結(jié)構(gòu)工程碩士論文-混凝土滲透性試驗方法研究.doc

國內(nèi)圖書分類號：國際圖書分類號：工學碩士學位論文混凝土滲透性試驗方法研究碩士研究生： 導 師：趙鐵軍教授F. H. Wittmann 教授張新華教授申請學位級別：工學碩士學科、 專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程所在院系：土木工程學院 答辯日期：2005年6月授予學位單位：青島理工大學Classified Index:U. D. C:Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON METHODS OF CONCRETE PERMEABILITY TESTINGbyYang JinboSupervisor: Pro. Zhao TiejunPro. F. H. WittmannPro. Zhang XinhuaAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpecialty: Structural EngineeringDepartment: Civil EngineeringUniversity: Qingdao Technology UniversityJune, 2005青島理工大學碩士學位論文摘 要滲透性是混凝土耐久性的重要指標。有必要建立統(tǒng)一、有效的滲透性試驗方法來研究混凝土的滲透性、指導混凝土耐久性設(shè)計與施工、評價混凝土質(zhì)量以及預測混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命。氯離子引起的鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)面臨的嚴重耐久性問題，氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土滲透性的試驗方法受到業(yè)內(nèi)專家普遍關(guān)注，本課題采用氯離子電遷移法、交流電測電阻（電參數(shù)）法和氯離子自然擴散法三種國際上常用的試驗方法，測試了一系列不同齡期混凝土的滲透性，分析比較了三種試驗方法的優(yōu)缺點，討論了混凝土滲透性與孔隙率、強度以及材料配比之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，氯離子電遷移法和交流電測混凝土電阻（電參數(shù)）法試驗簡潔、試驗時間短、能夠較準確地反映混凝土的滲透性，兩者試驗結(jié)果相關(guān)性達0.89036以上；氯離子自然擴散試驗原理清晰，氯離子滲透以擴散為主，可以較準確地測定混凝土氯離子擴散系數(shù)；氯離子電遷移試驗測定的混凝土氯離子擴散系數(shù)明顯高于自然擴散試驗結(jié)果。交流電測電阻（電參數(shù)）法和氯離子自然擴散法可用于測定表面處理后混凝土的抗氯離子滲透性。乳液型StoCryl HC 100有機硅防水劑處理后的混凝土抗氯離子滲透能力有效提高。對于普通硅酸鹽水泥混凝土，水泥用量相同時，滲透性、強度和孔隙率之間有良好的相關(guān)性，水膠比降低，孔隙率降低，滲透性降低，強度提高?？梢哉J為對于同種膠凝材料配制的混凝土，孔隙率及孔結(jié)構(gòu)是影響混凝土強度和滲透性的主要因素。對于不同種膠凝材料配制的混凝土，混凝土以上性能相關(guān)性很差。關(guān)鍵詞 滲透性；試驗方法；電遷移；自然擴散；交流電；氯離子AbstractConcrete permeability is an important index that closely correlates with durability of concrete. It is necessary to find and build a standard method to test the permeability of concrete material. Using the uniform and effective testing method, can study the concrete permeability, guide the concrete durability design, control the quality of the concrete structure and predict the concrete service life correctly. Reinforcing steel corrosion caused in chloride salt environment is the most serious problem of concrete durability. So methods testing the resistance of the chloride penetration to reflect the concrete permeability are becoming popular. In this paper, rapid chloride migration test, alternating current test and diffusion cell test are used to measure the permeability of concrete. The experimental results show that rapid chloride migration test and alternating current test are simple and fast. They have a good relationship with a correlation coefficient over 0.89036. The diffusion cell test takes a long time about several months but the diffusion coefficients it tests are the most believable. Alternating current test and diffusion cell test are capable to be used to test permeability of water repllent agent treated concrete. The StoCryl HC 100 gel water repllent agent can decrease the permeability of concrete effectively. The permeability, compressive strength and porocity of concrete made with the same binder have a good correlation. The permeability decreases with the increase of compressive strength and the decrease of porocity. But while using different binders, there is not a good correlation among the permeability, compress strength and porocity of concrete.Key words: permeability; chloride; testing method; migration; alternating current; diffusion cell 目錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 混凝土的滲透性11.1.1 混凝土滲透性與耐久性11.1.2 影響混凝土滲透性的因素21.2 研究滲透性試驗方法的目的31.2.1 精確測量和恰當評價混凝土滲透性31.2.2 使試驗方法更科學合理、簡單易行31.3 論文的研究內(nèi)容3第2章 混凝土滲透性試驗方法42.1 滲透系數(shù)法42.1.1 水壓力法52.1.2 表面吸水法52.1.3 透氣法62.2 電參數(shù)法72.2.1 直流電量法72.2.2 用交流電測量混凝土電阻（電參數(shù)）102.2.3 飽鹽混凝土電導率法112.2.4 極限電壓法132.3 離子擴散系數(shù)法132.3.1 氯離子自然擴散試驗142.3.2 氯離子電遷移試驗162.3.3 多介質(zhì)理論182.4 本章小結(jié)19第3章 混凝土配合比及物理力學性能203.1 試驗用混凝土203.1.1 原材料203.1.2 配合比203.1.3 成型和養(yǎng)護213.2 混凝土拌和物的基本性能213.3 混凝土立方體抗壓強度223.4 混凝土的孔隙率試驗243.4.1 試驗方法243.4.2 試驗結(jié)果計算與分析253.5 本章小結(jié)27第4章 氯離子電遷移試驗294.1 試驗方法294.2 試驗結(jié)果分析354.3 本章小結(jié)37第5章 用交流電測量混凝土滲透性試驗385.1 試驗方法385.2 試驗結(jié)果分析415.2.1 普通混凝土415.2.2 表面處理混凝土435.3 本章小結(jié)46第6章 氯離子自然擴散試驗476.1 試驗方法476.2 試驗結(jié)果計算496.2.1 標定離子選擇性電極496.2.2 試件準備及下游室氯離子濃度測定506.2.3 計算氯離子擴散系數(shù)516.3 試驗結(jié)果分析526.4 本章小結(jié)53第7章 試驗結(jié)果對比分析547.1 孔隙率與強度547.2 孔隙率與滲透性557.3 離子電遷移與交流電參數(shù)577.4 離子電遷移與自然擴散587.5 強度與滲透性587.6 本章小結(jié)60結(jié) 論62參考文獻64攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文69附錄1： 混凝土物理力學性能試驗原始記錄70附錄2： 氯離子電遷移試驗原始記錄71致謝77- IV -第1章 緒論1.1 混凝土的滲透性1.1.1 混凝土滲透性與耐久性混凝土在使用期間，會由于環(huán)境中的水、氣體及其中所含侵蝕性介質(zhì)侵入，產(chǎn)生的物理和化學反應(yīng)而逐漸劣化。混凝土的耐久性實質(zhì)上就是抵抗這種劣化作用的能力。產(chǎn)生這種劣化作用的內(nèi)部潛在因素是混凝土中的化學成分和結(jié)構(gòu)，外部條件是外部環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)和水的存在，必要條件是外部侵蝕性介質(zhì)和水能逐漸侵入混凝土的內(nèi)部。在不同的環(huán)境中，起主導作用的因素不同，混凝土的劣化會有不同的表現(xiàn)，但往往仍是許多因素綜合的、復雜的作用，因此至今難以建立起一個評價混凝土耐久性的確定指標1-5。影響混凝土耐久性的各種破壞過程幾乎都與水有密切的關(guān)系1（圖1-1），因此混凝土的滲透性被認為是評價混凝土耐久性的重要指標?；炷恋臐B透性不只是對要求防水的結(jié)構(gòu)有重要意義，更重要的是評價混凝土抵抗環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)侵入和腐蝕的能力。鋼筋銹蝕硫酸鹽腐蝕凍融破壞堿-集料反應(yīng)瀝濾ClCO2SO42-H2O滲透性材料組成制備方法養(yǎng)護處理混凝土劣化孔結(jié)構(gòu)改變H2O, O2H2OH2O圖1-1 混凝土滲透性與各破壞過程的關(guān)系Fig.1-1 Relationship between permeability and durability of concrete從影響混凝土耐久性的各個過程可以看出，造成耐久性破壞的最根本原因是水的存在以及混凝土本身的不均勻性（孔、縫）造成的侵蝕介質(zhì)侵入。例如，混凝土中鋼筋銹蝕，需要有氯離子去鈍，以及水分和氧氣；混凝土發(fā)生硫酸鹽腐蝕破壞的必要條件為有水及腐蝕性離子進入混凝土；發(fā)生堿集料反應(yīng)破壞需要有足夠水分；碳化反應(yīng)，需要有CO2和水分，等等。滲透性越低，則水及有害介質(zhì)越不容易侵入到混凝土內(nèi)部，對混凝土產(chǎn)生破壞的作用越小，即混凝土的耐久性越好。國內(nèi)外很多學者6-10都以混凝土的滲透性為基礎(chǔ)來研究耐久性。1.1.2 影響混凝土滲透性的因素因為強度和滲透性都與毛細孔孔隙率有關(guān)，作為一級近似，影響混凝土強度的諸因素也影響滲透性11,12,見圖1-2。減少水泥基體中大的毛細孔孔隙（100nm）可降低滲透性，采用低水膠比、適當?shù)乃嘤昧恳约罢_的搗實和養(yǎng)護條件有可能做到這點。同樣，正確注意骨料尺寸和級配，溫度和干躁收縮應(yīng)變，以及避免過早或過量荷載是降低過渡區(qū)意外細微開裂的必要措施。最后，應(yīng)注意液體流動的曲折通道也影響滲透性，這些通道受混凝土構(gòu)件厚度影響。滲透性試件參數(shù)尺寸幾何形狀潮濕條件組成各相滲透性過渡區(qū)孔隙水膠比礦物摻和料泌水特性 骨料級配 最大尺寸和幾何形狀水化程度 養(yǎng)護時間、溫度、濕度集料和水泥漿體間的化學反應(yīng)骨料的孔隙基體的孔隙水膠比礦物摻和料水化程度養(yǎng)護時間、溫度、濕度含氣量引入空氣量圖1-2 影響混凝土滲透性的因素Fig.1-2 Factors that influence concrete permeability 1.2 研究滲透性試驗方法的目的1.2.1 精確測量和恰當評價混凝土滲透性 混凝土的滲透性具有重要意義，但必須要有有效的試驗方法來精確測量并恰當評價13-16。通過研究滲透性試驗方法，才可以實現(xiàn)上述目的。獲得混凝土的滲透性可以：（1）設(shè)法改善混凝土的滲透性，如通過組成材料選擇、調(diào)整配合比、保證養(yǎng)護條件、延長齡期等。（2）指導設(shè)計與施工，如設(shè)計施工中規(guī)定具體措施及指標，以保證混凝土的耐久性等。（3）檢驗、檢測工程質(zhì)量，滲透性可以作為質(zhì)量控制中的指標之一。1.2.2 使試驗方法更科學合理、簡單易行混凝土滲透性試驗方法不但要求能測量出混凝土的滲透性，而且要保證方法科學合理、簡單易行，以便推廣使用。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，滲透性試驗方法也必須不斷完善和改進，以適應(yīng)新的要求。1.3 論文的研究內(nèi)容本課題研究，重點在于分析目前國內(nèi)外不同的混凝土滲透性試驗方法；選擇三種國際較常用的試驗方法進行對比試驗；確定適當?shù)姆椒▉硌芯炕炷翝B透性。具體內(nèi)容如下：第二章全面介紹目前國內(nèi)外不同的混凝土滲透性試驗方法，選擇目前較常用的三種試驗方法。第三章介紹試驗用混凝土的制備以及混凝土物理力學性能試驗。第四章、第五章、第六章分別采用氯離子電遷移試驗、交流電測混凝土電參數(shù)法和氯離子自然擴散法測定不同混凝土的氯離子擴散系數(shù)。分析討論試驗方法及各試驗參數(shù)的確定。第七章討論分析各種試驗方法結(jié)果的相互關(guān)系，比較各種試驗方法的優(yōu)缺點，分析混凝土物理力學性能與滲透性的關(guān)系。第2章 混凝土滲透性試驗方法早期的混凝土滲透性試驗方法是依據(jù)流體力學的Darcy定律，將混凝土視為多孔固體材料用滲透系數(shù)來評價混凝土的滲透性17，如透水法和透氣法等。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，混凝土的抗?jié)B性不斷提高，使得滲透性系數(shù)試驗受到限制。而且，由于混凝土使用范圍擴大，要求對混凝土抵抗各種有害離子侵蝕的能力做出評價，各種電參數(shù)試驗和離子擴散系數(shù)試驗越來越受到關(guān)注。氣體、水和離子進入混凝土內(nèi)部可能通過滲透、擴散和遷移（統(tǒng)稱為滲透）。這些方式往往不是單獨發(fā)生，而是同時發(fā)生而且相互作用18。混凝土所處環(huán)境不同，滲透的方式也不同。目前已有一些快速評價混凝土滲透性的方法，但還沒有任何試驗方法可以用來評價混凝土對任意介質(zhì)的滲透性19，各種滲透性試驗方法所研究的滲透過程、所依據(jù)的原理各不相同。依據(jù)試驗原理可以大致把試驗方法分為三類：滲透系數(shù)法，電參數(shù)法和離子擴散法。本章分別介紹各種試驗方法的基本原理和試驗過程。2.1 滲透系數(shù)法滲透系數(shù)法主要依據(jù)達西定律測定混凝土的滲透系數(shù)。流體在孔隙中流動時，必然要有能量損失。法國工程師達西（Darcy）在1852年通過試驗研究，總結(jié)出滲流水頭損失與滲流速度之間的關(guān)系，（為滲流速度，為試驗材料性質(zhì)和流體性質(zhì)綜合影響滲流的系數(shù)，為水頭損失，為滲流的距離）20為達西定律。達西定律最初是根據(jù)勻質(zhì)砂土試驗得到的，只能在服從線性滲流規(guī)律的范圍內(nèi)使用。對于多孔材料，當一種流體在一定壓力差下流過此物體時，根據(jù)達西定律，流速與壓力差之間有如下規(guī)律：（為體積流量，為多孔材料的總橫截面積，為水頭壓力， 為多孔材料的厚度， 為該多孔材料的滲透系數(shù)）19。滲透性可定義為衡量多孔固體中流體流動速率的一個參數(shù)，它是反映多孔材料本身特性的一個物理參數(shù)，并與多孔材料的孔隙率和組成多孔材料的顆粒比表面積有關(guān)。對于混凝土來說，滲透性與混凝土的孔隙率及組成的比表面積有關(guān)，與流經(jīng)混凝土的流體無關(guān)。也就是說，用不同流體介質(zhì)得到的混凝土滲透系數(shù)，如由氣體得到的混凝土的滲透系數(shù)和由液體得到的混凝土滲透系數(shù)雖然量綱和數(shù)值不同，但所反映的都是混凝土的同一個性質(zhì)，即混凝土的滲透性（而不是某介質(zhì)的滲透性）。目前依據(jù)以上理論的試驗方法主要有水壓力法、表面吸水法和透氣法。2.1.1 水壓力法傳統(tǒng)的水壓力試驗方法分為穩(wěn)定流動法、滲透深度法和抗?jié)B標號法。（1）穩(wěn)定流動法測量壓力液體流過混凝土的流量、速度，適用于研究具有較高滲透性的混凝土，如強度不高、齡期不長的混凝土。在該方法中，滲透系數(shù)可根據(jù)達西定律來確定，在足夠緩慢的單向穩(wěn)定流中達西定律可表示為：（為流動法測量的滲透系數(shù)，為液體的粘度，為體積流量，為流動液體透過試件的截面積，為試件高度，為水頭高度）。根據(jù)達西定律計算滲透系數(shù)時，一般存在較大的試驗誤差，為謹慎起見，一般要求在不同的低流速下進行測量，將流速對壓強作圖，用一條直線來擬合這些數(shù)據(jù)點21。（2）滲透深度法測量壓力液體滲透混凝土的深度，適用于研究具有低滲透性的混凝土。在該方法中相對滲透系數(shù)為：（為滲透深度法測量的滲透系數(shù)，為平均滲透高度，為混凝土孔隙率，為恒定壓力時間，為水頭高度）。由于孔隙率實測困難，因此采用計算式 6：（為混凝土中滲入水的體積，為混凝土試件的截面面積，為混凝土試件的長度）。R. P. Khatri 和 V. Sirivivatnanon22，23建立了穩(wěn)定流動法與滲透深度法之間的聯(lián)系，給出了兩種研究方法的選擇標準。他們認為，在選擇方法時，可根據(jù)混凝土28天抗壓強度與齡期來確定，臨界條件如下：如果，則采用滲透深度法；如果，則采用穩(wěn)定流動法。（3）我國標準試驗方法中采用的是抗?jié)B標號法24，其中用6個高度為150mm的圓臺形試件從水壓為0.1MPa開始，以后每隔8h增加水壓0.1MPa，直至6個試件中有3個被壓力水滲透，停止試驗，記錄此時的水壓力值；通過一個簡單的線性換算關(guān)系，將停止試驗時的水壓力值換算成一個整數(shù)，這個整數(shù)即為抗?jié)B標號；實際上可以將抗?jié)B標號法看作是滲透深度法的一個特例。該方法的特點是簡單，適合工程上評價混凝土抗?jié)B性能，但用于科學研究，所獲得的數(shù)據(jù)太少。2.1.2 表面吸水法這種方法又稱初始表面吸水法（Initial Surface Absorption Test），試驗裝置如圖2-125。試驗前試件需同條件預處理：在50的烘箱中烘24h，或在溫度20、相對濕度55%的試驗室中長期放置。試驗時，打開水箱下面閥門及右邊放氣閥門；向水箱中注水，水通過水箱下面兩條管路分別流入頂面兩個區(qū)域（中心的圓形槽及周圍的環(huán)形槽）；待水從放氣閥門流出后，關(guān)閉該閥門；當水量表讀數(shù)適當時，關(guān)閉水箱下邊水閥，同時停止向水箱中注水并開始計時；10、30、60及120分鐘時，記錄水量表讀數(shù)，以此讀數(shù)或此讀數(shù)對時間的變化評定混凝土的吸水性，并稱滲透性26。該法只能測量混凝土面層的吸水性，并不能反映混凝土基體的性質(zhì)；另外對高性能混凝土而言，由于通常吸水量很小，難以分辨或評價其滲透性。圖2-1表面吸水法滲透性試驗Fig. 2-1 Initial surface absorption test2.1.3 透氣法透氣法測量混凝土滲透性的形式也很多27-29，僅以圖2-2 27說明透氣法的試驗原理。試驗前將試件烘干至恒重，試驗時（1）將氣室抽空或注入氣體至一定壓強P1，記下時間t1；（2）當壓強變?yōu)镻2（自定）時讀時間t2，或者當t2=t1+t（自定，如取t=120秒）讀P2；（3）重復以上（1）（2）步，直至壓強變化率為恒定時，以此計算混凝土的滲透系數(shù)。該法的優(yōu)點是快而方便；缺點為受干燥溫度影響較大，同時干燥與混凝土的實際工作狀態(tài)相差較遠。因為混凝土通常含水，該水包括自由水，吸附水，層間水，結(jié)晶水及結(jié)構(gòu)水，它們的活性不同且與混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及化學組成有關(guān)。干燥溫度太低時，需干燥時間長且難以達到除盡自由水和吸附水的目的；溫度太高時，失去層間水以至結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水，使混凝土破壞，試驗結(jié)果失真。并且，據(jù)Cabrera27稱，對摻硅粉混凝土的滲透性試驗，以該方法和其它方法（如透水法，氯離子滲透法等）獲得的試驗結(jié)果沒有可比性（有時高出10倍之多），說明該法不適合用于摻硅粉的混凝土滲透性試驗。圖2-2一種透氣法滲透性試驗Fig. 2-2 A new gas meter for measuring the permeability2.2 電參數(shù)法 電參數(shù)法是指通過各種試驗方法測量混凝土材料在不同飽和溶液條件下的電阻（或電導）、電導率、通電量以及極限（或擊穿）電壓等電參數(shù)，并以此來評價混凝土的滲透性。2.2.1 直流電量法該法是由Whiting30研究提出的，后來先后被美國兩個標準AASHTO T277-8331和ASTM C1202-9132所采用，是目前國際應(yīng)上用最為廣泛的試驗方法。它是在規(guī)定時間內(nèi)測定通過混凝土的電量高低來評價混凝土的滲透性。這種方法也存在著明顯的缺點，受到越來越多的批評。例如，由于施加60V的高電壓而產(chǎn)生極化反應(yīng)，使溶液溫度升高，影響試驗結(jié)果；試驗結(jié)果受到孔溶液化學成分的影響，等等。如果降低試驗電壓，又會大大延長試驗時間。美國材料與試驗協(xié)會采用的混凝土滲透性試驗方法（ASTM C1202-94）如下： （1）試驗目的 定量評價混凝土抗氯離子滲透的能力，為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工以及質(zhì)量檢測提供基本參數(shù)。（2）適用范圍本試驗方法以電量指標來快速測定混凝土的滲透性，為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工以及質(zhì)量檢測提供基本參數(shù)。適用于直徑為952mm，厚度為513mm的素混凝土試件或芯樣。本試驗方法不適用于摻亞硝酸鈣的混凝土。對于摻其它外加劑或表面處理過的混凝土，當有疑問時，應(yīng)進行氯化物溶液的長期浸泡試驗。（3）試驗基本原理 在直流電壓作用下，氯離子能通過混凝土試件向正極方向移動，以測量一定時間內(nèi)通過混凝土的電荷量反映混凝土抵抗氯離子滲透的能力。（4）試驗設(shè)備及材料圖2-3 試驗裝置示意圖Fig.2-3 Experimental arrangement for ASTM C1202-941-直流穩(wěn)壓電源；2-試驗槽；3-銅網(wǎng)；4-混凝土試件；5-3.0%NaCl溶液；6-0.3mol NaOH溶液；7-1標準電阻；8-直流數(shù)字式電壓表圖2-4試驗槽結(jié)構(gòu)圖Fig. 2-4 Specimen cell for ASTM C1202-94 試驗裝置如圖2-3。 直流穩(wěn)壓電源，可輸出60V直流電壓，精度0.1V。 塑料或有機玻璃試驗槽，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2-4所示。 銅網(wǎng)孔徑為0.95mm（64孔/cm2）。 1標準電阻，精度1.0；直流數(shù)字電壓表，精度1.0。 真空泵，真空度可達133Pa以下。 真空干燥器，內(nèi)徑大于250mm。 分析純試劑配制的3.0%NaCl溶液。 用純試劑配制的0.3molNaOH溶液。 硅橡膠或樹脂密封材料。（5）試驗步驟 制作直徑為95mm，厚度為51mm的混凝土試件，在標準條件下養(yǎng)護28d或90d，試驗時以三塊試件為一組。試件在實體混凝土結(jié)構(gòu)中鉆取時，應(yīng)由混凝土芯樣表面向內(nèi)切割513mm試件，如表面有涂料等表面處理應(yīng)以切除，試樣內(nèi)不得含有鋼筋。試樣移送試驗室時要避免凍傷或其它物理破壞。 將試件暴露于空氣中至表面干燥，以硅橡膠或樹脂密封材料涂刷試件圓柱表面，必要時填補涂層中的孔洞以保證試件圓柱側(cè)面完全密封。 測試前應(yīng)進行真空飽水。將試件放入真空干燥器中，啟動真空泵，數(shù)分鐘后真空度達133Pa以下，保持真空3h后，維持這一真空度注入足夠的蒸餾水，直至淹沒試件，試件浸沒1h后恢復常壓，再繼續(xù)浸泡182h。 從水中取出試件，擦去多余水分，將試件安裝于試驗槽內(nèi)，用橡膠密封環(huán)或其它密封膠密封（可用螺桿將兩試驗槽和試件夾緊），以確保不會滲漏，然后將試驗裝置放在2023的流動冷水槽中，水面宜低于裝置頂面5mm，試驗應(yīng)在2025恒溫室內(nèi)進行。 將濃度為3.0%NaCl溶液和0.3mol/L的NaOH溶液分別注入試件兩側(cè)的試驗槽中，注入NaCl溶液的試驗槽內(nèi)銅網(wǎng)連接電源負極，注入NaOH溶液的試驗槽中銅網(wǎng)連接電源正極。 接通電源，對上述兩銅網(wǎng)施加60V直流恒電壓，并記錄電流初始讀數(shù)I0，通電并保持試驗槽中充滿溶液。開始時每隔5min記錄一次電流值，當電流值變化不大時，每隔10min記錄一次電流值，當電流變化很小時，每隔30min記錄一次電流值，直至通電6h。 試驗后排除試驗溶液，試驗槽仔細用飲用水和洗滌劑沖洗60s，最后用蒸餾水洗凈并電吹風（用冷風檔）吹干。（6）試驗結(jié)果計算 繪制電流與時間的關(guān)系圖。將各點數(shù)據(jù)以光滑曲線連接起來，對曲線作面積積分，或按梯形法進行面積積分，即可得試驗6h通過的電量。當試件直徑不等于95mm時，所得電量應(yīng)按截面面積比的正比關(guān)系換算成直徑為95mm的標準值。 取同組三個試件通過的電量平均值作為該組試件的通電量來評定混凝土抗氯離子滲透性。如果某一個測值與中值的差值超過中值的15%，則取中值為測定值；如有兩個測值與中值的差值都超過中值的15%，則該組試驗結(jié)果無效。評定標準見表2-1。表2-1混凝土通過的電量與氯離子滲透性Table 2-1 Standard for assessing concrete permeability通過的電量(庫侖)氯離子滲透性4000高2000-4000中1000-2000低100-1000非常低100可忽略2.2.2 用交流電測量混凝土電阻（電參數(shù)）文獻33對該方法做了詳細介紹?；炷翆щ娪腥N途徑：a.通過骨料，b.通過漿體，c.相繼通過骨料和漿體。對于早齡期的混凝土，容抗在總阻抗中占有不可忽視的比率。但對于用通電的方法測量混凝土滲透性，混凝土的齡期一般至少要在28d以上，計算總阻抗時容抗則完全可以忽略。在混凝土中，由于一般骨料比漿體的導電性低的多，混凝土導電主要通過漿體，混凝土的導電性主要取決于混凝土的漿/骨比。但是混凝土的導電性與其漿骨比之間并無簡單的關(guān)系存在。因為當骨料增加時，一方面降低了混凝土的導電組分漿體，另一方面又增加了界面區(qū)域含量，界面區(qū)中孔隙率高而且孔易連通，即增加了混凝土的導電通道。實際上，混凝土導電是由于其中的骨料、漿體和界面區(qū)中含有孔隙，并且孔隙中存在含有離子的毛細孔水和膠孔水。一般認為，當將孔溶液的化學成分作為常量考慮時，混凝土的導電性可以反映其內(nèi)部孔隙情況34,35。 美國材料與試驗協(xié)會推薦的混凝土氯離子滲透性試驗方法（ASTM C1202）存在的問題之一是試驗時間長，且長時間直流電壓作用下溶液溫度升高，試驗數(shù)據(jù)受到干擾。用交流電測量混凝土滲透性試驗方法改進了美國材料與試驗協(xié)會推薦的混凝土氯離子滲透性試驗方法（ASTM C1202），并克服了后者的許多缺點。但兩種試驗結(jié)果有很好的相關(guān)關(guān)系33,36，如圖2-5所示，相關(guān)系數(shù)為0.9867，即兩種試驗方法可以相互取代。圖2-5 交流電導與ASTM C1202電量的關(guān)系Fig. 2-5 Relationship between conductivity and the number of coulombs2.2.3 飽鹽混凝土電導率法文獻37,38詳細介紹了該方法。導體的電導與截面積成正比，與長度成反比，即，式中比例系數(shù)稱為電導率，電導率的單位為Sm1。如果把混凝土看成是固體電解質(zhì)，則帶電粒子在混凝土中的擴散系數(shù)與其偏電導有關(guān)。該關(guān)系即Nernst-Einstein方程，見式（2-1）： （2-1）式中：粒子的擴散系數(shù)，cm2/s；氣體常數(shù)，為8.314J/(molK)；絕對溫度，K；粒子的偏電導，S/m；粒子的電荷數(shù)或價數(shù)；Faraday常數(shù)，為96500C/mol；粒子的濃度，mol/cm3；如果已知粒子的偏電導和濃度，則粒子的擴散系數(shù)可由Nernst-Einstein方程求出。偏電導如式（2-2）： （2-2）式中：混凝土的電導率；粒子的遷移數(shù)，其定義如式（2-3）： （2-3）式中：，粒子對所傳輸?shù)目傠娏亢涂傠娏鞯呢暙I。利用Nernst-Einstein方程確定某種離子的擴散系數(shù)，必須知道這種離子的遷移數(shù)。這一般是比較困難的。一種較為簡便的方法是使得此值最大限度的趨近1.0。例如，要想測定氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)，可以將混凝土充分飽鹽，假設(shè)氯離子的遷移數(shù)等于1.0，可認為是孔溶液中氯離子的濃度，或是所用鹽溶液中氯離子濃度。與自然擴散法不同的是，這種方法用真空抽吸的方法加速混凝土試件飽鹽。飽鹽混凝土電導率法標準試驗方法如下：（1）試驗目的利用Nernst-Einstein方程和NEL型混凝土快速真空飽水飽鹽裝置及混凝土滲透性電測儀檢測混凝土中的氯離子擴散系數(shù)DNEL，對混凝土滲透性進行快速評價。為耐久混凝土的配合比設(shè)計和混凝土質(zhì)量檢驗提供依據(jù)。（2）檢測步驟 配制溶液：用分析純NaCl和蒸餾水攪拌配制4molL NaCl鹽溶液，靜停8h以上備用。 試樣制備：將待測混凝土試件（可為指定齡期的試件或鉆取的芯樣），切去表面層2cm以避免浮槳層的影響，然后切成100100 50mm 或F10050mm的試樣，上下表面應(yīng)平整；取其中三塊，用千分尺量取試樣中心厚度。 真空飽鹽：將5cm厚的混凝土試樣垂直碼放于NEL型混凝土快速真空飽鹽裝置的真空室中，試樣間應(yīng)留有間隙。密封真空室并開動真空泵和氣路開關(guān)，在真空表顯示值小于-0.05 MPa的壓力下保持6h后，斷開氣路，導入4molL的NaCl溶液至液位指示燈滅，關(guān)閉水路開關(guān)，再打開氣路開關(guān)，抽真空至上述真空度并保持2h。關(guān)閉真空泵和所有開關(guān)，繼續(xù)保持試樣浸泡于真空室的狀態(tài)至24h為止（從開始抽真空時計）。每次飽鹽完畢，應(yīng)及時更換真空泵油（若用無油泵，需檢查工作狀態(tài)是否正常），并清洗真空室。 測量氯離子擴散系數(shù)DNEL：擦去飽鹽試樣側(cè)面鹽水并置于試樣夾具中兩F50mm紫銅電極間（如果混凝土試樣表面略不平整，可在兩電極與試樣表面各加一浸有4molL NaCl的80目銅網(wǎng)），用NEL型混凝土滲透性電測儀進行測量，混凝土滲透性電測儀可自動調(diào)節(jié)電壓，直接給出該混凝土試樣中氯離子擴散系數(shù)DNEL值。 數(shù)據(jù)處理和混凝土滲透性評定：取偏差小于15%的三塊平行試樣的氯離子擴散系數(shù)平均值作為該混凝土中氯離子擴散系數(shù)值；若三塊平行試樣的測定值與平均值的偏差均超過15%，則需重新進行檢測。根據(jù)表2-2對混凝土滲透性進行分級。表2-2 混凝土滲透性評價標準Table 2-2 Standard for assessing concrete permeability氯離子擴散系數(shù)DNEL (10-14 m2/s)混凝土滲透性等級混凝土滲透性評價1000很高5001000高100500中50100低1050很低10極低注：當氯離子擴散系數(shù)DNEL恰好為兩等級的邊界值時，取上一等級。2.2.4 極限電壓法 極限電壓法與電導率法相似，將不同混凝土的對比基礎(chǔ)設(shè)定為混凝土開孔中無水分。然后將混凝土看成是絕緣介質(zhì)，進行電擊穿試驗，或是設(shè)定一極限電流，測定極限電壓，從而評價混凝土的滲透性。該方法只適用于混凝土滲透性的相對比較。2.3 離子擴散系數(shù)法 擴散是一種由運動引起的物質(zhì)傳遞過程。若離子在介質(zhì)中分布不均勻并存在濃度梯度時，則介質(zhì)中將產(chǎn)生使?jié)舛融呌诰鶆虻亩ㄏ驍U散流。德國學者菲克（Fick）對于這種擴散過程做了定量描述，分別提出了菲克第一定律和菲克第二定律39。某種物質(zhì)在另一種物質(zhì)中的擴散系數(shù)（或是擴散性）不僅反映第一種物質(zhì)本身的特性，同時也包含了第二種物質(zhì)的一些信息。與材料的滲透性相似，一種物質(zhì)在另一種物質(zhì)中的擴散系數(shù)也與第二種物質(zhì)的孔隙率和材料組成有關(guān)；一般地，第二種物質(zhì)的孔隙率越大，第一種物質(zhì)的擴散系數(shù)越大。因此，侵蝕性介質(zhì)在混凝土中擴散系數(shù)的大小可以很好反映混凝土滲透性的高低。一些陽離子由于電斥力的作用，擴散在離開表面處進行，而氯離子親和力較大，可在表面附近擴散，因此易于擴散至2nm以下的孔中，故而常用氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)來評價混凝土滲透性。2.3.1 氯離子自然擴散試驗自然擴散試驗也叫自然浸泡試驗，是先將混凝土長時間的浸泡于含氯的鹽水中，再通過化學分析的方法得到氯離子濃度與擴散距離的關(guān)系，然后利用菲克第二定律計算出氯離子的擴散系數(shù)。菲克第二定律如式（2-4）： （2-4）式中：粒子的擴散系數(shù)；距離；時間。利用邊界條件解得如式（2-5）： （2-5）式中：時刻距離表面處的粒子濃度； 粒子在0處的初始濃度。當混凝土試件浸泡在含氯的鹽溶液中，在與氯鹽溶液接觸的一面，氯離子由于濃度差開始從表面向混凝土內(nèi)部擴散，直至透過混凝土試件，擴散至另一側(cè)溶液中，氯離子濃度沿混凝土試件厚度方向隨時間變化的曲線如圖2-640。氯離子透過混凝土試件之前的階段叫做非穩(wěn)態(tài)擴散。當氯離子透過混凝土試件，擴散相對穩(wěn)定時，叫做穩(wěn)態(tài)擴散。圖2-6 穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)擴散氯離子濃度沿混凝土試件厚度方向隨時間變化情況Fig. 2-6 Stable chloride diffusion and unstable chloride diffusion兩種試驗方法的主要區(qū)別在于，在測定氯離子濃度和擴散距離的關(guān)系時，采用的方法不同。非穩(wěn)態(tài)擴散試驗是在浸泡一定時間后，沿混凝土試件暴露于鹽溶液的側(cè)面向內(nèi)逐層切片、磨粉，分析不同深度內(nèi)氯離子含量，進而計算氯離子濃度和擴散距離的關(guān)系；穩(wěn)態(tài)擴散是在擴散穩(wěn)定后，測定擴散下游溶液中的氯離子濃度，進而計算氯離子濃度和擴散距離的關(guān)系。對于氯離子濃度的測定，目前常用的方法主要有滴定法、感性電極法和離子色譜法41-44。自然擴散試驗是確定離子在混凝土中擴散系數(shù)的最常用方法，比較接近實際情況，但費時費力。（1） 非穩(wěn)態(tài)自然擴散試驗（鹽溶液長期浸泡法）1981年以前，美國測試混凝土中氯離子擴散主要采用改方法。即美國最早的氯離子擴散試驗標準方法AASHTO T259（鹽溶液浸泡試驗）45-47。后來歐洲在此基礎(chǔ)上做了一些改進，并制定了Nord Test，NT Build 443-94氯離子擴散試驗標準48。由圖2-7可以看出美國和歐洲在氯離子擴散長期浸泡試驗方法有所不同，最明顯的不同是對試件的處理，美國AASHTO T259標準中的試件留下兩個相對暴露面，Nord Test，NT Build443-94試驗中試件只留一個相對暴露面；其次是暴露環(huán)境。雖然如此，兩種浸泡試驗中混凝土的浸泡時間幾乎一致，即普通混凝土在氯化鈉溶液中35d，對高強、高性能混凝土，浸泡時間為90d或更長。圖2-7 AASHTO T259試驗與Nord Test試驗對比圖Fig.2-7 AASHTO T259 and Nord Test（2） 穩(wěn)態(tài)自然擴散試驗（擴散室法）穩(wěn)態(tài)自然擴散試驗也叫擴散室法（Diffusion Cell Test），試驗裝置示意如圖2-8。左右兩室內(nèi)的氫氧化鈣飽和溶液是模擬混凝土內(nèi)部孔溶液環(huán)境。氯離子濃度和試件尺寸可以根據(jù)要求適當調(diào)整，試驗方法詳見第6章。根據(jù)菲克第一定律，氯離子擴散系數(shù)計算如試（2-6）49： （2-6）式中： 為氯離子擴散系數(shù)； 達到穩(wěn)定擴散后，下游室內(nèi)氯離子濃度隨時間的變化率； 下游室內(nèi)溶液體積； 試件厚度；上游室內(nèi)氯離子初始濃度；試件與溶液接觸的面積。 圖2-8 擴散室試驗裝置示意圖Fig. 2-8 Experimental diffusion cell2.3.2 氯離子電遷移試驗離子在電場作用下進行的定向運動稱為電遷移，當電流通過電解質(zhì)溶液時，在外電場的作用下正離子向陰極方面遷移，負離子向陽極方面遷移，共同承擔導電的作用。氯離子電遷移試驗是先通過電場來加速氯離子在混凝土中的遷移（相對氯離子自然擴散試驗，大大縮短了氯離子傳輸時間），然后結(jié)合化學分析，通過測定氯離子濃度距離時間曲線，利用描述電遷移過程的NernstPlank方程來確定氯離子擴散系數(shù)。假定外加電場是恒定的，且試驗過程中沒有對流產(chǎn)生，氯離子遷移的NernstPlank方程如式（2-7）： （2-7）式中：氯離子流量；氯離子擴散系數(shù)；氯離子濃度；距離；Faraday常數(shù)；外加電壓；通用氣體常數(shù)；絕對溫度。（1） 穩(wěn)態(tài)電遷移試驗穩(wěn)態(tài)電遷移試驗，試驗裝置與擴散室試驗結(jié)構(gòu)類似，其不同點在于兩室內(nèi)都有電極，試驗裝置示意如圖2-9。擴散系數(shù)計算如式（2-8）： （2-8）式中：氯離子擴散系數(shù)；通用氣體常數(shù)；氯離子化合價；Faraday常數(shù)；外加電壓； 達到穩(wěn)定擴散后，下游室內(nèi)氯離子濃度隨時間的變化率； 下游室內(nèi)溶液體積；上游室內(nèi)氯離子初始濃度；試件與溶液接觸的面積。圖2-9穩(wěn)態(tài)電遷移試驗裝置示意圖Fig. 2-9 Experimental migration cell（2） 非穩(wěn)態(tài)電遷移試驗對于非穩(wěn)態(tài)電遷移試驗，擴散系數(shù)計算如式（2-9）： （2-9）式中：氯離子滲透深度。 計算如式（2-10）： （2-10）式中：上游室內(nèi)氯離子初始濃度；顏色變化區(qū)氯離子濃度；誤差函數(shù)的倒數(shù)。按照德國Aachen工業(yè)大學土木工程研究所（ibac）采用的氯離子電遷移快速試驗方法ibac test27，測定混凝土中氯離子非穩(wěn)態(tài)快速遷移的擴散系數(shù)。試驗方法詳見第4章。氯離子擴散系數(shù)快速測定的RCM方法最早由唐路平提出（CTH法）50-54，后被定為北歐標準（NT Build 492）55,56。ibac-test27采用的RCM法也是以此為依據(jù)，但在某些細節(jié)上有差別，如前者的試件在試驗前要用飽和石灰水作真空飽水預處理，而后者則用超聲?。磺罢叩脑嚰糜谠囼灢蹆?nèi)的傾角為32o，而后者為22o，且試驗時采用的陰、陽極電解溶液也有所不同。這些差異對試驗結(jié)果的影響尚待進一步研究，國外已有對比試驗結(jié)果，認為兩種方法無明顯差別，特別當傾角在2032變化時，對試驗結(jié)果的影響可以忽略57,58。RCM方法一般用于實驗室濕養(yǎng)護的試件，如果試件經(jīng)過干燥或取自干燥的混凝土構(gòu)件，是否必須先作真空飽水處理或者只需用超聲浴，宜通過對比試驗確定。ibac-test為歐盟資助的有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的聯(lián)合研究項目DuraCrete所采用，作為一種快速測定氯離子擴散系數(shù)的標準試驗方法，也已被確定為瑞士標準SIA262/159。2.3.3 多介質(zhì)理論因為環(huán)境中除含有氯離子以外，還存在許多其它的可溶性離子，當氯離子在混凝土中擴散或遷移時，其它離子也在混凝土中擴散或遷移。同時，由于混凝土內(nèi)Ca(OH)2的溶解和CSH凝膠的脫鈣作用60，Ca2，OH等離子會溶解到溶液中，如離子擴散與遷移示意圖2-102-1240所示。因此，忽略多種離子的相互影響會造成很大的理論分析誤差。盡管多介質(zhì)理論比較復雜，目前還并不完善，但是使用多介質(zhì)理論來描述氯離子在混凝土中的擴散或遷移已經(jīng)受到了一定的關(guān)注。圖2-10 擴散過程示意圖Fig. 2-10 Theoretical process of diffusion圖2-11 電遷移過程示意圖Fig. 2-11 Theore