混凝土離子滲透性測試方法評述*

薛軍鵬，林亞杰，陳建科，陳明建，周長喜

（1. 福建省建筑科學研究院，福建 福州 350025；2. 廈門市政管廊投資管理有限公司，福建 廈門 361000；3. 廈門市市政技術研究院有限公司，福建 廈門 361000；4. 中鐵市政（廈門）投資管理有限公司，福建 廈門 361003；5. 福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州 350025）

0 前言

混凝土滲透性指在壓力、化學勢或電場等條件作用下，氣體、液體或離子介質在混凝土中的滲透和擴散的難易程度[1]。混凝土滲透性與混凝土耐久性之間存在很高的相關性，因此混凝土滲透性（包括透水性、透氣性、透離子性）是評價混凝土耐久性的重要指標，提高混凝土的抗滲能力能夠大大延長混凝土結構的服役年限。鋼筋銹蝕體積增大導致混凝土脹裂是影響混凝土結構耐久性的主要因素，而鋼筋銹蝕的主要原因是氯離子通過保護層滲入混凝土內部并遷移至鋼筋表面，削弱鈍化膜對鋼筋的保護作用并形成腐蝕電流[2-3]。因此，混凝土結構耐久性設計中必須重視混凝土的抗氯離子滲透性能。

目前，混凝土的抗氯離子滲透性測定方法按試驗時間長短可以分為慢速測試法和快速測試法。慢速測試法主要包括自然浸泡法、擴散槽法和高濃度氯鹽溶液浸漬法等，采用這些慢速測試法相對快速測試法能夠較為真實地反映氯離子在混凝土中的遷移情況，但測試時間長、實用性差，即使加大氯鹽濃度往往也需要數月甚至是數年時間，因此實驗室和現場較少采用這些慢速測試方法。快速測試法主要包括電通量法、RCM 法、NEL法、ACMT 法和 Permit 法等，快速測試法能在較短時間內獲得氯離子在混凝土內的遷移速度，這些快速測試法的測試結果與氯離子在混凝土內部的真實遷移情況存在一定差別，但大量研究試驗表明這些方法的測試結果與實際遷移情況存在較好的相關性。本文著重介紹目前國內外實驗室中使用較為廣泛的以及近些年發展的可用于現場檢測的幾種測試方法，主要包括電通量法、基于滲透深度的 RCM 法、基于電導率測試的 NEL 法和基于穩態電遷移的 Permit 法。

1 混凝土抗氯離子滲透性測試方法

1.1 電通量法

1981 年美國硅酸鹽水泥協會的 Whiting 首次提出電通量法，隨后美國國有公路運輸管理員協會 AASHTO T277 標準和美國材料與試驗協會 ASTM C1202 標準采納此方法，我國相關標準也采用此方法。電通量測試裝置見圖1。

圖1 電通量裝置示意圖

電通量測試方法為在擴散槽試驗的基礎上，向混凝土試件兩端施加一定電壓，溶液中的離子在一定外加電壓的電場作用下遷移速率加快，外加電場是離子遷移的主要驅動力，而擴散槽法的主要驅動力是濃度梯度。在一定直流電壓下，溶液中的離子通過混凝土快速向正極方向移動，通過測試既定時間內通過試件的電量來表示混凝土的抗離子滲透能力的大小。電通量法結果評價分類如表1 所示。

表1 ASTM C2012 總導電量及其對混凝土的分類[4]

電通量法需要對混凝土試塊預先進行飽水，通過假設飽水混凝土試塊的電阻率值與試塊的抗氯離子滲透性具有良好的相關性。電通量法作為目前應用較為廣泛的快速試驗方法之一，其優點是簡便快捷，但也存在以下方面的不足：測量結果無法精確和定量地說明混凝土抗離子滲透能力；施加的電壓過大會產生較強電流，使試件和溶液的溫度升高，導致混凝土試件產生劣化而影響試驗結果；此方法會過分夸大摻入礦物摻合料的混凝土抵抗氯離子侵入的能力；測量結果反應的不僅是氯離子的運動，而是孔液中所有離子運動的總和。

大量試驗結果表明，電通量法比較適用于測試電通量在 1000～3000C 范圍內的混凝土，而對于電通量小于 1000C 的混凝土，例如 300C 和 700C 應看作同等級；對于電通量大于 3000C 的混凝土，例如 4000C 和4500C 應視為同等級，不能通過測得數據的大小來比較混凝土抗滲能力的大小[5-6]。

1.2 RCM 法

RCM 法（Rapid Chloride Migration Test）是唐路平于 1982 年創立的混凝土氯離子快速遷移法，后被北歐 NT Build 492 標準[7]和瑞士 SIA 262/1 標準采納，我國的幾個相關標準，如 CCES 01-2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》、JTG/T B07-01-2006《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》和 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》也推薦使用此法。RCM 法的原理是基于水溶液電化學里的Nernst-Plank 公式，即：

式中：

J——所研究粒子的傳輸通道；

u——所研究粒子的淌度；

E——電場強度；

C——所研究粒子的濃度；

D——所研究粒子的擴散系數；

x——所研究粒子的通過距離；

V——所研究粒子的流速。

RCM 法是將 100mm×50mm 的圓柱體試塊飽水后，通過 0.3mol/L 的 KOH 溶液和質量濃度為 10% 的NaCl 溶液對試塊施加 30V 直流電，測定通電時長、電流、電壓和電解液溫度。通電完成后將混凝土試件劈開，噴涂硝酸銀溶液顯示指示劑并測量氯離子的滲透深度。RCM 法的試驗裝置如圖2 所示[8]，氯離子遷移系數按式 (2) 計算。

圖2 RCM 法試驗裝置

式中：

DRCM——混凝土的非穩態氯離子遷移系數，精確到0.1×10-12m2/s；

U——所用電壓的絕對值，V；

T——陽極溶液的初始溫度和結束溫度的平均值，℃；

L——試件厚度，精確到 0.1mm；

Xd——氯離子滲透深度的平均值，精確到 0.1mm；

t——試驗持續時間，h。

混凝土屬于多孔結構，并不等同于水溶液，而RCM 法在建立時模擬水溶液并未考慮到對流擴散問題，這對于多孔混凝土而言并不完全正確。對于孔隙率較大的混凝土，如強度等級為 C30 的混凝土，其內部存在一些微細孔道，若忽略經由毛細作用而吸入的氯離子量，將使得實測氯離子滲入深度大于理論滲透深度。另外，對于孔隙率較小的混凝土，如強度等級為 C80的混凝土，氯離子在混凝土內的遷移難度遠大于在水溶液中的遷移，若忽略了對擴散過程的影響將使得實測氯離子滲透深度小于理論滲透深度。另外，滲入峰面的波動太大也會對試驗結果產生較大的誤差。因此，RCM法并不適用于所有強度等級的混凝土。

另外，唐路平建立的 RCM 法試驗過程需要在混凝土試塊飽水后對其施加高達 60V 的電壓并通電 6～96h，試驗過程中溶液的離子濃度不斷變化，而電遷移方程適用于粒子濃度保持不變的稀電解質溶液，且部分電流將消耗于電極反應，無法完全用于氯離子遷移，其與電通量法一樣，無法根除本身的先天缺陷[9-11]。

1.3 NEL 法

NEL 法是清華大學路新瀛提出的一種氯離子擴散系數快速測定法[12]，這實際上是一種飽鹽直流電導率的測試方法，該方法被 CCES 01-2004 標準推薦。NEL 法是將混凝土試塊進行飽鹽處理，使之成為電學意義上的線性元件，并根據 Nernst-Einstein 方程測定和計算混凝土氯離子擴散系數，Nernst-Einstein 方程如式 (3) 所示。

式中：

Di——粒子 i 的擴散系數，cm2/s；

σi——粒子 i 的偏導數，s/cm；

積差相關系數.這種方法是Pearson提出來的，其適用條件為：①兩個變量都是連續型隨機變量；②兩個變量的總體都呈正態分布或接近正態分布；③兩個變量的取值是一一對應數據；④兩個變量之間呈線性關系.

Ci——粒子 i 的濃度，mol/cm3；

Zi——電荷數；

R——氣體常數，8.314J/(mol·K)；

F——Faraday 常數，96500C/mol；

T——絕對溫度，K。

NEL 法試驗裝置如圖3 所示。NEL 法混凝土滲透性評價標準如表2 所示。

NEL 法將經過飽鹽過程的試件放置于兩個銅電極之間，在小于 10V 的電壓下利用測試系統來測定混凝土的氯離子擴散系數，飽鹽后 10min 內即可進行測試并得到試驗結果。NEL 法依據的 Nernst-Einstein 方程需要在以下條件下使用：溶液中離子濃度保持不變；可用于固態電解質；可忽略不計電極反應；應知道被研究離子的遷移數。NEL 法采用小于 10V 低電壓使得電極反應可以忽略不計，無須進行修正，這使得 Nernst-Einstein 方程中離子遷移系數難以確定的問題得到解決。NEL 法對混凝土氯離子滲透性的變化情況反應靈敏，可用于測定各種強度等級混凝土氯離子擴散系數，尤其如高性能混凝土，其測試計算結果氯離子擴散系數與混凝土的孔隙率具有很好的相關性，NEL 法是目前電測法中最快的一種。

圖3 NEL 法氯離子擴散系數測試裝置簡圖

表2 混凝土滲透性評價標準

1.4 Permit 法

Permit 法是英國 Belfast 女王大學的 Basheer[15]等人基于穩態電遷移試驗原理改進而成的氯離子擴散性測定方法，其假定離子在混凝土中的遷移符合電化學理論。Permit 法是目前混凝土氯離子滲透性測試方法中唯一可用于現場的無損檢測方法，它要求混凝土構件表面必須平整，并將測定儀固定在混凝土表面進行測試，基本不引入損傷。Permit 離子遷移儀由測試器和控制器組成，測試器由兩個不互通的同心儲液室組成，內室注入 0.55mol/L 的 NaCl 溶液，并裝有作為陰極的不銹鋼電極，外室注入純凈水或去離子水，裝有作為陽極的普通低碳鋼電極、溫度探頭、電導探頭和攪拌器，攪拌器用于攪拌外室液體保證溶液的均勻性。測試時，將測試器用螺栓或夾鉗固定于混凝土表面的測試區域，通過在內外室施加 60V 直流電，內室溶液內的氯離子在電極形成的電場力驅動下經混凝土進入外室。利用外室中的電導探頭監測外室溶液的電導值，待電導—時間曲線斜率恒定時，根據氯離子濃度與電導的關系采用溫度修正從而得到濃度—時間曲線，并將濃度變化率代入 Nernst-Plank 方程，計算出氯離子遷移系數。Permit 離子遷移儀測試裝置如圖4 所示。

圖4 Permit 離子遷移儀測試裝置圖

Permit 法氯離子擴散系數按式 (4) 計算。

式中：

DPermit——離子擴散系數；

kB——Boltzmann常數；

T——絕對溫度；

Zi——離子價數；

e0——電子電量；

l——平行板電極間距；

A——遷移面面積；

V——外室體積；

U——電極間電壓；

C——內室 Cl-濃度；

dc/dt——Cl-濃度變化率。

Permit 法測定氯離子滲透系數具有以下優點：可用于現場無損檢測，為結構壽命預測提供依據；測試速度快，對密實度高的混凝土也能快速測定；可評價礦物摻合料的摻入對混凝土抗氯離子滲透能力的提高作用。但該方法也存在一些不足，如僅對混凝土表層 15mm 深度范圍內的測試精度較高，難以檢測內部性能；主觀界定穩態階段存在差異，所得電導變化率不同，導致氯離子遷移系數不同；國內試驗數據較少，必須對具體的試驗參數進行調整并驗證，才能用于國內工程[16-19]。

2 混凝土抗氯離子滲透性測試方法對比分析

K.D.Stanish[20]等人對現有混凝土滲透系數測定方法進行了歸納總結，見表3。

表3 混凝土抗氯離子滲透性測試方法比較概要

通過比較可以看出 RCM 法既反映了氯離子實際遷移過程又是在恒溫環境下進行，相比其它方法有較大優勢，是現有測試方法中最適用于非穩態條件下的混凝土氯離子擴散系數測定；電通量法雖然在世界上被廣泛使用，但實際上它是一個測量電導的方法，用于評價混凝土抗氯離子滲透性還需要與其它試驗方法建立相關性；NEL 法是目前穩態氯離子遷移條件下最適用于加速測試混凝土氯離子擴散性的方法，但其理論基礎過于簡單且在應用方面不具有普遍性，摻粉煤灰混凝土的氯離子擴散系數無法準確測定；Permit 法雖然能夠用于現場檢測混凝土的氯離子擴散系數，但存在測試深度不足以及儀器價格昂貴等問題，目前大多用于科學研究，在實際工程中大范圍推廣應用還需一定的時間[21-23]。

3 結語

評價混凝土結構耐久性的重要指標是混凝土的滲透性，混凝土滲透性的評價和試驗方法很多，但至今也沒有一種試驗方法能夠全面評價混凝土對任意侵蝕性介質的抵抗能力。因此，研究混凝土滲透性應全面考慮透水性、透氣性和透離子性，特別是透離子性。高性能混凝土抗滲透能力不宜用透水性評價，其滲透性主要表現為抗氯離子滲透性，應科學合理地選用 RCM 法、NEL 法或 Permit 法來綜合評價。