评价高性能混凝土耐久性综合指标-抗氯离子渗透性及其研究现状汨

摘　要：结合国内外高性能混凝土耐久性研究的现状，在近年来基于氯离子渗透的高性能混凝土耐久性预测模型，分析了将抗氯离子渗透性作为评价高性能混凝土耐久性的综合指标的可行性和必要性，对于制定高性能混凝土的耐久性设计规范具有参考意义。

 

关键词：高性能混凝土；　耐久性；　氯离子抗渗；　综合指标

 

BA Heng jing ， 　ZHA N G Wu man ， 　DEN G Hong wei

(Civil Engineering Institute ，Harbin University of Technology ，Harbin 150006 ，China)

Abstract ： 　Based on the prediction models and the domestic and foreign present status of the durability of HPC, the chloride ion resistance was used as an aggregative indicator to evaluate the durability of HPC. The importance and the feasibility were analyzed, which had significant reference for constituting standard of the durability of HPC.

Key words ： 　HPC； 　durability ； 　chloride ion resistance ； 　aggregative indicator

 

1 　引言

　　近年来，国内外土木工程界对高性能混凝土耐久性问题十分关注，作了大量的试验研究，工程技术人员对混凝土耐久性的认识程度也不断加深。我国新出台的混凝土结构设计规范中很多章节已经提出了具体的耐久性规定。同时，我国第一部《混凝土结构耐久性设计及施工指南》也在2003年底正式颁布实施，该指南为设计和施工人员提供了环境作用下混凝土结构耐久性设计与施工的基本要求。大量科研成果的取得和国家规范的实施将实现混凝土结构全功能设计的目标向前推进了坚实的一步。

 

　　然而，目前对于高性能混凝土耐久性的评定没有统一的指标和方法，对其抗冻性、抗化学侵蚀性、抗钢筋锈蚀性、抗碳化性、抗碱—集料反应性、抗磨耗性、抗火性等等的试验和评价，基本上仍沿用对普通混凝土的试验和检测方法。但是，由于低水灰比、以及高效减水剂和矿物掺合料的掺入，高性能混凝土的性能与普通混凝土的性能相比产生了较大的差异，因此，普通混凝土的一些试验和检测方法已不适用于高性能混凝土，更无法将耐久性指标融入到混凝土结构设计理论中。

 

　　我国规范一贯按承载力极限状态来设计结构构件，再按正常使用极限状态来校核构件的设计思想，这样就决定了高性能混凝土耐久性设计应在肯定原有结构设计理论的基础上补充耐久性方面的要求，使得所选用的混凝土材料在满足结构承载能力的同时也可以达到足够的耐久性，在工程选材的环节把好“耐久性”关，实现从源头上解决结构的耐久性问题。

 

　　因此，目前亟待解决问题是：创建一个高性能混凝土耐久性的综合评价指标，该指标能够将各种环境因素影响效应集于一身。将其作为指导高性能混凝土结构耐久性设计的统一标准，便可以消除混凝土耐久性参数众多，各参数之间相关性难于把握的客观制约，为实现完全规范化的混凝土结构耐久性设计奠定坚实的基础。

 

　　国内外学者[1～4 ]经过大量调查和研究表明：绝大多数高性能混凝土结构的破坏是由于氯离子侵入到混凝土钢筋表面，并达到一定临界浓度时引起的钢筋锈蚀所致；钢筋锈蚀使其与混凝土的粘结力下降，同时产生的膨胀使保护层开裂破坏，最终导致整个结构的破坏。Misra[5 ]等也强调氯离子的渗透性可以用来评定高性能混凝土的耐久性能，特别是设计和建造容易受氯离子侵蚀而导致钢筋锈蚀的混凝土结构，如沿海结构、海洋混凝土结构、应用除冰盐的船桥甲板、高速公路等。Shah and Wang[6 ] 研究了混凝土微观结构、渗透性、裂纹和耐久性之间的关系，结果表明：配合比设计时应同时考虑强度、渗透性和抗裂性。由此可见：抗氯离子渗透性是评价高性能混凝土耐久性的一种有效的方法和指标。

 

　　目前关于高性能混凝土抗氯离子渗透性测定方法主要有两类：自然渗透法和加速渗透法。

 

2.1 　自然渗透法

　　自然渗透法是先将混凝土长时间浸泡于含氯盐的水中，再通过切片或钻取芯样，用化学分析的方法得到氯离子浓度与渗透距离的关系，然后利用Fick第二定律计算出氯离子渗透系数。这种方法是确定离子在混凝土中渗透系数的最常用的方法，比较接近实际情况，但费时费力。

 

2.2 　加速渗透法

　　加速渗透法是先通过施加电场来加速氯离子在混凝土中的迁移，缩短氯离子达到稳态传输过程的时间。

 

2.2.1 　电量法[7 ]

　　电(直流电) 加速氯离子扩散试验方法最初由Whiting于1981 发明，最早是快速氯离子渗透试验方法(RCPT) 。该装置的设计原理是溶液中的离子在电场的加速下能够快速渗透。该装置中所用的电压为60V。由于这种试验方法持续时间短，在试验室内具有重复使用性，该试验方法于1983年被美国公路运输局定为标准试验方法，即AASHTO T277 ，紧接着又被美国试验与材料协会ASTM 选定为标准试验方法。

　　AASHTO T277 (ASTM C1202) 试验的具体方法：50mm 厚，100mm 直径的水饱和混凝土试件，两端水槽所用溶液分别为3.0 %NaCl和0.3M NaOH ，在60V 的外加电场下持续通电6小时，以该时间内通过混凝土电量的高低来判断混凝土的抗氯离子渗透能力。尽管该试验方法被选定为标准试验方法，但是，这种测试氯离子渗透的技术仍存在以下几点争论[8 ] ：①通过试件的电量与孔液中所有的离子相关，而并不只是氯离子； ②所作的测试工作完成于离子达到稳定迁移之前，即离子的扩散并没有达到稳定状态； ③所加的高电压导致溶液的温度升高，从而影响测试结果； ④电极腐蚀严重； ⑤所测结果不能精确定量说明混凝土抗氯离子渗透能力。

 

2.2.2 　渗透系数法

　　(1) Tang Luping[9 ，10 ] ， K1Stanish[11 ，12 ] 等基于Nernst - Planck 方程首先从理论建立了浓度、通量、渗透深度、渗透系数之间的关系，进而进行了试验验证。其中，Tang Luping 的试验方法已经被欧盟广泛接受，并推荐为欧盟规范。但该方法并未从根本上解决氯离子渗透试验中存在的问题。

 

　　(2) 电阻技术是近年来发展起来的、用来评价氯离子在混凝土中渗透能力的另外一种方法。电阻是物质对电的抵抗力，电导率与电阻率相反。St reicher and Alexander[13 ]认为饱和多孔材料的电导率主要由孔液的电导率确定：

　　F =σ/σ0

　　中　σ———多孔材料的电导率；

　　      σ0 ———孔液的电导率。

 

　　多孔材料的电导率和扩散系数的影响因素是相同的，即孔径大小及其连通性。因此，也可以用下式表示：

　　F = D/ D0

　　式中　D ———多孔材料的扩散系数；

　　         D0 ———孔液中氯离子的扩散系数(即自由氯离子的扩散系数) 。

 

　　电阻值的测试方法有两种，包括用直流电和交流电测试。测试混凝土电阻所用的电压通常为10V 或更低，且测试时间很短，这样可以避免混凝土被加热，这种测试方法的主要困难是确定孔液的电导率。提取孔液的方法有两种：一种是孔溶液榨取法；另外一种是用已知电导率的溶液将待测混凝土预饱和，后者是常用的方法。国内路新瀛[14 ]等人在这方面作了相关研究。

 

　　电阻技术的不足之处在于[8 ] ： ①预饱和技术在干燥过程中由于微裂纹的形成损害混凝土原有的孔结构，从而增加其渗透性。同时也很难使溶液在混凝土内达到均匀分布，即使用真空饱和技术也很难保证高品质的混凝土和较厚的混凝土内部达到完全饱和。②溶液进入混凝土前后是相同的假设并不正确，主要因为混凝土孔液中包含的离子是多样的(主要是碱性氢氧化物) ，当混凝土干燥后，这些离子过饱和结晶，当溶液进入混凝土时，这些结晶又会溶于溶液中，从而影响溶液的电导率。③离子的迁移很难达到稳定状态。④不适用于导电材料。

 

　　以上渗透模型的缺陷是均假定渗透系数为常数；忽略了水分传输对化合物传输的影响；特别是测量周期较长时渗透系数作为时间的函数出现，测量浓度过程中不能得到渗透系数随时间变化的对应值。因此，用该渗透系数不能准确地评价高性能混凝土的耐久性。然而，这些模型对于实际应用还是很有用的，因为可以计算得到渗透系数的相对值，可以用来比较不同混凝土和不同环境中混凝土的渗透性。

 

　　目前首要解决的问题是：根据某一地区、某种实际应用情况，结合多种因素的耦合作用，分别开展自然环境下混凝土的长期氯离子渗透试验和试验室内加速氯离子渗透试验[15 ] 。研究各种环境参数作用和加强因素的综合效应，将获得的试验数据进行科学分析，建立氯离子自然渗透与加速渗透的分析模型，从而实现准确预测混凝土结构的使用寿命。

 

3 　结束语

　　渗透性决定混凝土材料的耐久性，抗氯离子渗透是评价高性能混凝土耐久性的一种有效的方法和指标。但必须在多种影响因素耦合作用情况下，对混凝土抵抗氯离子渗透作用的机理及影响程度作大量、长期和系统的科学研究。最终为“抗氯离子渗透性作为评价高性能混凝土耐久性的综合指标”这一耐久性设计理念奠定基础。

 

[参考文献]

[ 1 ]罗福午. 建筑结构缺陷事故的分析及防止[M] . 北京：清华大学出版社，1996. 1 - 5.

[ 2 ]洪定海. 混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M] . 北京：中国铁道出版社，1998. 1 - 3.

[ 3 ]周履. 桥梁耐久性发展的历史与现状[J ] . 桥梁建设，2000 ，4 ：58 -61.

[ 4 ] Nobuaki Otsuki ，Shin2ichi Miyazato ，Nathaniel B. Diola and hirotaka Suzuki. Influences of Bending Crack and Water2Cement Ratio on Chloride Induced Corrosion of Main Reinforcing Bars and Stirrups[J ] .ACI Materials Journal. v. 97 ，No. 6 ，J uly2Aug. 200 ，454 - 464.

[ 5 ] Corina2Maria Aldea ， Surendra P. Shah ， Member ， ASCE ， and Alan Karr ， EFFECT OF CRACKING ON WATER AND CHLORIDE

PERMEABIL ITY OF CONCRETE. Journal of Materials in Civil Engineering ，1999 ，11 (3) ：181 - 187.

[ 6 ] Kejin Wang ，Daniel C. Jansen ，Surendra P. Shal. Permeability study of cracked concrete. Cement and Concrete Research ， 1996 ， 27 ： 381 – 393.

[ 7 ] ASTM C1202 - 94 Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete Ability to Resist Chloride Ion Penetration ，1994.

[ 8 ]刘斯凤. 氯离子扩散测试方法演变和理论研究背景[J ] . 混凝土， 2002 ， (10) ：21 - 24.

[ 9 ] Luping Tang. Concentration dependence of diffusion and migration of chloride ions ： Part 1. Theoretical considerations. Cement and Concrete Research ，1999 ，29 ：1463 - 1468.

[10 ]Luping Tang. Concentration dependence of diffusion and migration of chloride ions ： Part 2. Experimental evaluations. Cement and Concrete Research ，1999 ，29 ：1469 - 1474.

[11 ] K. Stanisha ，R. D. Hooton ，M. D. A. Thomas. A novel method for describing chloride ion transport due to an electrical gradient in concrete ： Part 1. Theoretical description ，Cement and Concrete Research ，2004 ，34 ：43 - 59.

[12 ] K. Stanisha ，R. D. Hooton ，M. D. A. Thomas. A novel method for describing chloride ion transport due to an electrical gradient in concrete ： Part 2. Experimental study ，Cement and Concrete Research ，2004 ，34 ：51 - 57.

[13 ] P. E. Streicher ，M. G. Alexander. A chloride conduction test for concrete. Cement and Concrete Research ，1995 ，25 ：1284 - 1294.

[14 ]李翠玲，路新瀛，张海霞. 确定氯离子在水泥基材料中扩散系数的快速试验方法[J ] . 工业建筑，1998 ， (6) ：41 - 43.

[ 15 ]李云峰，吴胜兴. 混凝土加速耐久性研究主要内容与试验设计[J ] .新型建筑材料，2005 ， (3) ：10 - 12.

 

[作者简介] 　巴恒静，1938 年生，男，教授、博导。从事混凝土耐久性研究工作。

[单位地址] 　哈尔滨工业大学土木楼1430 信箱(150006)