混凝土电通量试验方法分析

贾海涛，侯帅，张功辉，曲承伟，陶立强，王乾

（中铁检验认证中心铁道建筑检验站，北京 100016）

混凝土电通量试验方法分析

贾海涛，侯帅，张功辉，曲承伟，陶立强，王乾

（中铁检验认证中心铁道建筑检验站，北京 100016）

电通量法是目前国内外普遍使用的评价混凝土抗氯离子渗透性能的试验方法，作者认为试样在电池盒中的固定方式对试验结果影响很大。4 种固定方式下，试样与溶液的接触面大小都不同：垫圈＜低粘＜圆环＜高粘。接触面小，电通量也就小。还是使用内径90mm橡胶圆环的方法更为合理。

电通量；混凝土；抗氯离子渗透性能；固定方式

0 前言

氯离子渗透进入混凝土结构中，使混凝土孔隙中溶液 pH 值降低，对钢材造成腐蚀，且腐蚀扩展迅速，最终使钢材与混凝土脱离，结构受力破坏。尚未达到使用年限的混凝土结构破坏，会造成巨大的经济损失。电通量法是目前国内外常用的评价混凝土抗氯离子渗透性能的试验方法，该方法为美国材料试验协会所制定，即ASTM C1202-12《混凝土抗氯离子渗透性标准试验方法》[1]，国标 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[2]7.2 中引用了此方法。

不过该方法也存在诸多不足，中外学者发表了很多相关研究成果。如“试件在测试中电学特性的变化、电极反应、焦耳热效应、测试设备的精度和数据采集的频次等”[3]，这些对试验结果的精确性造成了影响。但也指出，该方法作为通行标准，适用于评价所测电量在1000～3000C 的混凝土抗渗透性，且试验操作简单快捷。

本文主要分析了该方法的试验测试原理、操作过程，通过试验对比了试验数据的稳定性，作者认为试样在电池盒（GB/T 50082—2009 中称为试验槽）中的固定方式对试验结果影响很大。

1 试验方法简述

1.1 试验原理

将制好的混凝土试样放在饱水机中饱水，使试样中的空气充分排出，水分充满混凝土中的毛细管路，打通离子可以通过的溶液通道。然后把试样装入电池盒固定，电池盒正极注入 0.3N 的 NaOH 溶液，负极注入3% 的 NaCl 溶液，试验中通入 60V 直流电，通电时间为 6h，负离子带电向正极移动，通过混凝土试样，记录通过的电量，即所测电通量。

1.2 化学反应

通电后，主要发生的化学反应是电解反应：

NaCl 溶液：

NaOH 溶液：氢氧根离子数并未改变，所以实质是电解水。

正离子有 H+和 Na+，负离子有 Cl-和 OH-。通电后，离子受电极吸引通过试样中的溶液通道，正离子向负极移动，负离子向正极移动，离子的移动形成电流通路，这是能测试出电通量的原因。可以看出，电通量并不只是 Cl-移动的结果，虽说试验名称叫 Cl-渗透试验，但试验测试的是总电导值，记录全部离子移动的情况，并不单是氯离子的。试验结果判定指标值的高低是人为规定的。

1.3 电路图

电路连接图中（见图 1），电通量测量部分是由100mV 分流电阻并联 200mV 量程电压表组成，电阻可以保护电压表不被电流击穿，同时已知电阻的阻值，就能计算电流值。测得电压÷已知电阻=电流，电流×时间=电量，即所测电通量。这里指出，ASTM 标准中所说 100mV 电阻的阻值为 0.01Ω，应为刊误，GB/T 50082 条文说明 7.2.2 节第 2 条 4）中说，电阻的阻值为1Ω，这个数值应该是合理的。

1.4 简化公式

ASTM 标准中有个简化公式 Q=900(I0+2I30+2I60+…+2I300+2I330+I360)，是为测试时只能测得电流值的情况下使用。该公式是对测试结果曲线面积的拟合公式，避免了使用积分计算面积的复杂方法。对于直径不是95mm（以下尺寸都以毫米计，不使用英寸）的试样，还要把实际直径和电通量测试值代入下面的折算公式QS=Qx×(95/x)2，则能折算成 95mm 试样的电通量值。就是说，电通量值是以 95mm 试样（ASTM 标准要求试样直径为 95～102mm）的测值为基准的，以此作为判定比较的依据。此折算公式说明，试样直径的大小与电通量的大小成正比，试样直径大，电通量值就大。

图 1 电路连接图

2 试验分析

试验中使用的混凝土试样，是以同一配比、同时成型、同条件养护的 150mm 试件，钻芯、切取出直径100mm、高 50mm 的试样，每个 150mm 试件切取出2 个试样。编号规则：150mm 试件用 A、B、C……表示，每个试件上切取出的 2 个试样用 A1 和 A2、B1 和B2、C1 和 C2……区别分组，进行的不同试验。

2.1 测试用溶液的作用

NaCl 溶液的作用当然是提供 Cl-；NaOH 溶液的作用呢，一些文献中说，是提高导电效率、防止 pH 值降低。下面就通过试验验证一下。试验用两组 6 个试样，第 1 组：A1、B1、C1 试样装入的电池盒，正极都注入NaOH 溶液，负极都注入 NaCl 溶液。第 2 组：A2 试样装入的电池盒，正负极都注入清水；B2 试样装入的电池盒，正极注入 NaOH 溶液，负极注入清水；C2 试样装入的电池盒，正极注入清水，负极注入 NaCl 溶液。电池盒采用国内流行使用的产品（有能力的厂家开发出产品后，就在国内通用了），表 1 为试验数据。

表 1 改变溶液的影响

B2 比 B1、C2 比 C1 的电通量都低 200 多库仑，A2比 A1 的电通量低 500 多库仑，可见，NaOH 溶液确实提高了导电效率，占总电导值（即电通量）的一部分；而且即使没有溶液，水也能够起到导电作用，这是因为水电解出的离子，可以通过试样导电。试验后，观察到A2 和 C2 的电池盒阳极、试样接触面都附着有蓝色物质（见图 2），显然是产生的氧气使其变蓝，证明确实是发生了电解反应；而其它试样没有出现，说明只在酸性环境，产生的氧气量才足够使其变色。

两组试样的阴极溶液 pH 值都上升了，这是阴极电解产生了 OH-。A2 和 C2 的阳极溶液 pH 值降低，是因为产生的 H+，B2 的阳极溶液 pH 值也降低了，但还维持在碱性，说明 NaOH 溶液保持了阳极的碱性环境。

图 2 附着的蓝色物质

2.2 固定方式的影响

“混凝土中氯离子的迁移方式主要有对流、毛细管吸附作用、扩散、热迁移和电迁移等。扩散作用是多数情况下的主要方式。”[4]显然，Cl-不是直线从混凝土试样中通过的，而是通过毛细孔道扩散开来。那么，混凝土试样与溶液接触面的大小会不会影响电通量值的大小呢？

先来比较一下 ASTM 标准中，试样的三种固定方式的区别：（1）采用低粘度密封胶，胶涂在铜垫片 90mm（所垫滤纸直径为 90mm）以外的范围，即试样与金属（铜垫片和铜网电极）的接触面直径是90mm，与溶液的接触面直径是＞75mm（铜垫片内径是 75mm）。为什么是大于呢？因为两半电池盒与试样用螺栓夹紧，夹紧后，无法保证试样与铜垫片之间没有溶液渗流过来，准确的接触面积也不能确定，而密封胶的作用正是为了阻止溶液渗流到外面，所以试样与溶液的接触面直径应是 75～90mm 之间。（2）采用高粘度密封胶，胶涂在铜垫片与试样接触的外边缘，即试样与金属的接触面直径是 100mm（试验中所用试样直径为 100mm），与溶液的接触面直径是 75～100mm之间（原因同上）。（3）采用橡胶垫圈，垫圈内径75mm、外径 100mm，可确定不存在渗流问题，则与溶液的接触面直径是 75mm，不过垫圈厚 6mm，夹紧后垫圈会压扁变宽，所以与溶液的接触面直径应是＜75mm。

国内流行使用的电池盒采用圆截面橡胶圆环固定（见图 3），圆环内径为 90mm，直径 5mm，因为圆环很硬，夹紧后无法完全压扁，所以试样与溶液的接触面直径实际是 92mm 左右。

图 3 国内使用的电池盒

这 4 种固定方式下，试样与溶液的接触面大小都不同：垫圈＜低粘＜圆环＜高粘。对电通量值会有多大影响呢？为了进行比较，按 ASTM C1202-12 标准中的尺寸要求，加工了 3 套电池盒（见图 4）。试验中使用的溶液，按标准要求。编号：第 3 组 D1、E1、F1 使用国内电池盒；第 4 组使用 ASTM 标准电池盒，D2 采用低粘度密封胶，E2采用高粘度密封胶，F2 采用橡胶垫圈。试验装置见图 5，试验数据见表 2。

图 4 ASTM 标准的电池盒

D2 比 D1 的电通量略低，E2 比 E1 的电通量略高，试样与溶液的接触面大小差距不是太大，所以影响不是很明显；F2 比 F1 的电通量低 200 多库仑，F2 比 F1 的接触面小很多，并且第 4 组的电通量值 F2＜D2＜E2，可见，溶液接触面对电通量值的影响。接触面小，电通量也就小，而且，接触面大小越接近试样截面尺寸（即直径），对电通量值的影响越小。

图 5 使用 ASTM 标准电池盒的试验装置

表 2 固定方式的影响

GB/T 50082—2009 标准中要求只使用内径 75mm橡胶垫圈这种固定方式，而实际国内使用的电池盒，它的橡胶圆环内径是 90mm，哪个更合理呢？笔者认为：既然以整个试样截面通过的电通量作为判定的依据，那就应该让整个截面都与溶液接触。那么，利用第 3组的 3 个试样，再做第 5 组试验。使用 GB/T 50082—2009 标准 7.1 快速氯离子迁移系数法中的电池盒，这样就能使试样截面与溶液完全接触了，试验所用溶液还按电通量法的要求，试验装置见图 6。试验测得：D1 为1631C、E1 为 1719C、F1 为 1647C，比第 3 组试验结果略高，差距不大。所以，还是使用内径 90mm 橡胶圆环的方法更为合理。

图 6 使用 GB/T 50082 规定的电池盒的试验装置

3 结论

第 4 组电通量值的波动明显大于第 3 组，显然，ASTM 标准中三种固定方式所得电通量值并不能保持一致性；且采用密封胶的方式时，溶液渗流的范围不能固定，那么电通量值也就不能保持稳定性。国内电池盒则能避免上述问题，且与使用密封胶方式时的电通量很接近，也就是能达到试验检测的目的。

ASTM 标准为什么要规定铜垫片和橡胶垫圈的内径为 75mm 呢？是要让试样与溶液的接触面直径为 75mm吗？如果是，那就应该把密封胶涂在 75mm 范围以外，否则是无法做到的。

另有一点需要指出，机型比较旧的电通量测定仪，根据国内电池盒使用的橡胶圆环内径为 90mm，就在程序编写中，把试样直径设定为 90mm 且不能修改，并把测试值代入折算公式计算最终电通量值。这样等于把测试值放大，没有正确理解标准，应该把试样实际直径代入公式才对。这是因为 Cl-是以扩散形式通过试样，通过的截面并不限于 90mm 那一部分，而是通过整个试样截面。比如，现在是以 100mm 试样做试验，就应该把100mm 代入折算公式，这样测试值就会缩小，得出最终电通量值。

[1] ASTM C 1202-12．混凝土抗氯离子渗透性标准试验方法[S]．

[2] GB/T 50082—2009．普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S]．

[3] 路新瀛，王晓睿，张华新． ASTM C1202 实验方法浅析[J]．工业建筑，2004.4∶ 89-91．

[4] 史才军，元强，邓德华，等．混凝土中氯离子迁移的试验和计算方法综评[C]．混凝土工程耐久性研究和应用[A]，2006∶ 411-423．

［通讯地址］北京市朝阳区酒仙桥北路 1 号 铁科院东郊分院（100016）

贾海涛（1983—），男，就职于单位中铁检验认证中心，本科，工程师。