摘要 混凝土保护层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。实验室内测定的混凝土材料的抗氯离子渗透性往往不能真实地反映混凝土保护层的抗氯离子渗透性。Permit Ion Migration Test是目前唯一一种可以现场测定混凝土保护层抗氯离子渗透性的试验方法。本文介绍了Permit Ion Migration Test的基本原理和试验方法，推导了理论计算公式。通过初步试验介绍了基本试验参数的测定方法并对试验数据的规范化处理提出了建议。
关键词 混凝土保护层；抗氯离子渗透性；稳态电迁移试验；Permit试验；氯离子扩散系数
中图分类号：TU528 文献标志码：A
Experimental Research of an In-situ Chloride Migration Test for Covercrete
Abstract: The resistance of covercrete to the penetration of chloride ions plays a crucial rule in the durability of a reinforced concrete structure. In fact, the resistance of concrete to the penetration of chloride ions tested in lab does not equal the resistance of covercrete to the penetration of chloride ions. At the present time, Permit ion migration test is the only method can test the resistance of covercrete to the penetration of chloride ions in situ. This paper introduced the basic theory and test method of permit ion migration test. How to determine the parameters and how to chose effect experimental data were suggested through experiments.
Keywords: covercrete; resistance to the penetration of chloride ions; steady-state migration test ; permit ion migration test; Chloride diffusion coefficient
混凝土保护层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。过去几十年中，多种评价混凝土材料抗氯离子渗透性的试验方法得到了研究与发展[1]。其中电参数试验[2-5]、稳态电迁移试验[6-8]、非稳态电迁移试验[9, 10]等快速测定混凝土材料抗氯离子渗透性的试验方法得到了广泛应用。事实上由于边界效应、施工技术等原因，混凝土保护层的渗透性与实验室内测定的混凝土材料的渗透性之间存在着一定的差异[11-14]。因此实验室内测定的混凝土材料的抗氯离子渗透性不能等同于混凝土保护层的抗氯离子渗透性。有必要研究混凝土保护层抗氯离子渗透性的现场测试方法，从而提高钢筋混凝土结构使用寿命预测的精确度，为材料设计提供可靠依据。
Permit ion migration test，简称Permit试验，是由北爱尔兰女王大学的P. A. M. Basheer教授等人基于稳态电迁移试验的基本原理改进而成[15, 16]。该方法具有试验设备简单便携、试验过程时间短、易于操作、试验数据自动采集等优点。试验设备已投入商业化生产，是目前唯一一种比较成熟的能够现场测定混凝土保护层抗氯离子渗透性的试验方法，试验结果与稳态电迁移试验结果有很好的相关性。但是该方法的试验研究只限于北爱地区，试验数据比较少，要引入国内并推广还需要对具体的试验参数进行试验调整及验证。本文介绍了Permit试验的基本原理及试验方法，对计算公式进行了推导，调整了具体的试验参数并对试验数据的规范化处理提出了建议。
1 Permit试验仪器及试验方法
本文试验研究采用的是由北爱尔兰Amphora NDT公司生产的Permit试验仪，主要包括数字控制器和测试器两部分，如图1所示。
数字控制器用来控制测试器并自动记录试验数据。测试器由内外两个空室构成，内、外两室分别设有铁电极，如图2所示。 
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。试验前，首先根据结构的现场情况进行相应的表面饱水（一般情况是用去离子水浸泡表面24h），然后在表面钻孔，并用直径为6mm螺栓固定测试器。在内室注入0.55M的NaCl溶液，外室内注入去离子水。设置好数字控制器的试验参数，试验即可自动进行。试验开始后，内、外室的电极之间被加以60V的直流电，内室电极为阴极，外室电极为阳极。内室溶液中的氯离子在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连续测定溶液的电导率，时间间隔可以在1-15min内选择。通过溶液电导率与氯离子浓度的关系公式即可换算为外室溶液的氯离子浓度。最后在稳态阶段内，测定单位时间氯离子的迁移量来计算混凝土保护层的氯离子扩散系数，进而评价混凝土保护层的抗氯离子渗透性。
2 理论计算公式
根据电化学理论，电解质溶液中的离子i在电场内所受的电场力为： 
需要说明的是对于稳态电迁移试验，公式（8）中的A等于混凝土试件的面积，l等于混凝土试件的厚度。对于Permit试验，氯离子的迁移路径不能近似为一维直线，所以 将作为仪器的固定参数给出。
3 试验研究
3.1 原材料配和比与试验原始数据
论文试验用原材料均来自北京地区。水泥为北京水泥厂金隅牌PO42.5普通硅酸盐水泥，砂的细度模数为3.0，石子为普通花岗岩碎石，粉煤灰为元宝山一级灰。主要配合比及28天抗压强度见表1。
测试用混凝土试件高30cm，长40cm，宽30cm。一次成型，标准养护室内养护28d。养护结束后任选三个侧面进行试验，分别计为测点1，测点2和测点3。固定测试器后，首先在内、外室均注入去离子水进行饱水。试件表面饱水时间为24h，饱水结束后，抽出去离子水，再分别注入相应溶液，即可开始试验。试验原始数据主要包括电导率与时间关系曲线，温度与时间关系曲线和电流与时间关系曲线。分别见图3，图4和图5。为了解整个试验过程，测点1和测点2的试验时间延续较长。正常情况下，试验在稳态阶段内即可结束，考虑到长时间试验对电极消耗比较大，测点3的非稳态阶段没有测定。由试验结果可知，在稳态阶段，外室溶液的电导率随时间增加而增加，在非稳态阶段趋于平稳。外室溶液的温度先随时间增加而增加，而后缓慢下降。电流在试验开始后显著增加，达到最大值后逐渐降低。 
3.2 主要试验参数的确定
3.2.1氯离子浓度与电导率的换算关系
Permit试验采用测定溶液的电导率来换算溶液的氯离子浓度。从而省去了直接测定氯离子浓度时大量、复杂的试验操作。一般强电解质的电导率随导电粒子数增多而增加；当浓度增加到一定程度后，正、负离子的相互作用力增大到妨碍离子的运动，电导率便降低[19]。在浓度比较小时，可以认为电导率与浓度的线性关系是存在的。试验进入稳态阶段后，跟踪测定外室氯离子浓度。每次取5ml溶液并采用电位滴定法来测定氯离子浓度，电导率与氯离子浓度的关系曲线如图6所示，电导率先是随氯离子浓度的增加而增加，而后趋于平稳。趋势与强电解质的电导理论基本相符。这也说明在Permit试验中的非稳态阶段中，氯离子的浓度依然随时间而增加，只是电导率趋于稳定。在稳态阶段内，由于氯离子的浓度比较低，可以认为氯离子-浓度与电导率存在线性关系。如图7所示，电导率在3000×10-6S•cm-1以下时，两者有较好的线性关系。 
式中： 为氯离子浓度的变化率（mol•l-1•s-1）， 为电导率的变化率（10-6S•cm-1•s-1）。需要说明的是，混凝土孔溶液对氯离子浓度与电导率的线性关系可能会有一定的影响。本文只是通过一组试验来介绍确定换算公式的方法。对于不同品种的水泥或不同种类的掺和料，还需要进行大量的试验来确定可靠的换算公式。
3.2.2 仪器的固定参数
根据Basheer的试验结果和有限元分析，Permit试验过程中氯离子侵入混凝土内部的最大深度一般为3cm左右[15]。对于本文试验采用的试验仪器， 值设定为3.74m-1。
3.3 试验数据的处理
3.3.1 稳态阶段确定
Permit试验数据的处理关键之一是稳态阶段终止时间的确定。根据Basheer的试验结果，稳态阶段的初始时间可以认为是电流达到最大值的时间。随着试验的进行，内室氯离子浓度逐渐降低，外室氯离子浓度逐渐增加。一方面，只有在外室氯离子浓度远小于内室氯离子浓度的情况下公式（8）才成立；另一方面，氯离子浓度超过一定值后，公式（9）就不在适用。因此试验应该尽可能早的停止。同时又要考虑到必须测试到足够多的点，才能确定电导率的变化率 。综合以上因素，本文建议电流达到最大值后2.5h停止试验。这样即使在15min的最大测试间隔情况下，也能保证有10个测点来确定电导率的变化率。经过处理后的试验结果如图8所示，三个测点在稳态阶段内的电导率的变化率 分别为0.136×10-6S•cm-1•s-1，0.130×10-6 S•cm-1•s-1和0.097×10-6 S•cm-1•s-1。根据公式（9）换算后的氯离子浓度的变化率 分别为1.265×10-6mol•l-1•s-1，1.209×10-6 mol•l-1•s-1和0.902×10-6 mol•l-1•s-1。 
3.3.2 混凝土保护层温度的确定
试验中由于电流通过而产生的热量使被测试部分的混凝土温度升高，而且温度随时间的变化而变化，实测混凝土温度是比较困难的。Permit试验用外室溶液的温度来近似混凝土的温度，并且用稳态阶段内测定的温度的平均值来计算氯离子扩散系数。根据上文对稳态阶段时间的定义，三个测点在稳态阶段内的温度平均值分别为34.4℃，36.2℃和34.2℃。换算为开氏度后分别为307.4K，309.2K和306.2K。
3.3.3 氯离子扩散系数的计算
对于本文Permit试验，氯离子的离子价为1，为电极之间的电压60V，内室氯离子浓度为0.55mol•l -1， 值为3.74m-1。外室体积V为0.65×10-3m3。将以上参数及试验结果分别代入公式（8）中，计算的三个测点的氯离子扩散系数分别为2.461×10-12m2•s-1, 2.366×10-12 m2•s-1和1.748×10-12 m2•s-1。
4 结论
（1）Permit试验方法可以现场测定混凝土保护层或表层混凝土的抗氯离子渗透性。具有设备简单，操作方便，试验时间短，适用范围广等优点。
（2）对于Permit试验，在小浓度范围内溶液的氯离子浓度与电导率有线性关系。可以通过测定稳态阶段内溶液的电导率来换算溶液的氯离子浓度，进而简化试验。
（3）为使Permit试验方法的基本假设条件成立和确保足够的试验数据，稳态阶段可确定为电流达到最大值后的2.5h之内。
