第3章


土木工程材料拓展实验



3.1混凝土抗渗性能实验
混凝土作为现代使用最广泛的土木工程材料，其耐久性成为最受重视的问题之一。混凝土抗渗性能的优劣决定了腐蚀性气体、液体以及可溶性有害物质侵入混凝土内部的难易程度，直接决定着混凝土的抗碳化、抗化学侵蚀和抗冻融性能，是影响混凝土耐久性的最重要因素。
混凝土的抗渗性能可通过抗水渗透实验和抗氯离子渗透实验测定，本节主要介绍混凝土抗水渗透实验方法。混凝土抗水渗透实验有渗水高度法和逐级加压法两种方法，渗水高度法是以测定混凝土在恒定水压力下的平均渗水高度来表示混凝土的抗水渗透性能； 逐级加压法是通过逐级施加水压力来测定混凝土的抗渗等级，抗渗等级是用来表示混凝土的抗水渗透性能的指标。
3.1.1实验目的
测定混凝土抗渗（抗水渗透）性能，评定混凝土抗渗等级和耐久性。
3.1.2仪器设备
（1） 抗渗仪（图31）： 混凝土抗渗仪应符合现行行业标准JG/T 249—2009《混凝土抗渗仪》的规定，并应能使水压按规定的条件稳定地作用在试件上。抗渗仪施加水压力范围应为0.1～2.0MPa。


图31混凝土抗渗仪



（2） 试模： 试模应采用上口内部直径为175mm、下口内部直径为185mm、高度为150mm的圆台体。
（3） 密封材料： 密封材料宜用石蜡加松香或水泥加黄油等材料，也可采用橡胶套等其他有效密封材料。

（4） 梯形板： 应采用尺寸为200mm×200mm的透明材料制成，并应画有10条等间距、垂直于梯形底线的直线，如图32所示。


图32梯形板示意图



（5） 加压设备： 可为螺旋加压器或其他加压形式，其压力应能保证将试件压入试件套内。
（6） 其他仪器： 钢尺（分度值为1mm）、钟表（分度值为1min）、烘箱、电炉、浅盘、铁锅和钢丝刷等。










3.1混凝土抗渗性能实验



3.1.3试件的制作及养护
（1） 试件的制作和养护应符合现行国家标准GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中的规定。请参阅2.5.4节第3、4条。
（2） 在制作混凝土长期性能和耐久性能试验用试件时，不应采用憎水性脱模剂。
3.1.4实验步骤 
1. 渗水高度法


实验按照下列步骤进行。
（1） 抗水渗透实验应以6个试件为一组，试件的龄期宜为28d。应在到达实验龄期的前一天，从养护室取出试件，并擦拭干净。待试件表面晾干后，应按下列方法进行试件密封： ①当用石蜡密封时，应在试件侧面裹涂一层熔化的内加少量松香的石蜡。然后应用螺旋加压器将试件压入经过烘箱或电炉预热过的试模中，使试件与试模底平齐，并应在试模变冷后解除压力。试模的预热温度应以石蜡接触试模（即缓慢熔化）但不流淌为准。②用水泥加黄油密封时，其质量比应为（2.5～3）∶1。应用三角刀将密封材料均匀地刮涂在试件侧面上，厚度应为1～2mm。应套上试模并将试件压入，应使试件与试模底齐平。③试件密封也可以采用其他更可靠的密封方式。
（2） 试件准备好之后，启动抗渗仪，并开通6个试位下的阀门，使水从6个孔中渗出，水应充满试位坑，在关闭6个试位下的阀门后应将密封好的试件安装在抗渗仪上。
（3） 试件安装好以后，应立即开通6个试位下的阀门，使水压在24h内恒定控制在1.2MPa±0.05MPa，且加压过程不应大于5min，应以达到稳定压力的时间作为实验记录起始时间（精确至1min）。在稳压过程中随时观察试件端面的渗水情况，当有某一个试件端面出现渗水时，应停止该试件的实验并记录时间，并以试件的高度作为该试件的渗水高度。对于试件端面未出现渗水的情况，应在实验24h后停止实验，并及时取出试件。在实验过程中，当发现水从试件周边渗出时，应重新按步骤（1）的规定进行密封。
（4） 将从抗渗仪上取出来的试件放在压力机上，并应在试件上下两端面中心处沿直径方向各放一根直径为6mm的钢垫条，并应确保它们在同一竖直平面内。然后开动压力机，将试件沿纵断面劈裂为两半。试件劈开后，应用防水笔描出水痕。
（5） 应将梯形板放在试件劈裂面上，并用钢尺沿水痕等间距测10个测点的渗水高度值，读数应精确至1mm。读数时若遇到某测点被骨料阻挡，可以用靠近骨料两端的渗水高度算术平均值来作为该测点的渗水高度。
2. 逐级加压法
实验按照下列步骤进行。
（1） 首先应按渗水高度法实验步骤（1）和步骤（2）的规定进行试件的密封和安装。
（2） 实验时，水压应从0.1MPa开始，以后应每隔8h增加0.1MPa水压，并应随时观察试件端面渗水情况。当6个试件中有3个试件表面出现渗水时，或加至规定压力（设计抗渗等级）在8h内6个试件中表面渗水试件少于3个时，可停止实验，并记下此时的水压力。在实验过程中，当发现水从试件周边渗出时，应重新按渗水高度法实验步骤（1）的规定进行密封。
3.1.5结果计算
1. 渗水高度法


（1） 试件渗水高度应按式（31）进行计算。 

hi=110∑10j=1hj（31）

式中，hj为第i个试件第j个测点处的渗水高度，mm； hi为第i个试件的平均渗水高度，mm，应以10个测点渗水高度的平均值作为该试件渗水高度的测定值。
（2） 一组试件的平均渗水高度应按式（32）进行计算。

h-=16∑6i=1hi（32）

式中，h-为一组6个试件的平均渗水高度，mm，应以一组6个试件渗水高度的算术平均值作为该组试件渗水高度的测定值。
2. 逐级加压法
混凝土的抗渗等级应以每组6个试件中有4个试件未出现渗水时的最大水压力乘以10来确定。混凝土的抗渗等级应按式（33）计算。

P=10H－1（33）

式中，P为混凝土抗渗等级； H为6个试件中有3个试件渗水时的水压力，MPa。
3.1.6实验记录
混凝土抗渗性能实验记录见表31和表32。


表31混凝土抗渗实验记录（渗水高度法）



试件编号
1
2
3
4
5
6
实验24h内试件

端面的渗水情况






出现端面渗水时

经历的实验时间






第i个试件第j个测点处的渗水高度hj/mm

1






2






3






4






5






6






7






8






9






10







第i个试件的平均
渗水高度hi/mm






该组试件平均渗水

高度测定值h-/mm

备 注




表32混凝土抗渗实验记录（逐级加压法）



水压/MPa

试件在该水压下恒压8h端面渗水情况

1
2
3
4
5
6

0.1






0.2






0.3






0.4






0.5






0.6






0.7






0.8






0.9






1.0






1.1





续表


水压/MPa

试件在该水压下恒压8h端面渗水情况

1
2
3
4
5
6


1.2






1.3






1.4






1.5






1.6






1.7






1.8






1.9






2.0






混凝土抗渗等级P

备 注

3.1.7实验注意事项
1. 实验难点 


（1） 试件密封。应该用合适的密封材料，采用适当的密封方式密封试件，以防止在实验加压过程中水从试件周边渗出（否则就要重新密封试件，拖延实验时间）。
（2） 在压力机上将试件沿纵断面劈裂为两半时，一定要确保试件上下两端面中心处所垫的两根直径为6mm的钢垫条在同一竖直平面内。
（3） 测每个试件的渗水高度。采用渗水高度法实验时，在试件被劈裂为两半后，应立即用防水笔描出水痕，随后将梯形板放在试件劈裂面上，并用钢尺沿水痕等间距测10个测点的渗水高度值，取平均值作为该试件渗水高度的测定值。
2. 容易出错处
（1） 首先要开通抗渗仪6个试位下的阀门，启动抗渗仪，使水从6个孔中渗出，并使水充满6个试位坑（不得有空气）。
（2） 实验过程中，随时注意给左侧门悬挂的小水箱内适量补水。 
（3） 实验过程中应随时观察试件端面渗水情况，如出现渗水应及时记录。




实验思考题

实验思考题
1.  在混凝土抗水渗透实验（渗水高度法）中，梯形板起什么作用？
2. 抗渗混凝土按抗渗压力的不同分为P6、P8、P10、P12等抗渗等级，请分别解释其各自符号的含义。
3. 混凝土抗渗实验时加压至0.7MPa有一个试件渗水，加压至0.8MPa时有三个试件渗水，那么该组混凝土是否达到了P8抗渗等级?



3.2混凝土抗冻性能实验

3.2混凝土抗冻性能实验
混凝土的抗冻性是评定混凝土耐久性的一项重要指标。混凝土抗冻性用抗冻等级表示，如F50、F100、F150等。例如： F50表示混凝土在规定的实验条件下能经受冻融循环的次数不少于50次。
混凝土抗冻性能实验方法有： 慢冻法、快冻法、单面冻融法（盐冻法）。慢冻法适用于测定混凝土试件在气冻水融条件下，以经受的冻融循环次数来表示混凝土的抗冻性能； 快冻法适用于测定混凝土试件在水冻水融条件下，以经受的快速冻融循环次数来表示混凝土的抗冻性能； 盐冻法适用于混凝土试件在大气环境中且与盐接触的条件下，以能够经受的冻融循环次数或者表面剥落质量或超声波相对动弹性模量来表示混凝土的抗冻性能。本节主要介绍慢冻法和快冻法。
3.2.1实验目的
测定混凝土的抗冻性能，评定混凝土的抗冻等级和耐久性。
3.2.2仪器设备 
1. 慢冻法


（1） 冻融试验箱： 应使试件静止不动，并通过气冻水融进行冻融循环。在满载运转的条件下，冷冻期间冻融试验箱内空气的温度应保持在-20～-18℃； 融化期间冻融试验箱内浸泡混凝土试件的水温应保持在18～20℃； 满载时冻融试验箱内各点温度极差不应超过2℃。
（2） 试件架： 应采用不锈钢或者其他耐腐蚀的材料制作，其尺寸应与冻融试验箱和所装的试件相适应。
（3） 称量设备： 最大量程为20kg，感量不超过5g。
（4） 压力试验机： 应符合现行国家标准GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》的相关要求。
2. 快冻法
（1） 试件盒（图33）： 宜采用具有弹性的橡胶材料制作，其内表面底部应有半径为3mm的橡胶突起部分。盒内加水后水面应至少高出试件顶面5mm。试件盒横截面尺寸宜为115mm×115mm，试件盒长度宜为500mm。


图33橡胶试件盒横截面示意图



（2） 快速冻融装置： 应符合现行行业标准JG/T 243—2009《混凝土抗冻试验设备》的规定。除应在测温试件中埋设温度传感器外，尚应在冻融箱内防冻液中心、中心与任何一个对角线的两端分别设有温度传感器。运转时冻融箱内防冻液各点温度的极差不得超过2℃。
（3） 称量设备： 最大量程为20kg，感量不超过5g。
（4） 混凝土动弹性模量测定仪： 输出频率可调范围应为100～20000Hz，输出功率应能使试件产生受迫振动。 
（5） 温度传感器(包括热电偶、电位差计等)： 应在-20～20℃范围内测定试件中心温度，且测量精度应为±0.5℃。
3.2.3试件的制作与养护
1. 慢冻法


（1） 慢冻法实验应采用尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试件。
（2） 慢冻法实验所需要的试件组数应符合表33的规定，每组试件应为3块。


表33 慢冻法实验所需要的试件数量



设计抗
冻标号
F25
F50
F100
F150
F200
F250
F300
F300以上
检查强度所需
冻融次数/次
25
50
50及
100
100及
150
150及
200
200及
250
250及
300
300及
设计次数
鉴定28d强
度所需试
件组数/组
1
1
1
1
1
1
1
1
冻融试
件组数/组
1
1
2
2
2
2
2
2
对比试
件组数/组
1
1
2
2
2
2
2
2
总计试
件组数/组
3
3
5
5
5
5
5
5
（3）  试件的制作和养护应符合现行国家标准GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中的规定。请参阅2.5.4节中的第3、4条。
（4） 在制作混凝土长期性能和耐久性能试验用试件时，不应采用憎水性脱模剂。
2. 快冻法
（1） 快冻法实验应采用尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，每组试件应为3块。
（2） 除制作冻融实验的试件外，尚应制作同样形状、尺寸且中心埋有温度传感器的测温试件，测温试件应采用防冻液作为冻融介质。测温试件所用混凝土的抗冻性能应高于冻融试件。测温试件的温度传感器应埋设在试件中心。温度传感器不应采用钻孔后插入的方式埋设。
（3） 试件的制作和养护应符合现行国家标准GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中的规定。请参阅2.5.4节中的第3、4条。
（4） 成型试件时，不得采用憎水性脱模剂。
3.2.4实验步骤
1. 慢冻法


实验按照下列步骤进行。
（1） 在标准养护室内或同条件养护的冻融实验的试件应在养护龄期为24d时提前将试件从养护地点取出，随后应将试件放在20℃±2℃的水中浸泡，浸泡时水面应高出试件顶面20～30mm，在水中浸泡的时间应为4d，试件应在28d龄期时开始进行冻融实验。始终在水中养护的冻融实验的试件，当试件养护龄期达到28d时，可直接进行后续实验，对此种情况，应在实验报告中予以说明。
（2） 当试件养护龄期达到28d时应及时取出冻融实验的试件，用湿布擦除表面水分后应对外观尺寸进行测量。试件承压面的平面度公差不得超过试件边长的0.0005； 相邻面间的夹角应为90°，公差不得超过0.5°； 试件各边长公差不得超过1mm，并应分别编号、称重，然后按编号置入试件架内，且试件架与试件的接触面积不宜超过试件底面的1/5。试件与箱体内壁之间应至少留有20mm的空隙。试件架中各试件之间应至少保持30mm的空隙。
（3） 冷冻时间应在冻融箱内温度降至-18℃时开始计算。每次从装完试件到温度降至-18℃所需的时间应在1.5～2.0h。冻融箱内温度在冷冻时保持在-20～-18℃。
（4） 每次冻融循环中试件的冷冻时间不应小于4h。
（5） 冷冻结束后，应立即加入温度为18～20℃的水，使试件转入融化状态，加水时间不应超过10min。控制系统应确保在30min内，水温不低于10℃，且在30min后水温能保持在18～20℃。冻融箱内的水面应至少高出试件表面20mm。融化时间不应小于4h。融化完毕视为该次冻融循环结束，可进入下一次冻融循环。
（6） 每25次循环宜对冻融试件进行一次外观检查。当出现严重破坏时，应立即进行称重。当一组试件的平均质量损失率超过5％，可停止其冻融循环实验。
（7） 试件在达到表33规定的冻融循环次数后，对试件应称重并进行外观检查，应详细记录试件的表面破损、裂缝及边角缺损情况。当试件表面破损严重时，应先用高强石膏找平，然后应进行抗压强度实验。
（8） 当冻融循环因故中断且试件处于冷冻状态时，试件应继续保持冷冻状态，直至恢复冻融实验为止，并应将故障原因及暂停时间在实验结果中注明。当试件处在融化状态下因故中断时，中断时间不应超过两个冻融循环的时间。在整个实验过程中，超过两个冻融循环时间的中断故障次数不得超过两次。
（9） 当部分试件由于失效破坏或者停止实验被取出时，应用空白试件填充空位。
（10） 对比试件应继续保持原有的养护条件，直到完成冻融循环后，与冻融实验的试件同时进行抗压强度实验。
（11） 当冻融循环出现下列三种情况之一时，可停止实验： ①已达到规定的冻