原位测量混凝土中氯离子扩散系数的方法

原位测量混凝土中氯离子扩散系数的方法

混凝土中的氯离子扩散是预测钢筋侵蚀的重要参数，也是评价混凝土渗透性的重要指标。现在用来测量混凝土中氯离子扩散系数的方法有自然浸泡法(NTBuild443、ASTMC1556-2004)、电迁移法(NTBuild492、NTBuild355、RCM)、饱盐电导率法(NEL)等。由于测试方法之间的差异,其测量结果也有所不同。对同一混凝土,其中的氯离子扩散系数大小理应有一“真值”存在,不应因测试方法不同而异。当快速实验方法测量结果不被人接受时,人们通常会取自然浸泡法测量结果作为基准。然而因测试中萃取氯离子的方法有水溶法和酸溶法,加上测量误差和计算误差大,自然浸泡法测量结果并不总被视为比较基准。因此,人们一直想确定混凝土中氯离子扩散系数的比较基准(估且称为“真值”),亦或是寻求原位测量的方法。现从研究混凝土中氯离子表观扩散动力学的角度出发,利用所研制的渗流传感器,通过实时监测氯离子在混凝土中的迁移,直接得到混凝土中的氯离子扩散系数,并将其与现有部分快速实验测量结果进行对比。1混凝土中氯离子扩散若不考虑氯离子与混凝土中水化产物的化学反应动力学,及其在混凝土中的物理吸附动力学,则可认为氯离子在混凝土中的扩散仍可用Fick第二定律来描述,对于一维状态下的扩散有:式中,D为扩散系数,Cf为游离离子浓度,Cb为被混凝土结合的离子浓度,x为扩散距离,t为扩散时间。因边界条件和初始条件不同,(1)式可有不同的解。式中,C0为混凝土内部氯离子初始浓度;CS为混凝土表面的氯离子浓度;若假设前锋区域的离子浓度为Cff,代入上面的(2)中,经变换得:即得:此式即为混凝土中氯离子扩散表观动力学,可见其遵循抛物线规律。式中系数B同混凝土中的氯离子扩散系数D、混凝土表面离子浓度CS、内部初始离子浓度C0,以及扩散前锋离子浓度Cff相关。若能够通过实验确定(5)式中的B,就能够通过(4)式解出混凝土中氯离子的扩散系数D,吴学礼等人也曾对此进行讨论,并用显色法研究了氯离子扩散深度与由扩散池法所测氯离子扩散系数之间的关系。对于混凝土中无初始氯离子的情况,即C0=0,若考虑Cff→0,Cs=Const.,那么可认为:则(4)式简化为:也就是说,如果设计实验满足上这条件,即能获得B值,从而可直接求得混凝土中的氯离子扩散系数。2长期浸泡实验对预先无氯离子污染的海工混凝土和实验室内的长期浸泡实验均可认为满足上述(6)式应用条件,即只要测出不同时间下氯离子在混凝土的扩散深度,就可由(6)式求得氯离子扩散系数。2.1混凝土渗流传感器结构组成为减少人为误差,专门设计了渗流传感器,以实时监测氯离子在混凝土中的扩散深度。渗流传感器结构示意图及其在混凝土中的埋设方式、与溶液的接触方式见图1。从混凝土表面向里,检测电极编号依次为1、2、3……n。通过检测电极间的电阻变化可准确确定氯离子在混凝土中的扩散深度。2.2产、细度模数混凝土配合比见表1。实验所用水泥为小野田P.O42.5R型水泥;细骨料为广东东莞产、细度模数为2.6~2.8的中砂;粗骨料为蛇口5~25mm连续级配碎石。按表1所示配合比,成型100mm×100mm×100mm的混凝土试件,在试件中预先埋设渗流传感器,1d拆模,在标准养护室中养护7d,之后自然养护21d。2.3混凝土中氯离子扩散强度的检测将养护28d的混凝土试件在室内晾干一天后,除工作面外,其它表面均用石蜡密封。将蜡封试件置于3%wt的NaCl溶液中浸泡,同时监测渗流传感器两两电极间的电阻变化,以监测氯离子在混凝土中的扩散深度。实验期间,保持浸泡池内液面固定,防止水分蒸发。2.4氯离子扩散系数的快速检测分别用前述的NEL法和自然浸泡法(水溶法)对混凝土中的氯离子扩散系数进行快速测试。3混凝土中的氯离子扩散系数测量图2为典型的渗流传感器监测结果。图中Rij为i、j电极间的电阻值。由两两电极间的电阻变化可准确判定氯离子在混凝土中的扩散深度。根据渗流传感器监测结果得到的氯离子在C20、C40混凝土的扩散动力学见图3。由图3可知,氯离子在混凝土中的扩散深度与扩散时间平方根成正比,说明氯离子扩散动力学的确遵循抛物线规律。由图3所示直线斜率按(6)式计算出的混凝土中的氯离子扩散系数与由快速实验方法测得的氯离子扩散系数对比见表2。综合考虑混凝土试样龄期和测量精度等因素,由表2可见,由渗流传感器测得的氯离子扩散系数与由自然浸泡法测得的自由氯离子扩散系数、以及NEL法测试结果较为接近。渗流传感器不仅可用于实际混凝土结构物中氯离子扩散过程的实时监测,同时也可用来实时测量混凝土中的自由氯离子扩散系数。原位测量由于避免了诸多人为因素影响,有望成为测量混凝土中氯离子扩散系数的比较基准。由Fick第二定律推导出了混凝土中的氯离子扩散表观动力学,并由此确定了原位测量混凝土中氯离子扩散系数的方法。利用自行设计的渗流传感器对混凝土中的氯离子扩散系数进行了初步测量,并与部分快速实验方法结果进行了对比,结果表明:原位测量结果与由浸泡法得到的自由氯离子扩散系数,以及NEL法测试结果较为接近。如果能够设计高精度的渗流传感器,通过表观扩散动力学的实时监