氯离子扩散测试方法演变和理论研究背景

氯离子扩散测试方法演变和理论研究背景

刘斯凤

(东南大学材料科学与工程系,江苏南京　210096)

[摘　要]　氯离子扩散试验方法的选择是准确研究氯离子在混凝土中渗透行为的关键。同时,可靠而准确的试验方法也是混凝土耐久性设计的基础,而理论模型的建立是将试验室试验结果应用于工程实际的依据。本篇文章简要地回顾了测试氯离子扩散系数的不同试验方法及其理论背景。

[关键词]　氯离子;　扩散;　理论模型;　浸泡;　快速渗透;　电迁移;　交流阻抗;　电阻率;　孔液;　Fick第一定律;　Fick第二定律;　稳态;　非稳定;　多介质

[中图分类号]　TU528101 [文献标识码]　A [文章编号]　1002-3550(2002)10-0021-04

1　前言

氯离子是引起钢筋混凝土结构腐蚀破坏的主要原因之一。因此,研制出一种测试氯离子在混凝土中渗透行为的可靠试验方法是混凝土耐久性设计的关键,而理论模型的建立是将试验结果应用于工程实际的依据。

经过多年的探索,研究氯离子扩散的试验方法和理论已经取得了很大的进展,并用于指导工程实际。氯离子扩散试验的测试指标根据试验方法的不同而不同,其最终目的都是计算氯离子的扩散系数,从而预测该环境下混凝土的服役寿命。一般来说,用不同的试验方法测得的氯离子扩散系数是不能直接比较的,甚至用同一种测试方法,而浸泡溶液不同,所测试的扩散系数也不相同。本篇文章简要地回顾了测试氯离子扩散系数的不同试验方法及其理论背景。2　试验方法的演变

211　盐溶液长期浸泡试验

1981年以前,美国测试混凝土中氯离子扩散的方法主要采用的是盐溶液长期浸泡法。即美国最早的氯离子扩散试验标准方法———AASHTO T259(盐溶液浸泡试验)[1～3]。后来欧洲在此基础上作了一些变更,并制定了Nord Test,N T Build 443294氯离子扩散试验标准[4]。

从图1和图2可以看出美国和欧洲在氯离子扩散长期浸泡试验方法上存在着不同,最明显的不同是对试件的处理,美国AASHTO T259标准中的试件留下两个相对暴露面, Nordtest N T Build443294试验中试件只留一个暴露面;其次是暴露的环境。虽然如此,两种浸泡试验中混凝土的浸泡时间几乎一致,即普通混凝土在氯化钠溶液中35天,对高强、高性能

图1　AASHTO T259(salt ponding)test setup

图2　Nordtest setup.

混凝土,盐水浸泡时间为90天或更长。

212　快速氯离子渗透试验方法

21211　AASHTO T277(ASTMC1202)标准试验方法由于长期浸泡试验所需的时间长,因此人们一直在努力寻求一种快速测定氯离子渗透的试验方法。电(直流电)加速氯离子扩散试验方法最初由Whiting于1981发明[5,6],最早是快速氯离子渗透试验方法(RCPT)。该装置的设计原理是溶液中的离子在电场的加速下能够快速渗透。该装置中所用的电压为60V,试验装置见图3。

由于这种试验方法持续时间短,在试验室内具有重复使用性,该试验方法于1983年被美国公路运输局定为标准试验方法,即AASHTO T277,紧接着又被美国试验与材料协会ASTM选定为标准试验方法。AASHTO T277(ASTM C1202)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310%NaCl和013M NaOH,在60V的外加电场下,持续通电6小时后测定通过混凝土试件的总电量。 该装置测试指标及评判混凝土中氯离子渗透的标准见表1,它是在规定时间内测定通过混凝土的电量高低来判断混凝土的抗氯离子渗透能力。

尽管该试验方法被选定为标准试验方法,但是,这种测试氯离子渗透的技术遭到许多业内人士的否定,如(Saito and Ishi2 moiri,1995;G oods peed et al.,1995;Thomas and Jones,1996;Samaha and H over,1996)。争论的焦点主要集中在以下几个方面:

(i)通过试件的电量与孔液中所有的离子相关,而并不只

2002年第10期(总第156期) Number10in2002(Total No.156)混 凝 土

Concrete

全国建筑科学核心期刊

China Building Science Core Periodical　

[收稿日期]　2002-06-20

图3　AASHTO T277(ASTM C1202)test setup.

T able 1　PCPT ratings(per ASTM C1202)

Charge Passed (coulombs )

Chloride Ion Penetrability

>4,000High 2,000～4,000Moderate 1,000～2,000Low 100～1,000

Very Low <100

Negligible

是氯离子;

(ii )所作的测试工作完成于离子达到稳定迁移之前,即离子的扩散并没有达到稳定状态;

(iii )所加的高电压导致溶液的温度升高,从而影响测试结果[Andrade ,1993;Zhang and G jorv ,1991;Malek and Roy ,1996;

Roy ,1989;G eiker ,et al.,1990].

(iv )所测结果不能定量说明混凝土抗氯离子渗透能力。图4　Typical chloride migration cell.

21212　电迁移试验[7,8]

由于快速氯离子测试方法具有以上缺点,20世纪90年代发明了电迁移技术,该技术认为,氯离子的迁移可用比RCPT (快速氯离子渗透试验)更低的外加电场的方法进行加速。测试指标除通过的电流外,还定期对上游(负极)溶液中的氯离子浓度进行监测。

通过图3和图4装置之间的比较可以看出,两种装置的原理是相同的,不同之处有二:①外加电压不同,氯离子迁移试验装置中的电压可以根据混凝土的电导率来调节[9]。②测试指标不同,氯离子迁移试验装置中除了测试在规定的时间内通过混凝土的电量外,还定期的监测上游(负极)的氯离子浓度。另外,混凝土试件的大小不定,但常用尺寸通常为直径长度(厚度)大约为15mm ～50mm 。试件的厚度影响试验的持续时间,

但是要有足够的尺寸以避免骨料界面的影响。

21213　快速迁移试验

Tang and Nilsson[1991]设计一种经过改装的、更方便的迁

移装置[10],如图5。迁移装置中所用试件尺寸为直径100mm ,厚度为50mm 。所用的外加电压为30V 。除了不用监测装置下游溶液中的氯离子浓度外,试验过程与电迁移试验相同。达到规定的试验时间后,试件被取出并剖开,一半用硝酸银滴定法确定氯离子扩散深度,另一半用来测定不同深度的氯离子浓度的变化[11]。快速迁移试验虽然简便,但并没有从根本上解决快速氯离子渗透试验中存在的问题。　

图5　Tang and Nilsson migration cell

21214　电阻技术

电阻技术是近年来发展起来的、用来评价氯离子在混凝土中渗透能力的另外一种方法。电阻是物质对电的抵抗力,电导

率与电阻率相反。(Kyi and Batchelor ,1994;Streicher and

Alexander 在1995的试验认为饱和多孔材料的电导率主要由

孔液的电导率确定[12,13,15]:

FF =σ/σ0

σ是多孔材料的电导率,σ0是孔液的电导率。现在,多孔材料的电导率和扩散系数的影响因素是相同的,即孔径大小及其连通性。因此,也可以用下式表示:

FF =D/D 0

其中D 是多孔材料的扩散系数,D 0是孔液中氯离子的扩散系

数(即自由氯离子的扩散系数)确定。电阻值的测试方法有两种,包括用直流电和交流电测试。用直流电测试混凝土电阻的测试装置见图6。　

图6　DC Resistivity measuring device.