海港工程混凝土電通量和RCM擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)性研究

楊清泉 王 穎

(中交一航局第三工程有限公司， 遼寧 大連 116000)

海港工程混凝土電通量和RCM擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)性研究

楊清泉 王 穎

(中交一航局第三工程有限公司， 遼寧 大連 116000)

本文通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)探索出電通量法和RCM法的相關(guān)性，在實(shí)際工程中，采用一種方法的測(cè)試數(shù)據(jù)推算另一種方法數(shù)據(jù)，在一定程度上節(jié)省人力、物力，避免重復(fù)試驗(yàn)。因此建立混凝土抗氯離子滲透性能電通量法和抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的相互關(guān)系十分必要。

電通量法； RCM法； 相關(guān)性； 海港工程

1 引 言

隨著混凝土跨海大橋和海港工程的日益增多，混凝土的耐久性難題逐漸凸顯。海港工程混凝土由于長(zhǎng)期處于惡劣的海洋環(huán)境中，受到海水各種鹽類侵蝕，尤其是海水中氯離子對(duì)混凝土的侵蝕，進(jìn)而引起混凝土中鋼筋腐蝕，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性下降，嚴(yán)重威脅混凝土的正常使用壽命。中國(guó)東北部地區(qū)三面環(huán)海，海港工程較多，對(duì)混凝土抗氯離子性能有較高的要求。

混凝土抗氯離子滲透性能的測(cè)試方法很多，目前在很多工程中都要求同時(shí)采用電通量法和RCM擴(kuò)散系數(shù)法分別評(píng)價(jià)混凝土的抗氯離子滲透性能。兩種試驗(yàn)方法各有特點(diǎn)，筆者認(rèn)為，如果能夠通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)探索出電通量法和RCM法的相關(guān)聯(lián)性，在實(shí)際工程中，用一種方法的測(cè)試數(shù)據(jù)推斷另一種方法的數(shù)據(jù)，可以在一定程度上節(jié)省人力、物力，避免重復(fù)試驗(yàn)。所以，建立混凝土抗氯離子滲透性能電通量法和抗氯離子RCM擴(kuò)散系數(shù)之間的相互關(guān)系十分必要。

2 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

目前，國(guó)內(nèi)測(cè)試混凝土抗氯離子性能試驗(yàn)方法大致可以概括為慢速法、快速法和其他方法[1]。

慢速法最初采用浸泡法或擴(kuò)散槽法。浸泡法是指經(jīng)過一定時(shí)間的浸泡或擴(kuò)散，通過測(cè)量混凝土試件不同深度的氯離子含量來計(jì)算混凝土中氯離子遷移速度。擴(kuò)散槽法是指通過計(jì)算測(cè)量槽中溶液濃度的變化來計(jì)算氯離子的傳輸速度。這兩種方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)，影響試驗(yàn)結(jié)果的因素較多，在工程中缺少實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

快速法是近些年各國(guó)研究人員開發(fā)研究的，在短時(shí)間內(nèi)獲得混凝土抗氯離子滲透性能的試驗(yàn)方法。通過采取以下幾種措施來快速測(cè)定氯離子在混凝土中的滲透性：?施外加電場(chǎng)；?測(cè)量混凝土試塊在保水(鹽)情況下的電化學(xué)指標(biāo)(電導(dǎo)率、電阻率、電通量等)；?增加溶液水頭或壓力?？焖僭囼?yàn)方法雖然與氯離子在混凝土中真實(shí)的擴(kuò)散過程有所差異，但在一定范圍內(nèi)與實(shí)際情況具有良好的一致性，省時(shí)省力，易于操作，目前在行業(yè)內(nèi)得到一致認(rèn)可。其中常用的幾種典型的快速測(cè)試方法包括：電通量法、電遷移法、RCM法、NTB法、NEL法、交流阻抗譜法和滲透壓力法等。

此外，近些年來一些研究還提出幾種新的試驗(yàn)方法，如氣體擴(kuò)散法、吸收率法、異丙醇替代法等，均取得初步成果，筆者在此不一一敘述。

從對(duì)混凝土配合比篩選和質(zhì)量控制等角度來看，電通量法、RCM法是切實(shí)可行的。結(jié)合設(shè)備情況和工作實(shí)際，通常采電通量法和RCM法來評(píng)價(jià)混凝土的抗氯離子性能。其中，電通量試驗(yàn)方法參照(JTS 202-2—2012)《水運(yùn)工程混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》附錄A[2]。RCM擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)方法參照(JTS 257-2—2012)《海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》附錄B[3]。

電通量法最早由美國(guó)硅酸鹽水泥協(xié)會(huì)的Whiting提出，基本原理是利用外加電場(chǎng)加速試件兩端溶液離子遷移速度，在直流電作用下，溶液中離子能夠快速滲透，向正極方向移動(dòng)，測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)通過的電量即可反映該混凝土試件的抗氯離子滲透能力。試驗(yàn)采用直徑95±2mm、厚度51±3mm的素混凝土試件或芯樣，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d或90d后，暴露于空氣中至其表面干燥，并以硅橡膠或樹脂密封材料施涂于試件側(cè)面，必要時(shí)填補(bǔ)涂層中的孔洞。在測(cè)試前，進(jìn)行真空保水。保水完成后，將試件安裝于試驗(yàn)槽內(nèi)，用橡膠密封環(huán)或其他密封膠密封，用螺桿將兩試驗(yàn)槽和試件夾緊；將試驗(yàn)裝置放在20℃～23℃的流動(dòng)冷水槽中，使水面低于裝置頂面5mm。在試件兩端施加60V直流恒電壓，兩端容器中的溶液分別為0.3mol/L的NaOH(正極)和3.0%的NaCl(負(fù)極)，試驗(yàn)持續(xù)6h，測(cè)定通過混凝土試件的總電量。該試驗(yàn)方法不適用于摻亞硝酸鹽和鋼纖維等良導(dǎo)電材料的混凝土。

試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，試驗(yàn)槽結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)儀器如下頁圖3所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖1-直流穩(wěn)壓電源；2-電流表；3-試驗(yàn)槽；4-紫銅墊板和銅網(wǎng)；5-混凝土試件；6-3%NaCl溶液；7-0.3mol /L NaOH溶液

圖2 試驗(yàn)槽結(jié)構(gòu) (單位：mm)

圖3 電通量法試驗(yàn)儀器(混凝土滲透性快速測(cè)定儀)

氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定法即RCM法(rapid chloride migration test)，最早由唐路平[4]教授提出，后被北歐定為標(biāo)準(zhǔn)方法。該方法通過給混凝土施加一外加電場(chǎng)，加速氯離子在混凝土中遷移速度，測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)氯離子在混凝土中滲透深度，結(jié)合Nernst-Plank方程計(jì)算氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)。試驗(yàn)需要制作直徑100mm、厚度100mm、骨料最大粒徑不大于25mm的混凝土試件，或?qū)τ不炷零@芯取樣。達(dá)到齡期后，切成兩個(gè)直徑100mm、厚度50mm的圓柱形試件，清洗表面，在空氣中暴露至表面干燥后，抽真空處理，介質(zhì)為飽和Ca(OH)2。待真空處理結(jié)束后，將試件塞進(jìn)橡膠套筒內(nèi)，并放入電解質(zhì)水槽中。陰極電解質(zhì)水槽中為10%的NaCl溶液，陽極橡膠套筒內(nèi)為0.3mol/L的NaOH溶液。施加回路電壓30V，確定試驗(yàn)時(shí)間。通電結(jié)束后，用試驗(yàn)機(jī)將試塊沿軸向劈裂成兩半，在新劈裂的斷面噴涂0.1mol/L的AgNO3溶液，放置15min，用游標(biāo)卡尺測(cè)量白色AgCl標(biāo)示的滲透深度，計(jì)算出該混凝土試塊的擴(kuò)散系數(shù)。

試驗(yàn)裝置如圖4所示，RCM法試驗(yàn)儀器如圖5所示。

圖4 RCM法試驗(yàn)裝置示意圖1-陽極；2-陽極溶液；3-試件；4-陰極溶液；5-電解質(zhì)水槽；6-有機(jī)玻璃支架；7-陰極架；8-陰極；9-不銹鋼管卡；10-橡膠套筒；11-直流穩(wěn)壓電源

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 試驗(yàn)用原材料

a. 水泥采用某P·O 42.5水泥，產(chǎn)地A。P·O 42.5水泥指標(biāo)見下頁表1。

b. 細(xì)集料采用河沙，產(chǎn)地B。河沙指標(biāo)見表2。

c. 粗集料采用碎石，產(chǎn)地C。碎石指標(biāo)見表3。

d. 粉煤灰采用C家生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰。粉煤灰指標(biāo)見表4。

e. 礦渣粉采用D家生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉。礦渣粉指標(biāo)見表5。

f. 水采用飲用水。用水指標(biāo)見表6。

g. 減水劑采用F家生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑SW-A。

h. 引氣劑采用E家PC-2型松香熱聚物引氣劑。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)分別選取0.30、0.32、0.34、0.35和0.36五種水膠比，采集不同粉煤灰、礦渣粉摻量的28d、56d和90d三個(gè)齡期的電通量及擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)由于篇幅所限，在此略去。

表1 P·O 42.5水泥指標(biāo)

表2 河沙指標(biāo)

表3 碎石指標(biāo)

表4 粉煤灰指標(biāo)

表5 礦渣粉指標(biāo)

表6 用水指標(biāo)

3.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)不同水膠比和不同齡期的電通量、擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行初步整理歸納，見表7。

表7 整理數(shù)據(jù)

對(duì)表7試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，得到如圖6～圖9所示的結(jié)論。

圖6 相同水膠比情況下電通量隨齡期變化

圖7 相同水膠比情況下擴(kuò)散系數(shù)隨齡期變化

圖8 相同齡期情況下電通量隨水膠比變化

圖9 相同齡期情況下擴(kuò)散系數(shù)隨水膠比變化

對(duì)不同水膠比、齡期的電通量以及擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到如圖10～圖13所示的結(jié)論。

圖10 混凝土試塊28d齡期電通量與擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系

圖11 混凝土試塊56d齡期電通量與擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系

圖12 混凝土試塊90d齡期電通量與擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系

圖13 混凝土試塊所有齡期電通量與擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論分析

4.1 齡期對(duì)混凝土抗氯離子性能的影響

從圖6和圖7所示曲線可以看出，在水膠比不變情況下，混凝土電通量與擴(kuò)散系數(shù)均隨著齡期的增大而減小。這說明隨著齡期增長(zhǎng)，混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，抵抗氯離子滲透能力加強(qiáng)。

4.2 水膠比對(duì)混凝土抗氯離子性能的影響

水膠比是影響電通量與擴(kuò)散系數(shù)的重要因素，從圖8和圖9所示曲線可以看出，在同一齡期下，水膠比越大，對(duì)應(yīng)的混凝土電通量和擴(kuò)散系數(shù)均呈增大趨勢(shì)。

4.3 電通量與擴(kuò)散系數(shù)的相關(guān)性

通過對(duì)所有數(shù)據(jù)相關(guān)分析，希望得到電通量和擴(kuò)散系數(shù)兩者之間的關(guān)系，探索衡量混凝土抗氯離子性能兩種方法的相關(guān)程度，并用一條直線來近似表示兩者的相關(guān)性。

如圖10所示，得到28d齡期下電通量和擴(kuò)散系數(shù)的回歸方程為y=287.67x-10.86；確定系數(shù)R2為0.43。

如圖11所示，得到56d齡期下電通量和擴(kuò)散系數(shù)的回歸方程為y=263.94x+93.73；確定系數(shù)R2為0.46。

如圖12所示，得到90d齡期下電通量和擴(kuò)散系數(shù)的回歸方程為y=256.62x+115.47；確定系數(shù)R2為0.80。

如圖13所示，得到所有齡期的電通量和擴(kuò)散系數(shù)的回歸方程為y=231.88x+140.98；確定系數(shù)R2為0.92。

從圖中可以看出，齡期為90d的數(shù)據(jù)在圖表中較為集中，齡期為56d的較為分散，齡期為28d的更為分散。而從確定系數(shù)來看，圖12中所示曲線的確定系數(shù)R2為0.80，擬合程度較高。圖13所有數(shù)據(jù)綜合曲線確定系數(shù)R2為0.92，方程中變量x對(duì)y的解釋度達(dá)92.4%。解釋度越高，方程越有意義。

由此，筆者建議，對(duì)于已知兩種評(píng)價(jià)方法中任意一種數(shù)據(jù)，可以通過此方程來推斷另一種試驗(yàn)方法數(shù)據(jù)，為評(píng)價(jià)混凝土抗氯離子性能提供有效的參考和依據(jù)。

[1] 冷發(fā)光，田冠飛.混凝土抗氯離子滲透性試驗(yàn)方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006(S2).

[2] JTS 202-2—2012水運(yùn)工程混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3] JTS 257-2—2012海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社，2012.

[4] Tang L,Nilsson L.Chloride diffusivity in high strength concrete [J].Nordic Concrete Research,1997,27(2):293-302.

Research on correlation between concrete electric flux and RCM diffusion coefficient in harbor projects

YANG Qingquan, WANG Ying

(No.3EngineeringCompanyLtd.ofCCCCFirstHarborEngineeringCompanyLtd.,Dalian116000,China)

In the paper, the correlation of electric flux method and RCM method is explored through a large number of experimental data. The experimental data of one method is adopted for deducing the data of another method in actual projects, and the method can save manpower and material resources to certain extent, and avoid repeated trials. Therefore, it is very necessary to establish the mutual relationship between concrete chloride ion penetration resistance electric flux method and chloride ion diffusion resistance coefficient.

electric flux method; RCM method; correlation; port works

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.06.011

TV431

A

1005-4774(2017)06- 0042- 06