来源: 编辑:时间:2012-07-27
0 引言
氯离子是引发混凝土结构中钢筋锈蚀，进而造成混凝土结构耐久性下降、甚至破坏的*主要原因之一[1]。1991年召开的第二届混凝土耐久性国际会议上P. K. Metha 在《混凝土耐久性--五十年进展》的报告中指出：“当今世界混凝土破坏的原因，按其严重程度依次是：钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用”。在含氯化物环境中，氯离子渗透性是反映混凝土抵抗氯离子侵蚀的一个重要参数。CCES 01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》标准中将氯离子侵入性的指标作为混凝土耐久性质量的一种控制标准。如何判别混凝土的抗氯离子渗透性，己成为研究混凝土结构耐久性的一项重要内容[2,3]。
由于尺寸效应、边界效应、施工技术与水平、养护条件等原因，结构实体混凝土的氯离子渗透性能与试验室内测定的混凝土的氯离子渗透性实验结果之间存在着一定的差别。混凝土结构的抗氯离子渗透性能并不能完全等同于试验室中混凝土氯离子渗透性的测试结果。Permit试验是由贝尔法斯特女王大学的Basheer等基于稳态电迁移试验的基本原理改进而成。该方法可对结构混凝土抗氯离子渗透性能进行现场检测评估，也是目前**一种较为成熟的混凝土结构抗氯离子渗透性现场测定的试验方法，该方法已经在北爱尔兰地区进行了较多的试验研究与应用[4-6]。
作者简介：吴晓明（1974-）男，高级工程师，E-mail：wxm@jstri.com。
1 常用混凝土氯离子渗透快速试验方法
氯离子引发钢筋锈蚀是混凝土结构破坏的主要原因之一，因此，氯离子在混凝土中的扩散过程一直是混凝土结构耐久性方面研究的重要内容之一。目前国内比较常用的几种混凝土抗氯离子渗透快速试验方法主要有：电量法(ASTM Cl202和AASHT01277)、RCM法(NordTest NTBuild492)和NEL法（CCES01-2004）等[7]。
电量法是1981年由Whiting提出的通过施加外电场来加速测量氯离子渗透性的方法，该方法分别于1983年和1991年被AASHTO T277和ASTM C1202标准采用，已成为当前国际上*有影响的混凝土氯离子渗透性试验方法之一，其实质是测定饱水混凝土的电导率。但该方法只能得出定性评价混凝土的抗氯离子渗透性能，不能直接用于混凝土结构耐久性的寿命预测。RCM法于1982年由瑞典Chalmers理工大学的由唐路平提出，后被定为北欧标准(NordTest NTBufld492)，德国Aachen工业大学的ibac-test采用的RCM法也以此为依据。该方法后被欧盟资助的DuraCrete项目所采用，作为一种快速测定氯离子扩散系数的标准试验方法。NEL法是清华大学路新瀛教授根据离子扩散理论和电迁移理论提出的试验方法，实际是测试饱盐混凝土电导率，然后根据Nernst-Einstein方程计算氯离子扩散系数DNEL，可以作为混凝土抗氯离子渗透性能的评价标准，但是目前还不能用于Fick第二定律的拟合计算来进行结构寿命预测。但上述方法都有一个共同的不足之处，即需要钻取芯样在实验室测试，且钻取芯样的过程还会对混凝土结构产生一定的影响，无法在现场对混凝土结构进行检测。同时，由于尺寸效应、边界效应等原因，室内试验无法真实地反映混凝土结构实体的抗氯离子渗透性能。针对这一问题，Basheer等人开发研制了PERMIT离子迁移仪，可在现场对混凝土抵抗离子侵入的能力进行检测评估[7-9]。
2 PERMIT试验方法简介
目前国内常用的PERMIT试验设备多为英国Amphora NDT公司和欧美大地仪器设备有限公司生产，设备由试验主机和数据采集及控制系统两部分组成（PERMIT试验仪见图1，混凝土结构实体检测见图2）。试验主机由内外两个空室构成，内、外两室分别设有铁电极。Permit试验仪可以对混凝土构件的侧面和顶面进行测试，但要求构件表面必须平整。试验之前，应选取表面平整的侧面，用钻头直径6mm的电锤钻出3个约4cm深的孔，埋入膨胀管，将测试器用直径为6mm固定螺栓固定在测试表面。并在内室、外室注入去离子水自然饱水24h以上。饱水结束后，抽出内、外室的去离子水，并在内室注入0.55 mol/L的NaCl溶液，外室内注入约650mL去离子水。其中，外室电极为阳极，内室电极为阳极。阳极（外室）和阴极（内室）之间为60V的直流电压，设置好数据采集及控制系统的试验参数即可开始试验。内室溶液中的氯离子在外加电压的作用下穿过混凝土向外室迁移。同时，外室内的电导率仪以设定的时间间隔（可以在l～15 min内选择，一般可选择10min）连续测定溶液的电导率。并观察电流的变化情况，*后在稳态阶段内（电流达到*大值），测定单位时间氯离子的迁移量（dc/dt）从而计算混凝土在稳态阶段内的氯离子扩散系数，进而评价混凝土的抗氯离子渗透性能[6,10]。
图1 PERMIT离子迁移仪 图2 PERMIT离子迁移仪用于结构实体检测
3 PERMIT法在工程中的应用
3.1 宁波燃化码头混凝土结构耐久性评估
浙江省宁波招商燃化有限公司5000t级燃化码头位于宁波市北仑区白峰镇穿山港内，该码头为具有年装卸60000t液化气能力的液化码头。码头由工作平台(42m×9m)、架空式引桥(64.5m×5.5m)、人行便桥（见图3）及海堤组成。工作平台为高桩梁板结构，桩基采用600×600预应力钢筋混凝土方桩。墩台、横梁及面层为混凝土现浇结构，纵向梁、靠船构件、空心板等采用预制构件，通过现浇节点及现浇面层连成整体。引桥桩基采用600×600预应力钢筋混凝土方桩，上部结构为现浇横梁和预制钢筋混凝土空心大板[10]。
图3 引桥及东、西侧人行便桥
江苏省交通科学研究院在对该码头进行混凝土结构耐久性评估时采用PERMIT法现场测试了该码头东便桥1#跨板梁混凝土的抗氯离子渗透性能（PERMIT现场检测试验见图4）。试验参数如下：当t=280min时，试验进入稳态阶段，Imax=142.14mA，T=309.64K，dc/dt=0.000328283mol/L。通过计算获得混凝土的氯离子扩散系数[10]：
Dpermit=0.6448×10-12(m2/s)
同时采用现场钻取混凝土粉末（钻粉部位参照了钢筋锈蚀电位测试测区布置原则，每一测区钻粉的孔数为3个），并按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》中规定的混凝土氯离子含量试验方法测试混凝土中的自由氯离子含量，混凝土0-5mm深度氯离子含量为0.07680%，5-10mm深度氯离子含量为0.04782%，10-15 mm深度氯离子含量为0.04150%，15-20mm深度氯离子含量为0.04126%。采用fick第二扩散定律进行拟合求出混凝土的表观氯离子扩散系数为：Dapp=0.6490×10-12(m2/s)，误差error=0.0139[10]。
通过以上2种试验方法的比较可知，Permit法计算所得的氯离子扩散系数值略低，Dpermit和Dapp二者在数值上是极为接近的，同时也验证了Permit试验的准确性和可靠性。此外，该设备携带方便，操作简单，试验周期短，对混凝土结构破坏小，适用于对混凝土结构实体的检测。
图4 PERMIT现场检测试验
3.2 泰州长江公路大桥
泰州长江公路大桥位于江苏泰州与镇江、常州市之间，工程全长62.088公里，全线采用双向六车道高速公路标准，项目总投资93.7亿元。其中，跨江主桥及夹江桥全长9.726公里，桥面宽33米。跨江主桥采用了主跨2×1080米的三塔双跨钢箱梁悬索桥，系世界*创。中塔采用纵向人字形、横向门式框架型钢塔，其大节段制造和安装技术的使用在国内尚属*次。该桥是江苏省“五纵九横五联”高速公路网和国家《长江三角洲地区现代化公路交通规划纲要》中规划的重要的过江通道工程，对完善国、省干线公路网，加强泰州、镇江、常州的交流，促进长江两岸区域经济的均衡发展和沿江开发开放，改善长江航运条件等具有积极的作用。
东南大学和江苏省交通科学研究院结合泰州长江公路大桥工程建设和江苏省交通科研计划项目《大跨径桥梁高性能混凝土质量控制标准研究》开展了PERMIT试验方法的应用研究，相关研究结果表明：采用自然浸泡、RCM法和PERMIT法测得的混凝土的抗氯离子渗透性能的变化规律是一致的，但是采用PERMIT法测得的结果总体低于自然浸泡法和RCM法的测试结果（PERMIT法试验效果见图5）。混凝土表层碳化可以明显降低采用permit法测得的混凝土的氯离子扩散系数[11]。
混凝土表层碳化生成的CaCO3可以阻塞混凝土的毛细孔道，提高混凝土的表层的密实程度，有利于混凝土结构抗渗性能的提高，permit法可以直接测试混凝土结构的抗渗性，因此采用PERMIT法可以真实反映混凝土表层的抗氯离子渗透性能；而采用RCM法评价混凝土结构的抗渗性需要钻芯取样，芯样还需要切割、打磨等过程方能进行RCM试验，整个过程破坏了混凝土的碳化表层，难以真实反映由于混凝土表层碳化引起的混凝土抗氯离子渗透性能的提高。
图5 PERMIT法用于混凝土渗透性试验
PERMIT与RCM试验都是基于电化学理论，且都是以氯离子扩散系数作为劣化指标，这两种电迁移试验结果的变化规律更为相似，但是试验结果有一定的差别，这主要是由于两种试验方法的氯离子电迁移过程和混凝土试件的饱水程度不同造成的。PERMIT法用于现场结构混凝土渗透性测试比较方便，但其内置电导率与浓度关系应用曲线的适应性有待进一步的完善[11]。
3.3 胶州湾跨海大桥
胶州湾跨海大桥是我国在寒冷冰冻海洋环境下建设的*座特大型桥梁。该桥全长约28km，其中跨海大桥约25km，为双向6车道高速公路兼城市快速通道，设计使用年限为100年。按照GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计》中对环境作用等级的划分，处于潮差区的承台和处于浪溅区的墩柱混凝土结构服役环境*为恶劣。为确保胶州湾跨海大桥混凝土结构耐久性的设计要求，在采用海工高性能混凝土的基础上对承台及墩柱部位采用透水模板布、防腐涂层、有机硅烷涂层等辅助防腐蚀技术措施，进一步改善结构混凝土的表层质量，提高混凝土结构的抗渗性。杨进波，阎培渝等采用PERMIT试验方法在现场对胶州湾湾大桥工程承台部位混凝土（在应用透水模板布、防腐涂层、有机硅烷涂层等提高混凝土抗渗性的辅助措施后）保护层的抗氯离子渗透性的改善效果进行了评价[12]。
4 结语
混凝土的抗氯离子渗透性是决定钢筋混凝土结构耐久性的关键因素之一。试验室内测定的混凝土的抗氯离子渗透性往往不能真实地反映混凝土结构的抗氯离子渗透性。PERMIT法可对结构混凝土抗氯离子渗透性能进行现场检测评估，是目前**一种较为成熟的可用于混凝土结构抗氯离子渗透性现场测定的试验方法。国内相关的研究与工程应用也验证了PERMIT试验的准确性和可靠性，该方法可以较为真实地反映混凝土结构的抗氯离子渗透性能。但是PERMIT法在国内推广还需要一定的数据积累和相关试验参数的调整与验证。同时，PERMIT法由于检测条件及混凝土结构尺寸的限制，只能进行局部自然饱水，不能达到较好的饱水状态，不能形成良好的离子通道，对检测结果会有一定的影响，因此研究合适的混凝土饱水方法也PERMIT法推广过程中应解决的的重点问题之一。
参考文献：
[1]栗华清,兰祥辉,陆春华,等.粉煤灰对水泥石氯离子渗透扩散性的影响[J].硅酸盐通报,2009,28(2):320-323
[2]郭伟,秦鸿跟,孙伟,杨毅文.外加剂与水胶比对混凝土氯离子渗透性的影响[J]2010,29,(6):1478-1483
[3]金祖权.西部地区严酷环境下混凝土的耐久性与寿命预测[D].[博士学位论文].南京:东南学,2006
[4]BASHEER P A M, ANDREWS R J, BAI Y, eta1. ‘PERMIT’ion migration test for determining the chloride ion diffusivity of concrete in the laboratory and on Site[C]//International Workshop
on Permeability and Durability of Structural Concrete, Beijing, 2005, Collection of Paper
Presented at DURATES2005:17-19
[5]BASHEER P A M,ANDREWS R J,ROBINSON D J,eta1.‘PERMIT’ion migration test for measuring the chloride ion transport on site[J].NDT＆E International,2005,38(3):219-229
[6]阎培渝,杨进波,吴志刚.混凝土保护层抗氯离子渗透性的现场测试方法研究[J].混凝土,
2008(8):6-9
[7]冷发光,田冠飞.混凝土抗氯离子渗透性试验方法.东南大学学报(自然科学版)[J].2006,
36(S2):32-38
[8]Lu X Y. Application of the Nernst-Einstein equation to concrete [J]. Cement and Concrete Research, 1997, 27(2):293-302
[9]郝挺宇,惠云玲,梅名虎,苏波.结构混凝土耐久性无损检测技术东南大学学报(自然科学版)
[J].2006, 36(S2):49-54
[10]明静.混凝土氯离子渗透和碳化性能检测方法及劣化指标的研究[D].[硕士学位论文]南京:东南大学,2010
[11]庞超明,等.大跨径桥梁高性能混凝土质量控制标准研究[R].2010
[12]杨进波,阎培渝,郭保林.PERMIT离子渗透测定方法的应用研究[J],工业建筑,2009,39
