水泥基渗透结晶材料是一种由水泥、填充砂、渗透结晶活性成分、助剂等组成的，其活性化学成分能够在水的作用下渗透进入混凝土内部并反应生成结晶物，堵塞原结构表层孔隙从而达到防水效果的一种新型刚性防水材料^[1-3]。该材料涂刷在混凝土表层，使混凝土表层更加密实，对表层形成增强效果，并且能修复微裂缝提高混凝土表层抵抗环境侵蚀的能力，增强结构耐久性能。该材料在防水工程中有优良的性能，在结构防护、耐久性提升方面也有了广泛的应用^[4-8]。

该材料用于提升混凝土结构的耐久性，其关键在于增加混凝土材料表层的密实性，有效提高其表层的抗渗能力^[9-10]。本研究通过卡斯通量瓶测试涂刷渗透结晶材料试件的表层吸水情况判断混凝土表层的密实性，探究其吸水规律，得出表征渗透结晶材料对混凝土表面密实增强效果的合理参数，并研究基于卡斯通量瓶测试水泥基渗透结晶材料表面增强效果的方法。

混凝土表层渗透性的测试评价方法有多种，主要可分为水压力法、透气法、吸水法等^[9]。

水泥基渗透结晶材料主要依据的标准为《水泥基渗透结晶型防水材料》(GB18445—2012)，该标准以砂浆与混凝土抗渗性能规定了防水性能要求，试验方法为测试空白试件与涂层试件的抗渗压力，通过抗渗压力比判断抗渗能力提升程度，从而表征材料的增强效果。

Autoclam渗透性测试仪可测试混凝土表面的空气或水的渗透性、吸水性以及透气性^[11]。在进行渗气性测试时，仪器记录气体压力衰减的速率，进行渗水性和吸水性测试时，记录恒压状态(渗水性测试水压0.5 bar，吸水性测试水压0.02 bar)下渗入混凝土中水的体积^[12-13]，适用于工程结构的无损检测。

《水运工程结构耐久性设计标准》(JTS153—2015)^[14]对硅烷浸渍试件采用吸水率的方法来表征混凝土表层硅烷防护效果，硅烷浸渍面浸入水中，测试经不同时间的吸水量并计算吸水高度，以试件吸水高度为纵坐标，对应经过时间的平方根为横坐标，绘制两者线性关系图，以直线斜率表示硅烷浸渍吸水率。

在文献[15-16]研究了以卡斯通量瓶测试硅烷浸渍混凝土防水效果的现场评价方法，其以单位时间内平均渗透系数来评判防水效果，平均渗透系数表达式如式(1)所示，式中V为吸水量；A为吸水面积；t为吸水时间。其以2 h的平均渗透系数作评定依据，该过程缺少了对更长时间试件渗透吸水规律的分析。本论文研究了卡斯通量瓶吸水试验测试方法，研究了采用卡斯通量瓶0~12 h的吸水规律，探讨了表征渗透结晶材料对混凝土表面密实性增强效果的参数。

(1)

本试验研究了采用卡斯通量瓶测试混凝土涂刷水泥基渗透结晶材料后的表层吸水规律。选取两种渗透结晶材料进行试验，代号分别为X材料、Y材料。混凝土配比如表 1所示，水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，砂为细度模数2.67的河砂，石子为粒径5~10 mm石灰石，按照国标《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)中的方法制作100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土试件，试件脱模后用砂纸打磨掉顶面表层浮浆，然后在试件顶面分别涂刷两种渗透结晶材料，并相应设置空白组试件。待涂层硬化后将全部试件浸在深度为试件高度3/4的水中养护(涂层面不浸水)，水温为(20±2)℃，环境湿度大于95%。在养护第7 d，14 d，28 d时对试件进行卡斯通量瓶吸水试验。

卡斯通量瓶如图 1所示，其下端为喇叭口状，该部分通过橡皮泥或玻璃胶粘接在被测试件表面，上段为带刻度的玻璃管，用来读取吸水量。选用的卡斯通量瓶喇叭口内直径为54 mm，刻线分度值为0.05 mL，量程为10 mL。试件到达养护龄期后，将涂层打磨掉，然后在80 ℃的烘箱中烘干6 h。待试件冷却后用玻璃胶将卡斯通量瓶粘接在吸水测试面，并保证其粘接密闭性以防止漏水。玻璃胶凝固后即可开始吸水试验。向卡斯通量瓶中加水至0刻度线后开始计时，为探究吸水规律，分别在第1，5，10，20，30，40，50 min，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6，7，8，9，10，11，12 h时记录试件吸水量。

图 1 卡斯通量瓶测试吸水率图示 Fig. 1 Diagram of water absorption rate tested by Karsten tube

图选项

各混凝土试件涂刷渗透结晶材料养护规定时间后表面吸水量卡斯通量瓶测试结果如图 2所示，编号1，2，3分别代表养护时间7，14，28 d，K，X，Y分别代表空白组，X材料组、Y材料组，其中1-K空白试件、2-K空白试件由于表层密实度低、吸水速度快，分别在3，9 h时吸水量超过最大量程10 mL。由图可知采用卡斯通量瓶测试的吸水量在前期增速较快，在后期的吸水增量趋于稳定。

图 2 试件表面吸水量变化趋势 Fig. 2 Variation trend of water absorption on specimen surface

图选项

参照《水运工程结构耐久性设计标准》(JTS 153—2015)中规定的吸水速率表征方法，吸水量与时间的0.5次方成线性关系，采用式(2)进行吸水量的拟合分析：

(2)

式中, V为吸水量；t为吸水时间；k，c为拟合参数；拟合结果如图 3所示。

图 3 试件吸水量与t0.5的变化趋势 Fig. 3 Variation trend of water absorption and t0.5

图选项

由结果可知，在0~12 h的吸水过程中吸水曲线(t^0.5)并非为严格直线，即表示采用卡斯通量瓶测试的0~12 h吸水量与时间的0.5次方并非严格的线性关系。为得到更合理的卡斯通量瓶吸水量变化模型，分析图 2与图 3，在前3 h内吸水量增速较快，在3~12 h内吸水增量较为稳定，故将卡斯通量瓶吸水试验过程分为两阶段分析，即0~3 h段和3~12 h段。

该阶段前期吸水量增长迅速，仍采用对卡斯通量瓶吸水数据进行分析拟合，试件养护7，14，28 d时0~3 h内吸水量拟合曲线如图 4所示，拟合参数k，c以及拟合决定系数R²见表 2，其中有6组的拟合决定系数R²大于0.99，其余3个大于0.93。可知，3个养护阶段试件吸水量拟合结果匹配度高，在0~3 h内采用卡斯通量瓶测试的试件吸水量与t^0.5成线性关系。

图 4 试件0~3 h表面吸水量拟合 Fig. 4 Fitted 0-3 h surface water absorption of specimens

图选项

在该阶段卡斯通量瓶测试的试件吸水量增长稳定趋近于直线，采用式(3)进行吸水量拟合。试件养护7，14，28 d时3~12 h内吸水量拟合如图 5所示，拟合直线的斜率I、截距b和相关系数R见表 3，9组试件拟合的相关系数R均大于0.99，高度线性相关。可知，在3~12 h内采用卡斯通量瓶测试的试件吸水量与时间t呈线性关系。

(3)

图 5 试件3~12 h表面吸水量拟合 Fig. 5 Fitting of 3-12 h surface water absorption of specimens

图选项

由以上分析可知，采用卡斯通量瓶对渗透结晶涂层试件进行吸水测试，其吸水规律并不严格符合试件吸水量与t^0.5成正比的规律，在前3 h内符合该规律，而在3~12 h内则符合吸水量与时间t呈线性关系规律。

在《水运工程结构耐久性设计标准》(JTS 153—2015)的吸水率试验中，其吸水量符合与t^0.5成正比的规律，该试验中试件通过底面进行吸水，过程中水分传输初始主要由毛细吸附和扩散主导，当水面以下部分混凝土吸水饱和后水分继续向上传输，水分受到向上的毛细吸附作用同时还受到向下的重力作用，即抵消部分向上的吸附力。在卡斯通量筒吸水试验中，早期水分传输主要受混凝土表层的毛细吸收和扩散作用主导，同时受到卡斯通量瓶内水液体的水头压力作用^[17-18]。在混凝土表层经吸水达到饱和后，表层水分还会在重力作用向下渗透。吸水的前期阶段对于干燥的混凝土毛细吸附力远大于卡斯通量瓶内水液体的水头压力，该部分水头压力可不计，因此前期的卡斯通量瓶吸水规律与《水运工程结构耐久性设计标准》(JTS 153—2015)中吸水率试验相一致，即吸水速率与t^0.5成线性关系。在后期吸水过程中水头压力与向下重力的叠加使卡斯通量筒吸水速率较《水运工程结构耐久性设计标准》吸水率试验更快，即在3~12 h内吸水速率与时间的1次方成线性关系。两者试验中水分传输动力，卡斯通量瓶吸水试验中水分传输增加了水头压力与重力的正向影响。

由卡斯通量瓶吸水试验测试结果可知，采用卡斯通量瓶可以较好地区分不同渗透结晶材料的防护增强效果。在3.1与3.2节的分析中，根据吸水量随时间的变化规律将吸水过程分为两段，即0~3 h的式(2)段、3~12 h的V=It+b式(3)段，两段中可分别以参数k，I作为吸水快慢的表征参数。下面对两段的吸水过程与参数进行比较，以确定更适宜表征渗透结晶防护效果的参数。

不同养护时间下各组试验中参数k与参数I的值如图 6所示，其中养护7 d的空白组试块由于渗水过快在3 h前即超出了卡斯通量瓶10 mL的量程，其参数I取最后两测点的斜率值。

图 6 试验不同养护期的参数值 Fig. 6 Parameter values of specimens in different curing periods

图选项

已知2种渗透结晶材料中X材料的渗透结晶防护效果优于Y材料。在同一养护时间的试验中，参数k与I均能反映出不同渗透结晶材料防护效果的强弱。在不同养护时间下，随时间增长试件的密实度会增大透水性降低，参数I随时间呈减小趋势，与变化规律相符；参数k随时间的变化与此并不匹配，两种材料在养护14 d时的k值较7 d时的k值更高。在养护28 d的试验中，空白试件在前3 h内吸水缓慢，吸水量甚至低于涂刷渗透结晶材料的试件，k值较涂刷渗透结晶材料的试件更小，此现象与试件的透水性相悖；在3 h后其吸水速度增大，吸水量超过涂刷渗透结晶材料的试件，在3~12 h的I值大于涂刷渗透结晶材料，与试件的透水性相符。

以上出现k值与试件实际渗透性相悖的情况。吸水试验计时开始前需向卡斯通量瓶内注水至0刻度线，在该过程中注水速度以及恰好液面至0刻度的调节受人为操作因素影响大，注水时间不尽相同。在注水期间干燥的混凝土试件会在毛细作用下快速吸水，即在吸水试验开始计时前其试件已经吸收了一定量的水分，之后的吸水速率会减小，从而对k值产生影响。

试件经3 h吸水后，吸水增量趋于稳定，在3~12 h的吸水过程形成稳定的斜率，且该过程不受人为因素影响。因此，在表征渗透结晶防护效果优劣的过程中参数a更具稳定性且更符合规律。

试件吸水3~12 h吸水量与时间具有稳定的斜率，即在单位时间内的吸水量不变，定义试件表面卡斯通量瓶吸水速率为：

(4)

式中，I为3~12 h吸水量与时间的斜率；A为试件吸水面积, 即卡斯通量瓶的内径面积，为22.9 cm²。则试件表面卡斯通量瓶吸水速率的物理意义为单位时间渗透通过表层吸水面的水量长度，计算试件在不同养护时间的卡斯通量瓶表面吸水速率如表 4所示，该结果可清晰表述稳定吸水段的吸水速率，进而可比较出不同材料的渗透结晶增强防护效果，以28 d试件为例，涂刷X材料后吸水速率降为空白试件的33%，涂刷Y材料后吸水速率降为空白试件的56%。

通过试验研究了采用卡斯通量瓶测试水泥基渗透结晶材料表面增强效果的吸水规律，并得出表征渗透结晶材料对混凝土表面密实增强效果的合理参数。

吸水试验中在0~3 h内，卡斯通量瓶吸水量与t^0.5呈线性关系，其吸水量可表示为；在3~12 h内，吸水量与时间t呈线性关系，吸水量可表示为V=It+b。

两段吸水规律表达式中0~3 h段内参数k受试验注水过程人为因素影响较大，不具稳定性；3~12 h段中的参数I不受人为因素影响，稳定性好，即在单位时间内的吸水增量不变，建议采用3~12 h试验结果中参数I表征水泥基渗透结晶材料表面增强效果的优劣。

定义试件表面卡斯通量瓶吸水速率为v=I/A，则试件表面卡斯通量瓶吸水速率的物理意义为单位时间渗透通过表层吸水面的水量长度，可将此参数v作为判断渗透结晶材料防护效果的参数。