对2种测试混凝土抗渗能力用非稳态氯离子迁移系数法的分析.pdf

2023 年 7 月（总第 441 期）36第 51 卷Vol.51第 7 期No.7铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL检验与认证INSPECTION AND CERTIFICATION收稿日期：2022-10-12基金项目：中国铁道科学研究集团有限公司标准计量研究所基金（BJ2022S11）作者简介：贾海涛，工程师；李文秀，高级工程师；李昊，工程师；杨帆，工程师；王辉，助理工程师0引言钢筋混凝土结构是主要的工程结构形式之一。氯离子渗透已成为钢筋混凝土结构劣化最常见的原因之一，因此，确定快速有效的测试混凝土抵抗氯离子渗透能力的方法和评价体系非常重要。中外学者通过几十年的不懈研究，设计出多种测试方法。按照氯离子的迁移状态，可分为非稳态迁移和稳态迁移。氯离子从负极溶液槽渗透，通过试件进入正极溶液槽，渗透速率未达到平稳状态时的迁移，称为非稳态迁移；达到平稳状态后，称为稳态迁移。按照试验条件，可将测试方法分为静态法、电加速法、电导法、气体渗透法和液体渗透法等1。通过理论分析与试验研究，系统对比 2 种常用非稳态氯离子迁移系数法之间的区别。1方法介绍1.1历史沿革非稳态氯离子迁移系数法的试验原理和方法，由唐路平等人于 1992 年在瑞典提出，当时简称 CTH（Chalmer 理工大学的瑞典文简称）法2，后被纳入北欧标准 NT Build 492非稳态迁移实验中的氯化物迁移系数3，此后普遍简称为 NTB 法。德国亚琛工业大学土木工程研究所（ibac）对该方法作了一些改动，形成新方法 ibac-test，后被欧盟项目 DuraCrete 采纳，引入混凝土耐久性设计指南，称为 RCM法4。至此，形成了 2 种方法，即 NTB 法和 RCM 法。GB/T 500822009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准5引用了 NTB 法（细节略有改动，为与 NTB 法相区别，GB/T 500822009 中将其称为 RCM 法）；JTG/T B07-012006公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范6引用了RCM 法。因此，分析非稳态氯离子迁移系数法的对 2 种测试混凝土抗渗能力用非稳态氯离子迁移系数法的分析贾海涛，李文秀，李昊，杨帆，王辉（中铁检验认证中心有限公司，北京 100081）摘要：氯离子渗透是钢筋混凝土结构劣化常见的原因之一，有必要研究快速有效的测试混凝土抵抗氯离子渗透能力的方法和评价体系。介绍非稳态氯离子迁移系数法 NTB 法和 RCM 法，分析二者之间的差异，通过对比溶液、参数、公式、试验结果，说明这 2 种测试方法的不同。虽然 NTB 法和 RCM 法的试验原理相同，但测试结果并不相同，建议相应的适用评判指标也应不同。关键词：混凝土；抗渗能力；非稳态氯离子迁移系数；NTB 法；RCM 法；对比中图分类号：U214.18文献标识码：B文章编号：1006-9178（2023）07-0036-05Abstract：Chloride ion penetration has become one of the common reasons for the deterioration of reinforced concrete structures.It is necessary to study a fast and effective method and evaluation system for testing the resistance ofconcrete to chloride ion penetration.The paper introduces the difference between NTB method and RCM method,andexplains the difference between the two test methods by comparing the liquor,parameters,formula and test results.Although the test principles of NTB method and RCM method are the same,the test results is very different.It is suggested that the applicable corresponding evaluation indexes should also be different.Keywords：Concrete;Impermeability;Non-steady-state Chloride Ion Migration Coefficient;NTB Method;RCMMethod;Comparison37铁道技术监督第 51 卷第 7 期测试原理，并比较 2 种方法版本的不同。1.2测试依据公式唐路平等人根据 Nernst-Planck 方程得出非稳态氯离子迁移系数法的计算公式。计算公式如下：Dnssm=RTZFExd-xdt。（1）其中，E=U-2L，=2RTZFEFerfc()1-2CdC0。式（1）中，Dnssm为氯离子非稳态扩散系数，m2/s；R 为气体常数，R=8.314 J/（Kmol）；T 为阳极溶液中初始、最终温度的平均值，K；Z 为离子价绝对值，对于氯化物，Z=1；F 为法拉第常数，F=9.648104J/（Vmol）；E 为试件所处电场中的单位长度电位，V/m；xd为氯离子渗透深度，m；为辅助变量；t 为试验持续时间，s；U 为施加的电压，V；L 为试件厚度，m；Ferfc为误差函数的逆函数；Cd为试件变色时的氯离子浓度，Cd0.07 mol/L；C0为阴极溶液中的氯离子浓度，NaCl 质量浓度为10%时，C0 2 mol/L（实为 C0=1.709 4 mol/L），NaCl 质量浓度为 5%时，C0=0.854 7 mol/L。这种方法配合试验可求得氯离子扩散系数（通常称迁移系数为扩散系数）。这种方法有较好的理论基础，试验操作简单，试验时间短，是目前在非稳态条件下最合适的试验方法7。1.3测试过程及原理利用外加电场，使试件外部的氯离子向圆柱体试件内部进行非稳态迁移。试验结束后，将试件沿轴向劈成 2 个半圆柱体，在新劈开的断面上，喷洒硝酸银溶液。根据生成的白色氯化银，测量氯离子渗透深度（显色深度），计算混凝土氯离子扩散系数8。试验装置如图 1 所示。试验槽支架阴极环箍橡胶筒直流稳压电源阴极溶液试件阳极溶液阳极2032图 1试验装置在劈开的试件断面喷洒 0.1 mol/L 浓度的硝酸银溶液，不含氯离子的部分逐渐变成棕黄色，是由于生成了氧化银沉淀；同时氯离子渗透部分逐渐变白，是由于生成了氯化银；78 min 后白色沉淀物变成紫黑色，是氯化银在光照下分解出银单质。这时颜色界限最清晰，可取点测量。喷洒硝酸银溶液前、后试件颜色如图 2 所示。喷洒前喷洒后图 2喷洒硝酸银溶液前、后试件颜色发生的化学反应如下：2AgNO3+2NaOH H2O+2NaNO3+Ag2O；2AgNO3+2KOH H2O+2KNO3+Ag2O；NaCl+AgNO3 NaNO3+AgCl；2AgCl Cl2+2Ag。1.4测试注意事项唐路平对试验操作注意事项的解释包括以下方面：为了避免因焦耳效应引起的温升导致扩散系数增大，将电压和电流的乘积（功率）控制在1 W2 W，这样可以将温升控制在 1 K2 K。出于对试验人员的安全考虑，试验电压最大只能加到60 V。驱动氯离子渗透的量取决于功率与时间乘积（电功）。以 24 h 为基础，即 24 Wh48 Wh的耗电量，渗透深度达到 10 mm20 mm。在一定电压条件下，测量电流大小，通过调节试验时间，使氯离子渗透进入试件的深度在 10 mm20 mm，计算此时的扩散系数，用以比较、评判混凝土的抗氯离子渗透能力。1.5测试结果评价条件路新瀛认为9，如果钢筋混凝土的使用寿命要求达到 100 年，混凝土保护层厚度不能小于25 mm。依据钢筋混凝土相关标准，一般规定使用年限较长或在氯盐环境下的混凝土保护层厚度都不小于 25 mm。可见，对于高耐久性混凝土，在氯离子渗透深度小于 25 mm 的状态下，扩散系数的大小才更有评价意义。38对 2 种测试混凝土抗渗能力用非稳态氯离子迁移系数法的分析检验与认证2NTB 法和 RCM 法对比2.1测试用溶液和试验参数（1）NTB 法中，阴极试验槽所用溶液是质量浓度为 10%的 NaCl 溶液，阳极试验槽所用溶液是摩尔浓度为 0.3 mol/L 的 NaOH 溶液；初始施加电压为 30 V，根据所测的初始电流调整试验电压，再根据新的电流选择试验持续时间，开展试验。NTB 法试验参数见表 1。初始电流 I0（30 V）/mAI055I01010I01515I02020I03030I04040I06060I09090I0120120I0180180I0360360I0施加电压 U（调整后）/V606060504035302520151010新初始电流 I1/mAI11010I12020I13025I13525I14035I15040I06050I17560I18060I19060I1120120I1试验持续时间 t/h96482424242424242424246功率/W0.6000.6001.2001.2001.8001.2501.7501.0001.6001.2251.7501.2001.8001.2501.8751.2001.6000.9001.3500.6001.2001.200耗电量/Wh57.628.857.628.843.230.042.024.038.429.442.028.843.230.045.028.838.421.632.414.428.87.2表 1NTB 法试验参数（2）RCM 法中，阴极试验槽所用溶液是含质量浓度为 5%NaCl 的 0.2 mol/L 浓度 KOH 溶液，阳极试验槽所用溶液是浓度为 0.2 mol/L 的 KOH 溶液；施加的电压恒定为 30 V。根据所测初始电流，选择试验持续时间，开展试验。RCM 法试验参数见表 2。表 2RCM 法试验参数初始电流 I2/mAI255I21010I23030I26060I2120720I2试验持续时间 t/h16896482484功率/W0.150.1500.3000.3000.9000.9001.8001.8003.6003.6耗电量/Wh25.214.428.814.443.221.643.214.428.814.4根据表 1 和表 2 可知，NTB 法和 RCM 法的耗电量分别在 7.2 Wh57.6 Wh 和 14.4 Wh43.2 Wh，说明试验方法设计中除了遵守的耗电量原则，还应通过大量试验，确定合理的试验持续时间，以保证氯离子渗透深度小于 25 mm。2.2公式化简2.2.1NTB 法NTB 法公式化简如下：E=U-2L，=2RTzFEerf-1()1-2CdC0=28.314T19.648104U-2Lerf-1()1-20.072=28.61710-5TLU-21.280.0238TLU-2。（2）在 NTB 法公式中，考虑到电路中的损耗，将U 减去 2 V，即式中的（U-2），这才是施加到试件两端的实际电压；z 为离子价绝对值，同 Z；erf-1为误差函数的逆函数，同 Ferfc；D 为氯离子非稳态扩散系数，同 Dnssm。将 E 和 代入式（1），有D=8.314T19.648104U-2Lxd-0.023 8TLU-2xdt=8.61710-5TL(U-2)t()xd-0.0238TLxdU-2。（3）为计算简便，改变部分参数的单位，T 由 K 改为，L 和 xd由 m 改为 mm，t 由 s 改为 h，得：39铁道技术监督第 51 卷第 7 期式（4）即 GB/T 500822009 中 7.1.8 条给出的经验公式，经验公式中的 Xd同式（4）中的 xd，DRCM同式（4）中的 D。在 GB/T 500822009 中，DRCM的单位是 10-12m2/s，式（4）中 D 的单位是m2/s。2.2.2RCM 法RCM 法公式化简如下：E=Uh=30h，=2RTzFEerf-1()1-2CdC0=28.314T19.64810430herf-1()1-20.070.8547=22.872 10-6Th 0.984 73.33810-3Th。（5）RCM 法中，未考虑施加电压在电路中的损耗，直接代入 30 V 电压进入计算；h 为试件厚度，同式（1）中的 L。将 E 代入式（1），有D=8.314 T1 9.648 10430hxd-xdt=2.87210-6Th()xd-xdt。（6）将 代入式（6），有D=2.87210-6Th()xd-3.338 10-3Thxdt。（7）JTG/T B07-012006 中给出的经验公式 A.5只化简到式（6），并未代入，而且参数的单位也未改变，计算时需要注意。2.3结果比较任意选择 8 批混凝土试件，每批试件的配比、龄期相同。取 6 块试件为一批，测试氯离子扩散系数，采用 NTB 法测试其中 3 块，采用 RCM 法测试另外 3 块。测试结果见表 3。D=8.617 10-5(273+T)L 10-3(U-2)t 3 600()xd 10-3-0.023 8(273+T)L 10-3 xd 10-3U-2=8.617 10-5(273+T)L 106 10-6(U-2)t 3 600()xd-0.023 8(273+T)LxdU-210-6=0.023 9(273+T)L(U-2)t()xd-0.023 8(273+T)LxdU-210-12。（4）序号12345678施加电压 U/VNTB 法6060603030252020RCM 法3030303030303030试验时间 t/hNTB 法9648242424242424RCM 法16896482424888渗透深度 xd/mmNTB 法20.221.314.014.121.325.825.530.8RCM 法12.815.711.912.119.212.814.322.2扩散系数 D/（m2/s）NTB 法1.1610-122.4610-123.1710-126.2710-129.7910-1214.4410-1217.8910-1221.9110-12RCM 法0.7910-121.7210-122.5710-125.2310-128.5210-1216.6610-1218.7410-1229.7710-12注：表中 xd和 D 均代表 3 个试件的平均值。表 3测试结果通过分析表 3 数据可知：试验持续时间 t 和渗透深度 xd对扩散系数 D 的影响最大，t 和 D 成反比，xd和 D 成正比。扩散系数小于 110-11m2/s时，NTB 法测得渗透深度数值大于 RCM 法测得数值；扩散系数大于 110-11m2/s 时则相反。扩散系数大于 110-11m2/s，NTB 法测得渗透深度数值与40对 2 种测试混凝土抗渗能力用非稳态氯离子迁移系数法的分析检验与认证RCM 法测得数值差异有扩大趋势。NTB 法和 RCM 法虽然试验原理相同，但采用的溶液、电压、试验持续时间、化简公式不同，造成试验结果有所差异。不过，2 种方法没有优劣之分，适用条件相同。TB/T 32752018铁路混凝土10规定了铁路混凝土技术要求、检验方法、配合比设计要求与施工要求。其中 5.5.2 条规定：氯盐环境下，混凝土抗氯离子渗透性能应满足表 23 的要求。在不同环境作用等级、不同设计使用年限下，不同等级养护龄期为 56 天的氯离子扩散系数在不大于310-12m2/s 至不大于 1010-12m2/s，试验方法按GB/T 500822009 执行。JTG/T B07-012006 是为了提高公路混凝土结构防腐蚀耐久性、保证工程质量而制定的。其中表 4.2.7 规定：在不同环境作用等级、不同设计使用年限下，不同等级养护龄期为 28 天的氯离子扩散系数在不大于 410-12m2/s 至不大于 1010-12m2/s。随着龄期增长，混凝土抗渗透性会显著提升，所以龄期为 56 天的试验结果会明显小于 28 天的结果，也就是说，JTG/T B07-012006 的判定指标严于 GB/T 500822009。若制定龄期 56 天的指标就会低于现在的 28 天指标值。依据 JTG/T B07-012006 判定，尽管数值偏高，但实际上技术要求是偏严的，一个是龄期的差异，一个是试验方法的差异。因此，不能仅关注测试数据，还需要关注混凝土试件的养护龄期以及采用的试验方法。3结语非稳态氯离子迁移系数法在混凝土工程领域有着广泛的应用价值。NTB 法和 RCM 法适用的溶液、电压、试验持续时间和化简公式不同。为避免出现混淆，对比分析 2 种方法，说明 2 种方法的联系与区别。另外，2 种方法得出的试验结果不同，建议适用的评判指标也应有所区别。由于判定指标是人为规定的，只有充分掌握试验方法所得结果的规律，才能使制定的判定指标更加合理有效。参考文献1 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R 成都：中国土木工程学会，20062 唐路平氯离子在混凝土中的输运测试、模拟及应用R深圳：中国土木工程学会、中国工程院，20043 非稳态迁移实验中的氯化物迁移系数：NT BUILD 492S 4 DureCrete BE 95-1347 Rapid chloride migration method（RCM），compliance testing for probabilistic design purposesS The European Union-brite Euram，19995 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准：GB/T 500822009S 6 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范：JTG/T B07-012006S 7 史才军，元强，邓德华，等混凝土中氯离子迁移特征的表征J 硅酸盐学报，2007，35（4）：522-5308 鞠赣华氯离子扩散系数试验研究与应用J 建材与装饰，2014（19）：267-2699 路新瀛Nernst-Einstein 方程在混凝土中的应用R 北京：清华大学土木工程系，199610 铁路混凝土：TB/T 32752018/XG12020S（编辑吴磊）国家轨道衡计量站首次成功组织实施计量专业项目考核工作依据注册计量师注册管理规定（国家市场监督管理总局 2022 年第 6 号公告）、北京市市场监督管理局关于做好注册计量师注册有关工作的通知（京市监函202256 号）等规定，国家轨道衡计量站作为注册计量师执业单位，首次成功组织实施计量专业项目考核工作。国家轨道衡计量站是依法授权的法定计量检定机构，可作为注册计量师执业单位自行组织考核，在遵循公平、公开、公正、诚信的原则下，多次召开会议讨论并制定了计量专业项目考核管理制度 计量专业项目考核工作程序等管理制度和工作程序，建立健全责任制度，严守计量专业项目考核的严肃性和公信力。2023 年 1 月 29 日5 月 31 日，国家轨道衡计量站组织开展了首次计量专业项目考核并取得圆满成功。这次计量专业项目考核涵盖力学和铁路专用测量仪器 2 大计量类别，包括铁道货车超偏载检测装置、天平、砝码、大质量比较仪、标准轨道衡及轨道衡检衡车、自动轨道衡、静态称量轨道衡、标准超偏载检测装置及超偏载装置计量车 8个子项目，涉及 26 人。考核形式为计量专业理论知识考核与计量专业实际操作考核。考核结束后，已将相关材料报送至北京市市场监督管理局。2023 年度计量专业项目考核工作的成功组织实施，是国家轨道衡计量站积极响应上级市场监督管理部门号召，加大力度落实政策，认真履行承担法定计量检定机构职责的切实举措。这次组织实施计量专业项目考核工作，一方面，为国家轨道衡计量站积累了经验；另一方面，有助于提高计量专业项目考核工作效率，适应以信用监管为基础的新型监管机制，为进一步推动计量人才队伍建设作出贡献。摘编自国家轨道衡计量站微信公众号