知识点:电通量

不过该方法也存在诸多不足，中外学者发表了很多相关研究成果。如、“试件在测试中电学特性的变化、电极反应、焦耳热效应、测试设备的精度和数据采集的频次等^［3］”，这些对试验结果的精确性造成了影响。但也指出，该方法作为通行标准，适用于评价所测电量在1000～3000C的混凝土抗渗透性，且试验操作简单快捷。

本文主要分析了该方法的试验测试原理、操作过程，通过实验对比了试验数据的稳定性，作者认为试样在电池盒（GB/T50082中称为试验槽）中的固定方式对试验结果影响很大。

1  试验方法简述

1.1 试验原理

将制好的混凝土试样放在饱水机中饱水，使试样中的空气充分排出，水分充满混凝土中的毛细管路，打通离子可以通过的溶液通道。然后把试样装入电池盒固定，电池盒正极注入0.3N的NaOH溶液，负极注入3%的NaCl溶液，试验中通入60V直流电，通电时间为6h，负离子带电向正极移动，通过混凝土试样，记录通过的电量，即所测电通量。

1.2  化学反应

通电后，主要发生的化学反应是电解反应：

    NaCl溶液：  

               2NaCl + 2H₂O → H₂ + Cl₂ + 2NaOH

                   正极：2Cl^- - 2e → Cl₂

                   负极：2H⁺ + 2e → H₂

        NaOH溶液：氢氧根离子数并未改变，所以实质是电解水

                            2H₂O → 2H₂ + O₂

             正极：4OH^- - 4e → 2H₂O+ O₂  或 2H₂O - 4e → O₂ + 4H⁺

             负极：4H₂O + 4e → 2H₂ +4OH^-  或 4H⁺  + 4e → 2H₂

正离子有H⁺和Na⁺，负离子有Cl^-和OH^- 。通电后，离子受电极吸引通过试样中的溶液通道，正离子向负极移动，负离子向正极移动，离子的移动形成电流通路，这是能测试出电通量的原因。可以看出，电通量并不只是Cl^-移动的结果，虽说试验名称叫Cl^-渗透试验，但试验测试的是总电导值，记录全部离子移动的情况，并不单是氯离子的。试验结果判定指标值的高低是人为规定的。

1.3  电路图

电路连接图中（见图1），电通量测量部分是由100mV分流电阻并联200mV量程电压表组成，电阻可以保护电压表不被电流击穿，同时已知电阻的阻值，就能计算电流值。测得电压÷已知电阻=电流，电流×时间=电量，即所测电通量。这里指出，ASTM标准中所说100mV电阻的阻值为0.01Ω，应为刊误，GB/T50082条文说明7.2.2节第2条4）中说，电阻的阻值为1Ω，这个数值应该是合理的。

1.4  简化公式

ASTM标准中有个简化公式Q=900(I₀+2I₃₀+2I₆₀+…+2I₃₀₀+2I₃₃₀+I₃₆₀)，是为测试时只能测得电流值的情况下使用。该公式是对测试结果曲线面积的拟合公式，避免了使用积分计算面积的复杂方法。对于直径不是95mm（以下尺寸都以毫米计，不使用英寸）的试样，还要把实际直径和电通量测试值代入下面的折算公式Q_S=Q_x×(95/x)²，则能折算成95mm试样的电通量值。就是说，电通量值是以95mm试样（ASTM标准要求试样直径为95～102mm）的测值为基准的，以此作为判定比较的依据。此折算公式说明，试样直径的大小与电通量的大小成正比，试样直径大，电通量值就大。

2  实验分析

实验中使用的混凝土试样，是以同一配比、同时成型、同条件养护的150mm试件，钻芯、切取出直径100mm、高50mm的试样，每个150mm试件切取出2个试样。编号规则：150mm试件用A、B、C……表示，每个试件上切取出的2个试样用A1和A2、B1和B2、C1和C2……区别分组，进行的不同实验。

2.1  测试用溶液的作用

NaCl溶液的作用当然是提供Cl^-；NaOH溶液的作用呢，一些文献中说，是提高导电效率、防止pH值降低。下面就通过实验验证一下。实验用两组6个试样，`第1组：A1、B1、C1试样装入的电池盒，正极都注入NaOH溶液，负极都注入NaCl溶液。第2组：A2试样装入的电池盒，正负极都注入清水；B2试样装入的电池盒，正极注入NaOH溶液，负极注入清水；C2试样装入的电池盒，正极注入清水，负极注入NaCl溶液。电池盒采用国内流行使用的产品（有能力的厂家开发出产品后，就在国内通用了），表1为试验数据。 

表 1   改变溶液的影响

组别		第1组			第2组
试样编号		A1 (NaOH/NaCl)	B1 (NaOH/NaCl)	C1 (NaOH/NaCl)	A2 (H2O/H2O)	B2 (NaOH/H2O)	C2 (H2O/NaCl)
电通量（C）		1523	1534	1357	975	1291	1070
实验前溶液pH值	阳极	13	13	13	7	13	7
	阴极	7	7	7	7	7	7
实验后溶液pH值	阳极	13	13	13	5	10	6
	阴极	12	12	12	12	12	12

 

B2比B1、C2比C1的电通量都低200多库仑，A2比A1的电通量低500多库仑，可见，NaOH溶液确实提高了导电效率，占总电导值（即电通量）的一部分；而且即使没有溶液，水也能够起到导电作用，这是因为水电解出的离子，可以通过试样导电。实验后，观察到A2和C2的电池盒阳极、试样接触面都附着有蓝色物质（见图2），显然是产生的氧气使其变蓝，证明确实是发生了电解反应；而其它试样没有出现，说明只在酸性环境，产生的氧气量才足够使其变色。

两组试样的阴极溶液pH值都上升了，这是阴极电解产生了OH^-。A2和C2的阳极溶液pH值降低，是因为产生的H⁺，B2的阳极溶液pH值也降低了，但还维持在碱性，说明NaOH溶液保持了阳极的碱性环境。

2.2  固定方式的影响

“混凝土中氯离子的迁移方式主要有对流、毛细管吸附作用、扩散、热迁移和电迁移等。扩散作用是多数情况下的主要方式。^［4］”显然，Cl^- 不是直线从混凝土试样中通过的，而是通过毛细孔道扩散开来。那么，混凝土试样与溶液接触面的大小会不会影响电通量值的大小呢？

先来比较一下ASTM标准中，试样的三种固定方式的区别：（1）采用低粘度密封胶，胶涂在铜垫片90mm（所垫滤纸直径为90mm）以外的范围，即试样与金属(铜垫片和铜网电极)的接触面直径是90mm，与溶液的接触面直径是＞75mm（铜垫片内径是75mm）。为什么是大于呢？因为两半电池盒与试样用螺栓夹紧，夹紧后，无法保证试样与铜垫片之间没有溶液渗流过来，准确的接触面积也不能确定，而密封胶的作用正是为了阻止溶液渗流到外面，所以试样与溶液的接触面直径应是75mm至90mm之间。（2）采用高粘度密封胶，胶涂在铜垫片与试样接触的外边缘，即试样与金属的接触面直径是100mm（实验中所用试样直径为100mm），与溶液的接触面直径是75mm至100mm之间（原因同上）。（3）采用橡胶垫圈，垫圈内径75mm、外径100mm，可确定不存在渗流问题，则与溶液的接触面直径是75mm，不过垫圈厚6mm，夹紧后垫圈会压扁变宽，所以与溶液的接触面直径应是＜75mm。

国内流行使用的电池盒采用圆截面橡胶圆环固定（见图3），圆环内径为90mm，直径5mm，因为圆环很硬，夹紧后无法完全压扁，所以试样与溶液的接触面直径实际是92mm左右。

 

这4种固定方式下，试样与溶液的接触面大小都不同：垫圈＜低粘＜圆环＜高粘。对电通量值会有多大影响呢？为了进行比较，按ASTM C1202-12标准中的尺寸要求，加工了3套电池盒（见图4）。试验中使用的溶液，按标准要求。编号：第3组D1、E1、F1使用国内电池盒；第4组使用ASTM标准电池盒，D2采用低粘度密封胶，E2采用高粘度密封胶，F2采用橡胶垫圈。实验装置见图5，试验数据见表 2。

表2   固定方式的影响

组别	第3组			第4组
试样编号	D1 (圆环)	E1 (圆环)	F1 (圆环)	D2 (低粘)	E2 (高粘)	F2 (垫圈)
电通量（C）	1550	1666	1578	1518	1705	1302
差值（C）	D1＜F1＜E1 D1-F1=-28，E1-D1=116			F2＜D2＜E2 D2-F2=216，E2-D2=187

D2比D1的电通量略低，E2比E1的电通量略高，试样与溶液的接触面大小差距不是太大，所以影响不是很明显；F2比F1的电通量低200多库仑，F2比F1的接触面小很多，并且第4组的电通量值F2＜D2＜E2，可见，溶液接触面对电通量值的影响！接触面小，电通量也就小，而且，接触面大小越接近试样截面尺寸（即直径），对电通量值的影响越小。

GB/T50082标准中要求只使用内径75mm橡胶垫圈这种固定方式，而实际国内使用的电池盒，它的橡胶圆环内径是90mm，哪个更合理呢？作者认为：既然以整个试样截面通过的电通量作为判定的依据，那就应该让整个截面都与溶液接触。那么，利用第3组的3个试样，再做第5组实验。使用GB/T50082标准7.1快速氯离子迁移系数法中的电池盒，这样就能使试样截面与溶液完全接触了，实验所用溶液还按电通量法的要求，实验装置见图6。实验测得：D1为1631C、E1为1719C、F1为1647C，比第3组实验结果略高，差距不大。所以，还是使用内径90mm橡胶圆环的方法更为合理。

 

3 结论

第4组电通量值的波动明显大于第3组，显然，ASTM标准中三种固定方式所得电通量值并不能保持一致性；且采用密封胶的方式时，溶液渗流的范围不能固定，那么电通量值也就不能保持稳定性。国内电池盒则能避免上述问题，且与使用密封胶方式时的电通量很接近，也就是能达到试验检测的目的。

ASTM标准为什么要规定铜垫片和橡胶垫圈的内径为75mm呢？是要让试样与溶液的接触面直径为75mm吗？如果是，那就应该把密封胶涂在75mm范围以外，否则是无法做到的。

另有一点需要指出，机型比较旧的电通量测定仪，根据国内电池盒使用的橡胶圆环内径为90mm，就在程序编写中，把试样直径设定为90mm且不能修改，并把测试值代入折算公式计算最终电通量值。这样等于把测试值放大，没有正确理解标准，应该把试样实际直径代入公式才对。这是因为Cl^- 是以扩散形式通过试样，通过的截面并不限于90mm那一部分，而是通过整个试样截面。比如，现在是以100mm试样做实验，就应该把100mm代入折算公式，这样测试值就会缩小，得出最终电通量值。

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