電化學(xué)修復(fù)后鋼筋混凝土黏結(jié)性能演變規(guī)律

樊瑋潔，吳云濤，毛江鴻?，金偉良，陳錦森

1) 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，寧波 315100 2) 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058

混凝土結(jié)構(gòu)由于其材料自身和使用環(huán)境的特點(diǎn),存在著嚴(yán)重的耐久性問題[1-2]. 由于海水中氯離子長(zhǎng)期侵蝕、大量氯化物使用和眾多鹽堿地存在等原因，氯鹽導(dǎo)致鋼筋銹蝕問題日益突出，鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能加速劣化，造成結(jié)構(gòu)安全隱患的同時(shí)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和財(cái)政負(fù)擔(dān)[3-4]. 因此,如何提高氯鹽環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題，已成為一個(gè)迫切需要解決的科學(xué)問題.

現(xiàn)有多種氯鹽環(huán)境下鋼筋銹蝕的防治方法：修補(bǔ)法、防潮隔離法、鋼筋表面涂層法和電化學(xué)修復(fù)技術(shù)等. 其中電化學(xué)修復(fù)技術(shù)作為一種無損修復(fù)技術(shù)，能有效快速地去除保護(hù)層中的有害氯離子[5]，提升鋼筋周圍混凝土的堿性[6]并提高鋼筋表面的腐蝕電位，從而達(dá)到修復(fù)鋼筋和提升結(jié)構(gòu)耐久性的目的[7-8].

現(xiàn)有研究表明，電化學(xué)修復(fù)屬于非破損性修復(fù)方法，可以在不破壞鋼筋周圍混凝土保護(hù)層、不影響結(jié)構(gòu)的正常使用的情況下，在較短時(shí)間內(nèi)（30～45 d）內(nèi)排除保護(hù)層中70%～90%的氯離子，顯著提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能[9]. 電化學(xué)修復(fù)過程是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過程（陽(yáng)極和陰極處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，離子隨電場(chǎng)方向定向移動(dòng)），致使混凝土保護(hù)層內(nèi)發(fā)生非均勻軟化，非均勻軟化減小了帶肋鋼筋與混凝土之間的化學(xué)黏結(jié)力和機(jī)械咬合力，最終導(dǎo)致鋼筋混凝土黏結(jié)性能退化[10-15].國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究表明，電化學(xué)修復(fù)后黏結(jié)強(qiáng)度普遍降低15%～25%，當(dāng)電流密度和通電時(shí)間過大時(shí)，最大黏結(jié)強(qiáng)度退化可達(dá)60%以上[16]. 因此，研究電化學(xué)參數(shù)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)黏結(jié)性能的影響規(guī)律，如何科學(xué)優(yōu)化電化學(xué)參數(shù)，在保證除氯效率的同時(shí)控制黏結(jié)性能退化，已成為推廣電化學(xué)修復(fù)技術(shù)的瓶頸問題.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究電化學(xué)修復(fù)技術(shù)對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)性能劣化影響規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)[17-20]，修復(fù)后結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度隨電流密度及通電時(shí)間的增加而降低. 但相關(guān)研究主要為實(shí)驗(yàn)定性研究，缺少相關(guān)定量研究成果，未能提出解決電化學(xué)修復(fù)后結(jié)構(gòu)性能不確定性評(píng)估和控制問題的有效方法. 綜上所述，急需開展相應(yīng)的定量研究，建立電化學(xué)修復(fù)后鋼筋混凝土黏結(jié)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型.

本文采用中心拉拔實(shí)驗(yàn)獲取電化學(xué)修復(fù)前后試件的黏結(jié)滑移曲線，研究在不同電化學(xué)參數(shù)控制下修復(fù)后，實(shí)驗(yàn)試件黏結(jié)強(qiáng)度的變化特征，分析電流密度和通電時(shí)間對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)性能的影響規(guī)律，最終建立包含電化學(xué)參數(shù)的鋼筋混凝土黏結(jié)強(qiáng)度三維折減模型，本模型可為實(shí)際工程結(jié)構(gòu)評(píng)估、優(yōu)化電化學(xué)參數(shù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件采用C30混凝土，配合比如表1所示，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，如圖1所示，試塊中埋置1根直徑14 mm的HRB400帶肋鋼筋，鋼筋與混凝土的黏結(jié)長(zhǎng)度為5d（d為鋼筋直徑）鋼筋非黏結(jié)段用硬質(zhì)光滑PVC管套隔離[21-22]，加載端預(yù)留長(zhǎng)度330 mm鋼筋以便施加荷載，如圖1所示.

表1 C30混凝土配合比Table 1 Mix proportion of C30 concrete specimen kg·m-3

圖1 拉拔試件尺寸（單位：mm）Fig.1 Specimen size (Unit: mm)

1.2 電化學(xué)修復(fù)實(shí)驗(yàn)

為研究電化學(xué)參數(shù)對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)性能的影響，建立以通電時(shí)間和電流密度為變量的實(shí)驗(yàn)組. 基于已有的研究成果，選用氫氧化鈣（Ca(OH)2）溶液作為電解質(zhì)溶液，其中電流密度分別為1、3和 5 A·m-2，通電時(shí)間分別為 7、15和 28 d. 每組試件包括三個(gè)試塊，具體試件組內(nèi)的電化學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)試件分組情況表Table 2 Electrochemical parameters design

試塊一個(gè)側(cè)面設(shè)置不銹鋼網(wǎng)連接電源正極作為電遷陽(yáng)極，鋼筋連接電源負(fù)極作為電遷陰極，通電裝置如圖2所示；為提高電源使用率的同時(shí)保證同組試件的電流密度一致，采用串聯(lián)方式連接試件（一組三個(gè)試塊串聯(lián)同時(shí)通電）；為保證電流只能通過混凝土試塊形成電流回路，每個(gè)試塊單獨(dú)置于一個(gè)溶液盤內(nèi).

圖2 通電裝置示意圖Fig.2 Schematic of experimental setup for electrochemical rehabilitation

1.3 中心拉拔實(shí)驗(yàn)

采用中心拉拔實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示），來獲取鋼筋混凝土黏結(jié)滑移曲線. 試件結(jié)束電化學(xué)修復(fù)實(shí)驗(yàn)后，放置在自行設(shè)計(jì)的反力架中開展中心拉拔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用25 t電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉拔，加載速度設(shè)置為0.2 mm·min-1，試件自由端及加載端放置位移計(jì)以測(cè)量鋼筋的滑移量.

圖3 拉拔裝置及實(shí)驗(yàn)加載圖Fig.3 Pull-out test device and test loading

以自由端和加載端位移的平均值作為中心拉拔實(shí)驗(yàn)的滑移量，共取得10組共30個(gè)試件的黏結(jié)力-平均滑移曲線（F-S曲線）. 從F-S曲線中尋找峰值荷載，標(biāo)記為試件最大黏結(jié)力Fmax. 選取最大黏結(jié)力最接近平均最大黏結(jié)力的實(shí)驗(yàn)F-S曲線，繪制F-S曲線對(duì)比圖，如圖4所示. 各組試件經(jīng)不同電流密度及通電時(shí)間的電化學(xué)修復(fù)后，試件最大黏結(jié)力Fmax的實(shí)驗(yàn)值如表3所示.

表3 拉拔實(shí)驗(yàn)最大黏結(jié)力Table 3 Maximum force of pull-out test

圖4 不同電流密度下的黏結(jié)-滑移曲線. （a）1 A·m-2；（b）3 A·m-2；（c）5 A·m-2Fig.4 Bond force-slip curves under different current densities: (a) 1 A·m-2; (b) 3 A·m-2; (c) 5 A·m-2

2 通電參數(shù)對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)性能的影響

2.1 電流密度對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)性能的影響

如圖5所示，我們分析電流密度對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn)：在相同的通電時(shí)間下，隨著電流密度的增大，鋼筋混凝土的最大黏結(jié)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中通電時(shí)間為7 d的試塊組，即使電流密度為5 A·m-2，最大黏結(jié)力也無明顯下降，說明在較短通電時(shí)間內(nèi)電化學(xué)修復(fù)技術(shù)對(duì)黏結(jié)性能的影響有限；當(dāng)通電時(shí)間達(dá)到28 d時(shí)，不同電流密度作用下試件的黏結(jié)性能下降明顯，特別是電流密度為5 A·m-2的實(shí)驗(yàn)組，最大黏結(jié)力不足原來的一半.

圖5 不同電流密度下的最大黏結(jié)力Fig.5 Maximum bond force under different currents densities

分析圖6中不同電流密度下鋼筋混凝土最大黏結(jié)力的損失情況，發(fā)現(xiàn)在通電時(shí)間為7 d或電流密度為1 A·m-2時(shí)黏結(jié)力的損失程度較小，處在可接受范圍內(nèi)；通電時(shí)間為7 d的三組試件，隨著電流密度從1 A·m-2增加至5 A·m-2，黏結(jié)力損失量最大也僅為2.1%，說明在較短的通電時(shí)間內(nèi)黏結(jié)性能對(duì)電流密度變化的敏感性較弱；而隨著通電時(shí)間的增加，通電時(shí)間為7 d的三組試件，電流密度從1 A·m-2增加至5 A·m-2時(shí)，損失量呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，說明通電時(shí)間較大時(shí)黏結(jié)性能損失量對(duì)電流密度表現(xiàn)出高敏感性；電流密度為5 A·m-2通電28 d的試件，最大黏結(jié)力損失率高達(dá)56.9%. 綜上所述，除去通電時(shí)間為7 d的三組試件，黏結(jié)力損失量隨電流密度這一變量增加呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì).

圖6 不同電流密度下最大黏結(jié)力損失量Fig.6 Maximum bond force loss amount under different current densities

2.2 通電時(shí)間對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)性能的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)置中通電時(shí)間分別為7，15和28 d，圖7為不同通電時(shí)間下的最大黏結(jié)力. 可以看出在相同的電流密度下，隨著通電時(shí)間的增加，最大黏結(jié)力呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，且通電7 d內(nèi)最大黏結(jié)力的減小幅度較小，而在到達(dá)15 d和到達(dá)28 d的減小幅度基本相似且明顯大于到達(dá)7 d時(shí)最大黏結(jié)力的減小幅度.

圖7 不同通電時(shí)間下的最大黏結(jié)力Fig.7 Maximum bond force under different conduction times

圖8 為試件在相同電流密度的不同通電時(shí)間作用下，鋼筋混凝土最大黏結(jié)力的損失情況，可以發(fā)現(xiàn)黏結(jié)力損失量在電流密度恒定的情況下，隨通電時(shí)間增加而增加，在通電時(shí)間為7 d時(shí)黏結(jié)力的損失程度均較小. 電流密度較小時(shí)（1 A·m-2），損失量在長(zhǎng)通電情況下也較小，即使通電28 d黏結(jié)力損失量也未超過6%，此時(shí)隨著通電時(shí)間的增加，損失量類似線性增加. 然而在大電流密度情況下（5 A·m-2），通電7 d時(shí)最大黏結(jié)力損失量還較小，但當(dāng)通電時(shí)間增加到15 d時(shí)黏結(jié)力損失量快速上升至22.6%，此處有一個(gè)變化率的突增. 綜上所述，除去通電時(shí)間為7 d的三組試件，黏結(jié)力損失量隨通電時(shí)間這一變量增加，接近線性增長(zhǎng)形式.

圖8 不同通電時(shí)間下最大黏結(jié)力損失量Fig.8 Maximum bond force loss amount under different conduction times

2.3 內(nèi)含電化學(xué)參數(shù)的鋼筋混凝土黏結(jié)強(qiáng)度模型

鋼筋混凝土黏結(jié)性能是影響混凝土構(gòu)件的破壞形態(tài)、承載能力、裂縫發(fā)展、結(jié)構(gòu)變形和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)等力學(xué)性能的重要因素，黏結(jié)性能隨著結(jié)構(gòu)服役過程中的各種災(zāi)害及環(huán)境作用發(fā)生劣化，眾多科學(xué)研究者針對(duì)黏結(jié)性能劣化，開展了相關(guān)研究，建立了部分黏結(jié)性能劣化模型：周子健等[23]學(xué)者研究了高溫下混凝土黏結(jié)強(qiáng)度衰減規(guī)律，并建立線性方程形式的劣化模型；王曉璐等[24]學(xué)者通過引入折減參數(shù)建立了纖維增強(qiáng)復(fù)合筋（FRP筋）與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度隨溫度以指數(shù)形式折減的折減公式. 本文通過建立混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度隨電流聯(lián)立通電時(shí)間遞減的三維模型，定量表征電化學(xué)參數(shù)對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)強(qiáng)度影響的規(guī)律，并利用黏結(jié)強(qiáng)度折減模型預(yù)測(cè)分析特定電流密度和通電時(shí)間修復(fù)后結(jié)構(gòu)黏結(jié)性能的劣化情況. 部分學(xué)者針對(duì)電化學(xué)修復(fù)后鋼筋混凝土黏結(jié)性能劣化問題，建立了電通量Q（即電流密度I×通電時(shí)間t）作為唯一控制變量的黏結(jié)性能預(yù)測(cè)模型，基于本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其他文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)利用單一電通量來分析黏結(jié)性能的損失會(huì)產(chǎn)生較大誤差. 故本文通過考慮電流密度和通電時(shí)間兩個(gè)單獨(dú)變量來建立黏結(jié)強(qiáng)度劣化模型，其中對(duì)比一變量恒定，而另一變量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)除去電通量值較小的實(shí)驗(yàn)組，電流密度和通電時(shí)間的變化都將引起最大黏結(jié)荷載損失量的指數(shù)增長(zhǎng)，故將以I和t的指數(shù)乘積函數(shù)作為模型主體項(xiàng)，同時(shí)考慮電量Q作為輔助項(xiàng)以調(diào)整模型在通電電流密度或通電時(shí)間較小時(shí)（即Q較小時(shí)）模型的準(zhǔn)確性，擬合公式如下：

式中：K為折減系數(shù)，表示通電后鋼筋混凝土的剩余黏結(jié)力與未通電鋼筋混凝土黏結(jié)力的比值；i為電流密度，A·m-2；t為通電時(shí)間，d.

通過MATLAB軟件，編寫模型程序，繪制得到不同電化學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)的鋼筋混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的二維和三維折減模型，如圖9、10和11所示. 將本文實(shí)驗(yàn)所得的27組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與折減模型模擬值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本文提出的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9606，并將本文模型與其他文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖9和11所示，也呈現(xiàn)出較好的一致性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9745. 圖11為二維表現(xiàn)的折減模型，更直觀地反映出模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好.

圖9 三維折減模型與本文實(shí)驗(yàn)值Fig.9 Three-dimensional deterioration mode and experimental data of this paper

圖10 三維折減模型與文獻(xiàn)[25-27]的實(shí)驗(yàn)值Fig.10 Three-dimensional deterioration mode and experimental data of Ref.[25-27]

圖11 折減模型與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.11 Comparison between deterioration mode and experimental data

表4為模擬值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，可以從表中看出出現(xiàn)最大誤差的實(shí)驗(yàn)組為連續(xù)通3 A·m-2電流42 d的實(shí)驗(yàn)組，最大值誤差值為9.7%，21組對(duì)比中只有3組出現(xiàn)誤差大于5%的情況，更有7組誤差不到1%，對(duì)比誤差結(jié)果屬于可接受的誤差范圍.其中誤差超過5%的實(shí)驗(yàn)組都是本文實(shí)驗(yàn)及其他文獻(xiàn)中電通量最大的實(shí)驗(yàn)組，產(chǎn)生誤差原因?yàn)殡S著電化學(xué)修復(fù)程度的加深，混凝土自身材性因素放大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散性增加. 因此，當(dāng)電通量過大時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本身離散性增加，實(shí)驗(yàn)值和模擬值誤差較大，同時(shí)由于當(dāng)通電時(shí)間過小時(shí)，黏結(jié)性能變化量微小受其他因素影響較大. 綜上所述，本文提出公式不適用于通電時(shí)間過小（小于3 d）和大電通量修復(fù)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的黏結(jié)性能預(yù)測(cè)，且電流密度過大和通電時(shí)間過長(zhǎng)都會(huì)造成黏結(jié)性能劣程度過高，是規(guī)范明令禁止應(yīng)用于實(shí)際工程中的，因此無實(shí)際工程意義. 本文提出的折減模型在適當(dāng)?shù)耐妳?shù)范圍內(nèi)，具有模型模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好的一致性，可用于預(yù)測(cè)分析電化學(xué)修復(fù)后鋼筋混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，為解決修復(fù)參數(shù)優(yōu)化問題及修復(fù)后結(jié)構(gòu)服役性能精細(xì)有限元分析提供支持.

表4 擬合值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Table 4 Comparison between analysis results and experimental results

3 結(jié)論

通過中心拉拔實(shí)驗(yàn)探究電化學(xué)修復(fù)后鋼筋混凝土的黏結(jié)性能劣化特征，分析電流密度及通電時(shí)間對(duì)試件最大黏結(jié)力的影響規(guī)律，可以得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

（1）電流密度和通電時(shí)間是電化學(xué)修復(fù)過程中鋼筋混凝土黏結(jié)性能劣化的主要影響因素，大電流密度和長(zhǎng)通電時(shí)間會(huì)導(dǎo)致黏結(jié)性能顯著劣化. 在5 A·m-2的大電流密度下，僅通電15 d黏結(jié)力損失量就已高達(dá)22.6%. 因此，在合理考慮除氯效果的前提下，應(yīng)控制電流密度和通電時(shí)間，避免大電流密度及長(zhǎng)通電時(shí)間.

（2）電通量較小的情況下，鋼筋混凝土黏結(jié)性能損失較小，因此在必須設(shè)置大電流及長(zhǎng)通電時(shí)間的工況條件下開展電化學(xué)修復(fù)，可以減小另一個(gè)電化學(xué)參數(shù)來控制黏結(jié)性能的劣化程度. 例如通電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)28 d時(shí)，用1 A·m-2的小電流密度，可控制黏結(jié)力損失量在5%左右；而在5 A·m-2的大電流密度下，通電時(shí)間縮短到7 d時(shí)，黏結(jié)力損失量?jī)H為2.1%.

（3）基于中心拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了混凝土黏結(jié)強(qiáng)度隨電流密度及通電時(shí)間變化的三維折減模型. 該模型以電流密度和通電時(shí)間為控制參數(shù)，模型模擬值與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9606，與國(guó)內(nèi)外其他文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9745，說明此模型同時(shí)具有較強(qiáng)的適用性.