Permit法檢測堿礦渣混凝土抗?jié)B性的適用性研究

廖新雪，林文修，鄒勇，王耀偉，任毅

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400015）

0 引言

混凝土抗?jié)B性是評價(jià)混凝土耐久性優(yōu)劣的重要指標(biāo)，在合理、準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)的耐久性能、剩余壽命等過程中起到重要作用。目前混凝土抗?jié)B性的測量方法有多種，包括水壓力法、氯離子滲透法、透氣法等[1]，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。Permit法是1999年英國女王大學(xué)Andrews提出的一種新型檢測混凝土抗?jié)B性方法，該試驗(yàn)儀器是目前唯一可以進(jìn)行現(xiàn)場檢測混凝土抗?jié)B性的儀器，具有簡便、快捷等優(yōu)點(diǎn)。已有研究表明[2-3]，該實(shí)驗(yàn)方法不僅適用普通硅酸鹽混凝土，而且也適用硅灰混凝土、粒化高爐礦渣粉混凝土、粉煤灰混凝土和偏高嶺土混凝土等。

Permit法的試驗(yàn)原理基于離子擴(kuò)散原理，即離子要從高濃度溶液向低濃度溶液擴(kuò)散。測試離子擴(kuò)散性最簡單的試驗(yàn)是在高濃度溶液和中性溶液（如蒸餾水等）之間，放置試件進(jìn)行分隔，經(jīng)過一段時(shí)間，測量中性溶液中離子濃度即可評價(jià)試件抗離子滲透的性能。這種試驗(yàn)方法最大的缺點(diǎn)是時(shí)間長，要幾年時(shí)間才能得出試驗(yàn)結(jié)論。

Permit法采取了加速離子擴(kuò)散的措施，即對離子溶液和中心溶液提供了60伏的直流電，驅(qū)使離子加速從高濃度溶液向中性溶液中擴(kuò)散，從而在10h左右得到試驗(yàn)結(jié)果。為了真實(shí)反映被測試件（如混凝土）的抗?jié)B性，要求試件具有如下兩個(gè)特性。

⑴可飽和性。因?yàn)樵囼?yàn)要經(jīng)過10h左右的時(shí)間，在試驗(yàn)過程中要避免離子溶液被試件吸收，所以事先要用蒸餾水等對試件進(jìn)行飽和處理，只有在試件本身已處在飽和狀態(tài)下，試驗(yàn)結(jié)果才具有可信性。

⑵可封閉性。在離子溶液和中性溶液之間，能進(jìn)行有效封閉，防止離子溶液流至中性溶液，從而影響試驗(yàn)精度。要到達(dá)有效封閉，除了要求儀器本身的密封性能，也要求試件表面具有平整性和堅(jiān)硬性，內(nèi)部具有一定密實(shí)性，不能呈現(xiàn)松散狀和裂隙發(fā)達(dá)、連通狀。

Permit法對普通混凝土等的適用性已得到證明，且得到廣泛運(yùn)用。對堿礦渣混凝土而言，其膠凝材料為堿膠結(jié)材料，即用堿金屬化合物（如NaOH、水玻璃等）作為堿組分去激發(fā)含鋁硅酸鹽組分工業(yè)廢渣（如礦渣、磷渣、鋼渣、粉煤灰等）而得到的一種水硬性膠凝材料，和普通混凝土相比，其原材料中工業(yè)廢渣的物理化學(xué)性能隨生產(chǎn)工藝、產(chǎn)地及時(shí)間而變化，用這些廢渣來生產(chǎn)堿膠結(jié)材料時(shí)，能否滿足Permit法的試驗(yàn)條件，從而適用Permit法進(jìn)行抗?jié)B性測試，是本文擬回答的問題。

1 Permit試驗(yàn)方法

Permit法的試驗(yàn)儀器由控制器和筒體兩部分組成。筒體由兩個(gè)不同直徑圓筒組成，試驗(yàn)時(shí)把儀器放置在混凝土表面，對內(nèi)、外筒進(jìn)行密封，防止溶液在混凝土表面流動(dòng)。內(nèi)筒裝0.55摩爾氯化鈉溶液，外筒裝蒸餾水。內(nèi)筒配有環(huán)形的網(wǎng)狀不銹鋼陽極，外筒配有打孔圓盤狀不銹鋼陰極。

實(shí)驗(yàn)之前，需先對試件用蒸餾水等進(jìn)行飽和處理，不小于18h。試驗(yàn)時(shí)，將儀器固定在混凝土試件上，對陽極和陰極提供60v的直流電。電壓將驅(qū)使氯離子通過混凝土表面從陽極向陰極流動(dòng)。根據(jù)混凝土的密實(shí)性，2～10h后，在外筒可以得到穩(wěn)定的氯離子流。控制器通過監(jiān)測氯離子遷移過程產(chǎn)生的峰值電流、電導(dǎo)變化率等，經(jīng)換算得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

公式（1）Dmiginsitu：氯離子現(xiàn)場擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

dc/dt：陽極區(qū)（外筒）氯離子濃度變化率，mol/m3·s，根據(jù)公式dc/dt=(5.68×dS/dt+1.13)×10-4求得；dS/dt：電導(dǎo)率的變化率，為電導(dǎo)率和時(shí)間關(guān)系的上升段斜率；

T：絕對溫度（穩(wěn)定狀態(tài)下的平均值）；

R ：大氣常數(shù)，8.31J/K·mol；

z ：離子電荷（氯離子為-1）；

C ：氯離子的原始濃度，0.55×103mol/m3；

F ：Faraday常數(shù)（9.65×103c/mol）；

E ：實(shí)驗(yàn)電壓，60v；

V：外筒溶液體積，6.5×10-4m3；

L/A：實(shí)驗(yàn)區(qū)域長度和面積比，3.74m-1；

氯離子擴(kuò)散系數(shù)和混凝土滲透等級有如下對應(yīng)關(guān)系，見表1。利用公式（1）計(jì)算得出的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，可評判混凝土滲透等級。

表1 氯離子擴(kuò)散系數(shù)和滲透等級對應(yīng)表

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該次試驗(yàn)共4個(gè)試件，尺寸為300mm×300mm×100mm。其中堿礦渣試件3個(gè)，配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35；普通混凝土試件1個(gè)，配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C360。

混凝土強(qiáng)度等級和氯離子滲透系數(shù)有如表2所示的理論對應(yīng)關(guān)系，即強(qiáng)度等級高的混凝土，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)低，抗?jié)B性能高，反之也成立。

通過用Permit法測定混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，對照表2，當(dāng)所測的堿礦渣混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)能和混凝土強(qiáng)度相對應(yīng)，反映混凝土真實(shí)的抗?jié)B性能，說明Permit法適合堿礦渣混凝土抗?jié)B性的檢測，反之可認(rèn)為不適合。

表2 混凝土強(qiáng)度等級和氯離子擴(kuò)散系數(shù)對應(yīng)表

3 試驗(yàn)結(jié)果

第1至3次試驗(yàn)為堿礦渣試件，第4次試驗(yàn)為普通混凝土試件，各試件均滿足可飽和性和可封閉性要求。

各試件試驗(yàn)的電導(dǎo)率和時(shí)間及電流和時(shí)間的關(guān)系圖如圖1-圖2所示，穩(wěn)定狀態(tài)下的電導(dǎo)率和時(shí)間的關(guān)系如圖3所示，根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)下電導(dǎo)率和時(shí)間的斜率，求得擴(kuò)散系數(shù)及滲透等級評定如表3所示。

圖1 電導(dǎo)率和時(shí)間關(guān)系圖

圖2 電流和時(shí)間關(guān)系圖

圖3 穩(wěn)定狀態(tài)下電導(dǎo)率和時(shí)間線性關(guān)系圖

表3 擴(kuò)散系數(shù)及滲透等級評定

該次試驗(yàn)的堿礦渣混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C35，所測的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為2.92556～6.96656（10-12m2/s），平均值為4.85684（10-12m2/s）；普通混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C60，擴(kuò)散系數(shù)為1.09636（10-12m2/s），對照表2可知，C35堿礦渣混凝土對應(yīng)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為5.0（10-12m2/s），試驗(yàn)得到的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為4.85684（10-12m2/s），說明試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)反映了堿礦渣混凝土抗?jié)B性，也說明Permit法也適合堿礦渣混凝土強(qiáng)度抗?jié)B性的檢測。

4 討論

合理、客觀、準(zhǔn)確地評估混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能及剩余使用壽命，既能避免不必要的大量維修、加固，從而造成社會(huì)資源浪費(fèi)，也能避免因安全儲備過低而造成的安全隱患，具有重要的社會(huì)和技術(shù)意義。混凝土抗?jié)B性作為評價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)，工程界對其檢測方法進(jìn)行了長期探索和研究。已有的檢測方法操作均較繁雜，且不能進(jìn)行現(xiàn)場測試。Permit法具有操作簡單、適合現(xiàn)場測試的優(yōu)點(diǎn)，是值得推廣的新技術(shù)。

堿礦渣混凝土作為一種新型的環(huán)保材料，其抗?jié)B性能的優(yōu)劣將成為其能否被大量推廣的重要指標(biāo)，因此制定快捷而準(zhǔn)確的檢測堿礦渣混凝土抗?jié)B性的方法，既是工程需求，也是學(xué)術(shù)需要。

本文通過堿礦渣混凝土試件的Permit法試驗(yàn)，對Permit法是否適合檢測堿礦渣混凝土的抗?jié)B性進(jìn)行了探索研究，試驗(yàn)結(jié)果表明運(yùn)用Permit法檢測出的堿礦渣混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，較真實(shí)地反映了堿礦渣混凝土本身的抗?jié)B性，說明了Permit法也適合對堿礦渣混凝土抗?jié)B性的檢測。

[1]李智勇，姚佳良，張宇.關(guān)于混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)方法的研究 [J].混凝土，2006，196(2)：57-60.

[2]P.A.M.Basheer,V.Nanukuttan,D.J.Robinson.PERMITION PERMEABILITY TEST FOR DETERMING THE CHLORIDE ION DIFFUSIVITY OF CONCRETE(測定混凝土氯離子擴(kuò)散性Permit檢測技術(shù))[C].重慶：中英2006年混凝土耐久性及檢測技術(shù)研討會(huì)，2006.

[3]楊進(jìn)波.混凝土保護(hù)層結(jié)構(gòu)與滲透性現(xiàn)場檢測方法的研究[D].北京：清華大學(xué)，2009.