混凝土离子渗透性测试方法评述*

薛军鹏，林亚杰，陈建科，陈明建，周长喜

（1. 福建省建筑科学研究院，福建 福州 350025；2. 厦门市政管廊投资管理有限公司，福建 厦门 361000；3. 厦门市市政技术研究院有限公司，福建 厦门 361000；4. 中铁市政（厦门）投资管理有限公司，福建 厦门 361003；5. 福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350025）

0 前言

混凝土渗透性指在压力、化学势或电场等条件作用下，气体、液体或离子介质在混凝土中的渗透和扩散的难易程度[1]。混凝土渗透性与混凝土耐久性之间存在很高的相关性，因此混凝土渗透性（包括透水性、透气性、透离子性）是评价混凝土耐久性的重要指标，提高混凝土的抗渗能力能够大大延长混凝土结构的服役年限。钢筋锈蚀体积增大导致混凝土胀裂是影响混凝土结构耐久性的主要因素，而钢筋锈蚀的主要原因是氯离子通过保护层渗入混凝土内部并迁移至钢筋表面，削弱钝化膜对钢筋的保护作用并形成腐蚀电流[2-3]。因此，混凝土结构耐久性设计中必须重视混凝土的抗氯离子渗透性能。

目前，混凝土的抗氯离子渗透性测定方法按试验时间长短可以分为慢速测试法和快速测试法。慢速测试法主要包括自然浸泡法、扩散槽法和高浓度氯盐溶液浸渍法等，采用这些慢速测试法相对快速测试法能够较为真实地反映氯离子在混凝土中的迁移情况，但测试时间长、实用性差，即使加大氯盐浓度往往也需要数月甚至是数年时间，因此实验室和现场较少采用这些慢速测试方法。快速测试法主要包括电通量法、RCM 法、NEL法、ACMT 法和 Permit 法等，快速测试法能在较短时间内获得氯离子在混凝土内的迁移速度，这些快速测试法的测试结果与氯离子在混凝土内部的真实迁移情况存在一定差别，但大量研究试验表明这些方法的测试结果与实际迁移情况存在较好的相关性。本文着重介绍目前国内外实验室中使用较为广泛的以及近些年发展的可用于现场检测的几种测试方法，主要包括电通量法、基于渗透深度的 RCM 法、基于电导率测试的 NEL 法和基于稳态电迁移的 Permit 法。

1 混凝土抗氯离子渗透性测试方法

1.1 电通量法

1981 年美国硅酸盐水泥协会的 Whiting 首次提出电通量法，随后美国国有公路运输管理员协会 AASHTO T277 标准和美国材料与试验协会 ASTM C1202 标准采纳此方法，我国相关标准也采用此方法。电通量测试装置见图1。

图1 电通量装置示意图

电通量测试方法为在扩散槽试验的基础上，向混凝土试件两端施加一定电压，溶液中的离子在一定外加电压的电场作用下迁移速率加快，外加电场是离子迁移的主要驱动力，而扩散槽法的主要驱动力是浓度梯度。在一定直流电压下，溶液中的离子通过混凝土快速向正极方向移动，通过测试既定时间内通过试件的电量来表示混凝土的抗离子渗透能力的大小。电通量法结果评价分类如表1 所示。

表1 ASTM C2012 总导电量及其对混凝土的分类[4]

电通量法需要对混凝土试块预先进行饱水，通过假设饱水混凝土试块的电阻率值与试块的抗氯离子渗透性具有良好的相关性。电通量法作为目前应用较为广泛的快速试验方法之一，其优点是简便快捷，但也存在以下方面的不足：测量结果无法精确和定量地说明混凝土抗离子渗透能力；施加的电压过大会产生较强电流，使试件和溶液的温度升高，导致混凝土试件产生劣化而影响试验结果；此方法会过分夸大掺入矿物掺合料的混凝土抵抗氯离子侵入的能力；测量结果反应的不仅是氯离子的运动，而是孔液中所有离子运动的总和。

大量试验结果表明，电通量法比较适用于测试电通量在 1000～3000C 范围内的混凝土，而对于电通量小于 1000C 的混凝土，例如 300C 和 700C 应看作同等级；对于电通量大于 3000C 的混凝土，例如 4000C 和4500C 应视为同等级，不能通过测得数据的大小来比较混凝土抗渗能力的大小[5-6]。

1.2 RCM 法

RCM 法（Rapid Chloride Migration Test）是唐路平于 1982 年创立的混凝土氯离子快速迁移法，后被北欧 NT Build 492 标准[7]和瑞士 SIA 262/1 标准采纳，我国的几个相关标准，如 CCES 01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》、JTG/T B07-01-2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》和 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》也推荐使用此法。RCM 法的原理是基于水溶液电化学里的Nernst-Plank 公式，即：

式中：

J——所研究粒子的传输通道；

u——所研究粒子的淌度；

E——电场强度；

C——所研究粒子的浓度；

D——所研究粒子的扩散系数；

x——所研究粒子的通过距离；

V——所研究粒子的流速。

RCM 法是将 100mm×50mm 的圆柱体试块饱水后，通过 0.3mol/L 的 KOH 溶液和质量浓度为 10% 的NaCl 溶液对试块施加 30V 直流电，测定通电时长、电流、电压和电解液温度。通电完成后将混凝土试件劈开，喷涂硝酸银溶液显示指示剂并测量氯离子的渗透深度。RCM 法的试验装置如图2 所示[8]，氯离子迁移系数按式 (2) 计算。

图2 RCM 法试验装置

式中：

DRCM——混凝土的非稳态氯离子迁移系数，精确到0.1×10-12m2/s；

U——所用电压的绝对值，V；

T——阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值，℃；

L——试件厚度，精确到 0.1mm；

Xd——氯离子渗透深度的平均值，精确到 0.1mm；

t——试验持续时间，h。

混凝土属于多孔结构，并不等同于水溶液，而RCM 法在建立时模拟水溶液并未考虑到对流扩散问题，这对于多孔混凝土而言并不完全正确。对于孔隙率较大的混凝土，如强度等级为 C30 的混凝土，其内部存在一些微细孔道，若忽略经由毛细作用而吸入的氯离子量，将使得实测氯离子渗入深度大于理论渗透深度。另外，对于孔隙率较小的混凝土，如强度等级为 C80的混凝土，氯离子在混凝土内的迁移难度远大于在水溶液中的迁移，若忽略了对扩散过程的影响将使得实测氯离子渗透深度小于理论渗透深度。另外，渗入峰面的波动太大也会对试验结果产生较大的误差。因此，RCM法并不适用于所有强度等级的混凝土。

另外，唐路平建立的 RCM 法试验过程需要在混凝土试块饱水后对其施加高达 60V 的电压并通电 6～96h，试验过程中溶液的离子浓度不断变化，而电迁移方程适用于粒子浓度保持不变的稀电解质溶液，且部分电流将消耗于电极反应，无法完全用于氯离子迁移，其与电通量法一样，无法根除本身的先天缺陷[9-11]。

1.3 NEL 法

NEL 法是清华大学路新瀛提出的一种氯离子扩散系数快速测定法[12]，这实际上是一种饱盐直流电导率的测试方法，该方法被 CCES 01-2004 标准推荐。NEL 法是将混凝土试块进行饱盐处理，使之成为电学意义上的线性元件，并根据 Nernst-Einstein 方程测定和计算混凝土氯离子扩散系数，Nernst-Einstein 方程如式 (3) 所示。

式中：

Di——粒子 i 的扩散系数，cm2/s；

σi——粒子 i 的偏导数，s/cm；

积差相关系数.这种方法是Pearson提出来的，其适用条件为：①两个变量都是连续型随机变量；②两个变量的总体都呈正态分布或接近正态分布；③两个变量的取值是一一对应数据；④两个变量之间呈线性关系.

Ci——粒子 i 的浓度，mol/cm3；

Zi——电荷数；

R——气体常数，8.314J/(mol·K)；

F——Faraday 常数，96500C/mol；

T——绝对温度，K。

NEL 法试验装置如图3 所示。NEL 法混凝土渗透性评价标准如表2 所示。

NEL 法将经过饱盐过程的试件放置于两个铜电极之间，在小于 10V 的电压下利用测试系统来测定混凝土的氯离子扩散系数，饱盐后 10min 内即可进行测试并得到试验结果。NEL 法依据的 Nernst-Einstein 方程需要在以下条件下使用：溶液中离子浓度保持不变；可用于固态电解质；可忽略不计电极反应；应知道被研究离子的迁移数。NEL 法采用小于 10V 低电压使得电极反应可以忽略不计，无须进行修正，这使得 Nernst-Einstein 方程中离子迁移系数难以确定的问题得到解决。NEL 法对混凝土氯离子渗透性的变化情况反应灵敏，可用于测定各种强度等级混凝土氯离子扩散系数，尤其如高性能混凝土，其测试计算结果氯离子扩散系数与混凝土的孔隙率具有很好的相关性，NEL 法是目前电测法中最快的一种。

图3 NEL 法氯离子扩散系数测试装置简图

表2 混凝土渗透性评价标准

1.4 Permit 法

Permit 法是英国 Belfast 女王大学的 Basheer[15]等人基于稳态电迁移试验原理改进而成的氯离子扩散性测定方法，其假定离子在混凝土中的迁移符合电化学理论。Permit 法是目前混凝土氯离子渗透性测试方法中唯一可用于现场的无损检测方法，它要求混凝土构件表面必须平整，并将测定仪固定在混凝土表面进行测试，基本不引入损伤。Permit 离子迁移仪由测试器和控制器组成，测试器由两个不互通的同心储液室组成，内室注入 0.55mol/L 的 NaCl 溶液，并装有作为阴极的不锈钢电极，外室注入纯净水或去离子水，装有作为阳极的普通低碳钢电极、温度探头、电导探头和搅拌器，搅拌器用于搅拌外室液体保证溶液的均匀性。测试时，将测试器用螺栓或夹钳固定于混凝土表面的测试区域，通过在内外室施加 60V 直流电，内室溶液内的氯离子在电极形成的电场力驱动下经混凝土进入外室。利用外室中的电导探头监测外室溶液的电导值，待电导—时间曲线斜率恒定时，根据氯离子浓度与电导的关系采用温度修正从而得到浓度—时间曲线，并将浓度变化率代入 Nernst-Plank 方程，计算出氯离子迁移系数。Permit 离子迁移仪测试装置如图4 所示。

图4 Permit 离子迁移仪测试装置图

Permit 法氯离子扩散系数按式 (4) 计算。

式中：

DPermit——离子扩散系数；

kB——Boltzmann常数；

T——绝对温度；

Zi——离子价数；

e0——电子电量；

l——平行板电极间距；

A——迁移面面积；

V——外室体积；

U——电极间电压；

C——内室 Cl-浓度；

dc/dt——Cl-浓度变化率。

Permit 法测定氯离子渗透系数具有以下优点：可用于现场无损检测，为结构寿命预测提供依据；测试速度快，对密实度高的混凝土也能快速测定；可评价矿物掺合料的掺入对混凝土抗氯离子渗透能力的提高作用。但该方法也存在一些不足，如仅对混凝土表层 15mm 深度范围内的测试精度较高，难以检测内部性能；主观界定稳态阶段存在差异，所得电导变化率不同，导致氯离子迁移系数不同；国内试验数据较少，必须对具体的试验参数进行调整并验证，才能用于国内工程[16-19]。

2 混凝土抗氯离子渗透性测试方法对比分析

K.D.Stanish[20]等人对现有混凝土渗透系数测定方法进行了归纳总结，见表3。

表3 混凝土抗氯离子渗透性测试方法比较概要

通过比较可以看出 RCM 法既反映了氯离子实际迁移过程又是在恒温环境下进行，相比其它方法有较大优势，是现有测试方法中最适用于非稳态条件下的混凝土氯离子扩散系数测定；电通量法虽然在世界上被广泛使用，但实际上它是一个测量电导的方法，用于评价混凝土抗氯离子渗透性还需要与其它试验方法建立相关性；NEL 法是目前稳态氯离子迁移条件下最适用于加速测试混凝土氯离子扩散性的方法，但其理论基础过于简单且在应用方面不具有普遍性，掺粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数无法准确测定；Permit 法虽然能够用于现场检测混凝土的氯离子扩散系数，但存在测试深度不足以及仪器价格昂贵等问题，目前大多用于科学研究，在实际工程中大范围推广应用还需一定的时间[21-23]。

3 结语

评价混凝土结构耐久性的重要指标是混凝土的渗透性，混凝土渗透性的评价和试验方法很多，但至今也没有一种试验方法能够全面评价混凝土对任意侵蚀性介质的抵抗能力。因此，研究混凝土渗透性应全面考虑透水性、透气性和透离子性，特别是透离子性。高性能混凝土抗渗透能力不宜用透水性评价，其渗透性主要表现为抗氯离子渗透性，应科学合理地选用 RCM 法、NEL 法或 Permit 法来综合评价。