摘要 混凝土保護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。實驗室內(nèi)測定的混凝土材料的抗氯離子滲透性往往不能真實地反映混凝土保護層的抗氯離子滲透性。Permit Ion Migration Test是目前唯一一種可以現(xiàn)場測定混凝土保護層抗氯離子滲透性的試驗方法。本文介紹了Permit Ion Migration Test的基本原理和試驗方法，推導了理論計算公式。通過初步試驗介紹了基本試驗參數(shù)的測定方法并對試驗數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理提出了建議。
關(guān)鍵詞 混凝土保護層；抗氯離子滲透性；穩(wěn)態(tài)電遷移試驗；Permit試驗；氯離子擴散系數(shù)
中圖分類號：TU528 文獻標志碼：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，多種評價混凝土材料抗氯離子滲透性的試驗方法得到了研究與發(fā)展[1]。其中電參數(shù)試驗[2-5]、穩(wěn)態(tài)電遷移試驗[6-8]、非穩(wěn)態(tài)電遷移試驗[9, 10]等快速測定混凝土材料抗氯離子滲透性的試驗方法得到了廣泛應(yīng)用。事實上由于邊界效應(yīng)、施工技術(shù)等原因，混凝土保護層的滲透性與實驗室內(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]。因此實驗室內(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層的抗氯離子滲透性。有必要研究混凝土保護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)計提供可靠依據(jù)。
Permit ion migration test，簡稱Permit試驗，是由北愛爾蘭女王大學的P. A. M. Basheer教授等人基于穩(wěn)態(tài)電遷移試驗的基本原理改進而成[15, 16]。該方法具有試驗設(shè)備簡單便攜、試驗過程時間短、易于操作、試驗數(shù)據(jù)自動采集等優(yōu)點。試驗設(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)場測定混凝土保護層抗氯離子滲透性的試驗方法，試驗結(jié)果與穩(wěn)態(tài)電遷移試驗結(jié)果有很好的相關(guān)性。但是該方法的試驗研究只限于北愛地區(qū)，試驗數(shù)據(jù)比較少，要引入國內(nèi)并推廣還需要對具體的試驗參數(shù)進行試驗調(diào)整及驗證。本文介紹了Permit試驗的基本原理及試驗方法，對計算公式進行了推導，調(diào)整了具體的試驗參數(shù)并對試驗數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理提出了建議。
1 Permit試驗儀器及試驗方法
本文試驗研究采用的是由北愛爾蘭Amphora NDT公司生產(chǎn)的Permit試驗儀，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記錄試驗數(shù)據(jù)。測試器由內(nèi)外兩個空室構(gòu)成，內(nèi)、外兩室分別設(shè)有鐵電極，如圖2所示。 
Permit試驗儀可以對混凝土構(gòu)件的側(cè)面和頂面進行測試，但要求構(gòu)件表面必須平整。試驗前，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場情況進行相應(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)字控制器的試驗參數(shù)，試驗即可自動進行。試驗開始后，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，外室內(nèi)的電導率儀以設(shè)定的時間間隔連續(xù)測定溶液的電導率，時間間隔可以在1-15min內(nèi)選擇。通過溶液電導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)，測定單位時間氯離子的遷移量來計算混凝土保護層的氯離子擴散系數(shù)，進而評價混凝土保護層的抗氯離子滲透性。
2 理論計算公式
根據(jù)電化學理論，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，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，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 試驗研究
3.1 原材料配和比與試驗原始數(shù)據(jù)
論文試驗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天抗壓強度見表1。
測試用混凝土試件高30cm，長40cm，寬30cm。一次成型，標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28d。養(yǎng)護結(jié)束后任選三個側(cè)面進行試驗，分別計為測點1，測點2和測點3。固定測試器后，首先在內(nèi)、外室均注入去離子水進行飽水。試件表面飽水時間為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。試驗原始數(shù)據(jù)主要包括電導率與時間關(guān)系曲線，溫度與時間關(guān)系曲線和電流與時間關(guān)系曲線。分別見圖3，圖4和圖5。為了解整個試驗過程，測點1和測點2的試驗時間延續(xù)較長。正常情況下，試驗在穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)即可結(jié)束，考慮到長時間試驗對電極消耗比較大，測點3的非穩(wěn)態(tài)階段沒有測定。由試驗結(jié)果可知，在穩(wěn)態(tài)階段，外室溶液的電導率隨時間增加而增加，在非穩(wěn)態(tài)階段趨于平穩(wěn)。外室溶液的溫度先隨時間增加而增加，而后緩慢下降。電流在試驗開始后顯著增加，達到最大值后逐漸降低。 
3.2 主要試驗參數(shù)的確定
3.2.1氯離子濃度與電導率的換算關(guān)系
Permit試驗采用測定溶液的電導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大量、復(fù)雜的試驗操作。一般強電解質(zhì)的電導率隨導電粒子數(shù)增多而增加；當濃度增加到一定程度后，正、負離子的相互作用力增大到妨礙離子的運動，電導率便降低[19]。在濃度比較小時，可以認為電導率與濃度的線性關(guān)系是存在的。試驗進入穩(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，電導率與氯離子濃度的關(guān)系曲線如圖6所示，電導率先是隨氯離子濃度的增加而增加，而后趨于平穩(wěn)。趨勢與強電解質(zhì)的電導理論基本相符。這也說明在Permit試驗中的非穩(wěn)態(tài)階段中，氯離子的濃度依然隨時間而增加，只是電導率趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)，由于氯離子的濃度比較低，可以認為氯離子-濃度與電導率存在線性關(guān)系。如圖7所示，電導率在3000×10-6S•cm-1以下時，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率的線性關(guān)系可能會有一定的影響。本文只是通過一組試驗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，還需要進行大量的試驗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的試驗結(jié)果和有限元分析，Permit試驗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]。對于本文試驗采用的試驗儀器， 值設(shè)定為3.74m-1。
3.3 試驗數(shù)據(jù)的處理
3.3.1 穩(wěn)態(tài)階段確定
Permit試驗數(shù)據(jù)的處理關(guān)鍵之一是穩(wěn)態(tài)階段終止時間的確定。根據(jù)Basheer的試驗結(jié)果，穩(wěn)態(tài)階段的初始時間可以認為是電流達到最大值的時間。隨著試驗的進行，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。因此試驗應(yīng)該盡可能早的停止。同時又要考慮到必須測試到足夠多的點，才能確定電導率的變化率 。綜合以上因素，本文建議電流達到最大值后2.5h停止試驗。這樣即使在15min的最大測試間隔情況下，也能保證有10個測點來確定電導率的變化率。經(jīng)過處理后的試驗結(jié)果如圖8所示，三個測點在穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)的電導率的變化率 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 混凝土保護層溫度的確定
試驗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，而且溫度隨時間的變化而變化，實測混凝土溫度是比較困難的。Permit試驗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算氯離子擴散系數(shù)。根據(jù)上文對穩(wěn)態(tài)階段時間的定義，三個測點在穩(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 氯離子擴散系數(shù)的計算
對于本文Permit試驗，氯離子的離子價為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)及試驗結(jié)果分別代入公式（8）中，計算的三個測點的氯離子擴散系數(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試驗方法可以現(xiàn)場測定混凝土保護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，試驗時間短，適用范圍廣等優(yōu)點。
（2）對于Permit試驗，在小濃度范圍內(nèi)溶液的氯離子濃度與電導率有線性關(guān)系?？梢酝ㄟ^測定穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)溶液的電導率來換算溶液的氯離子濃度，進而簡化試驗。
（3）為使Permit試驗方法的基本假設(shè)條件成立和確保足夠的試驗數(shù)據(jù)，穩(wěn)態(tài)階段可確定為電流達到最大值后的2.5h之內(nèi)。
