混凝土氯離子擴散系數的研究綜述

王敏楊 劉文會* 杜朋飛 李嘉明 王新宇

（吉林建筑大學 交通科學與工程學院，長春 130118）

混凝土因其強度高、成本低、耐久性好等優(yōu)點，一直是人們首選的建筑材料[1]。若不滿足環(huán)境和經濟要求，這種偏好會改變?；炷聊途眯跃哂猩钸h的影響。當混凝土過早失效或變質時，就必須拆除，需要人力和財政資源來修理和更換現有的RC 結構，影響RC 結構耐久性的主要原因是氯離子對RC 結構進行侵蝕，使混凝土結構中的CHS 凝膠失效，混凝土發(fā)生脆化，表面嚴重脫落，外部氯離子進入保護層，腐蝕鋼筋，令RC 結構的鋼筋處于酸性環(huán)境中，鋼筋銹蝕加劇。目前國內外對混凝土氯離子擴散系數的研究綜述較少，不夠新穎，且內容陳舊，眾模型中缺少控制氯離子擴散系數比值的水泥漿體厚度。本文論述了該領域近年來的研究成果，對準確評估RC 結構耐久性有著重要意義。

1 混凝土氯離子擴散系數的基本理論

Fick 第一定律為

式中：D稱為擴散系數(m2/s)，C為擴散物質的體積濃度(原子數/m3或kg/m2)，C?/X? 為濃度梯度。

一般假定氯離子通過多孔介質的擴散遵循Fick 第二定律

上式中，C為擴散物質的體積濃度(kg/m3),t為擴散時間(s),x為距離(m)。

2 混凝土氯離子擴散系數的量化模型

現有的混凝土氯離子擴散系數量化模型可分為現象學模型、類比模型、統(tǒng)計模型和混合模型。這些模型之間最大的區(qū)別是它們的目標。采用標準試驗方法和材料模型對氯離子擴散系數進行量化，以比較和評價不同的混合物；另一些模型則采用統(tǒng)計模型和現象學模型相結合的方法來設計和配合混凝土混合物。此外，有些模型采用表觀氯離子擴散系數，主要是基于浸沒試驗數據；另一些模型采用有效擴散系數(DCl)對氯離子結合進行修正，主要是利用遷移實驗數據。

2.1 Luciano 和 Miltenberger [2]

Luciano 和 Miltenberger 氯離子擴散系數的確定是建立了一個統(tǒng)計模型。在美國運用恩斯特愛因斯坦方程制造實驗室混凝土和一個擁有12V 電位差的穩(wěn)定遷移測試裝置進行統(tǒng)計實驗。該數據庫包括水灰比、水泥含量、硅灰(SF)、粉煤灰(FA)和磨粒級高爐爐渣(GGBFS)的摻入比例、養(yǎng)護時間和混凝土拌和溫度等參數，建立了一個統(tǒng)計模型，用于估計穩(wěn)態(tài)遷移試驗得出的有效氯離子擴散系數。該模型考慮了膠結材料的類型以及集料顆粒的含量、時間、溫度和角度等。它們是混凝土孔隙度和孔隙結構的強有力指標，但不足以充分量化混凝土的擴散特性。因此，由于認識到該模型是統(tǒng)計的，它的應用僅限于開發(fā)該模型的數據庫。

2.2 Mangat 和Molloy[3]

Mangat 和Molloy[3]提出了一個經驗公式，用于預測混凝土在給定時間的擴散系數。這是通過使用Fick 第二定律的封閉解析解來實現的，即單向流動假定擴散系數恒定，表面氯離子濃度固定[4]，利用回歸分析工具和非穩(wěn)態(tài)自然滲透試驗獲得的氯離子濃度分布，在三種不同的暴露條件下，即海洋噴霧循環(huán)、潮汐循環(huán)和浸泡槽，將年齡因子m 確定為w/cm 的線性函數。數據庫包括有或沒有補充膠凝材料(SCM)的混合物，w/cm 范圍為0.4 至0.58，粘結劑含量為430 至590 kg/m3，接觸期最長為5年。該模型直接考慮了水膠比和時間的影響，并通過實驗數據反演的參考氯離子擴散系數考慮了其他變量的影響。這意味著w/cm 是唯一被認為對擴散率的時間變化有效的變量，這是不具有說服性的。隨后，這一數學解釋被其他研究人員用來建立氯化物擴散系數的經驗模型。

3 試驗方法

3.1.非穩(wěn)態(tài)浸沒試驗：NT BUILD 443[5]

NT BUILD 443[5]是采用濃度較高的NaCl 溶液加速試驗的方法，以確定混凝土對28 天以上的樣品抗氯離子擴散的抵抗力。以最小直徑為75 mm、最小長度為100 mm 的圓筒作為試件，在一個平面表面溫度為23±2°C，即除曝光面外，將試樣的所有表面密封在濃度為165±1g NaCl/dm3的NaCl 溶液中。經過至少35 天的曝光時間后，薄層試樣被沿平行于曝光表面磨平。氯化物的含量是根據相應的深度繪制的。通過將Fick 第二定律的封閉解擬合到實測的氯化物剖面上，計算出試件中氯離子的表觀擴散系數和表面氯離子濃度，并計算了試樣中氯離子的初始濃度。根據NT BUILD 443[5]，表面氯離子濃度和表觀氯擴散系數的期望變異系數分別為20%和15%。

3.2.加速氯遷移試驗：NT BUILD 492[6]

NT BUILD 492[6]是一種非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移試驗方法.該試件為圓柱形，直徑為100 mm，長度為50±2mm，從圓柱體中心部分切割。在開始測試之前，將試樣放置在真空飽和處理的干燥器中，用飽和氫氧化鈣溶液進行真空飽和處理，然后試樣的側面被硅橡膠套緊覆蓋。在溫度為23±2°C 的條件下，試樣放置在兩個液體儲集層之間，分別為10%NaCl 溶液和0.3N 氫氧化鈉溶液。然后，在試樣上施加電壓為10～60V，周期為6～96h，根據30 V 的初始電流，根據測得的氯離子滲透深度計算出非穩(wěn)態(tài)擴散系數。根據NT BUILD 492[6]，該試驗方法對硅酸鹽水泥混凝土的重復性和重復性的變異系數分別為9%和13%，對GGBFS 水泥混凝土的重復性的變異系數為24%。

4 急需深入解決的科研難題

至今，氯離子擴散系數的研究在混凝土領域仍有很多需解決的難題。首先，該領域理論不充分、完善，例如濃電解質中的氯離子擴散機理本身還不明確，只存在一些經驗性的理論；其次，對于混凝土中氯離子擴散系數的影響，沒有準確的數學模型能夠預測是否與源溶液和孔溶液成分有關，預測氯離子在混凝土中的自然擴散過程仍需方法解決。因此,有必要針對以下幾個問題進行深入研究:①為了提高筋混凝土結構的使用壽命，急需找出降低氯離子侵入速度的有效理論方法。②筆者認為導致氯離子擴散系數難以準確預測的原因是氯離子會與混凝土結構中的膠凝物質結合反應掉，結合的含量，以及混凝土配合比是否對結合程度有影響，無從得知。

勘誤啟示

刊登于《四川水泥》2019年3 期，題目為《 屋面防水質量問題分析及處理措施 》，作者名姓名：楊敏 更正為：杜慶芳。

特此聲明！