抗氯离子渗透性及其研究现状

抗氯离子渗透性及其研究现状

结合国内外高性能商品混凝土耐久性研究的现状，在近年来基于氯离子渗透的高性能商品混凝土耐久性预测模型，分析了将抗氯离子渗透性作为评价高性能商品混凝土耐久性的综合指标的可行性和必要性，对于制定高性能商品混凝土的耐久性设计规范具有参考意义。

1引言

近年来，国内外土木工程界对高性能商品混凝土耐久性问题十分关注，作了大量的试验研究，工程技术人员对商品混凝土耐久性的认识程度也不断加深。我国新出台的商品混凝土结构设计规范中很多章节已经提出了具体的耐久性规定。同时，我国第一部《商品混凝土结构耐久性设计及施工指南》也在2003年底正式颁布实施，该指南为设计和施工人员提供了环境作用下商品混凝土结构耐久性设计与施工的基本要求。大量科研成果的取得和国家规范的实施将实现商品混凝土结构全功能设计的目标向前推进了坚实的一步。然而，目前对于高性能商品混凝土耐久性的评定没有统一的指标和方法，对其抗冻性、抗化学侵蚀性、抗钢筋锈蚀性、抗碳化性、抗碱—集料反应性、抗磨耗性、抗火性等等的试验和评价，基本上仍沿用对普通商品混凝土的试验和检测方法。但是，由于低水灰比、以及高效减水剂和矿物掺合料的掺入，高性能商品混凝土的性能与普通商品混凝土的性能相比产生了较大的差异，因此，普通商品混凝土的一些试验和检测方法已不适用于高性能商品混凝土，更无法将耐久性指标融入到商品混凝土结构设计理论中。我国规范一贯按承载力极限状态来设计结构构件，再按正常使用极限状态来校核构件的设计思想，这样就决定了高性能商品混凝土耐久性设计应在肯定原

有结构设计理论的基础上补充耐久性方面的要求，使得所选用的商品混凝土材料在满足结构承载能力的同时也可以达到足够的耐久性，在工程选材的环节把好“耐久性”关，实现从源头上解决结构的耐久性问题。因此，目前亟待解决问题是：创建一个高性能商品混凝土耐久性的综合评价指标，该指标能够将各种环境因素影响效应集于一身。将其作为指导高性能商品混凝土结构耐久性设计的统一标准，便可以消除商品混凝土耐久性参数众多，各参数之间相关性难于把握的客观制约，为实现完全规范化的商品混凝土结构耐久性设计奠定坚实的基础。国内外学者[1～4 ]经过大量调查和研究表明：绝大多数高性能商品混凝土结构的破坏是由于氯离子侵入到商品混凝土钢筋表面，并达到一定临界浓度时引起的钢筋锈蚀所致；钢筋锈蚀使其与商品混凝土的粘结力下降，同时产生的膨胀使保护层开裂破坏，最终导致整个结构的破坏。Misra[5 ]等也强调氯离子的渗透性可以用来评定高性能商品混凝土的耐久性能，特别是设计和建造容易受氯离子侵蚀而导致钢筋锈蚀的商品混凝土结构，如沿海结构、海洋商品混凝土结构、应用除冰盐的船桥甲板、高速公路等。Shah and Wang[6 ] 研究了商品混凝土微观结构、渗透性、裂纹和耐久性之间的关系，结果表明：配合比设计时应同时考虑强度、渗透性和抗裂性。由此可见：抗氯离子渗透性是评价高性能商品混凝土耐久性的一种有效的方法和指标。

2高性能商品混凝土抗氯离子渗透性研究现状

目前关于高性能商品混凝土抗氯离子渗透性测定方法主要有两类：自然渗透法和加速渗透法。

2.1 自然渗透法

自然渗透法是先将商品混凝土长时间浸泡于含氯盐的水中，再通过切片或钻取芯样，用化学分析的方法得到氯离子浓度与渗透距离的关系，然后利用Fick第二定律计算出氯离子渗透系数。这种方法是确定离子在商品混凝土中渗透系数的最常用的方法，比较接近实际情况，但费时费力。

2.2 加速渗透法

加速渗透法是先通过施加电场来加速氯离子在商品混凝土中的迁移，缩短氯离子达到稳态传输过程的时间。

2.2.1 电量法

电(直流电) 加速氯离子扩散试验方法最初由Whiting于1981 发明，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。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 直径的水饱和商品混凝土试件，两端水槽所用溶液分别为3.0 %NaCl和0.3M NaOH ，在60V 的外加电场下持续通电6小时，以该时间内通过商品混凝土电量的高低来判断商品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仍存在以下几点争论：①通过试件的电量与孔液中所有的离子相关，而并不只是氯离子；②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；③所加的高电压导致溶液的温度升高，从而影响测试结果；④电极腐蚀严重；⑤所测结果不能精确定量说明商品

混凝土抗氯离子渗透能力。

2.2.2 渗透系数法 (1) Tang Luping[9 ，10 ] ， K1Stanish[11 ，12 ] 等基于Nernst - Planck 方程首先从理论建立了浓度、通量、渗透深度、渗透系数之间的关系，进而进行了试验验证。其中，Tang Luping 的试验方法已经被欧盟广泛接受，并推荐为欧盟规范。但该方法并未从根本上解决氯离子渗透试验中存在的问题。 (2) 电阻技术是近年来发展起来的、用来评价氯离子在商品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。St reicher and Alexander[13 ]认为饱和多孔材料的电导率主要由孔液的电导率确定： F =σ/σ0 中σ———多孔材料的电导率；σ0 ———孔液的电导率。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： F = D/ D0 式中 D ———多孔材料的扩散系数； D0 ———孔液中氯离子的扩散系数(即自由氯离子的扩散系数) 。电阻值的测试方法有两种，包括用直流电和交流电测试。测试商品混凝土电阻所用的电压通常为10V 或更低，且测试时间很短，这样可以避免商品混凝土被加热，这种测试方法的主要困难是确定孔液的电导率。提取孔液的方法有两种：一种是孔溶液榨取法；另外一种是用已知电导率的溶液将待测商品混凝土预饱和，后者是常用的方法。国内路新瀛[14 ]等人在这方面作了相关研究。电阻技术的不足之处在于：①预饱和技术在干燥过程中由于微裂纹的形成损害商品混凝土原有的孔结构，从而增加其渗透性。同时也很难使溶液在商品混凝土内达到均匀分布，即使用真空饱和技术也很难保证高品质的商品混凝土和较厚的商品混凝土内部达到完全饱和。②溶液进入商品混凝土前后是相同的假设并不正确，主要因为商品混凝土孔液中包含的离子是多样的(主要是碱性氢氧化物) ，当商品混凝土干