低于临界饱水值，就不会经受冻融作用破坏。高强预应力大管桩混凝土未掺加引气剂，含气量不高，但其抗冻融破坏能力较强，就是由于混凝土的表层致密，起到了密封的保护作用。
图 3 水渗透系数与冻融质量损失的关系图
图 4 水渗透系数与冻融剥蚀深度的关系图
从图 1 和图 2中可以看出，混凝土的冻害与其表面孔结构参数密切相关。图 1 所示为在海水溶液快速冻融循环条件下，混凝土冻融后质量损失率与混凝土表层水渗透性能相关性的试验结果。可见，在海水溶液中进行快速冻融循环，随着混凝土表层渗透系数增大，混凝土冻融后的质量损失率逐渐增加，即混凝土的抗冻融循环破坏的能力降低，表明混凝土的抗冻性能与其表层水渗透系数存在较好的相关关系。混凝土表层渗透系数大，表明在通过表层进入混凝土内部的水就越多，混凝土越容易达到临界饱水值，因而在冰冻条件下产生的冻融破坏作用大，造成混凝土的抗冻性能下降。图 2 为在海水溶液快速冻融循环条件下，混凝土剥蚀深度与混凝土表层水渗透性能相关性的试验结果。现实中处于海水中的混凝土结构，受海水中盐份的作用会加剧混凝土表面受冻破坏，其原因是由于混凝土上表面在不受冻的季节里，与海水干、湿交替地接触，使混凝土表面形成一富盐的砂浆层，其上面出现无数微细的裂缝，在寒冷季节中，这个薄层在冻融的更迭作用下很快剥落。这样就造成了混凝土在海水中遭受冻融比淡水中破坏严重的结果，对表面渗透性的现场测试可以较为直观地推测其抗冻性。
3 结语
研究结果表明，混凝土碳化深度、抗冻融循环破坏能力、抗氯离子渗透性均与混凝土表层渗透性能存在明显的相关性，这种相关性可从混凝土的微观结构分析得到解释。混凝土表层渗透特性参数能够体现混凝土的耐久性能。通过对外部侵蚀介质在混凝土表层内的渗透性能与水渗透系数的相关性研究，可以合理评价混凝土结构的耐久性，水渗透系数作为表征混凝土耐久性能的现场测试参数具有一定的可行性。
参考文献：
[1] 田俊峰,潘德强,赵尚传.海工高性能混凝土抗氯离子侵蚀耐久寿命预测[J]. 中国港湾建设. 2002(02)
[2] 范志宏,王成启,李俊毅,范卫国,张国志.海工混凝土结构的耐久性原型调查研究[J]. 中国港湾建设. 2010(S1)
[3] 李颖,田双珠,朱崇诚.港口水工建筑物中氯离子分布规律的研究[J]. 水道港口. 2004(S1)
[4] 黄君哲,王胜年,潘德强.海工高性能混凝土结构使用寿命预测浅析[J]. 水运工程. 2004(02)