摘要 混凝土保護(hù)層的抗氯離子滲透性是決定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素之一。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定的混凝土材料的抗氯離子滲透性往往不能真實(shí)地反映混凝土保護(hù)層的抗氯離子滲透性。Permit Ion Migration Test是目前唯一一種可以現(xiàn)場測定混凝土保護(hù)層抗氯離子滲透性的試驗(yàn)方法。本文介紹了Permit Ion Migration Test的基本原理和試驗(yàn)方法，推導(dǎo)了理論計(jì)算公式。通過初步試驗(yàn)介紹了基本試驗(yàn)參數(shù)的測定方法并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理提出了建議。
關(guān)鍵詞 混凝土保護(hù)層；抗氯離子滲透性；穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)；Permit試驗(yàn)；氯離子擴(kuò)散系數(shù)
中圖分類號：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Experimental Research of an In-situ Chloride Migration Test for Covercrete
Abstract: The resistance of covercrete to the penetration of chloride ions plays a crucial rule in the durability of a reinforced concrete structure. In fact, the resistance of concrete to the penetration of chloride ions tested in lab does not equal the resistance of covercrete to the penetration of chloride ions. At the present time, Permit ion migration test is the only method can test the resistance of covercrete to the penetration of chloride ions in situ. This paper introduced the basic theory and test method of permit ion migration test. How to determine the parameters and how to chose effect experimental data were suggested through experiments.
Keywords: covercrete; resistance to the penetration of chloride ions; steady-state migration test ; permit ion migration test; Chloride diffusion coefficient
混凝土保護(hù)層的抗氯離子滲透性是決定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素之一。過去幾十年中，多種評價(jià)混凝土材料抗氯離子滲透性的試驗(yàn)方法得到了研究與發(fā)展[1]。其中電參數(shù)試驗(yàn)[2-5]、穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)[6-8]、非穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)[9, 10]等快速測定混凝土材料抗氯離子滲透性的試驗(yàn)方法得到了廣泛應(yīng)用。事實(shí)上由于邊界效應(yīng)、施工技術(shù)等原因，混凝土保護(hù)層的滲透性與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定的混凝土材料的滲透性之間存在著一定的差異[11-14]。因此實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定的混凝土材料的抗氯離子滲透性不能等同于混凝土保護(hù)層的抗氯離子滲透性。有必要研究混凝土保護(hù)層抗氯離子滲透性的現(xiàn)場測試方法，從而提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命預(yù)測的精確度，為材料設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。
Permit ion migration test，簡稱Permit試驗(yàn)，是由北愛爾蘭女王大學(xué)的P. A. M. Basheer教授等人基于穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)的基本原理改進(jìn)而成[15, 16]。該方法具有試驗(yàn)設(shè)備簡單便攜、試驗(yàn)過程時(shí)間短、易于操作、試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)設(shè)備已投入商業(yè)化生產(chǎn)，是目前唯一一種比較成熟的能夠現(xiàn)場測定混凝土保護(hù)層抗氯離子滲透性的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果與穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)結(jié)果有很好的相關(guān)性。但是該方法的試驗(yàn)研究只限于北愛地區(qū)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較少，要引入國內(nèi)并推廣還需要對具體的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整及驗(yàn)證。本文介紹了Permit試驗(yàn)的基本原理及試驗(yàn)方法，對計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，調(diào)整了具體的試驗(yàn)參數(shù)并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理提出了建議。
1 Permit試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法
本文試驗(yàn)研究采用的是由北愛爾蘭Amphora NDT公司生產(chǎn)的Permit試驗(yàn)儀，主要包括數(shù)字控制器和測試器兩部分，如圖1所示。
數(shù)字控制器用來控制測試器并自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測試器由內(nèi)外兩個(gè)空室構(gòu)成，內(nèi)、外兩室分別設(shè)有鐵電極，如圖2所示。 
Permit試驗(yàn)儀可以對混凝土構(gòu)件的側(cè)面和頂面進(jìn)行測試，但要求構(gòu)件表面必須平整。試驗(yàn)前，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場情況進(jìn)行相應(yīng)的表面飽水（一般情況是用去離子水浸泡表面24h），然后在表面鉆孔，并用直徑為6mm螺栓固定測試器。在內(nèi)室注入0.55M的NaCl溶液，外室內(nèi)注入去離子水。設(shè)置好數(shù)字控制器的試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)即可自動(dòng)進(jìn)行。試驗(yàn)開始后，內(nèi)、外室的電極之間被加以60V的直流電，內(nèi)室電極為陰極，外室電極為陽極。內(nèi)室溶液中的氯離子在電壓的作用下穿過混凝土向外室遷移。同時(shí)，外室內(nèi)的電導(dǎo)率儀以設(shè)定的時(shí)間間隔連續(xù)測定溶液的電導(dǎo)率，時(shí)間間隔可以在1-15min內(nèi)選擇。通過溶液電導(dǎo)率與氯離子濃度的關(guān)系公式即可換算為外室溶液的氯離子濃度。最后在穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)，測定單位時(shí)間氯離子的遷移量來計(jì)算混凝土保護(hù)層的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而評價(jià)混凝土保護(hù)層的抗氯離子滲透性。
2 理論計(jì)算公式
根據(jù)電化學(xué)理論，電解質(zhì)溶液中的離子i在電場內(nèi)所受的電場力為： 
需要說明的是對于穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)，公式（8）中的A等于混凝土試件的面積，l等于混凝土試件的厚度。對于Permit試驗(yàn)，氯離子的遷移路徑不能近似為一維直線，所以 將作為儀器的固定參數(shù)給出。
3 試驗(yàn)研究
3.1 原材料配和比與試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)
論文試驗(yàn)用原材料均來自北京地區(qū)。水泥為北京水泥廠金隅牌PO42.5普通硅酸鹽水泥，砂的細(xì)度模數(shù)為3.0，石子為普通花崗巖碎石，粉煤灰為元寶山一級灰。主要配合比及28天抗壓強(qiáng)度見表1。
測試用混凝土試件高30cm，長40cm，寬30cm。一次成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后任選三個(gè)側(cè)面進(jìn)行試驗(yàn)，分別計(jì)為測點(diǎn)1，測點(diǎn)2和測點(diǎn)3。固定測試器后，首先在內(nèi)、外室均注入去離子水進(jìn)行飽水。試件表面飽水時(shí)間為24h，飽水結(jié)束后，抽出去離子水，再分別注入相應(yīng)溶液，即可開始試驗(yàn)。試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)主要包括電導(dǎo)率與時(shí)間關(guān)系曲線，溫度與時(shí)間關(guān)系曲線和電流與時(shí)間關(guān)系曲線。分別見圖3，圖4和圖5。為了解整個(gè)試驗(yàn)過程，測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的試驗(yàn)時(shí)間延續(xù)較長。正常情況下，試驗(yàn)在穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)即可結(jié)束，考慮到長時(shí)間試驗(yàn)對電極消耗比較大，測點(diǎn)3的非穩(wěn)態(tài)階段沒有測定。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在穩(wěn)態(tài)階段，外室溶液的電導(dǎo)率隨時(shí)間增加而增加，在非穩(wěn)態(tài)階段趨于平穩(wěn)。外室溶液的溫度先隨時(shí)間增加而增加，而后緩慢下降。電流在試驗(yàn)開始后顯著增加，達(dá)到最大值后逐漸降低。 
3.2 主要試驗(yàn)參數(shù)的確定
3.2.1氯離子濃度與電導(dǎo)率的換算關(guān)系
Permit試驗(yàn)采用測定溶液的電導(dǎo)率來換算溶液的氯離子濃度。從而省去了直接測定氯離子濃度時(shí)大量、復(fù)雜的試驗(yàn)操作。一般強(qiáng)電解質(zhì)的電導(dǎo)率隨導(dǎo)電粒子數(shù)增多而增加；當(dāng)濃度增加到一定程度后，正、負(fù)離子的相互作用力增大到妨礙離子的運(yùn)動(dòng)，電導(dǎo)率便降低[19]。在濃度比較小時(shí)，可以認(rèn)為電導(dǎo)率與濃度的線性關(guān)系是存在的。試驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段后，跟蹤測定外室氯離子濃度。每次取5ml溶液并采用電位滴定法來測定氯離子濃度，電導(dǎo)率與氯離子濃度的關(guān)系曲線如圖6所示，電導(dǎo)率先是隨氯離子濃度的增加而增加，而后趨于平穩(wěn)。趨勢與強(qiáng)電解質(zhì)的電導(dǎo)理論基本相符。這也說明在Permit試驗(yàn)中的非穩(wěn)態(tài)階段中，氯離子的濃度依然隨時(shí)間而增加，只是電導(dǎo)率趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)，由于氯離子的濃度比較低，可以認(rèn)為氯離子-濃度與電導(dǎo)率存在線性關(guān)系。如圖7所示，電導(dǎo)率在3000×10-6S•cm-1以下時(shí)，兩者有較好的線性關(guān)系。 
式中： 為氯離子濃度的變化率（mol•l-1•s-1）， 為電導(dǎo)率的變化率（10-6S•cm-1•s-1）。需要說明的是，混凝土孔溶液對氯離子濃度與電導(dǎo)率的線性關(guān)系可能會(huì)有一定的影響。本文只是通過一組試驗(yàn)來介紹確定換算公式的方法。對于不同品種的水泥或不同種類的摻和料，還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來確定可靠的換算公式。
3.2.2 儀器的固定參數(shù)
根據(jù)Basheer的試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析，Permit試驗(yàn)過程中氯離子侵入混凝土內(nèi)部的最大深度一般為3cm左右[15]。對于本文試驗(yàn)采用的試驗(yàn)儀器， 值設(shè)定為3.74m-1。
3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理
3.3.1 穩(wěn)態(tài)階段確定
Permit試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理關(guān)鍵之一是穩(wěn)態(tài)階段終止時(shí)間的確定。根據(jù)Basheer的試驗(yàn)結(jié)果，穩(wěn)態(tài)階段的初始時(shí)間可以認(rèn)為是電流達(dá)到最大值的時(shí)間。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，內(nèi)室氯離子濃度逐漸降低，外室氯離子濃度逐漸增加。一方面，只有在外室氯離子濃度遠(yuǎn)小于內(nèi)室氯離子濃度的情況下公式（8）才成立；另一方面，氯離子濃度超過一定值后，公式（9）就不在適用。因此試驗(yàn)應(yīng)該盡可能早的停止。同時(shí)又要考慮到必須測試到足夠多的點(diǎn)，才能確定電導(dǎo)率的變化率 。綜合以上因素，本文建議電流達(dá)到最大值后2.5h停止試驗(yàn)。這樣即使在15min的最大測試間隔情況下，也能保證有10個(gè)測點(diǎn)來確定電導(dǎo)率的變化率。經(jīng)過處理后的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，三個(gè)測點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)的電導(dǎo)率的變化率 分別為0.136×10-6S•cm-1•s-1，0.130×10-6 S•cm-1•s-1和0.097×10-6 S•cm-1•s-1。根據(jù)公式（9）換算后的氯離子濃度的變化率 分別為1.265×10-6mol•l-1•s-1，1.209×10-6 mol•l-1•s-1和0.902×10-6 mol•l-1•s-1。 
3.3.2 混凝土保護(hù)層溫度的確定
試驗(yàn)中由于電流通過而產(chǎn)生的熱量使被測試部分的混凝土溫度升高，而且溫度隨時(shí)間的變化而變化，實(shí)測混凝土溫度是比較困難的。Permit試驗(yàn)用外室溶液的溫度來近似混凝土的溫度，并且用穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)測定的溫度的平均值來計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)上文對穩(wěn)態(tài)階段時(shí)間的定義，三個(gè)測點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)的溫度平均值分別為34.4℃，36.2℃和34.2℃。換算為開氏度后分別為307.4K，309.2K和306.2K。
3.3.3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算
對于本文Permit試驗(yàn)，氯離子的離子價(jià)為1，為電極之間的電壓60V，內(nèi)室氯離子濃度為0.55mol•l -1， 值為3.74m-1。外室體積V為0.65×10-3m3。將以上參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果分別代入公式（8）中，計(jì)算的三個(gè)測點(diǎn)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為2.461×10-12m2•s-1, 2.366×10-12 m2•s-1和1.748×10-12 m2•s-1。
4 結(jié)論
（1）Permit試驗(yàn)方法可以現(xiàn)場測定混凝土保護(hù)層或表層混凝土的抗氯離子滲透性。具有設(shè)備簡單，操作方便，試驗(yàn)時(shí)間短，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
（2）對于Permit試驗(yàn)，在小濃度范圍內(nèi)溶液的氯離子濃度與電導(dǎo)率有線性關(guān)系。可以通過測定穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)溶液的電導(dǎo)率來換算溶液的氯離子濃度，進(jìn)而簡化試驗(yàn)。
（3）為使Permit試驗(yàn)方法的基本假設(shè)條件成立和確保足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，穩(wěn)態(tài)階段可確定為電流達(dá)到最大值后的2.5h之內(nèi)。
