混凝土抗氯离子渗透能力测试方法的适用性

韩建国，李克非

（清华大学 土木工程系，北京 100084）

混凝土耐久性是混凝土结构设计和材料性能研究的重点，是影响混凝土结构经济性、安全性和服役寿命的关键因素.混凝土抗氯离子渗透能力决定了外界有害物质向混凝土内部迁移的能力，是表征混凝土耐久性的关键指标.ASTM C1202［1］，RCM［2］和ACR［3］是评价混凝土抗氯离子渗透能力的3 种常用方法.已有学者使用上述方法对混凝土抗氯离子渗透能力进行评价［4－5］，并尝试建立这些测试方法之间的相关性.Andrade等［6］认为混凝土的氯离子扩散系数和电阻率之间呈线性关系；Sherman等［7］研究了ASTM C1202和采用盐池浸泡法所得氯离子扩散系数之间的关系，认为电通量小于2 000C时，电通量和氯离子扩散系数之间有较好的线性关系，当电通量大于2 000C 时，电通量和氯离子扩散系数之间的关系则不明确.已有的测试结果及其相关性研究与材料品质、混凝土配合比、测试方法和测试范围等有密切关系，缺乏可比性，且没有充分探讨常用的抗氯离子渗透能力测试方法的适用性，因此，有必要在相同的混凝土材料性能平台上，对常用的混凝土抗氯离子渗透能力测试方法之间的相关性和适用性进行深入研究.

水胶比是决定混凝土强度的关键因素；粉煤灰和硅灰对混凝土的流变性能、经济性、强度和抗渗透能力具有重要影响，是调节和优化混凝土品质的常用矿物掺合料.本文采用ASTM C1202，RCM 和ACR 这3种评价方法，对不同水胶比1）文中所涉及的水胶比、含量等除特别说明外均为质量比或质量分数.（0.22～0.62）和不同胶凝材料组成体系（水泥、水泥－粉煤灰二元体系、水泥－粉煤灰－硅灰三元体系）混凝土的抗氯离子渗透能力进行研究，旨在得出3种抗氯离子渗透能力测试方法的适用性，并探讨水胶比、矿物掺合料和养护龄期对混凝土强度和抗氯离子渗透能力的影响.

1 试验

1.1 原材料与配合比

胶凝材料采用P·O 42.5水泥（C），F 级Ⅰ级粉煤灰（FA）和SiO2含量大于90%的硅灰（SF），其化学组成见表1，矿物组成见图1；集料采用5～20mm石灰石质碎石和二区中砂（河砂）；减水剂采用聚羧酸系高效减水剂.

表1 胶凝材料的化学组成Table 1 Chemical compositions（by mass）of binders %

图1 胶凝材料的XRD 图谱Fig.1 XRD patterns of binders

混凝土配合比见表2.混凝土制备过程中，减水剂的掺量以使得新拌混凝土的坍落度为80～100mm为准.混凝土抗压强度测试采用边长为100mm 的立方体试样，抗氯离子渗透能力测试采用直径为100mm，高为200mm 的圆柱体试样.

1.2 抗氯离子渗透能力测试方法

3种混凝土抗氯离子渗透能力测试方法的基本原理和装置示意图如表3所示.ASTM C1202方法采用电通量来评价抗氯离子渗透能力，电通量使用测试时间和电流的积分来求解；RCM 方法采用氯离子扩散系数来评价抗氯离子渗透能力，氯离子扩散系数使用阳极溶液温度、氯离子扩散深度（通过对测试后的试样断面喷涂浓度为0.1mol／L 的AgNO3溶液来显色并判定）和通电时间来求解，如式（1）所示；ACR 方法采用电阻率来评价抗氯离子渗透能力，电阻率使用试样尺寸和既定电流强度下试样两端的电势差来求解，如式（2）所示.

式中：DRCM为混凝土的氯离子扩散系数，m2／s；T 为阳极溶液初始温度和最终温度的平均值，K；h 为试样高度，m；xd为氯离子扩散深度，m；α 为辅助变量；t为通电时间，s.

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concretes

表3 抗氯离子渗透能力测试方法描述Table 3 Description of evaluation methods of anti－chloride penetration ability

式中：ρ为混凝土的电阻率，Ω·m；V 为电流稳定在40mA 时试样两端的电势差，mV；I 为试样中导通的稳定电流，I＝40mA；A 为垂直于电流方向的试样截面积，m2.

氯离子向混凝土中的迁移是引起钢筋锈蚀、混凝土结构承载力下降和性能衰变的主要因素［8－9］.因此，混凝土抗氯离子渗透能力测试方法多采用含有氯离子的溶液作为测试介质，如ASTM C1202方法和RCM 方法.但应当指出，即使采用不含氯离子的溶液作为测试介质，如ACR 方法，其测试的主要目的也是衡量混凝土的抗氯离子渗透能力.

2 结果和分析

2.1 混凝土抗压强度发展历程

混凝土抗压强度发展历程如图2 所示.由图2可见，粉煤灰和硅灰对不同水胶比混凝土表现出相同的影响趋势：掺入粉煤灰使得混凝土的抗压强度下降，特别是在早龄期；复合掺入粉煤灰和硅灰混凝土试样的强度虽然相对于单掺粉煤灰试样的强度有所提高，但相对于空白试样，其强度依然有所下降，直到56d龄期，其强度依然低于空白试样.由图2还可看出，随着水胶比的降低，2种矿物掺合料对混凝土强度的削弱效应减缓.

图2 混凝土抗压强度发展历程Fig.2 Development of concrete compressive strength

对于使用水泥－粉煤灰二元体系的混凝土，由于粉煤灰的水化活性较水泥低，在保持胶凝材料总量不变的情况下，其水化产物生成量减少，砂浆基体强度和孔隙填充程度降低，故其抗压强度低于空白试样；对于使用水泥－粉煤灰－硅灰三元体系的混凝土，虽然硅灰的水化活性较水泥高，但由于粉煤灰的水化活性较低，致使其抗压强度依然低于空白试样.

2.2 抗氯离子渗透能力测试结果

使用ASTM C1202，RCM 和ACR 方法，测得的混凝土试样电通量、氯离子扩散系数和电阻率如图3～5所示.电通量和氯离子扩散系数的数值越小，混凝土抗氯离子渗透能力越好；电阻率的数值越大，混凝土抗氯离子渗透能力越好.

图3 混凝土试样的电通量（ASTM C1202方法）Fig.3 Passed charge evaluated by ASTM C1202method

图4 混凝土试样的氯离子扩散系数（RCM 方法）Fig.4 Chloride diffusion coefficient evaluated by RCM method

图5 混凝土试样的电阻率（ACR 方法）Fig.5 Resistivity evaluated by ACR method

由图3，4可见，无论是空白试样还是掺入矿物掺合料的试样，随着水胶比的降低和养护龄期的延长，混凝土的抗氯离子渗透能力均增强；使用水泥－粉煤灰二元体系的混凝土，其抗氯离子渗透能力在早龄期（7d）降低，在长龄期提高；使用水泥－粉煤灰－硅灰三元体系的混凝土，其抗氯离子渗透能力在早龄期就得以增强，在长龄期的增强效果尤为显著.

由图5可见，相对于水胶比，龄期和矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透能力的影响更为显著，复合使用粉煤灰和硅灰的试样在长龄期表现出优异的抗氯离子渗透能力.

2.3 不同测试方法之间的相关性

基于ASTM C1202，RCM 和ACR 方法的测试结果，以ASTM C1202方法所得电通量作为参照，分别建立了氯离子扩散系数－电通量，电阻率－电通量之间的关系，见图6，7.

图6 氯离子扩散系数和电通量之间的关系Fig.6 Relationship between chloride diffusion coefficient and passed charge

图7 电阻率和电通量之间的关系Fig.7 Relationship between resistivity and passed charge

由图6可见，以3 000C 为分界点，氯离子扩散系数和电通量之间呈分段线性关系.直线的斜率越大，说明RCM 方法的测试效果越显著.这说明，当混凝土的抗氯离子渗透能力较差时，RCM 方法比ASTM C1202 方法具有更高的敏感度.由图7 可见，混凝土电阻率和电通量之间呈指数衰减关系.曲线上切线的斜率越大，说明ACR 方法的测试效果越显著.这说明，当混凝土的抗氯离子渗透能力较高时，ASTM C1202方法比ACR 方法具有更高的敏感度.综合图6，7可见，随着混凝土抗氯离子渗透能力的提高，适宜的测试方法依次为RCM，ASTM C1202和ACR.当混凝土试样的电通量大于3 000C时，应使用RCM 方法；当电通量为1 000～3 000C时，应使用ASTM C1202 方法；当电通量小于1 000C时，应使用ACR 方法.因此进行混凝土抗氯离子渗透性测试时，可首先使用ASTM C1202 方法，然后依据测试结果（电通量）选择适宜的测试方法.

2.4 抗压强度和抗氯离子渗透能力之间的关系

基于混凝土试样抗压强度和ASTM C1202，RCM 和ACR 这3种方法的测试结果，建立了电通量－抗压强度、氯离子扩散系数－抗压强度和电阻率－抗压强度之间的关系，见图8～10.由图8，9 可见，对于ASTM C1202和RCM 方法，混凝土抗氯离子渗透能力在低强度区域有较大的离散性.由图10可见，对于ACR 方法，混凝土抗氯离子渗透能力在高强度区域有较大的离散性.这说明，混凝土的抗氯离子渗透能力和抗压强度之间无简单的线性关系.具有相同抗压强度的混凝土，其抗氯离子渗透能力可表现出巨大差异.

图8 电通量和抗压强度之间的关系Fig.8 Relationship between passed charge and compressive strength

2.5 混凝土抗氯离子渗透能力影响因素分析

从混凝土材料性能和施工质量控制的角度来看，影响混凝土抗氯离子渗透能力的因素包括水泥品质、矿物掺合料种类及其用量［10－11］、集料品质、混凝土配合比、施工质量、水化历程［12］和外界温湿度环境等.

图9 氯离子扩散系数和抗压强度之间的关系Fig.9 Relationship between chloride diffusion coefficient and compressive strength

图10 电阻率和抗压强度之间的关系Fig.10 Relationship between resistivity and compressive strength

本文主要从混凝土材料性能的角度，探讨水胶比和矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透能力的影响.随着水胶比的降低，混凝土中砂浆基体强度、孔结构（孔隙尺寸和含量）和界面过渡区品质得以优化，从而使混凝土抗氯离子渗透能力得以提高.矿物掺合料通过参与水化，可消耗水化产物氢氧化钙并生成C－S－H 凝胶、铝酸钙和硫铝酸钙等水化产物，有利于混凝土中砂浆基体强度和界面过渡区品质的提高，降低孔隙含量并阻断孔隙的连通.同时，矿物掺合料还可影响混凝土中水化产物对氯离子的吸附能力和孔溶液的碱度.粉煤灰的铝含量较高，有利于形成Friedel盐并产生对氯离子的吸附［11，13］.掺入硅灰虽然会降低Friedel盐的生成量［14］，但硅灰具有粒径小和水化活性高的特点，可通过提高水化产物的生成量和降低孔隙的连通程度来降低氯离子在混凝土中的渗透能力.氢氧根和氯离子会在水化产物表面形成竞争吸附［15］，掺入粉煤灰和硅灰可降低孔溶液中的碱度，使得水化产物对氯离子的吸附能力增大.在氯离子向混凝土渗透的过程中，上述机理对氯离子所产生的吸附、结合和阻碍作用，均会提高混凝土的抗氯离子渗透能力.因此，随着水胶比的降低和矿物掺合料（粉煤灰和硅灰）的使用，混凝土的抗氯离子渗透能力得以提高，尤其是在长龄期.

ASTM C1202，RCM 和ACR 方法使用的溶液介质和电压不同，决定了它们之间的区别和联系：3种测试方法均可以反映孔结构和孔溶液离子强度对混凝土抗氯离子渗透能力的影响，ASTM C1202和RCM 方法还可考察水化产物对氯离子的吸附效应；随着混凝土中孔隙连通程度的降低，适宜的测试方法由RCM 方法过渡到ASTM C1202方法，再过渡到ACR 方法.

混凝土的抗压强度取决于砂浆基体强度、界面过渡区品质、孔结构和粗集料强度.由于抗压强度和抗氯离子渗透能力的决定参数不相同，因此两者之间没有简单的线性关系.

3 结论

（1）随着水胶比的降低，养护龄期的延长和矿物掺合料的掺入，混凝土的抗氯离子渗透能力增强；掺入粉煤灰可提高长龄期混凝土的抗氯离子渗透能力；复合掺入粉煤灰和硅灰可提高早龄期混凝土的抗氯离子渗透能力，且在长龄期的作用效果尤为显著.

（2）ASTM C1202和RCM 方法的测试结果呈分段线性关系；ASTM C1202 和ACR 方法的测试结果呈双曲线关系.

（3）随着混凝土抗氯离子渗透能力的提高，适宜的测试方法依次为RCM，ASTM C1202和ACR.当电通量大于3 000C 时，使用RCM 方法；当电通量在1 000～3 000C 之间时，使用ASTM C1202 方法；当电通量小于1 000C时，使用ACR 方法.

（4）混凝土抗氯离子渗透能力和抗压强度之间无简单的线性关系.矿物掺合料（粉煤灰和硅灰）掺入后，即使不能提高混凝土的抗压强度，也可显著提高混凝土的抗氯离子渗透能力.

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