混凝土氯离子渗透性能的实验分析
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摘要:混凝土结构钢筋锈蚀容易引起混凝土耐久性下降，其主要原因是因氯离子渗入混凝土中。氯离子的渗透性能是评价混凝土抗渗透性的一个重要参数。下面就混凝土氯离子渗透性能的试验展开分析，并得出了几点有益的结论。
关键词:混凝土；耐久性；配合比设计；氯离子；渗透性
中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：
钢筋混凝土构筑物常因氯化物污染而导致钢筋锈蚀，从而耐久性下降,给国民经济和人民的生命安全带来了巨大损失。混凝土的渗透性是评价混凝土质量好坏和混凝土耐久性的重要指标，混凝土渗透性的检测广泛应用于混凝土工程耐久性设计、混凝土配合比设计、施工质量波动控制与验收、钢筋混凝土服务寿命预测等。目前，国内外主要通过测定氯离子在混凝土中的渗透参数来检测混凝土渗透性并用以评价混凝土的耐久性和使用寿命，而混凝土氯离子渗透性能测试方法也成了研究热点。
1 混凝土氯离子渗透性的试验分析
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)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：50mm厚，100mm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0.3molNaOH，在60V的外加电场下持续通电6h，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。
(2)渗透系数(RCM)法
渗透系数(RCM)法是TangLuping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，TangLuping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30V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)初始电流和电通量
共进行了59个电通量试验，龄期7～190d，强度等级C35～C50。图1为电通量与初始电流的统计分析结果。
图1 初始电流-电通量关系
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。
(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。
图2 渗透系数-电通量关系
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。
图3 渗透(电通量后)-电通量关系
图4 渗透(电通量后)-渗透关系
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。
(3)电通量和渗透试验时两者初始电流值的关系
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60V，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30V。图5是同一试件用电通量法分别测30V和60V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60V的试验电压时，可以用图5中的线性方程换算成30V时的初始电流。
图5 电通量试验时电压与初始电流关系
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(30V)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。
图6 电通量和渗透(30V)试验时的初始电流对比
(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。
图7 电通量和龄期的关系
图8 渗透系数(电通量试验后)和龄期的关系
2 结果与讨论
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。
图9 RCM法渗透试验时的初始电流计算电通量和实测电通量对比
5)可以采用图7和图8的线性方程式来预测混凝土不同龄期的电通量和渗透系数，以满足施工进度和提前质量控制要求。
6)建议采用综合法进行电通量和渗透试验，即：试验采用RCM法渗透试验的介质和装置，试验时间和电压统一为6h和60V，并测定初始电流，用初始电流计算电通量，用劈裂法测定渗透系数，从而使两者统一。
参考文献
[1] 王晓冬;张鹏;赵铁军.混凝土氯离子渗透性试验方法综述[J].工程设计与建设,2005年05期
[2] 孟振亚;刘加平;刘建忠;郭飞.氯离子浓度对混凝土电通量试验中测试指标的影响[J].混凝土,2008年12期