混凝土電通量試驗方法分析

賈海濤，侯帥，張功輝，曲承偉，陶立強，王乾

（中鐵檢驗認證中心鐵道建筑檢驗站，北京 100016）

混凝土電通量試驗方法分析

賈海濤，侯帥，張功輝，曲承偉，陶立強，王乾

（中鐵檢驗認證中心鐵道建筑檢驗站，北京 100016）

電通量法是目前國內外普遍使用的評價混凝土抗氯離子滲透性能的試驗方法，作者認為試樣在電池盒中的固定方式對試驗結果影響很大。4 種固定方式下，試樣與溶液的接觸面大小都不同：墊圈＜低粘＜圓環＜高粘。接觸面小，電通量也就小。還是使用內徑90mm橡膠圓環的方法更為合理。

電通量；混凝土；抗氯離子滲透性能；固定方式

0 前言

氯離子滲透進入混凝土結構中，使混凝土孔隙中溶液 pH 值降低，對鋼材造成腐蝕，且腐蝕擴展迅速，最終使鋼材與混凝土脫離，結構受力破壞。尚未達到使用年限的混凝土結構破壞，會造成巨大的經濟損失。電通量法是目前國內外常用的評價混凝土抗氯離子滲透性能的試驗方法，該方法為美國材料試驗協會所制定，即ASTM C1202-12《混凝土抗氯離子滲透性標準試驗方法》[1]，國標 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[2]7.2 中引用了此方法。

不過該方法也存在諸多不足，中外學者發表了很多相關研究成果。如“試件在測試中電學特性的變化、電極反應、焦耳熱效應、測試設備的精度和數據采集的頻次等”[3]，這些對試驗結果的精確性造成了影響。但也指出，該方法作為通行標準，適用于評價所測電量在1000～3000C 的混凝土抗滲透性，且試驗操作簡單快捷。

本文主要分析了該方法的試驗測試原理、操作過程，通過試驗對比了試驗數據的穩定性，作者認為試樣在電池盒（GB/T 50082—2009 中稱為試驗槽）中的固定方式對試驗結果影響很大。

1 試驗方法簡述

1.1 試驗原理

將制好的混凝土試樣放在飽水機中飽水，使試樣中的空氣充分排出，水分充滿混凝土中的毛細管路，打通離子可以通過的溶液通道。然后把試樣裝入電池盒固定，電池盒正極注入 0.3N 的 NaOH 溶液，負極注入3% 的 NaCl 溶液，試驗中通入 60V 直流電，通電時間為 6h，負離子帶電向正極移動，通過混凝土試樣，記錄通過的電量，即所測電通量。

1.2 化學反應

通電后，主要發生的化學反應是電解反應：

NaCl 溶液：

NaOH 溶液：氫氧根離子數并未改變，所以實質是電解水。

正離子有 H+和 Na+，負離子有 Cl-和 OH-。通電后，離子受電極吸引通過試樣中的溶液通道，正離子向負極移動，負離子向正極移動，離子的移動形成電流通路，這是能測試出電通量的原因。可以看出，電通量并不只是 Cl-移動的結果，雖說試驗名稱叫 Cl-滲透試驗，但試驗測試的是總電導值，記錄全部離子移動的情況，并不單是氯離子的。試驗結果判定指標值的高低是人為規定的。

1.3 電路圖

電路連接圖中（見圖 1），電通量測量部分是由100mV 分流電阻并聯 200mV 量程電壓表組成，電阻可以保護電壓表不被電流擊穿，同時已知電阻的阻值，就能計算電流值。測得電壓÷已知電阻=電流，電流×時間=電量，即所測電通量。這里指出，ASTM 標準中所說 100mV 電阻的阻值為 0.01Ω，應為刊誤，GB/T 50082 條文說明 7.2.2 節第 2 條 4）中說，電阻的阻值為1Ω，這個數值應該是合理的。

1.4 簡化公式

ASTM 標準中有個簡化公式 Q=900(I0+2I30+2I60+…+2I300+2I330+I360)，是為測試時只能測得電流值的情況下使用。該公式是對測試結果曲線面積的擬合公式，避免了使用積分計算面積的復雜方法。對于直徑不是95mm（以下尺寸都以毫米計，不使用英寸）的試樣，還要把實際直徑和電通量測試值代入下面的折算公式QS=Qx×(95/x)2，則能折算成 95mm 試樣的電通量值。就是說，電通量值是以 95mm 試樣（ASTM 標準要求試樣直徑為 95～102mm）的測值為基準的，以此作為判定比較的依據。此折算公式說明，試樣直徑的大小與電通量的大小成正比，試樣直徑大，電通量值就大。

圖 1 電路連接圖

2 試驗分析

試驗中使用的混凝土試樣，是以同一配比、同時成型、同條件養護的 150mm 試件，鉆芯、切取出直徑100mm、高 50mm 的試樣，每個 150mm 試件切取出2 個試樣。編號規則：150mm 試件用 A、B、C……表示，每個試件上切取出的 2 個試樣用 A1 和 A2、B1 和B2、C1 和 C2……區別分組，進行的不同試驗。

2.1 測試用溶液的作用

NaCl 溶液的作用當然是提供 Cl-；NaOH 溶液的作用呢，一些文獻中說，是提高導電效率、防止 pH 值降低。下面就通過試驗驗證一下。試驗用兩組 6 個試樣，第 1 組：A1、B1、C1 試樣裝入的電池盒，正極都注入NaOH 溶液，負極都注入 NaCl 溶液。第 2 組：A2 試樣裝入的電池盒，正負極都注入清水；B2 試樣裝入的電池盒，正極注入 NaOH 溶液，負極注入清水；C2 試樣裝入的電池盒，正極注入清水，負極注入 NaCl 溶液。電池盒采用國內流行使用的產品（有能力的廠家開發出產品后，就在國內通用了），表 1 為試驗數據。

表 1 改變溶液的影響

B2 比 B1、C2 比 C1 的電通量都低 200 多庫侖，A2比 A1 的電通量低 500 多庫侖，可見，NaOH 溶液確實提高了導電效率，占總電導值（即電通量）的一部分；而且即使沒有溶液，水也能夠起到導電作用，這是因為水電解出的離子，可以通過試樣導電。試驗后，觀察到A2 和 C2 的電池盒陽極、試樣接觸面都附著有藍色物質（見圖 2），顯然是產生的氧氣使其變藍，證明確實是發生了電解反應；而其它試樣沒有出現，說明只在酸性環境，產生的氧氣量才足夠使其變色。

兩組試樣的陰極溶液 pH 值都上升了，這是陰極電解產生了 OH-。A2 和 C2 的陽極溶液 pH 值降低，是因為產生的 H+，B2 的陽極溶液 pH 值也降低了，但還維持在堿性，說明 NaOH 溶液保持了陽極的堿性環境。

圖 2 附著的藍色物質

2.2 固定方式的影響

“混凝土中氯離子的遷移方式主要有對流、毛細管吸附作用、擴散、熱遷移和電遷移等。擴散作用是多數情況下的主要方式。”[4]顯然，Cl-不是直線從混凝土試樣中通過的，而是通過毛細孔道擴散開來。那么，混凝土試樣與溶液接觸面的大小會不會影響電通量值的大小呢？

先來比較一下 ASTM 標準中，試樣的三種固定方式的區別：（1）采用低粘度密封膠，膠涂在銅墊片 90mm（所墊濾紙直徑為 90mm）以外的范圍，即試樣與金屬（銅墊片和銅網電極）的接觸面直徑是90mm，與溶液的接觸面直徑是＞75mm（銅墊片內徑是 75mm）。為什么是大于呢？因為兩半電池盒與試樣用螺栓夾緊，夾緊后，無法保證試樣與銅墊片之間沒有溶液滲流過來，準確的接觸面積也不能確定，而密封膠的作用正是為了阻止溶液滲流到外面，所以試樣與溶液的接觸面直徑應是 75～90mm 之間。（2）采用高粘度密封膠，膠涂在銅墊片與試樣接觸的外邊緣，即試樣與金屬的接觸面直徑是 100mm（試驗中所用試樣直徑為 100mm），與溶液的接觸面直徑是 75～100mm之間（原因同上）。（3）采用橡膠墊圈，墊圈內徑75mm、外徑 100mm，可確定不存在滲流問題，則與溶液的接觸面直徑是 75mm，不過墊圈厚 6mm，夾緊后墊圈會壓扁變寬，所以與溶液的接觸面直徑應是＜75mm。

國內流行使用的電池盒采用圓截面橡膠圓環固定（見圖 3），圓環內徑為 90mm，直徑 5mm，因為圓環很硬，夾緊后無法完全壓扁，所以試樣與溶液的接觸面直徑實際是 92mm 左右。

圖 3 國內使用的電池盒

這 4 種固定方式下，試樣與溶液的接觸面大小都不同：墊圈＜低粘＜圓環＜高粘。對電通量值會有多大影響呢？為了進行比較，按 ASTM C1202-12 標準中的尺寸要求，加工了 3 套電池盒（見圖 4）。試驗中使用的溶液，按標準要求。編號：第 3 組 D1、E1、F1 使用國內電池盒；第 4 組使用 ASTM 標準電池盒，D2 采用低粘度密封膠，E2采用高粘度密封膠，F2 采用橡膠墊圈。試驗裝置見圖 5，試驗數據見表 2。

圖 4 ASTM 標準的電池盒

D2 比 D1 的電通量略低，E2 比 E1 的電通量略高，試樣與溶液的接觸面大小差距不是太大，所以影響不是很明顯；F2 比 F1 的電通量低 200 多庫侖，F2 比 F1 的接觸面小很多，并且第 4 組的電通量值 F2＜D2＜E2，可見，溶液接觸面對電通量值的影響。接觸面小，電通量也就小，而且，接觸面大小越接近試樣截面尺寸（即直徑），對電通量值的影響越小。

圖 5 使用 ASTM 標準電池盒的試驗裝置

表 2 固定方式的影響

GB/T 50082—2009 標準中要求只使用內徑 75mm橡膠墊圈這種固定方式，而實際國內使用的電池盒，它的橡膠圓環內徑是 90mm，哪個更合理呢？筆者認為：既然以整個試樣截面通過的電通量作為判定的依據，那就應該讓整個截面都與溶液接觸。那么，利用第 3組的 3 個試樣，再做第 5 組試驗。使用 GB/T 50082—2009 標準 7.1 快速氯離子遷移系數法中的電池盒，這樣就能使試樣截面與溶液完全接觸了，試驗所用溶液還按電通量法的要求，試驗裝置見圖 6。試驗測得：D1 為1631C、E1 為 1719C、F1 為 1647C，比第 3 組試驗結果略高，差距不大。所以，還是使用內徑 90mm 橡膠圓環的方法更為合理。

圖 6 使用 GB/T 50082 規定的電池盒的試驗裝置

3 結論

第 4 組電通量值的波動明顯大于第 3 組，顯然，ASTM 標準中三種固定方式所得電通量值并不能保持一致性；且采用密封膠的方式時，溶液滲流的范圍不能固定，那么電通量值也就不能保持穩定性。國內電池盒則能避免上述問題，且與使用密封膠方式時的電通量很接近，也就是能達到試驗檢測的目的。

ASTM 標準為什么要規定銅墊片和橡膠墊圈的內徑為 75mm 呢？是要讓試樣與溶液的接觸面直徑為 75mm嗎？如果是，那就應該把密封膠涂在 75mm 范圍以外，否則是無法做到的。

另有一點需要指出，機型比較舊的電通量測定儀，根據國內電池盒使用的橡膠圓環內徑為 90mm，就在程序編寫中，把試樣直徑設定為 90mm 且不能修改，并把測試值代入折算公式計算最終電通量值。這樣等于把測試值放大，沒有正確理解標準，應該把試樣實際直徑代入公式才對。這是因為 Cl-是以擴散形式通過試樣，通過的截面并不限于 90mm 那一部分，而是通過整個試樣截面。比如，現在是以 100mm 試樣做試驗，就應該把100mm 代入折算公式，這樣測試值就會縮小，得出最終電通量值。

[1] ASTM C 1202-12．混凝土抗氯離子滲透性標準試驗方法[S]．

[2] GB/T 50082—2009．普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S]．

[3] 路新瀛，王曉睿，張華新． ASTM C1202 實驗方法淺析[J]．工業建筑，2004.4∶ 89-91．

[4] 史才軍，元強，鄧德華，等．混凝土中氯離子遷移的試驗和計算方法綜評[C]．混凝土工程耐久性研究和應用[A]，2006∶ 411-423．

［通訊地址］北京市朝陽區酒仙橋北路 1 號 鐵科院東郊分院（100016）

賈海濤（1983—），男，就職于單位中鐵檢驗認證中心，本科，工程師。