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混凝土氧气扩散系数的试验研究 耿 欧，袁迎曙 (中国矿业大学建筑工程学院 徐州 221008) 摘 要：本文根据混凝土中氧气扩散的 Fick 扩散定律，研制了混凝土氧扩散系数测试装置；根据正交 试验的原理，进行了混凝土水灰比、环境相对湿度和环境温度对混凝土氧气扩散系数影响的试验研究，得 到了混凝土氧气扩散系数和混凝土水灰比、环境相对湿度和环境温度相互关系模型，为钢筋锈蚀的定量评 价提供了科学依据。 关键词：混凝土，氧扩散，耐久性 1.引言 从 20 世纪 60 年代开始，由于混凝土中钢筋腐蚀而引起的钢筋混凝土结构耐久性能的退 化而带来的巨大的经济损失引起了世界各国的高度重视，对基于钢筋腐蚀引起的钢筋混凝土 结构耐久性退化也成为耐久性研究领域中的一个重点研究方向。钢筋锈蚀发生与发展的必要 条件之一就是要有足够的氧和水。研究表明，钢筋表面的氧量对钢筋锈蚀速度起着重要的作 用。因此，氧气在混凝土中扩散速度的确定对于钢筋锈蚀的评价及腐蚀的防止具有重要的意 义[1-3] 。 氧气在混凝土中的扩散主要取决于混凝土的水灰比、含水率及外界温度等因素。水灰比 是决定混凝土孔结构的重要因素，在一定程度上决定了氧气在混凝土中的扩散速度，水灰比 越大，氧气的扩散系数越大；混凝土的含水率对氧气的扩散系数也有重大影响，含水率越高， 混凝土中的孔隙越被水充满，则扩散速度越慢。温度高时，氧分子运动加快，氧气的扩散系 数也会相应地增大[1] 。在目前的研究成果中，希腊学者 Papadakis 通过试验研究了二氧化碳 在混凝土中的扩散系数[3]；文献[4～6]在此基础上，研究了混凝土孔隙率与水灰比的关系， 并根据分子运动学的原理，利用氧气和二氧化碳摩尔质量比，确定了混凝土中氧气扩散系数 和混凝土水灰比和空气相对湿度的关系；文献[2]以大量实际工程调查结果为基础，建立了 氧气在混凝土中的扩散系数与混凝土抗压强度的定量关系，但这些研究成果中，均没有涉及 温度对混凝土氧扩散系数的影响，本文在试验的基础上，研究混凝土水灰比、空气相对湿度 及温度对混凝土氧扩散系数的影响，建立混凝土氧扩散系数计算模型，为钢筋锈蚀速率的定 量评价提供科学依据。 2 ．试验装置的设计及测试原理 由于目前国内还没有直接测试混凝土氧气扩散系数的仪器，所以参照文献[7-10]中介绍 的气体扩散测试装置，设计加工了如图 1 所示的试验装置。它主要是由上下两个可以密封的 不锈钢座、气体压力计、流量计和氧化锆氧分析器等组成，整个装置比较简单并易于操作。 试验时试件上部通入氧气，下部通入氮气并保持两边的压力相同。氧气在密封条件下垂直扩 散穿过圆柱体试件的端面，沿着试件高度方向的浓度梯度就是气体穿过试件的驱动力，最终 的稳态扩散流动取决于试件的扩散系数。 气体在稳态扩散时符合 Fick 第一定律，扩散系数可以描述成： dC N −D （1） A A dx 式中：NA——气体 A 单位时间内扩散通过单位面积的气体质量流量（mo l m-2 s-1 ）， 2 DA——气体 A 扩散系数(m /s) C——气体 A 的摩尔浓度（mol/m3 ） dC/dx——气体 A 在 x 方向上的浓度梯度 国家自然科学基金项目50538070)、中国矿业大学青年科研基金项目 （0B4454 ）资助 图 1 混凝土氧气扩散系数测试装置简图 对于混凝土这样的复杂多孔系统，不可能确切地知道扩散截面的大小和试件中对应的孔 壁扩散长度，因此需引入一个“等效扩散系数”的概念，也就是在混凝土中不以实际扩散的 孔隙截面面积和孔壁扩散长度来计算，而是以垂直于扩散方向的总面积和混凝土试件厚度为 基础计算的扩散系数，一般记为 D0 ，于是式(1)即为： dC ΔC N −D ＝−D （2 ） A 0 0 dx L