混凝土抗氯离子渗透性快速测试方法的现状及展望.pdf

2 0 1 0 年 第 6 期 (总 第2 4 8 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No ． 2 4 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 PRACTI CAL TECHN0L0GY d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 4 1 混凝土抗氯离子渗透性快速测试方法的现状及展望 董素芬 ’ ，黄智德 ( 1 ．内蒙古科技大学 建 筑与土 木工程学 院 ，内蒙古 包头 0 1 4 0 1 0 ；2 ．山东交通科学研究所 ，山东 济南 2 5 0 0 2 3 ) 摘要： 从试验方法的发展历史、 原理 、 操作方法及相关试验方法应用中存在的问题等方面详细介绍了几种国内应用较多的混凝土抗氯 离子渗透性快速测试方法 。提出混凝土抗渗性能 的好坏及发展规律不 以试验方法的改变为转移 ， 并指 出暴露试验站 的建立将为试验方法 的研究 、 研发和改 良提供 宽广 的平 台。 关键词 ： 混凝土抗氯离子渗 透性 ；快 速测试方法 ；抗渗性 ；暴露试验站 中图分类号 ： T U5 2 8 ． O l 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 — 0 1 3 1 - 0 3 Pr e s en t s it ua t i on an d f or e c as t o f t he r a pi d t e s t i ng m e t hod f or me as ur e men t o f p ene t r a t i on of c hl or i ne i ons i n c onc r e t e DONG Su ． f e n ． H U ANG Zh i — d e ( 1 I n n e r Mo ng o l i aUn i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dTe c h n ol o g y， S c h o o l o fAr c hi t e c t u r e a n dCi v i l En g i n e e rin g， Ba o t o u 0 1 4 0 1 0， Ch i n a 2 ． S h a n d o n gC o mmu n i c a t i o n s S c i e n c eR e s e a r c hI n s i t i tut e ， J i n a n2 5 0 0 2 3 ， C h in a ) Abs t r ac t ： F r o m t h e d e ve l o p me n t h i s t o r y， p rin c i p l e s ， o pe r a t i o n me t h o d s ， a p p l i c a t i o n p r o b l e ms a nd S O o n o ft e s t me t h o d s ， we i n t r o d u c e i n d e t a i l s e v e r a l m o r e u s e d m e t h o ds i n o t l r C O H n t r y t o d e t e r m i n e t h e pe n e t r a t i o n o f c h l o rin e i o n s i n c o n c r e t e ．Th e n t h e v i e wp o i n t i s p r o p o s e d t h a t the p e n e t r a t i o no f c h l o ri nei o n si n c o n c r e t ewa sn o t t o c h a n g e a sthet r a n s f e ro ft e s tme t ho d s ， a n dt h e e s t a b l i s h m e n t o fe x p o s u r e s t a t i o nwi l l p r o v i d e ab r o a d p l a t f o r m f o r t h e t e s t me t h o d r e s e a r c h a n d d e ve l o p me n t a n d i mp r o v e me n t ． Ke y wor ds ： p e n e t r a t i o n o fc h l o r i ne i o n s i n c o n c r e t e ； r a p i d t e s t me t h o d； p e r me a b i l i ty； e x po s u r e s t a t i o n 0 引言 以跨海大桥 的兴建为标志 ， 海洋混凝土结构工 程得到 了划 时代的发展 ， 海工混凝土的耐久性亦随之成为混凝土界研究的 焦点 。 世界著名的混凝土专家P ．K．Me h t a 指出， 造成混凝土材料破 坏的最主要的原因包括钢筋锈蚀 、 冻融破坏、 碱集料反应 、 硫酸 盐侵蚀， 其中以钢筋锈蚀最为突出Ⅲ ， 这些破坏都与混凝土的抗 渗性有关。而海工结构的混凝土直接遭受 海水侵蚀或近海工程 遭受海雾的侵蚀等诸多现象均与 c l 一 渗透有关【 2 ] 。因此， 如何快 速 、 准确的测定 出混凝土的抗氯离子渗透性能对混凝 土结构 的 质量控制具有十分重要 的意义 。 目前有许多测试混凝 土氯离子渗 透 l生的试 验方法 ， 但主要 以外加 电场加 速扩 散 法为 主 。现 行 的快 速测 试方 法 主要 有 AS T M C1 2 0 2 ( 电量 ) 法 、 R C M 法和 N E L法。现从 方法 的发展 、 测试过程 以及存在的问题 等一一进行论述 。 1 试验 方法 简述 1 ． i 电量 法( A S T M C 1 2 0 2法 ) 作为一种外加 电场加速氯离子扩散试验方法 ， 该方法最初 由 Wh i t i n g [3 ~ 于 1 9 8 1 年发明， 所加电为直流电。这一方法最早被称 为快速氯离子渗透试验方法( R a p i d C h l o r i d e P e r me a b i l i t y T e s t ， 简 称 R C P T) 。 这一方法的原理是溶液中的离子在电场作用下渗透 速度加快， 使试验时间缩短。 它于 1 9 8 7年被美国公路运输局定 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 2 - 2 1 为标准试验方法 ， 即 A AS HT O T 2 7 7 ， 随后又被美国试验与材料 协会定为标 准试验方法 即 AS T M C 1 2 0 2 。此法试验装置见图 I 。 直流稳压电源 3 ~ X la C l 溶液 0 3 mo l／ LNa OH溶 液 图 1 电量法试验装置示意图 操作 方法 ： 将混 凝土试 件加 工成厚 度为 5 1 I T I I T I ， 直 径为 1 0 2 i i l i n的圆块， 在真空条件下进行饱水处理。然后固定在夹具 上 ， 两端 夹具所用溶液 分别 为 3 ％Na C 1 溶液( 阴极 ) 和 0 ． 3 mo l ／ L Na O H溶液 ( 阳极 ) ， 在 6 O V 的外加 电场 下 ， 每 隔一 定时间( 如 ： 3 0 rai n ) 记录一次 电流 ， 持续 6 h ， 由电流 一 时间函数 曲线计算通 过的总电量 ， 来评 价混凝土 的氯离子渗透性。评 定标准见表 1 。 表 1 电通量法测定混凝土抗渗性评定标 准 6 h总电量 ／ c 氯离子渗透性 > 4 0 0 0 2 0 0 0 - 4 0 0 0 1 O O O ～ 2 0 0 0 1 0 O ～1 0 0 0 <l O O T 司 由 低 很低 可忽略 1 ． 2 RCM 法 本试 验方法 在北 欧标 准 No r d t e s t NT B u i l d 4 9 2非稳态 电迁 移试验的基础上 ， 在试件处理方法 、 电压及测试时间上进行相 1 3l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 应的调整而得 ， 试验过程与 No r d t e s t N T B u i l d 4 9 2大致相同。 其操作方法为阁 ： 试验时将试件加工成直径为( 1 0 0 _+ 1 ) 1 T l r n ， 高度为( 5 0 + 2 ) l n l n的圆饼状物体 。经超声波洗浴后 ， 置于橡胶 套筒内， 如图 2 安置， 往装好试块的套筒内加入 0 ． 2 mo l ／ L的KO H 溶液约 3 0 0 mL后 ， 将配制好的 K OH与Na C 1 混合溶液( 含 5 ％ N a C I 的0 ． 2 m o l ／ L的KO H溶液) 注入有机玻璃槽内至内外液面 平齐。连接好电极 ， 打开开关仪器开始运行， 试验运行时间将根 据初始电流的大小由表 2确定。 表 2 初始 电流与试验时间的关 系 初始电流 ， 0 ／ mA 通 电试验时间 ／ h t o < 5 5 ~< 1 o <1 O 1 0~ 1 o <3 0 3 0~< ／ o<6 0 6 0~< 1 o <1 2 0 1 2 O≤， 0 1 6 8 9 6 4 8 2 4 8 4 通电完毕， 将试块取下劈开成两半， 先后喷涂显色指示剂和 O ． 1 mo l ／ L的Ag N O ~ 溶液， 测量氯离子渗透深度， 每半选 6个测 点取平均值为渗透深度， 采用式( 1 ) 计算氯离子扩散系数。 Dm~ ,o = 2 ． 8 7 2 1 0 ! d 二 ! ( 1 ) t 式中： D ． —． R C M法测得的混凝土氯离子扩散系数， m2 ／ s ； 卜阳极电解液初始和最终温度的平均值 ， K； ．j l ——试件高度， m； 厂氯离子扩散深度， m； 卜一 通 电试验时间， s ； 一 辅助变量 ， 为 3 ． 3 3 8 x 1 0 、 ／ 丽 。 橡胶套筒 KOH溶液 阳极板 试件 KO H + Na C I 溶液 阴极板 有机 玻璃支撑 有机 玻璃槽 图 2 R CM 测 定 仪 1 ． 3 NE L法 NE L法是清华大学路新瀛 教授基于离子扩散 和电迁移基 础上提出的试验方法。基本原理是[q ： 在 F i c k第二定律的基础 上， 把混凝土看成固体电解质 ， 那么带电粒子在混凝土中的扩 散系数与其偏电导满足 N e ms t ． Ei n s t e i n方程 ， N E L法通过将混 凝土试块真空饱盐， 使其氯离子的迁移数趋近于 1 ． 0 ， 并假认粒 子浓度为混凝土孔溶液中氯离子浓度或者所用盐溶液浓度 ， 通 过测定饱盐后的混凝土的电导率， 由N e r n s t -- E i n s t e i n方程推算得 出氯离子在混凝土中的扩散系数。 试样最小厚度可 以 自行确定 ， 但要大于一倍粗骨料最大粒 径， 推荐采用 5 0 m m厚的切片试件， 且上下表面平整且除去浮 浆层。待试样真空饱盐完毕， 擦干试样侧壁， 放于仪器两电极之 间， 连接渗透性电测仪主机与试样夹具的正负极， 接通测试主 机电源， 打开程序运行软件， 每个试样测试大约耗时几分钟。 1 ． 4 P E RMI T试验 方 法 P E R MI T离子迁移仪是由英国北爱尔兰贝尔法斯特女王 】 32 嚏 崮 ． [ 一 兰 ： 二一 二 ： ：J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 散性跟此不无关系。基于混凝土是一种多项的非匀质材料很难 进行系统 的研究 。 ( 3 ) NE L法和 P E R MI T试验方法 ： 作 为两种新 兴的试验方 法 ， N E L法 和 P E R MI T试 验方法有其独 特的优势 ： NE L法原理 清晰、 操作简单， 而 P E R MI T则可对实体结构保护层厚度做到 “ 无损” 检测。同时两种方法在应用上又各自存在一些问题： NE L 法溶液的配制、 测试中如何保证电极完全有效的接触试样以及 用来评定以低水胶比和大矿物掺合料为特征的海工高性能混凝 土( 尤其是长龄期 ) 时 区分度较小 ； P E R MI T试验方法的初衷是检 测实体结构的抗渗性， 测区相对较大且只能单点单独进行， 这对 以统计数据为要求的室内优选配合比试验是不合适的， 而针对 实体结构测试其也受到作业平台、 设备安全等一系列因素的困 扰。同时两种方法都还有待于工程应用 的进一步检验 。 3 改进及展 望 针对上述测试方法现存的问题， 许多研究人员在原有的基 础上对试 验方 法提出了改进意见 。如 ： 针对电量法可通过 降低 电压 、 延长通 电时间或者增加 冷却水槽 来降低 温升的影 响 ， 而 针对 R C M 法有些专家指 出氯离子渗透深度和显色深度 的关 系 有待进一步研究， 基于 P E R MI T试验方法本身给实体结构带来 的危害， 国内外正在进行“ 离子代换试验” 相关研究并取得了一 定的成果 。 作为应用史较长的电量法和 R C M 法将在很长一段 时间内 占据主导地位， 且将随着科研的发展和应用经验的积累而改进。 NE L法和 P E R MI T法的开发预示着测试方法正被人们 日益所 上接第 1 1 4页 表 8对拉压比影响的误差分 析 积率为0 ． o 5 5 ％~ ， 提高幅度最大， 比基准混凝土抗压强度提高 了 1 9 ． 1 ％， 当聚丙烯体积率增大到 0 ． 1 1 ％和 0 ． 1 6 5 ％n ,~， 抗压强 度分别提高了 1 1 ． 7 ％和 6 ％。当钢纤维体积率从 0 ． 5 ％增大到 1 ． 5 ％时 ， 抗压强度最大提高了 9 ． 5 ％。 对于劈拉强度 ， 聚丙烯体积率对影响最大， 钢纤维外形 、 钢 纤维体积 率次之 ， 钢纤维长径 比对抗压强度影响最小 。当聚丙 烯体积率为 0 ．0 5 5 ％时 ， 对劈拉强度提高最大 ， 达到了 2 6 ． 4 ％。 随 重视 ， 而评价方 法的优劣 只能通过 实践来判 断 ， 因为不同混凝 土抗渗性能 的好坏及 变化规律是 不随测试 方法 的不 同而转移 的。哪种快速试验方法测得 的结果与处于现实环境中的混凝土 渗透情况 相关性更好 、 更能真实 的表征混凝土的抗渗性有待解 决 。暴露 试验 站的建立无疑给此类快速测试方法 的研究 、 研发 和改 良提供 了越来越为宽广的平 台 ! 参考 文献： [ 1 ]ME H T A P K．D u r a b i l i t y - c r i t i c a l i s s u e s f o r t h e f u t u r e [ J ] ． C o n c r e t e I n t e r — n a t i o n al， 1 9 9 7 ， 1 9 ( 7 ) ： 2 7 — 3 3 ． [ 2 】 冯乃谦．氯离子渗透与高性能混凝土【 J 1 ． 施工技术， 1 9 9 5 ( 8 ) ： 4 4 — 4 5 ． [ 3 ]WH I T I N G D ． R a p i d me a s u r e m e n t o f t h e c h l o ri d e p e r me a b i l i t y o f c o n — c r e t e [ J ] ． P u b l i c R o a d s ， 1 9 9 6 ， 4 5 ( 1 2 ) ： 1 8 3 1 - 1 8 4 2 ． 『 4 1 C 1 2 0 2 - 2 0 0 7 ， S t a n d a r d t e s t m e t h o d f o r e l e c t ri c al i n d i c a t i o n o f c o n c r e t e s a b i l i t y t o r e s i s t c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n 1 [ S ] ． [ 5 ]混凝土结构耐久性设计与施工指南[ M 1 ． ] ℃ 京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 5 ： 3 7 — 4 2 ． [ 6 ]L U Xi n ～ y i n 昏 A p p l i c a t i o n o f t h e n e ms t - e i n s t e i n e q u a t i o n t o c o n c r e t e 【 J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 7， 2 7 ( 2 ) ： 2 9 3 — 3 0 2 ． 【 7 ]李志 勇 ， 姚佳 良 ， 张宇 ． 关于混 凝土抗渗 性试验 方法的研 究【 J ] _ 混凝 土 2 o 0 6 ( 2 ) ： 5 7 — 6 O ． 作者简 介 单位地址 联 系电话 董素芬( 1 9 8 5 一 ) ， 女， 硕士 ， 助教。 内蒙古包头市阿尔丁大街 7 号 内蒙古科技大学建工学院 ( 0 1 4 0 1 0 ) l 3 8 4 8 2 6 8 2 6 O 着钢 纤维体 积率 的增大 ， 高性 能混凝 土的劈拉 强度提高 ， 当钢 纤维体积率为 1 ． 5 ％时 ， 劈拉强度最大提高了 2 8 ％。 聚丙烯体积率对拉压 比影响最大， 钢纤维外形 、 钢纤维体 积率 、 钢纤维长径 比次之 。实测混 杂纤 维混凝 土的拉压 比比普 通高性能混凝土的拉压比普遍提高， 最高提高达 2 6 ． 2 ％， 平均提 高了 9 ． 9 ％。基准混凝土中加入长径比为 7 0 、 体积率为 1 ． 5 ％的 端钩形钢纤维和体积率为 0 ． 0 5 5 ％的聚丙烯纤维混杂时， 对高性 能混凝土增强增韧效果较优。 参考文献： [ 1 ] 邓宗才． 高性能合成纤维混凝土[ M ] ． 北京： 科学出版社， 2 0 0 3 ． [ 2 ]Y AO Wu ， L l J i e ， WU K e - r u ． Me c h a n i c a l p rop e r t i e s o f h y b ri d fi b e r r e — i n f o r c e d c o n c r e t e a t l o w f i b e r v o l u m e f r a c t i o n [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 ) ： 2 7 — 3 0 ， f 3 13 华渊． 纤维混杂效应的试验研究叨．混凝土与水泥韦 9 品， 1 9 9 8 ( 4 ) ： 2 1 _ 2 l 4 1 孙伟． 纤维混杂及其与膨胀剂复合对水泥基材料的物理性能的影 响⋯ ．硅酸盐学报， 2 0 0 0 ( 2 ) ： 9 5 — 1 0 4 ． f 5 】 冯乃谦． 高性能混凝土结构[ M ] _ ] ℃ 京 ： 机械工业出版社， 2 0 0 4 ． f 6 】 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 ， 纤维混凝土结构技术规程[ s ] ． 北京： 中国计划出版 社 ， 2 0 0 4 ． 【 7 】 刘胜兵， 徐礼华， 周健民． 混杂纤维高性能混凝土强度的正交试验[ J J _ 武汉理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 8 ) ： 5 - 9 ． 作者简介 单位地址 联系电话 刘富玲( 1 9 6 6 一 ) ， 女， 副教授， 硕士主要从事建筑材料方面 的研究。 北京市朝阳区石佛营东里 1 2 6 号字 2 - 4 0 1 ( 1 0 0 0 2 5 ) 01 0 -8 5 8 3 5 1 6 5 l 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m