混凝土電通量試驗方法分析

賈海濤，侯帥，張功輝，曲承偉，陶立強，王乾

（中鐵檢驗認(rèn)證中心鐵道建筑檢驗站，北京 100016）

混凝土電通量試驗方法分析

賈海濤，侯帥，張功輝，曲承偉，陶立強，王乾

（中鐵檢驗認(rèn)證中心鐵道建筑檢驗站，北京 100016）

電通量法是目前國內(nèi)外普遍使用的評價混凝土抗氯離子滲透性能的試驗方法，作者認(rèn)為試樣在電池盒中的固定方式對試驗結(jié)果影響很大。4 種固定方式下，試樣與溶液的接觸面大小都不同：墊圈＜低粘＜圓環(huán)＜高粘。接觸面小，電通量也就小。還是使用內(nèi)徑90mm橡膠圓環(huán)的方法更為合理。

電通量；混凝土；抗氯離子滲透性能；固定方式

0 前言

氯離子滲透進入混凝土結(jié)構(gòu)中，使混凝土孔隙中溶液 pH 值降低，對鋼材造成腐蝕，且腐蝕擴展迅速，最終使鋼材與混凝土脫離，結(jié)構(gòu)受力破壞。尚未達到使用年限的混凝土結(jié)構(gòu)破壞，會造成巨大的經(jīng)濟損失。電通量法是目前國內(nèi)外常用的評價混凝土抗氯離子滲透性能的試驗方法，該方法為美國材料試驗協(xié)會所制定，即ASTM C1202-12《混凝土抗氯離子滲透性標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》[1]，國標(biāo) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]7.2 中引用了此方法。

不過該方法也存在諸多不足，中外學(xué)者發(fā)表了很多相關(guān)研究成果。如“試件在測試中電學(xué)特性的變化、電極反應(yīng)、焦耳熱效應(yīng)、測試設(shè)備的精度和數(shù)據(jù)采集的頻次等”[3]，這些對試驗結(jié)果的精確性造成了影響。但也指出，該方法作為通行標(biāo)準(zhǔn)，適用于評價所測電量在1000～3000C 的混凝土抗?jié)B透性，且試驗操作簡單快捷。

本文主要分析了該方法的試驗測試原理、操作過程，通過試驗對比了試驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，作者認(rèn)為試樣在電池盒（GB/T 50082—2009 中稱為試驗槽）中的固定方式對試驗結(jié)果影響很大。

1 試驗方法簡述

1.1 試驗原理

將制好的混凝土試樣放在飽水機中飽水，使試樣中的空氣充分排出，水分充滿混凝土中的毛細管路，打通離子可以通過的溶液通道。然后把試樣裝入電池盒固定，電池盒正極注入 0.3N 的 NaOH 溶液，負(fù)極注入3% 的 NaCl 溶液，試驗中通入 60V 直流電，通電時間為 6h，負(fù)離子帶電向正極移動，通過混凝土試樣，記錄通過的電量，即所測電通量。

1.2 化學(xué)反應(yīng)

通電后，主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是電解反應(yīng)：

NaCl 溶液：

NaOH 溶液：氫氧根離子數(shù)并未改變，所以實質(zhì)是電解水。

正離子有 H+和 Na+，負(fù)離子有 Cl-和 OH-。通電后，離子受電極吸引通過試樣中的溶液通道，正離子向負(fù)極移動，負(fù)離子向正極移動，離子的移動形成電流通路，這是能測試出電通量的原因?？梢钥闯?，電通量并不只是 Cl-移動的結(jié)果，雖說試驗名稱叫 Cl-滲透試驗，但試驗測試的是總電導(dǎo)值，記錄全部離子移動的情況，并不單是氯離子的。試驗結(jié)果判定指標(biāo)值的高低是人為規(guī)定的。

1.3 電路圖

電路連接圖中（見圖 1），電通量測量部分是由100mV 分流電阻并聯(lián) 200mV 量程電壓表組成，電阻可以保護電壓表不被電流擊穿，同時已知電阻的阻值，就能計算電流值。測得電壓÷已知電阻=電流，電流×?xí)r間=電量，即所測電通量。這里指出，ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中所說 100mV 電阻的阻值為 0.01Ω，應(yīng)為刊誤，GB/T 50082 條文說明 7.2.2 節(jié)第 2 條 4）中說，電阻的阻值為1Ω，這個數(shù)值應(yīng)該是合理的。

1.4 簡化公式

ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中有個簡化公式 Q=900(I0+2I30+2I60+…+2I300+2I330+I360)，是為測試時只能測得電流值的情況下使用。該公式是對測試結(jié)果曲線面積的擬合公式，避免了使用積分計算面積的復(fù)雜方法。對于直徑不是95mm（以下尺寸都以毫米計，不使用英寸）的試樣，還要把實際直徑和電通量測試值代入下面的折算公式QS=Qx×(95/x)2，則能折算成 95mm 試樣的電通量值。就是說，電通量值是以 95mm 試樣（ASTM 標(biāo)準(zhǔn)要求試樣直徑為 95～102mm）的測值為基準(zhǔn)的，以此作為判定比較的依據(jù)。此折算公式說明，試樣直徑的大小與電通量的大小成正比，試樣直徑大，電通量值就大。

圖 1 電路連接圖

2 試驗分析

試驗中使用的混凝土試樣，是以同一配比、同時成型、同條件養(yǎng)護的 150mm 試件，鉆芯、切取出直徑100mm、高 50mm 的試樣，每個 150mm 試件切取出2 個試樣。編號規(guī)則：150mm 試件用 A、B、C……表示，每個試件上切取出的 2 個試樣用 A1 和 A2、B1 和B2、C1 和 C2……區(qū)別分組，進行的不同試驗。

2.1 測試用溶液的作用

NaCl 溶液的作用當(dāng)然是提供 Cl-；NaOH 溶液的作用呢，一些文獻中說，是提高導(dǎo)電效率、防止 pH 值降低。下面就通過試驗驗證一下。試驗用兩組 6 個試樣，第 1 組：A1、B1、C1 試樣裝入的電池盒，正極都注入NaOH 溶液，負(fù)極都注入 NaCl 溶液。第 2 組：A2 試樣裝入的電池盒，正負(fù)極都注入清水；B2 試樣裝入的電池盒，正極注入 NaOH 溶液，負(fù)極注入清水；C2 試樣裝入的電池盒，正極注入清水，負(fù)極注入 NaCl 溶液。電池盒采用國內(nèi)流行使用的產(chǎn)品（有能力的廠家開發(fā)出產(chǎn)品后，就在國內(nèi)通用了），表 1 為試驗數(shù)據(jù)。

表 1 改變?nèi)芤旱挠绊?/p>

B2 比 B1、C2 比 C1 的電通量都低 200 多庫侖，A2比 A1 的電通量低 500 多庫侖，可見，NaOH 溶液確實提高了導(dǎo)電效率，占總電導(dǎo)值（即電通量）的一部分；而且即使沒有溶液，水也能夠起到導(dǎo)電作用，這是因為水電解出的離子，可以通過試樣導(dǎo)電。試驗后，觀察到A2 和 C2 的電池盒陽極、試樣接觸面都附著有藍色物質(zhì)（見圖 2），顯然是產(chǎn)生的氧氣使其變藍，證明確實是發(fā)生了電解反應(yīng)；而其它試樣沒有出現(xiàn)，說明只在酸性環(huán)境，產(chǎn)生的氧氣量才足夠使其變色。

兩組試樣的陰極溶液 pH 值都上升了，這是陰極電解產(chǎn)生了 OH-。A2 和 C2 的陽極溶液 pH 值降低，是因為產(chǎn)生的 H+，B2 的陽極溶液 pH 值也降低了，但還維持在堿性，說明 NaOH 溶液保持了陽極的堿性環(huán)境。

圖 2 附著的藍色物質(zhì)

2.2 固定方式的影響

“混凝土中氯離子的遷移方式主要有對流、毛細管吸附作用、擴散、熱遷移和電遷移等。擴散作用是多數(shù)情況下的主要方式?！盵4]顯然，Cl-不是直線從混凝土試樣中通過的，而是通過毛細孔道擴散開來。那么，混凝土試樣與溶液接觸面的大小會不會影響電通量值的大小呢？

先來比較一下 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中，試樣的三種固定方式的區(qū)別：（1）采用低粘度密封膠，膠涂在銅墊片 90mm（所墊濾紙直徑為 90mm）以外的范圍，即試樣與金屬（銅墊片和銅網(wǎng)電極）的接觸面直徑是90mm，與溶液的接觸面直徑是＞75mm（銅墊片內(nèi)徑是 75mm）。為什么是大于呢？因為兩半電池盒與試樣用螺栓夾緊，夾緊后，無法保證試樣與銅墊片之間沒有溶液滲流過來，準(zhǔn)確的接觸面積也不能確定，而密封膠的作用正是為了阻止溶液滲流到外面，所以試樣與溶液的接觸面直徑應(yīng)是 75～90mm 之間。（2）采用高粘度密封膠，膠涂在銅墊片與試樣接觸的外邊緣，即試樣與金屬的接觸面直徑是 100mm（試驗中所用試樣直徑為 100mm），與溶液的接觸面直徑是 75～100mm之間（原因同上）。（3）采用橡膠墊圈，墊圈內(nèi)徑75mm、外徑 100mm，可確定不存在滲流問題，則與溶液的接觸面直徑是 75mm，不過墊圈厚 6mm，夾緊后墊圈會壓扁變寬，所以與溶液的接觸面直徑應(yīng)是＜75mm。

國內(nèi)流行使用的電池盒采用圓截面橡膠圓環(huán)固定（見圖 3），圓環(huán)內(nèi)徑為 90mm，直徑 5mm，因為圓環(huán)很硬，夾緊后無法完全壓扁，所以試樣與溶液的接觸面直徑實際是 92mm 左右。

圖 3 國內(nèi)使用的電池盒

這 4 種固定方式下，試樣與溶液的接觸面大小都不同：墊圈＜低粘＜圓環(huán)＜高粘。對電通量值會有多大影響呢？為了進行比較，按 ASTM C1202-12 標(biāo)準(zhǔn)中的尺寸要求，加工了 3 套電池盒（見圖 4）。試驗中使用的溶液，按標(biāo)準(zhǔn)要求。編號：第 3 組 D1、E1、F1 使用國內(nèi)電池盒；第 4 組使用 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)電池盒，D2 采用低粘度密封膠，E2采用高粘度密封膠，F(xiàn)2 采用橡膠墊圈。試驗裝置見圖 5，試驗數(shù)據(jù)見表 2。

圖 4 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)的電池盒

D2 比 D1 的電通量略低，E2 比 E1 的電通量略高，試樣與溶液的接觸面大小差距不是太大，所以影響不是很明顯；F2 比 F1 的電通量低 200 多庫侖，F(xiàn)2 比 F1 的接觸面小很多，并且第 4 組的電通量值 F2＜D2＜E2，可見，溶液接觸面對電通量值的影響。接觸面小，電通量也就小，而且，接觸面大小越接近試樣截面尺寸（即直徑），對電通量值的影響越小。

圖 5 使用 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)電池盒的試驗裝置

表 2 固定方式的影響

GB/T 50082—2009 標(biāo)準(zhǔn)中要求只使用內(nèi)徑 75mm橡膠墊圈這種固定方式，而實際國內(nèi)使用的電池盒，它的橡膠圓環(huán)內(nèi)徑是 90mm，哪個更合理呢？筆者認(rèn)為：既然以整個試樣截面通過的電通量作為判定的依據(jù)，那就應(yīng)該讓整個截面都與溶液接觸。那么，利用第 3組的 3 個試樣，再做第 5 組試驗。使用 GB/T 50082—2009 標(biāo)準(zhǔn) 7.1 快速氯離子遷移系數(shù)法中的電池盒，這樣就能使試樣截面與溶液完全接觸了，試驗所用溶液還按電通量法的要求，試驗裝置見圖 6。試驗測得：D1 為1631C、E1 為 1719C、F1 為 1647C，比第 3 組試驗結(jié)果略高，差距不大。所以，還是使用內(nèi)徑 90mm 橡膠圓環(huán)的方法更為合理。

圖 6 使用 GB/T 50082 規(guī)定的電池盒的試驗裝置

3 結(jié)論

第 4 組電通量值的波動明顯大于第 3 組，顯然，ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中三種固定方式所得電通量值并不能保持一致性；且采用密封膠的方式時，溶液滲流的范圍不能固定，那么電通量值也就不能保持穩(wěn)定性。國內(nèi)電池盒則能避免上述問題，且與使用密封膠方式時的電通量很接近，也就是能達到試驗檢測的目的。

ASTM 標(biāo)準(zhǔn)為什么要規(guī)定銅墊片和橡膠墊圈的內(nèi)徑為 75mm 呢？是要讓試樣與溶液的接觸面直徑為 75mm嗎？如果是，那就應(yīng)該把密封膠涂在 75mm 范圍以外，否則是無法做到的。

另有一點需要指出，機型比較舊的電通量測定儀，根據(jù)國內(nèi)電池盒使用的橡膠圓環(huán)內(nèi)徑為 90mm，就在程序編寫中，把試樣直徑設(shè)定為 90mm 且不能修改，并把測試值代入折算公式計算最終電通量值。這樣等于把測試值放大，沒有正確理解標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該把試樣實際直徑代入公式才對。這是因為 Cl-是以擴散形式通過試樣，通過的截面并不限于 90mm 那一部分，而是通過整個試樣截面。比如，現(xiàn)在是以 100mm 試樣做試驗，就應(yīng)該把100mm 代入折算公式，這樣測試值就會縮小，得出最終電通量值。

[1] ASTM C 1202-12．混凝土抗氯離子滲透性標(biāo)準(zhǔn)試驗方法[S]．

[2] GB/T 50082—2009．普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[3] 路新瀛，王曉睿，張華新． ASTM C1202 實驗方法淺析[J]．工業(yè)建筑，2004.4∶ 89-91．

[4] 史才軍，元強，鄧德華，等．混凝土中氯離子遷移的試驗和計算方法綜評[C]．混凝土工程耐久性研究和應(yīng)用[A]，2006∶ 411-423．

［通訊地址］北京市朝陽區(qū)酒仙橋北路 1 號 鐵科院東郊分院（100016）

賈海濤（1983—），男，就職于單位中鐵檢驗認(rèn)證中心，本科，工程師。