摘要：本文针对如何提高混凝土抗渗性能的问题，扼要综述了国内外混凝土抗渗耐久性的技术现状，叙述了利用矿物掺和料复合掺入来改善混凝土抗渗耐久性的有效措施。
关键词：混凝土；耐久性；抗渗性；矿物掺合料
1 前言
从1824 年波特兰水泥发明之后，混凝土的生产技术得到了迅速的发展，由此混凝土的用量也急剧增加，使用范围日益扩大。至今，混凝土已成为人类社会生活、文化生活的基础，是城市化、高速公路、港口码头、立交桥、机场、大坝等建设中应用最大量、最广泛的建筑材料。然而，混凝土自身仍存在着许多缺陷制约着其今后的发展，如混凝土的耐久性、自重较大等，特别是混凝土的耐久性已成为当今国内外一个迫切需要解决的问题。因为，由混凝土耐久性不足所造成的混凝土建筑物的维修或重建不仅耗费了大量的人力、物力、财力，而且也阻碍了混凝土建筑业的可持续发展。混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、钢筋锈蚀、化学侵蚀、碱集料反应等。其中混凝土的抗渗性是混凝土耐久性的第一道防线，对混凝土耐久性的影响十分重要。因为水分或侵蚀性介质的入侵是引发混凝土质量劣化、耐久性不足的主要原因。有学者认为混凝土的抗渗性是评价混凝土耐久性最重要的综合指标[1 ] 。就混凝土的渗透性与耐久性存在密切关系这一点，许多学者都进行了深入研究，得出的结论非常一致。美国的Metha ，英国的Nevill 及我国已故工程院院士吴中伟都主张，大幅度提高混凝土的抗渗性是改善混凝土耐久性的关键。目前，国内外对混凝土抗渗性的研究主要是针对影响混凝土抗渗性的各个因素，采取各种措施改善混凝土内部的孔结构，细化孔径，减少混凝土内部连通的渗透通道。这些措施包括提高混凝土的密实度，在混凝土中添加各种掺和料如粉煤灰、矿渣、硅灰等，还有在混凝土中添加各种外加剂如减水剂、引气剂、膨胀剂等。除此之外，还有人采用两掺或三掺的方式，即将活性混合材与外加剂同时掺入混凝土中以提高混凝土的抗渗性能。
2 选择合理的水灰比及灰砂比改善混凝土抗渗性能的研究现状
混凝土作为一种多孔材料，孔隙率很高，约占25 %～40 % ，其中特别是毛细孔占很大一部分。混凝土的渗透性首先取决于硬化水泥浆的孔隙率，包括孔隙的尺寸、分布和连续性。试验表明[2 ] ，当水泥浆毛细管孔隙率超过20 %～30 %时，硬化水泥浆的渗透系数将急剧增大。而硬化水泥浆的毛细管孔隙率主要取决于水灰比，水灰比愈大，孔隙率愈大，水泥浆抗渗性愈差。当水灰比由0.4 增至0.7 时，水泥浆渗透系数增大100 倍以上，水灰比超过0.5 时，渗透系数增加比较显著。混凝土的抗渗性较水泥浆的低，因为在混凝土中，水分的蒸发、泌水等现象在混凝土内部形成了许多大小不同的孔隙，这些孔隙构成了渗水的主要途径。混凝土水灰比越大，形成的空隙越多，混凝土抗渗性能越差。研究表明[3 ，4 ] ，当混凝土水灰比从0.5 增至0.6 时，混凝土抗渗性有急剧降低的趋势，且当水灰比超过0.55 时，混凝土的渗透系数急剧增大。蔡正咏（1979） 认为[5 ] ：水灰比不超过0.55 的混凝土，在一般情况下无须进行抗渗性试验就足以保证混凝土满足W8 的要求，而对于重要结构，有抗渗要求时水灰比最好不超过0.45 或0.50 。美国ACI 标准301 - 72 （1975 年重颁） 建议[6 ] ：暴露于淡水中的结构混凝土（要求防渗） ，其水灰比不应超过0.48 ，暴露于海水中的不应超过0.44。H1H1 阿赫维尔多夫研究表明[7 ] ，当混凝土的水灰比= 0.876 – 1.65 P（P为水泥的标准稠度用水量） 时，水泥浆中的溶剂化固相粒子在分子力作用下形成的凝聚结构能够充满水泥—水体系的空间，从而使水泥浆不发生泌水现象，减少了由于泌水所造成的混凝土内部的渗水通道，提高混凝土的抗渗性。在水灰比相同的情况下，混凝土中的单方用水量决定了混凝土中孔隙的多少。笠井等人研究证明[8 ] ，相同水灰比的混凝土，单方用水量越大，早期（3～3.5d） 自由收缩越大。日本有关规范规定，单方用水量为185～175kg/ m3的混凝土属于耐久性混凝土；单方用水量≤175kg/ m3的混凝土属高耐久性的混凝土。如前所述，混凝土的渗透性主要取决于水泥浆的渗透性能。在混凝土中，水泥浆不仅要填充骨料间的空隙，还要包裹骨料形成一定厚度的砂浆保护层，以切断混凝土的毛细孔管道，提高混凝土的抗渗性能，所以混凝土的砂率要选择适当。有资料表明[9 ] ，抗渗性混凝土中砂的用量高于普通混凝土，一般砂率值应在35 %～40 %。灰砂比表达的是水泥砂浆的质量问题，灰砂比选择的好，就能制得密实度高，自防水能力好的混凝土，故灰砂比也应选择适当。一般灰砂比在1 ：2.0 - 1 ：2.5 之间。
3 掺入活性混合材改善混凝土抗渗性能的研究现状
众多的研究表明，粉煤灰、矿渣、硅灰等活性混合材掺入混凝土后，其活性成分与水泥中的氢氧化钙发生二次反应，生成强度更高、稳定性更好的水化硅酸钙凝胶，从而改善了混凝土中胶凝物质的组成，改善了水泥石的界面结构和截面区的性能，提高了混凝土的后期强度和抗渗性。Metha 指出[10 ]应用大掺量粉煤灰（或磨细矿渣） 混凝土是今后混凝土技术进展最有效、也是最经济的途径。
3.1 掺入粉煤灰
八十年代初国外的一些学者，如英国的C1L1Page、美国的P1K1Mehta、挪威的O1E1Cjotv 等，研究得出的结论一致为：掺加混合材（矿渣、粉煤灰） 的水泥比普通硅酸盐水泥能更有效地限制氯离子扩散。90 年代以来，这方面的研究有增无减，例如日本的K1Toril 等[11 ]研究以等量取代方式掺加30 %粉煤灰（细度为3960cm2/ g） 的钢筋混凝土试件，在Kanazawa城附近的日本海滨暴露5d 后钢筋情况：结果是单掺30 %的粉煤灰试件钢筋失重率和氯离子含量均小于同水灰比的未掺试件。M1F1Moncomor 等研究了掺0 %、30 %、50 %粉煤灰（等量取代） 混凝土的氯离子渗入量。试件养护7d 后，放入海滨潮差区，暴露2d 后发现，在混凝土一定深度内，氯离子含量随粉煤灰掺量增加而成指数函数递减[12 ] 。
国内对粉煤灰在混凝土中的应用研究开始于1981年[13 ] 。郭飞骐等将钢筋混凝土试件进行海水浸烘加腐蚀实验，结果是，无论是普通水泥还是矿渣水泥混凝土，掺上磨细粉煤灰和木钙减水剂后，28 天抗压强度、吸水率、28 天碳化深度和锈蚀量均有不同程度的改善。其中钢筋失重率对普通水泥和矿渣水泥分别减少到0.14 %和0.38 % ，这和国外研究结果基本相合。胡智农等[14 ] （1993） 研究了粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数和孔结构，研究得出：粉煤灰双掺混凝土的总孔隙率较基准混凝土（水灰比为0.45） 减少了50 % ，而其中大于500. 的有害孔所占比例从16.46 %降为8.68 % ，氯离子扩散系数下降为64.2 %。张洪良，李涛等[15 ] （1998） 研究得出：在混凝土中掺粉煤灰必能改善混凝土的抗渗性能，且粉煤灰超量取代水泥以20 %为宜。岳晨曦、陈风扬等[16 ] （1996）通过对湿粉煤灰抗渗混凝土的试验研究，得出了湿粉煤灰掺量与湿粉煤灰混凝土强度、抗渗性的关系，当粉煤灰掺量小于25 %时，混凝土强度抗渗等级随掺量的增加而提高；当掺量达25 %时，混凝土强度抗渗等级达最高；掺量超过25 %后，混凝土强度抗渗等级有所降低，甚至低于基准混凝土的强度抗渗等级。张惠珍[17 ] （1999） 在混凝土中同时掺加减水剂A、B 和粉煤灰，对混凝土的各项性能，尤其是混凝土的抗渗性能进行了研究，研究得出，采用三掺方式制得的粉煤灰混凝土强度、抗渗性和抗蚀性能显著提高。
3.2 掺入矿渣
蒲心诚，甘昌成等[18] （1991） 研究了碱矿渣混凝土的耐久性问题，结果表明，碱矿渣混凝土的抗渗标号在W35 —W40 以上，大大超过了普通水泥混凝土的抗渗标号（W2 —W12） ，也大大超过了掺硅灰的高强硅酸盐水泥混凝土（W16 —W22） 。陈友治、蒲心诚[19] （2000） 研究了中性钠盐碱矿渣水泥的膨胀性及其混凝土的抗渗性。结果表明，中性钠盐碱矿渣混凝土具有良好的抗渗性和防水性能，可用于刚性建筑防水。
3.3 掺入煤矸石
煤矸石是我国排放量最大的工业废渣之一，它不仅占用了大量的农田和土地，还严重污染了环境。世界各国都很重视煤矸石的处理和利用，近年来，国内外越来越广泛地利用煤矸石生产煤矸石水泥、煤矸石轻骨料及煤矸石砖等建筑材料，有人认为将煤矸石微粉作为混凝土掺和料掺入混凝土中是煤矸石利用的新的最有效的途径[20 ] 。但这方面的研究和工程实例很少。徐彬、张天石[21 ]等（1997） 对大掺量煤矸石水泥混凝土的耐久性进行了研究，研究得出，普通煤矸石水泥的孔隙率较高，而煤矸石的掺量为60 %的大掺量煤矸石水泥孔隙率较低，仅为0.0413cm3/ g ，水泥石中孔径大于103 的有害孔径所占比例仅为33.2 %。结构的致密化和孔结构的合理化有利于水泥耐久性和抗渗性的提高。
4 掺入外加剂改善混凝土抗渗性能的研究现状
大量研究表明，减水剂掺入混凝土后可使水泥颗粒分散，改善混凝土拌和物的和易性，减少拌和用水量，使硬化混凝土中毛细孔数量相应减少，提高混凝土的抗渗性和耐久性。故减水剂被广泛地应用于国内外的各项大中型工程中。
混凝土减水剂的减水率一般在10～20 %左右。目前高效减水剂减水率可以高达27～30 %。迟培云、李金波、杨旭[22 ]等（2001） 研究在混凝土掺入高效减水剂可取得的技术经济效果如下： （1） 保持和易性不变， 可减水25 % ，28d 强度提高90 % ，抗渗性提高4～5 倍； （2） 保持和易性不变，节约水泥25 % ，28d 强度提高26 % ，抗渗性提高2 倍； （3） 保持用水量和水泥用量不变，28d 抗压强度提高27 % ，抗渗性提高3 倍。
长期的工程实践和研究表明，在混凝土拌和物中掺入引气剂，不仅能有效地提高混凝土的抗冻能力，也能减少混凝土的渗透性。因为引气剂使混凝土拌和物泌水量降低30 %～40 % ，泌水通道的毛细管也相应减少。同时，大量微小气泡隔断或堵塞了混凝土毛细管渗水通道，改善了混凝土的孔结构，使混凝土抗渗能力提高，降低了含水量[23 ] 。美国是最早开始研制引气剂的国家，其首创的松香树脂酸类引气剂—“文沙”（Vinso） 树脂最初被应用于改善预拌混凝土的保水性，地下结构排水工程防渗，以及提高寒冷地区路面和大坝混凝土的抗冻性。在日本，引气剂主要用来提高混凝土的抗冻性。我国从50 年代开始生产松香皂和松香热聚物。松香热聚物是一种常用的引气剂，加入后能引进大量均匀微细气泡，改善了混凝土拌和物的和易性，减少部分拌和用水量，减少效果可达8 %左右，适宜的掺和量为0.005～0.01% ，该引气剂可提高混凝土的抗渗性，抗冻性和耐久性。但在应用引气剂时应严格控制其引气量，有资料表明[24 ] ，当混凝土的引气量超过6 %时，将引起混凝土强度和抗渗标号的急剧下降。
由于混凝土在硬化过程中受各种因素的影响，常会发生各种收缩变形，这些变形在混凝土内部形成许多微小裂纹，从而降低混凝土的抗渗性能。研究表明[25 ] ，在混凝土中加入膨胀剂后，可在混凝土导入预压应力抵消或部分抵消由于收缩变形而产生的拉应力，从而提高了混凝土的抗裂性能。同时，膨胀剂在水化过程中生成了大量的钙矾石，堵塞了混凝土的毛细孔隙，使混凝土结构更加致密，混凝土的抗渗性也随之提高。关于膨胀混凝土防止开裂的原因，日本六车熙教授认为，膨胀后收缩落差小，抗裂性能就好。吴中伟教授认为，混凝土的干缩值小于它的极限延伸值0.02 % ，即不开裂。隋革艳、杜朋等[26 ]通过研究得出：U 型膨胀剂掺量为10 %～14 % ，可获得抗裂性较好的混凝土；掺量为8 %～10 % ，混凝土强度有所提高并有良好的抗渗性能，适用于以抗渗为主要目标的承重结构；掺量为14 %～16 % ，膨胀率明显提高，但强度下降幅度超过10 %。吴绍章[27 ] （1994） 通过试验表明，掺膨胀剂在恒压时间相同或大于不掺的混凝土情况下，水压可提高2 - 3 倍，而其渗水高度或相同或低于不掺膨胀剂的。但是，在掺用膨胀剂时，应对混凝土的限制膨胀率提出具体要求，否则将会造成膨胀剂的少掺或误掺，达不到收缩补偿效果。我国《混凝土外加剂应用技术规范》（ GBJ119 - 88） 要求，掺膨胀剂的补偿收缩混凝土水中养护14 天的限制膨胀率≥0.015 % ，相当于在结构中建立的预应力大于012MPa。同时，掺用膨胀剂还须事先了解其对水泥品种、减水剂的适用性，不能随意掺用。
5 结语
综上所述，选择低水灰比、在混凝土中掺入活性混合材和外加剂等措施都能显著地提高混凝土的抗渗性能。当这三种措施同时采用时，其增强混凝土抗渗性能的效果尤其显著。但是，在混合材品种和掺量的确定问题上，学者们的观点不尽相同。粉煤灰、矿渣应用后对提高混凝土抗渗性能所做出的贡献已被各国学者所认知，而且已取得可喜成果。然而目前研究、应用中的掺量较少，并没有充分地利用粉煤灰、矿渣等废料资源，在今后的应用研究中，如何协调这些掺量和加大掺入量是值得深入研究的课题。目前，有关在混凝土中掺用煤矸石微粉以提高混凝土抗渗性能的研究很少，在实践中的应用更是微乎其微。故对煤矸石掺入后能否提高混凝土的抗渗性能及其适当掺量的确定是当前急待深入研究的领域。在以耐久性为主要设计指标的高性能混凝土的研制中，混合材、外加剂已成为混凝土原材料组成的第五、六组分，纵观当前国内外研究成果，混合材、外加剂多以单掺或两掺为主，而对多种混合材、外加剂同时掺入后，其复合叠加效应对混凝土抗渗性能影响的研究尚未见报导。研究多种混合材复掺，不仅利用了大量的废料，而且他们各自的优势性能互相补充，对提高混凝土抗渗性能有着非常显著的作用，并且能将几种混合材及煤矸石同重、兼优。适合西部地区、宁夏引黄灌区的技术研究尚属空缺。
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