混凝土氯离子渗透试验研究

2011-06-06叶其业杜乃红张珩瑜

中国港湾建设 2011年4期

关键词：渗透系数氯离子耐久性

叶其业，杜乃红，张珩瑜

（1.天津塘沽区滨海建筑工程质量检测中心，天津 300456；2.中石化管道储运分公司黄岛油库，山东青岛 266500）

钢筋混凝土结构是目前建筑工程中应用最为广泛的结构形式，但是大量混凝土工程实例说明，许多钢筋混凝土结构由于各种原因而提前失效，达不到预定的服役年限，这其中主要是由于结构的耐久性不足导致的[1-2]。

钢筋混凝土结构在一定条件下是相对耐久的，然而，由于结构内部的某些缺陷和随着时间的推移及环境的恶化，钢筋混凝土结构暴露出了耐久性方面的问题。有关专家指出我国混凝土破坏的主要原因是“南锈北冻”[3-4]。

混凝土结构耐久性综合调查结果表明，在北方，不仅存在冻害也同样存在严重的锈蚀。因此，可以进一步将“钢筋锈蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位，而海洋环境和使用除冰盐中的氯离子，又是造成钢筋锈蚀的主要原因[5]。

在实际工程中，造成钢筋锈蚀的氯离子的主要来源分为内在的和渗入的两方面，即：组成混凝土的原材料（砂石、水泥、外加剂、水、掺合料）及施工过程中带入的内在方面的原因，和更主要的，在氯盐环境中，通过混凝土表面氯离子渗入的原因。

为此，在我国各行业现行的混凝土设计、生产和施工验收规范中，均对混凝土原材料及混凝土本身氯离子限值提出了具体严格规定，从一个方面有效地降低了混凝土内部自身的氯离子含量。另一方面，对不同环境条件下的混凝土的抗氯离子渗透性能提出了明确要求，以提高结构抵御氯离子渗透的能力，避免引起钢筋锈蚀使结构破坏。

本文结合工程施工，对混凝土抗氯离子渗透试验进行研究和总结，对渗透性试验中的一些问题进行了分析。

1 混凝土氯离子渗透性的试验研究

1.1 试验方法

我国的现行标准对混凝土耐久性指标中，氯离子渗透性的检测采用电通量法和RCM渗透系数法两种，本文依据这两种方法开展试验研究。

1.1.1 电通量法

电通量法于1983年被美国公路运输局定为标准试验方法，即AASHTOT277，紧接着又被美国试验与材料协会ASTM选定为标准试验方法。试验的具体方法：50 mm厚，100 mm直径的水饱和混凝土试件，两端水槽所用溶液分别为3.0%NaCl和0.3 mol NaOH，在60 V的外加电场下持续通电6 h，以该时间内通过混凝土电量的高低来判断混凝土的抗氯离子渗透能力。

1.1.2 渗透系数（RCM）法

渗透系数（RCM）法是 Tang Luping等基于Nernst-Planck方程，首先从理论建立了浓度、通量、渗透深度、渗透系数之间的关系，进而进行了试验验证。其中，Tang Luping的试验方法已经被欧盟广泛接受，并推荐为欧盟规范。具体方法是：采用30 V直流电，加速氯离子的渗透，以劈裂试件测量氯离子的渗透高度，计算渗透系数。

1.2 研究过程

本文的试验研究是结合混凝土配合比设计过程检测进行的，主要研究内容如下：

1）电通量试验时，研究了电流和电通量的关系；

2）对比电通量试验时的电通量和渗透系数的关系（即对所有电通量试验后的试件都进行劈裂和按RCM法测定电通量试验后的氯离子渗透系数）；同时，为了解通电时间对渗透系数的影响，安排部分试件在电通量试验后继续通电到RCM法试验；

3）研究电流和氯离子渗透系数的关系；

4）用同组试件研究了电通量和RCM法渗透系数的关系；

5）研究龄期对氯离子渗透性能的影响。

1.3 数据的统计分析

1.3.1 初始电流和电通量

共进行了59个电通量试验，龄期7~190 d，强度等级C35~C50。图1为电通量与初始电流的统计分析结果。

由试验可知，电通量与初始电流、终了电流、平均电流的关系的回归系数均达0.998，具有很强的相关性。采用初始电流直接测量电通量是可行的。

1.3.2 电通量-渗透的关系

对同组试件（40组）同时进行了电通量和渗透试验，两者的关系如图2所示。

对上述试件中的37组，在电通量试验后，进行渗透测试，得出电通量试验时的电通量-渗透（电通量后）、渗透-渗透（电通量后）的关系，如图3、图4。

从以上可以看出，三种情况下（即：①、同组试件同时检测电通量和渗透系数，如图2；②、取①中电通量试验后的试件劈裂后测定渗透系数和电通量，如图3；③、②中的电通量试验后测定渗透系数和①中直接测定渗透系数，如图4）所得的电通量和渗透系数的关系都较好，相关性也大致相同。但是，进行定量划分混凝土抗氯离子渗透性能等级时，两者之间则相差很大，应进行进一步研究。

1.3.3 电通量和渗透试验时两者初始电流值的关系

1.3.3.1 电通量试验时电压变化后的电流变化

因为电通量试验时的电压是60 V，而渗透试验时则需根据初始电流的不同而采用不同电压，一般多用30 V。图5是同一试件用电通量法分别测30 V和60 V的初始电流。

从以上可看出，电通量试验时，电压与初始电流是按线性变化的，即采用60 V的试验电压时，可以用图5中的线性方程换算成30 V时的初始电流。

1.3.3.2 同组试件电通量和渗透试验时的初始电流关系

图6是37组试件同时进行电通量和渗透（30 V）试验时的两者初始电流关系。

可以看出，两者的初始电流关系明显，因而可以从渗透试验时的初始电流计算电通量的初始电流。

1.3.4 电通量、渗透系数与龄期的关系

在配合比设计时，进行了不同龄期的电通量和渗透系数的测试，并采用origin8进行拟合，两者与龄期的关系分别如图7、8。

2 结果与讨论

通过上述实验数据的统计分析，可以得出：

1）电通量试验时，电流和电通量存在良好的线性关系，因此可以采用初始电流按图1的线性方程计算电通量，这样可以简化实验过程，实现快速的检测。这也为大量的类似实验研究所验证。

2）电通量和渗透系数之间存在一定的线性关系，但许多资料统计结果均有差别，如采用电通量来计算渗透系数，还需积累数据和进一步验证。

3）电通量试验后按RCM法测得的渗透系数分别与电通量和渗透系数两者都具有较好的相关性，见图3和图4。然而，电通量试验后按RCM法测试的渗透系数明显大于直接以RCM法测得的渗透系数，本人认为主要原因是通电时间问题。同时，根据1）可以得出初始电流大，电通量也必然大，此试件用RCM法测定时，初始电流也一定偏大，按规范的试验方法，需根据初始电流划分不同等级而确定通电时间。那么：①成倍减少了通电时间，渗透高度不会成倍减少。②RCM法渗透系数的计算中，渗透系数DRCM，0与通电时间 t和渗透高度 Xd存在如下关系：DRCM，0∝（Xd-aXd1/2）/t，那么对于初始电流小的试件，因减少通电时间，必然使计算的渗透系数数值偏大。③关于RCM法测定时，根据不同初始电流划分不同等级而确定通电时间，有关这方面的资料较少，有待于进一步研究。

4）RCM法进行渗透试验时的初始电流和电通量试验时的初始电流存在很好的相关性，采用渗透试验的初始电流，并按图6和图1中的线性方程式计算电通量，与实测电通量的比较如图9。可以看出，两者吻合性良好。因此，可以采用RCM法渗透试验时的初始电流计算电通量。