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【摘要】对于海洋环境而言，影响混凝土耐久性的最重要的因素是氯离子的扩散，论文对扩散系数的主要影响因素进行了分析，重点分析碳化对于氯离子扩散系数的影响。通过外加电场快速扩散实验，探索了氯离子扩散与碳化之间的关系。
【关键词】 氯离子扩散系数 FICK第二定律 碳化
如今大量钢筋混凝土结构达不到其预期的服役年限。其原因有很多，其中由于结构耐久性不足而导致的失效占有很大比例。特别是对于海港结构而言，海水中含有大量的氯离子，氯离子能够透过混凝土保护层到达并积聚在钢筋表面，导致钢筋锈蚀，造成钢筋混凝土结构的耐久性不足。
1、目前混凝土碳化对于氯离子渗透影响的研究
碳化和氯离子侵蚀共同作用时，其作用机理相当复杂。关于碳化对于氯离子渗透的影响，此类研究具有一定的争议，实验手段的不同得出的结果具有很大的差异甚至会得到相反的结论。
S.Goni通过掺加3%氯离子的静浆碳化实验表明：碳化促进了Friedel盐分解，但静浆中的自由氯离子并未大量增加[1]。
P.J Tumidajski研究表明，硫酸盐—氯盐符合溶液中冲入CO2气体，CO2延缓了氯离子在普通混凝土中的渗透速度，却加速了氯离子在矿渣混凝土中的渗透速度[2]。
Papadakis[3]，柳俊哲等[4]通过掺入一定量得氯盐的砂浆（或混凝土）碳化实验表明：碳化促进了Friedel盐分解，加速了氯离子在混凝土中的渗透。
金祖权等将快速碳化后的混凝土浸泡于质量分数为3．5％的NaCl溶液中测试自由氯离子、总氯离子含量，计算得到表观氯离子扩散系数，结果表明，混凝土碳化后浸泡到腐蚀溶液中，增加了混凝土中的氯离子含量，提高了混凝土表观氯离子扩散系数，降低了混凝土对氯离子的结合能力[5]。
2、实验
2.1实验及其仪器简介
快速氯离子渗透实验采用采用具有权威性的混凝土渗透试验方法——标准电流电量法ASTM（American Society for Testing and materials）来测定混凝土中氯离子的扩散系数。
实验主要设备为PROOVE’it ASTM C1202-08。试验仪器在60V直流电下，经过6小时测量了通过试件的电量。自动记录每秒的电流并画出曲线图来算出电量。电量的大小可以反映混凝土抗氯离子渗透能力，进而算出氯离子的扩散系数。
2.2主要实验步骤
2.2.1试件处理
把试件放入空的真空干燥容器，涂上硅油密封，开启气泵抽至95%真空度，3小时后关闭气泵、慢慢开启阀门将蒸馏水水抽入干燥容器直到试件完全浸没于水中。再次开启气泵1小时后关闭，打开阀门让空气流入并让试件再浸泡18小时后，取出试件，吸干表面。
2.2.2灌注溶液并連接相应接线柱
往容器单元（cell part）内的储液罐分别按标示灌注3.0%的Nacl溶液和0.3N NaOH溶液。存有Nacl的储液罐连接负极接线柱，NaOH储液罐连接正极接线柱。把温度探针插入NaCL溶液中。如果溶液温度超过了90度，试验要自动终止以防止沸腾。
2.2.3测定碳化深度
利用酚酞指示剂测定混凝土的碳化深度是判定混凝土碳化深度最简便和常用的方法，可结合肉眼观察结果判定。酚酞指示剂常用1％酚酞乙醚(或酒精)溶液。将酚酞溶液喷洒到混凝土表面时未碳化区因碱性呈粉红色，碳化区呈中性不变色。混凝土表面到呈色界线的平均距离为碳化深度。
2.3实验结果及分析
本实验室用的混凝土试件标号为C20，实验记录了每个试件的通过电量信息。由于发现第3、4、5、7号试件所测电量值过小，在数据分析中不予以采用。分析其原因，可能是由于在试件前期处理阶段，试件中的气泡未能完全排出导致饱水不完全，从而影响到了电量的扩散。
对于其它6个试件，应用氯离子扩散系数与导电量的关系式如下：
D=2.57765+0.00492Q [6]（4.1）
归纳1、2、6、8、9、10号试件的电量、扩散系数以及碳化深度的计算结果如下表：
根据回归分析法，扩散系数D与碳化深度x之间的回归方程为：
D=0.07029X-0.507907 (4.2)
相关系数r=1.622，均方误差Sy=0.235。
由于不同碳化深度的混凝土试件对应的扩散系数并非一个固定值，而是在一个定的范围之内的，因而可以发现1号、2号试件对应的D与X的关系有所偏差。有图大致可以总结出如下关系：对于部分碳化的试件，其扩散系数随着碳化深度的增加而增加。其可能原因是由于碳化过程中CaCO3的形成粗化了混凝土的孔结构而氯离子在混凝土中的扩散与孔径有关。
3、结语
本文通过标准电流电量法ASTM（American Society for Testing and materials）来测定混凝土中氯离子的扩散系数，研究了氯离子扩散与碳化深度之间的关系。得出如下结果：混凝土试件的碳化是影响混凝土中氯离子扩散性能的一个非常重要的因素。对于未产生碳化的混凝土试件而言，当发生碳化时，其氯离子的扩散系数减小。而对于已经发生碳化的混凝土试件而言，氯离子的扩散性能随着碳化深度的增加而增加，碳化一定程度上促进了氯离子的扩散。
但是同样值得注意的是，碳化对于氯离子在混凝土中扩散的影响效应是非常复杂的。混凝土试件其本身的材料因素、温度等都影响着氯离子的扩散。随着混凝土耐久性问题受到越来越多的重视，相信在不久的将来，关于这一方面的科学理论将会越来越完善，混凝土耐久性的问题终将会得到很好的解决，从而造福于人！
4、参考文献
[1]Goni S.Guerraro A．Aeederated carbonation of Friedel’s salt in calcium aluminate cement paste．Cem Concr Res．2003。33：21.
[2]Tumidajski PJ．Chan G W．Effect of sulfate and carbon dioxide on chloride diffusivity．Cem Colqcr Res．1996,26:551.
[3]Papadakis VG.Vaygenas CG，Fardis M N．Fundamental modeling and experimental investigation of concrete carbonation．ACI MaterJ.1991，88(4)：363.
[4]柳俊哲，刘志勇，孙伟，吕永高等.含氯盐混凝土碳化过程钢筋锈蚀阀值与使用寿命预测.工业建筑，2005，35(10)：50.
[5]金祖权，孙伟，李秋义.碳化对混凝土中氯离子扩散的影响[J].北京科技大学学报，2008,30
[6]郑永来，郑洁琼，张梅. 碳化程度对混凝土中氯离子扩散系数的影响[J].同济大学学报(自然科学版),2010,38(3)：412-416.
作者简介
姓名：唐继韵 性别：男 出生年月：1985.6 职称：无
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】 氯离子扩散系数 FICK第二定律 碳化
如今大量钢筋混凝土结构达不到其预期的服役年限。其原因有很多，其中由于结构耐久性不足而导致的失效占有很大比例。特别是对于海港结构而言，海水中含有大量的氯离子，氯离子能够透过混凝土保护层到达并积聚在钢筋表面，导致钢筋锈蚀，造成钢筋混凝土结构的耐久性不足。
1、目前混凝土碳化对于氯离子渗透影响的研究
碳化和氯离子侵蚀共同作用时，其作用机理相当复杂。关于碳化对于氯离子渗透的影响，此类研究具有一定的争议，实验手段的不同得出的结果具有很大的差异甚至会得到相反的结论。
S.Goni通过掺加3%氯离子的静浆碳化实验表明：碳化促进了Friedel盐分解，但静浆中的自由氯离子并未大量增加[1]。
P.J Tumidajski研究表明，硫酸盐—氯盐符合溶液中冲入CO2气体，CO2延缓了氯离子在普通混凝土中的渗透速度，却加速了氯离子在矿渣混凝土中的渗透速度[2]。
Papadakis[3]，柳俊哲等[4]通过掺入一定量得氯盐的砂浆（或混凝土）碳化实验表明：碳化促进了Friedel盐分解，加速了氯离子在混凝土中的渗透。
金祖权等将快速碳化后的混凝土浸泡于质量分数为3．5％的NaCl溶液中测试自由氯离子、总氯离子含量，计算得到表观氯离子扩散系数，结果表明，混凝土碳化后浸泡到腐蚀溶液中，增加了混凝土中的氯离子含量，提高了混凝土表观氯离子扩散系数，降低了混凝土对氯离子的结合能力[5]。
2、实验
2.1实验及其仪器简介
快速氯离子渗透实验采用采用具有权威性的混凝土渗透试验方法——标准电流电量法ASTM（American Society for Testing and materials）来测定混凝土中氯离子的扩散系数。
实验主要设备为PROOVE’it ASTM C1202-08。试验仪器在60V直流电下，经过6小时测量了通过试件的电量。自动记录每秒的电流并画出曲线图来算出电量。电量的大小可以反映混凝土抗氯离子渗透能力，进而算出氯离子的扩散系数。
2.2主要实验步骤
2.2.1试件处理
把试件放入空的真空干燥容器，涂上硅油密封，开启气泵抽至95%真空度，3小时后关闭气泵、慢慢开启阀门将蒸馏水水抽入干燥容器直到试件完全浸没于水中。再次开启气泵1小时后关闭，打开阀门让空气流入并让试件再浸泡18小时后，取出试件，吸干表面。
2.2.2灌注溶液并連接相应接线柱
往容器单元（cell part）内的储液罐分别按标示灌注3.0%的Nacl溶液和0.3N NaOH溶液。存有Nacl的储液罐连接负极接线柱，NaOH储液罐连接正极接线柱。把温度探针插入NaCL溶液中。如果溶液温度超过了90度，试验要自动终止以防止沸腾。
2.2.3测定碳化深度
利用酚酞指示剂测定混凝土的碳化深度是判定混凝土碳化深度最简便和常用的方法，可结合肉眼观察结果判定。酚酞指示剂常用1％酚酞乙醚(或酒精)溶液。将酚酞溶液喷洒到混凝土表面时未碳化区因碱性呈粉红色，碳化区呈中性不变色。混凝土表面到呈色界线的平均距离为碳化深度。
2.3实验结果及分析
本实验室用的混凝土试件标号为C20，实验记录了每个试件的通过电量信息。由于发现第3、4、5、7号试件所测电量值过小，在数据分析中不予以采用。分析其原因，可能是由于在试件前期处理阶段，试件中的气泡未能完全排出导致饱水不完全，从而影响到了电量的扩散。
对于其它6个试件，应用氯离子扩散系数与导电量的关系式如下：
D=2.57765+0.00492Q [6]（4.1）
归纳1、2、6、8、9、10号试件的电量、扩散系数以及碳化深度的计算结果如下表：
根据回归分析法，扩散系数D与碳化深度x之间的回归方程为：
D=0.07029X-0.507907 (4.2)
相关系数r=1.622，均方误差Sy=0.235。
由于不同碳化深度的混凝土试件对应的扩散系数并非一个固定值，而是在一个定的范围之内的，因而可以发现1号、2号试件对应的D与X的关系有所偏差。有图大致可以总结出如下关系：对于部分碳化的试件，其扩散系数随着碳化深度的增加而增加。其可能原因是由于碳化过程中CaCO3的形成粗化了混凝土的孔结构而氯离子在混凝土中的扩散与孔径有关。
3、结语
本文通过标准电流电量法ASTM（American Society for Testing and materials）来测定混凝土中氯离子的扩散系数，研究了氯离子扩散与碳化深度之间的关系。得出如下结果：混凝土试件的碳化是影响混凝土中氯离子扩散性能的一个非常重要的因素。对于未产生碳化的混凝土试件而言，当发生碳化时，其氯离子的扩散系数减小。而对于已经发生碳化的混凝土试件而言，氯离子的扩散性能随着碳化深度的增加而增加，碳化一定程度上促进了氯离子的扩散。
但是同样值得注意的是，碳化对于氯离子在混凝土中扩散的影响效应是非常复杂的。混凝土试件其本身的材料因素、温度等都影响着氯离子的扩散。随着混凝土耐久性问题受到越来越多的重视，相信在不久的将来，关于这一方面的科学理论将会越来越完善，混凝土耐久性的问题终将会得到很好的解决，从而造福于人！
4、参考文献
[1]Goni S.Guerraro A．Aeederated carbonation of Friedel’s salt in calcium aluminate cement paste．Cem Concr Res．2003。33：21.
[2]Tumidajski PJ．Chan G W．Effect of sulfate and carbon dioxide on chloride diffusivity．Cem Colqcr Res．1996,26:551.
[3]Papadakis VG.Vaygenas CG，Fardis M N．Fundamental modeling and experimental investigation of concrete carbonation．ACI MaterJ.1991，88(4)：363.
[4]柳俊哲，刘志勇，孙伟，吕永高等.含氯盐混凝土碳化过程钢筋锈蚀阀值与使用寿命预测.工业建筑，2005，35(10)：50.
[5]金祖权，孙伟，李秋义.碳化对混凝土中氯离子扩散的影响[J].北京科技大学学报，2008,30
[6]郑永来，郑洁琼，张梅. 碳化程度对混凝土中氯离子扩散系数的影响[J].同济大学学报(自然科学版),2010,38(3)：412-416.
作者简介
姓名：唐继韵 性别：男 出生年月：1985.6 职称：无
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。