混凝土变电压RCM 试验的边部效应研究

陈俊武 ，杨绿峰 ，赵家琦 ，康 昊

(1. 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2. 广西大学 工程防灾与结构安全教育部重点试验室，广西南宁 530004)

氯离子快速迁移（Rapid chloride migration, 简记为RCM）试验通过外加电场加速氯离子在混凝土试件中的迁移，并据此快速测定混凝土的氯离子扩散系数[1-2]。由于RCM 原理直观易懂，且易于操作，现已成为快速测试混凝土氯离子扩散系数的常用方法。RCM 试验分为恒电压和变电压试验。恒电压RCM 试验中施加在混凝土试件上的通电电压恒定为30 V，易于操作，并被纳入我国多部规范和指南[3-5]中，但该方法有时耗时久，给试验带来不便。变电压RCM 试验可根据试件初始电流值的不同而采用不同的电压，测试时间更短，且测试结果的离散性较低[6]，目前已纳入多个国家的设计规范[7-11]。两种RCM 试验中橡胶套与试件（图1）之间都存在溶液渗漏的问题[8]，导致混凝土试件与橡胶套相邻的边缘部位的氯离子扩散深度明显大于试件内部的扩散深度[12]，称该现象为RCM 试验的边部效应。此外，混凝土试件制备过程中产生的材料不均匀分布所导致的试件边缘部位密实度较小，也是造成边部效应的原因。

国内外RCM 试验普遍采用Φ100 mm×50 mm 的混凝土圆柱体试件，且沿试件横截面直径方向布置不同数量的测点，利用各测点的平均氯离子扩散深度计算分析混凝土的氯离子扩散系数。Tang 等[13]指出RCM 试验中沿混凝土试件周边存在溶液渗漏问题，但对试件中氯离子扩散深度无明显影响。陆晗[14]通过批量试验指出混凝土试件边部测点上的氯离子扩散深度明显增大，即RCM 试验中存在边部效应。我国土木工程学会标准《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES 01—2004）[3]中提出没有必要考虑边缘（部）效应的情况，同时我国行业标准《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01—2006）[4]和《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）[5]也采用相同处理方式。这些规范都根据沿试件横断面直径方向间隔20 mm 均匀布置的6 个测点确定氯离子扩散深度的平均值。但是，更多研究表明有必要考虑边部效应对试件中氯离子平均扩散深度的影响。杨云芳等[15]提出沿试件横截面直径方向布置15 个测点，并利用内部间隔7 mm 均匀分布的13 个测点确定氯离子扩散深度的平均值。Iyoda 等[16]、Wang 等[17]和最新版德国BAW 指南[7]提出沿直径方向间隔10 mm 均匀布置11 个测点，并根据内部9 个测点确定氯离子扩散深度的平均值。北欧标准NT Build 492[8]以及我国规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）[9]和我国行业标准《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》（JTS 239—2015）[10]也采用间隔10 mm 均匀布置11 个测点的方式，但忽略试件左、右两侧边缘部分各2 个测点值，根据试件内部7 个测点确定氯离子扩散深度的平均值。迄今为止，由于尚未有研究成果通过定量分析明确边部效应的影响范围和影响程度，使得国内外规范对RCM 试验中测点布置方案、氯离子扩散深度和扩散系数的计算都存在不同处理方式。

为此，通过试验设计制备74 组混凝土试件并开展变电压RCM 试验，在对试件横截面直径方向上各测点的氯离子扩散深度进行标准化处理的基础上，通过数理统计分析求得氯离子标准扩散深度的均值和标准差，据此分析确定边部效应的影响范围及其对氯离子扩散深度及氯离子扩散系数的影响。最后通过回归分析建立排除及未排除边部效应影响的氯离子扩散系数之间的转换关系。

图 1 RCM 试件及外围橡胶套示意Fig. 1 Schematic diagram of RCM test piece and outer rubber sleeve

1 变电压RCM 试验

1.1 原材料及混凝土配合比

本次试验采用华润水泥（南宁）有限公司生产的P·Ⅱ 52.5R 硅酸盐水泥、国电南宁发电有限责任公司电厂生产的Ⅱ级粉煤灰、防城港市源盛有限公司生产的S95 级矿渣微粉。水泥及矿物掺合料的详细信息见表1～3。粗骨料采用防城港市上思县生产的5～20 mm 连续级配的石灰石碎石，级配良好，表观密度和自然堆积密度分别为2.72 和1.48 g/cm3，饱和面干吸水率为0.77%。细骨料为细度模数为3.03 的河砂，属于Ⅱ区级配中砂，表观密度和自然堆积密度分别为2.68 和1.49 g/cm3，饱和面干吸水率为0.27%。此外，减水剂采用聚羧酸高效减水剂。

表 1 胶凝材料的主要组成（质量分数）Tab. 1 Main compositions of binder 单位：%

表 2 水泥的物理力学性能Tab. 2 Physical and chemical properties of cement

表 3 矿物掺合料的物理性质Tab. 3 Physical properties of fly ash and GGBS

开展正交设计确定混凝土配合比。选择水胶比RW/B、矿物掺合料总掺量Rto（占混凝土胶凝材料总量的体积比）、粉煤灰掺量与Rto的比值Rra为3 个基本因素，选取的5 个因素水平见表4，根据正交设计表得到25 组设计结果，且根据每一组的因素水平可以求得复掺粉煤灰和矿渣微粉的掺量，从而得到混凝土配合比。同时，为了详细分析具有不同扩散性能混凝土的影响规律，水胶比取值0.35 和0.45，并选择Rto和Rra为两个因素分别进行析因试验和均匀试验设计。析因试验按照5 水平共制备50 组试块，5 组典型配合比的设计结果见表4；均匀试验按照7 水平设计，共制备计14 组试块，详见表5。类似地，根据每组设计结果求得相应的混凝土配合比。同时，增加5 组不同水胶比的普通混凝土作为基准，并考虑3 种试验设计中发生重复的20 组配合比，全部试验共计制备74 组试件。

表 4 正交试验和析因试验的因素及水平Tab. 4 Factors and levels of the orthogonal experiment and factorial experiment

表 5 均匀试验因素及水平Tab. 5 Factors and levels of the uniform experiment

1.2 试件的制备与养护

将河砂和胶凝材料混合，干拌搅拌30 s，加入80%已混合均匀的水和减水剂后搅拌90 s，最后将粗骨料以及剩余20%的水和减水剂加入后搅拌90 s，使坍落度控制在（180±20） mm。将每个配合比的混凝土浇筑成一个Φ100 mm×200 mm 圆柱体，立刻移入标准养护室内养护1 d 后，将圆柱体拆模并浸没于标准养护室的水池中继续养护至21 d。然后，将圆柱体两端各切割25 mm，中间部分切割成3 个Φ100 mm×50 mm 混凝土试件，随后在标准养护室的水池中继续养护至28 d。对74 组混凝土试件同步进行混凝土立方体抗压强度试验，试件强度在16.0～72.6 MPa。

1.3 RCM 试验

利用我国变电压RCM 试验规范[9]所规定的电压和通电时间对混凝土标准试件开展试验。为提高测量精度，本文改用二维定位测量装置测量各测点上的氯离子扩散深度，如图2 所示。该装置由水平定位标尺、水平固定标尺、竖向定位标尺、竖向固定标尺和螺栓组成。其中，水平定位标尺与水平固定标尺平行，竖向定位标尺和竖向固定标尺平行，四者通过螺栓连接。

在试件轴向断面底边（沿横截面直径方向）间隔10 mm 均匀布置11 个测点，并测量各测点的氯离子扩散深度。首先，将试件断面下边缘与水平固定标尺重合，试件断面左边缘与竖向固定标尺重合；然后，利用竖向固定标尺读取测点1 的扩散深度；最后，将竖向定位标尺依次移动到测点2～11，并逐一读取这些测点的扩散深度xd。

根据各测点扩散深度的平均值x，可计算混凝土试件的氯离子扩散系数DRCM：

图 2 氯离子扩散深度 xd 的测量示意Fig. 2 Measurement ofxd

式中：DRCM为混凝土的氯离子扩散系数（10-12m2/s）；U为试验中所施加电压的绝对值（V）；h为圆柱形试件的厚度（mm），本试验取50 mm；T为阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值（℃）；t为试验持续时间（h）。

2 边部效应分析

2.1 氯离子扩散深度的标准化

本文通过开展变电压RCM 试验，测得74 组（共222 个）混凝土试件上全部测点的氯离子扩散深度。根据图2 中全部测点1～11 上氯离子扩散深度的均值x，可利用式(1)计算氯离子扩散系数DRCM，并根据DRCM的大小可将74 组试验数据进行分组，得到各组DRCM对应的各测点上的氯离子扩散深度均值，如图3 所示。

由图3 可知，不同组试件虽具有不同的混凝土配合比和氯离子扩散系数，但混凝土试件边缘部位的氯离子扩散深度明显大于试件中心部分的扩散深度，称之为混凝土氯离子扩散的边部效应。从图3 可以看出，氯离子扩散系数越小，氯离子扩散深度也越小，其边部效应越显著。原因在于氯离子扩散系数与混凝土密度密切相关，扩散系数越小，则混凝土密度越大，使得平均扩散深度越小。尽管混凝土密实度的高低可以有效提升或降低氯离子平均扩散深度，但不影响溶液沿试件与橡胶套接触面渗漏的深度。因而混凝土密实度越高（氯离子扩散系数越小），试件内部的氯离子平均扩散深度越小，但试件边缘部位的氯离子扩散深度变化不大，造成混凝土试件边部与内部的氯离子扩散深度差异增大，从而导致混凝土密实度越高则边部效应越显著的假象。为了避免该假象对结果的干扰，需要消除氯离子平均扩散深度（氯离子扩散系数或混凝土密实度）对边部效应的影响。因此，定义各测点的标准扩散深度：

图 3 各测点的xFig. 3 x at measuring point i

式中：xs,i为混凝土试件轴向断面底边第i个测点氯离子扩散深度的标准值，称为标准扩散深度，为无量纲量；为混凝土试件中氯离子平均扩散深度；n为每个试件轴向断面底边测点的数量，本试验取n=11；xd,i为第i个测点上氯离子扩散深度的实测值，是一组3 个试件在同一测点上的扩散深度平均值（mm），若3 个试件的测试结果相差太大，最大值或最小值与中间值之差超过中间值的15%，则剔除此值再取其余两值的平均值，若最大值和最小值均超过中间值的15%，则取中间值作为测定值。

2.2 边部效应对氯离子扩散深度的影响

对74 组混凝土试件上各个测点i的标准扩散深度xs,i进行统计分析，得到各测点标准扩散深度的均值 µs,i和标准差 σs,i。计算结果如图4 所示。

从图4 可以看出， µs,i在混凝土试件左、右两侧边缘部分较大，且由外至内逐渐减小，并在中部5～7 个测点上稳定下来，表明试件边部的氯离子扩散深度明显大于试件内部的扩散深度；相似地， σs,i在混凝土试件左、右两侧边缘部分较大，且由外至内逐渐减小，表明试件边部的氯离子扩散深度离散性明显大于试件内部。由此可知，变电压RCM 试验存在显著的边部效应，该效应使得边缘部分的氯离子扩散深度明显偏大，而且也增大了测试结果的离散性。因此有必要对边部效应的影响范围进行定量分析。

图 4 各测点的µ s,i和σs,iFig. 4 µs,iand σs,i at measuring point i

2.3 边部效应的影响范围

进一步地，参照图2 所示混凝土试件断面上的测点编号，分别统计分析74 组混凝土试件中部编号5～7 共3 个测点、编号4～8 共5 个测点、编号3～9共7 个测点、编号2～10 共9 个测点以及全截面11 个测点上xs,i的均值 µs和标准差 σs，结果见图5。

从图5 可以看出，当选取试件中部3～5 个测点时 µs变化不大；当选取中部7 个测点时 µs稍有增加；但当测点数量增大至9～11 个时 µs明显增大。同时xs,i的标准差 σs也呈现与均值相似的变化规律。由此表明试件左、右两侧边缘部分各2 个测点（图2 中测点1、2、10 和11）上的氯离子扩散深度可以显著改变整个试件的平均氯离子扩散深度。由于测点之间的间距为10 mm，因此边部效应的影响范围为深度不超过20 mm 的试件边缘部分。

图 5 µs和σ s 关于测点的趋势Fig. 5 Profile of µsandσs

2.4 边部效应对氯离子扩散系数的影响

为排除边部效应对氯离子扩散系数测试结果的影响，根据式(1)，可采用试件中部7 个测点的氯离子扩散深度的平均值x7计算氯离子扩散系数DRCM。同时，考虑到现行部分规范[7,16-17]的RCM 试验是根据试件断面上9 个中部测点的氯离子扩散深度的平均值x9计算确定氯离子扩散系数D9、另有部分规范[11]的RCM 试验是根据试件断面上全部11 个测点氯离子扩散深度的平均值x11计算确定氯离子扩散系数D11，为了保持研究工作的连续性，有必要建立DRCM和D9、DRCM和D11之间的定量关系。

为此，首先统计本次利用变电压RCM 方法测得的74 组混凝土试件的DRCM和D9、D11，得到DRCM和D9、DRCM和D11之间的相关系数分别为0.999、0.995，表明DRCM和D9、D11之间都存在较强的线性关系，所以可用线性函数拟合DRCM和D9、DRCM和D11之间的关系式：

进而，利用最小二乘法容易求得上式中的待定系数：a1=0.994，a2=-0.055，b1=0.984，b2=-0.443。可得排除边部效应的DRCM与部分排除或不排除边部效应的D9和D11之间的转换关系式：

式(6)和(7)的可决系数分别为R2=0.997和R2=0.990，这表明建立的DRCM和D9、DRCM和D11之间的关系模型对于水胶比0.30～0.50、粉煤灰及矿渣微粉掺量0～75%、强度C20～C70 的混凝土有很高的模拟精度。

为了进一步验证式(6)和(7)建立的修正计算模型对不同胶凝材料种类混凝土的适用性，将74 组试件分为普通混凝土（OPC）试件、粉煤灰混凝土（FA）试件、矿渣微粉混凝土（SG）试件以及复掺粉煤灰和矿渣微粉混凝土（FA&SG）试件。分别根据上述试件内部7 个、9 个和11 个测点求得氯离子平均扩散深度，进而根据式(1)分别得到DRCM、D9和D11的实测值。进一步地将D9和D11实测值依次代入式(6)和(7)中分别计算与D9和D11对应的DRCM的模型预测值。实测值与预测值之间的对比分别如图6 和7 所示。从图6 和7 可以看出，对于不同胶凝材料种类的混凝土，式(6)和(7)模型的散点都均匀分布在等值线两侧，且绝大多数均落在等值线上，个别点稍有偏离，但也落在±30%的范围之内，从而充分说明本模型的预测值与实测值吻合较好，能够同时适用于OPC 混凝土、FA 混凝土、SG 混凝土以及复掺FA&SG 混凝土。

图 6DRCM 的模型（式（6））预测值与实测值的对比Fig. 6 Tested DRCMvs predicted DRCM by Eq. 6

图 7DRCM 的模型（式（7））预测值与实测值的对比Fig. 7 Tested DRCMvs predicted DRCM by Eq. 7

3 结 语

通过对变电压RCM 试验实测数据的统计分析，确定了混凝土RCM 试验的边部效应及其影响范围，建立了排除边部效应的氯离子扩散系数与不排除或部分排除边部效应的氯离子扩散系数之间的转换关系。分析结果表明：

（1）在变电压RCM 试验中存在显著的边部效应，边部效应的影响范围为直径100 mm 圆柱形混凝土试件外边缘至试件内部20 mm 深的区域。

（2）RCM 试验的边部效应导致混凝土试件边缘部分测点上氯离子扩散深度的离散性较大，影响混凝土扩散系数的测试和计算精度，因而有必要排除边部效应的影响，并利用试件断面上中部7 个测点的扩散深度平均值确定混凝土氯离子扩散系数。

（3）排除边部效应影响的氯离子扩散系数与不排除或部分排除边部效应影响的氯离子扩散系数之间具有高度线性相关性，据此建立的修正计算模型适用于不同胶凝材料种类的混凝土试件。