混凝土氯离子抗渗性测试法研究现状与未来

苏 鹏 杜留杰

(商丘学院土木工程学院，河南 商丘 476000)

1 引言

自混凝土结构产生以来，至今已有数百年历史。随着建筑业的发展，工程中发现许多沿海城市建筑建成后不久，在远低于设计使用年限前就因为耐久性原因而出现结构损伤和局部破裂。结构在设计使用年限内，出现耐久性失效，不仅影响人们生活质量，而且会造成数倍于原建筑投资费用的损失。

世界著名专家p.K.Metha指出，混凝土材料破坏的最突出的是钢筋锈蚀，而此与混凝土抗渗性有关。而海工结构的混凝土直接遭受海水侵蚀或遭受海雾的侵蚀等诸多现象与氯离子渗透有关。因此，快速、准确的测定出混凝土的抵抗氯离子的渗透性能对于混凝土的耐久性防护具有十分重要的意义。

氯离子渗透进入混凝土材料本身是一个很复杂的过程，其中包括通过孔结构和毛细孔的自然渗透、毛细水吸力、扩散作用和电化学迁移，并且还伴随着物理吸附和化学结合作用。除此之外，其他离子成分也会进入到混凝土材料中。那么在混凝土的孔隙液中，不平衡的化学离子会产生静电势差，从而会引导氯离子的扩散。

自从1980年早期，为了研究氯离子扩散进入混凝土的机理，世界各地的实验机构和研究领域的专家开展了许多不同的实验研究方法。

2 试验方法及存在的问题

2.1 离子自然扩散

对于离子自然扩散，当前有两大主流测试法被普遍用来测试氯离子渗透混凝土。一个是盐池实验法(AASHTO T259 or ASTM C1543)，另一个是容积扩散实验法(Nordtest NT Build 443 or ASTM C1556)。

图1 AASHTO T259实验图

图2 NT Build443 实验图

然而这两种方法对测试周期时间的消耗是巨大的。尤其对于高性能混凝土，为了使混凝土内部扩散足够的氯离子浓度，两种试验周期可能会持续90d甚至更久。

2.2 混凝土氯离子快速扩散性能测试法(Rapid chloride permeability，RCp)和非稳态混凝土氯离子快速迁移测试法(Rapid chloride migration，RCM)

为了减少实验测试周期，离子扩散基于电化学扩散测试法被发明了出来，其中包括混凝土氯离子快速扩散性能测试法(Rapid chloride permeability，RCp)和非稳态混凝土氯离子快速迁移测试法(Rapid chloride migration，RCM)。

图3 3RCp实验图

RCp最初是由Whiting在1981年提出，此方法主要通过直接测定混凝土的电导率或间接测定电阻率从而推定混凝土氯离子的抵抗能力。先后被美国公路运输局和美国试验与材料协会采纳为(AASHTO T277)和(ASTM C1202)标准。这种方法的主要弊端是电导率或电阻率的测试结果并不能准确的反映氯离子的扩散性能，因为氯离子在混凝土中的扩散性能主要取决于混凝土的孔结构，然而电导率或电阻率不仅仅取决于混凝土的孔结构而且还与混凝土孔隙液的导电性有很大关系。当测试混凝土中如果含有粉煤灰、硅灰、大比例的减水剂或者添加剂的时候，测试结果和真实值会有很大的偏差。

图4 RCM实验图

RCM测试法是由唐路平和Nilsson在CTH高校提出，而后分别被Nordtest和AASHTO采纳为NT Build492和试行标准Tp64。RCM测试法大体上类似于RCp测试法，然而RCM采用的是直接测量氯离子的渗透深度取代了RCp的总传递电量从而表征氯离子的渗透性能。但是RCM测试法在计算氯离子扩散系数的时候需要氯离子在混凝土中的渗透深度，而这是很难测定的。在目前操作规程中，测定深度依赖于一维扩散系数方程的解即理论上混凝土内部氯离子渗透面的浓度曲线来预测。然而有关研究发现RCM测试法中的混凝土氯离子浓度曲线测定值与理论上的浓度曲线预测值有较大的差距。除此之外RCM实验要求混凝土内部不含氯离子。如果在实验之初混凝土内部已经含有氯离子，在RCM的实验过程中，内部氯离子将产生两种作用：①在电场环境下它们会发生迁移；②它们也和指示剂反应。这两种作用会影响到RCM实验结果的准确性，严重时采用RCM的实验方法将不能测出氯离子扩散系数。

3 实验改进与未来

对于上述实验存在的问题，一些学者专家提出了改进的意见。如：通过研究元素周期表，发现氯离子和碘离子具有极其相似的特性，那么将电迁移离子用碘离子替代氯离子(因为混凝土本身和侵蚀过程中并不含碘离子)，并且将RCM显色方法依据碘离子显色进行改进，最终形成了RIM(Rapid Iodine Migration)混凝土碘离子扩散系数快速测定方法。此方法对于混凝土氯离子抗氯离子渗透系数测定精度大大提高。另外也有专家学者建立了暴露站，利用真实环境下混凝土侵蚀，为准确的测定实验数据提供了方便。

[1] MEHTA p K.Durability-critical issues for the future[J].Concrete international，1997,19(7):27-33.

[2] 冯乃谦.氯离子渗透与高性能混凝土[J].施工技术，1995，(8):44-45.

[3] G.K.Glass,N.R.Buenfeld,The influence of chloride binding on the chloride-induced corrosion risk in reinforced concrete,Corros, Sci,2000，(42):324-344.

[4] A.Delagrave,J.Marchand,J.p.Olliver,S.Julien, K.Hazarati, Chloride binding capacity of various hydrated cement system,Adv.Cement Based Mater，1997，(6):28-35.

[5] L.Y.Li,C.L.page,Modelling of electrochemical chloride extraction from concrete:influence of ionic activity coefficents, Comput.Mater.Sci，1998，(9):303-308.

[6] L.Y.Li,C.L.page,Finite element modelling of chloride removal from concrete by electrochemical method, Corros.Sci，2000，42(12)：2145-2165.

[7] AASHTO T 259,Standard Method of test for Resistance of Concrete to Chloride Ion penetration, American Association of states highway and Transportation Officials, Washinton,2003.

[8] ASTM C1543,Standard test method for determining the penetration of Chloride Ion into Conrete by ponding,ASTM International,West Conshohocken,pA,2010.

[9] NT Build 443,Concrete, Hardened:Accelerated Chloride penetration,Nordtest Method, 1995,helsinfors.

[10]ASTM C1556,Standard test Method for Determining the Apparent Chloride Diffusion Coefficient of Cementitious Mixtures by Bulk Diffusion,ASTM International, West Conshohocken, pA,2011.

[11]Dr.Whiting.Rapid measurement of the chloride permeability of concrete[J].public Roads,1981,45(3):101-112.

[12]AASHOTO T 277.Standard Method of Test for Rapid Determination of the Chloride permeability of Concrete, American Association of States Highway and Transportation Officials, Washinton,1983.

[13]ASTM C 1202,Standard test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion penetration, American Society for Testing and Materials,philadelphia,1994.

[14]L.tang,L.O.Nilsson.Rapid determination of the chloride diffusivity in concrete by applying an electrical field[J].ACI Materials Journal,1991,89(1)：49-53.

[15]AASHTO Tp 64-03,Standard Method of test for prediction of Chloride penetration in Hydraulic Cement Concrete by the Rapid Migration procedure,American Association of State Highway and Transportation Officials,Washington,2003.

[16]C.C.Yang,C.T.Chiang,Relation between the chloride migration coefficients of concrete from the colorimetric method and the chloride profile method,J.Chin.Inst.End，2013，32(6):801-809.

[17]p.Spiesz,M.M.ballari,H.J.H.Brouwers, RCM:a new model accounting for the non-linear chloride binding isotherm and the non-equilibrium conditions between the free and bound-chloride concentrations,Constr.Build.Mater，2012，27(1):293-304.

[18]S.Zofia,Z.Adam,Theoretical model and experimental tests on chloride diffusion and migration processes in concrete, procedia Eng，2013，(57)：1121-1130.

[19]苏鹏.混凝土碘离子扩散系数试验方法研究[D].深圳：深圳大学，2016.