混凝土氯離子滲透試驗研究

葉其業(yè)，杜乃紅，張珩瑜

（1.天津塘沽區(qū)濱海建筑工程質(zhì)量檢測中心，天津 300456；2.中石化管道儲運分公司黃島油庫，山東 青島 266500）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前建筑工程中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，但是大量混凝土工程實例說明，許多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于各種原因而提前失效，達不到預(yù)定的服役年限，這其中主要是由于結(jié)構(gòu)的耐久性不足導(dǎo)致的[1-2]。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在一定條件下是相對耐久的，然而，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的某些缺陷和隨著時間的推移及環(huán)境的惡化，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)暴露出了耐久性方面的問題。有關(guān)專家指出我國混凝土破壞的主要原因是“南銹北凍”[3-4]。

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性綜合調(diào)查結(jié)果表明，在北方，不僅存在凍害也同樣存在嚴重的銹蝕。因此，可以進一步將“鋼筋銹蝕”排在影響混凝土耐久性因素的首位，而海洋環(huán)境和使用除冰鹽中的氯離子，又是造成鋼筋銹蝕的主要原因[5]。

在實際工程中，造成鋼筋銹蝕的氯離子的主要來源分為內(nèi)在的和滲入的兩方面，即：組成混凝土的原材料（砂石、水泥、外加劑、水、摻合料）及施工過程中帶入的內(nèi)在方面的原因，和更主要的，在氯鹽環(huán)境中，通過混凝土表面氯離子滲入的原因。

為此，在我國各行業(yè)現(xiàn)行的混凝土設(shè)計、生產(chǎn)和施工驗收規(guī)范中，均對混凝土原材料及混凝土本身氯離子限值提出了具體嚴格規(guī)定，從一個方面有效地降低了混凝土內(nèi)部自身的氯離子含量。另一方面，對不同環(huán)境條件下的混凝土的抗氯離子滲透性能提出了明確要求，以提高結(jié)構(gòu)抵御氯離子滲透的能力，避免引起鋼筋銹蝕使結(jié)構(gòu)破壞。

本文結(jié)合工程施工，對混凝土抗氯離子滲透試驗進行研究和總結(jié)，對滲透性試驗中的一些問題進行了分析。

1 混凝土氯離子滲透性的試驗研究

1.1 試驗方法

我國的現(xiàn)行標準對混凝土耐久性指標中，氯離子滲透性的檢測采用電通量法和RCM滲透系數(shù)法兩種，本文依據(jù)這兩種方法開展試驗研究。

1.1.1 電通量法

電通量法于1983年被美國公路運輸局定為標準試驗方法，即AASHTOT277，緊接著又被美國試驗與材料協(xié)會ASTM選定為標準試驗方法。試驗的具體方法：50 mm厚，100 mm直徑的水飽和混凝土試件，兩端水槽所用溶液分別為3.0%NaCl和0.3 mol NaOH，在60 V的外加電場下持續(xù)通電6 h，以該時間內(nèi)通過混凝土電量的高低來判斷混凝土的抗氯離子滲透能力。

1.1.2 滲透系數(shù)（RCM）法

滲透系數(shù)（RCM）法是 Tang Luping等基于Nernst-Planck方程，首先從理論建立了濃度、通量、滲透深度、滲透系數(shù)之間的關(guān)系，進而進行了試驗驗證。其中，Tang Luping的試驗方法已經(jīng)被歐盟廣泛接受，并推薦為歐盟規(guī)范。具體方法是：采用30 V直流電，加速氯離子的滲透，以劈裂試件測量氯離子的滲透高度，計算滲透系數(shù)。

1.2 研究過程

本文的試驗研究是結(jié)合混凝土配合比設(shè)計過程檢測進行的，主要研究內(nèi)容如下：

1）電通量試驗時，研究了電流和電通量的關(guān)系；

2） 對比電通量試驗時的電通量和滲透系數(shù)的關(guān)系（即對所有電通量試驗后的試件都進行劈裂和按RCM法測定電通量試驗后的氯離子滲透系數(shù)）；同時，為了解通電時間對滲透系數(shù)的影響，安排部分試件在電通量試驗后繼續(xù)通電到RCM法試驗；

3）研究電流和氯離子滲透系數(shù)的關(guān)系；

4）用同組試件研究了電通量和RCM法滲透系數(shù)的關(guān)系；

5）研究齡期對氯離子滲透性能的影響。

1.3 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

1.3.1 初始電流和電通量

共進行了59個電通量試驗，齡期7~190 d，強度等級C35~C50。圖1為電通量與初始電流的統(tǒng)計分析結(jié)果。

由試驗可知，電通量與初始電流、終了電流、平均電流的關(guān)系的回歸系數(shù)均達0.998，具有很強的相關(guān)性。采用初始電流直接測量電通量是可行的。

1.3.2 電通量-滲透的關(guān)系

對同組試件（40組）同時進行了電通量和滲透試驗，兩者的關(guān)系如圖2所示。

對上述試件中的37組，在電通量試驗后，進行滲透測試，得出電通量試驗時的電通量-滲透（電通量后）、滲透-滲透（電通量后）的關(guān)系，如圖3、圖4。

從以上可以看出，三種情況下（即：①、同組試件同時檢測電通量和滲透系數(shù)，如圖2；②、?、僦须娡吭囼灪蟮脑嚰押鬁y定滲透系數(shù)和電通量，如圖3；③、②中的電通量試驗后測定滲透系數(shù)和①中直接測定滲透系數(shù)，如圖4）所得的電通量和滲透系數(shù)的關(guān)系都較好，相關(guān)性也大致相同。但是，進行定量劃分混凝土抗氯離子滲透性能等級時，兩者之間則相差很大，應(yīng)進行進一步研究。

1.3.3 電通量和滲透試驗時兩者初始電流值的關(guān)系

1.3.3.1 電通量試驗時電壓變化后的電流變化

因為電通量試驗時的電壓是60 V，而滲透試驗時則需根據(jù)初始電流的不同而采用不同電壓，一般多用30 V。圖5是同一試件用電通量法分別測30 V和60 V的初始電流。

從以上可看出，電通量試驗時，電壓與初始電流是按線性變化的，即采用60 V的試驗電壓時，可以用圖5中的線性方程換算成30 V時的初始電流。

1.3.3.2 同組試件電通量和滲透試驗時的初始電流關(guān)系

圖6是37組試件同時進行電通量和滲透（30 V）試驗時的兩者初始電流關(guān)系。

可以看出，兩者的初始電流關(guān)系明顯，因而可以從滲透試驗時的初始電流計算電通量的初始電流。

1.3.4 電通量、滲透系數(shù)與齡期的關(guān)系

在配合比設(shè)計時，進行了不同齡期的電通量和滲透系數(shù)的測試，并采用origin8進行擬合，兩者與齡期的關(guān)系分別如圖7、8。

2 結(jié)果與討論

通過上述實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可以得出：

1） 電通量試驗時，電流和電通量存在良好的線性關(guān)系，因此可以采用初始電流按圖1的線性方程計算電通量，這樣可以簡化實驗過程，實現(xiàn)快速的檢測。這也為大量的類似實驗研究所驗證。

2） 電通量和滲透系數(shù)之間存在一定的線性關(guān)系，但許多資料統(tǒng)計結(jié)果均有差別，如采用電通量來計算滲透系數(shù)，還需積累數(shù)據(jù)和進一步驗證。

3）電通量試驗后按RCM法測得的滲透系數(shù)分別與電通量和滲透系數(shù)兩者都具有較好的相關(guān)性，見圖3和圖4。然而，電通量試驗后按RCM法測試的滲透系數(shù)明顯大于直接以RCM法測得的滲透系數(shù)，本人認為主要原因是通電時間問題。同時，根據(jù)1）可以得出初始電流大，電通量也必然大，此試件用RCM法測定時，初始電流也一定偏大，按規(guī)范的試驗方法，需根據(jù)初始電流劃分不同等級而確定通電時間。那么：①成倍減少了通電時間，滲透高度不會成倍減少。②RCM法滲透系數(shù)的計算中，滲透系數(shù)DRCM，0與通電時間 t和滲透高度 Xd存在如下關(guān)系：DRCM，0∝（Xd-aXd1/2）/t，那么對于初始電流小的試件，因減少通電時間，必然使計算的滲透系數(shù)數(shù)值偏大。③關(guān)于RCM法測定時，根據(jù)不同初始電流劃分不同等級而確定通電時間，有關(guān)這方面的資料較少，有待于進一步研究。

4）RCM法進行滲透試驗時的初始電流和電通量試驗時的初始電流存在很好的相關(guān)性，采用滲透試驗的初始電流，并按圖6和圖1中的線性方程式計算電通量，與實測電通量的比較如圖9。可以看出，兩者吻合性良好。因此，可以采用RCM法滲透試驗時的初始電流計算電通量。

5） 可以采用圖7和圖8的線性方程式來預(yù)測混凝土不同齡期的電通量和滲透系數(shù)，以滿足施工進度和提前質(zhì)量控制要求。

6） 建議采用綜合法進行電通量和滲透試驗，即：試驗采用RCM法滲透試驗的介質(zhì)和裝置，試驗時間和電壓統(tǒng)一為6 h和60 V，并測定初始電流，用初始電流計算電通量，用劈裂法測定滲透系數(shù)，從而使兩者統(tǒng)一。

[1] 趙國藩，金偉良，貢金鑫.結(jié)構(gòu)可靠度理論[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[2]金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3] 陳肇元.結(jié)構(gòu)安全性與可靠度設(shè)計方法[C]//土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性科技論壇，2001.

[4]水利水電科學(xué)研究所.全國水工建筑物耐久性及病害處理調(diào)查報告[R].1986.

[5] 萬德友.我國鐵路橋梁病害淺談及對策[C]//中國鐵道學(xué)會橋梁病害診斷及剩余壽命評估學(xué)術(shù)討論會.大連，1995.