雜散電流與受壓荷載耦合作用下混凝土中的氯離子傳輸性能

倪源城，朱爾玉

（北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

1 研究背景

混凝土結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中會(huì)受到周?chē)h(huán)境的影響，造成鋼筋腐蝕和混凝土開(kāi)裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性劣化。其中，氯離子的存在及其傳輸特性是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素之一。在實(shí)際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)由于荷載、溫度和所處環(huán)境的改變會(huì)導(dǎo)致離子傳輸特征發(fā)生變化［1-3］。對(duì)于水工混凝土結(jié)構(gòu)，由于水電設(shè)施的高壓輸電線路以及各種用電設(shè)備接地與漏電，會(huì)在周?chē)h(huán)境中形成雜散電流，影響環(huán)境中的氯離子向混凝土內(nèi)的傳輸。同時(shí)，荷載作用下混凝土內(nèi)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，也會(huì)對(duì)氯離子的傳輸產(chǎn)生影響。因此，為了準(zhǔn)確評(píng)估水工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，需要研究雜散電流與外部荷載耦合作用對(duì)鋼筋混凝土的氯離子傳輸特征的影響。

對(duì)于氯離子在混凝土中的傳輸已經(jīng)有了非常廣泛的研究［4］?；炷林新然锏膫鬏斣诤艽蟪潭壬先Q于混凝土中的離子傳輸通道［5］。研究顯示，混凝土的水灰比及礦物摻合料會(huì)影響其孔隙結(jié)構(gòu)，從而改變離子傳輸通道［6］。當(dāng)氯離子進(jìn)入水泥基材料后，形成了Friedel’s鹽沉淀在較大的孔隙中，也會(huì)改變材料的孔隙結(jié)構(gòu)和分布，導(dǎo)致混凝土孔隙率和滲透性降低［7-8］。在電場(chǎng)作用下，混凝土中的部分結(jié)合態(tài)氯離子會(huì)被釋放，使混凝土孔隙溶液中自由氯離子的濃度顯著增加［9］。同時(shí)，外加電場(chǎng)使得水泥水化產(chǎn)物相繼分解，以此來(lái)維持混凝土中孔溶液的平衡［10］。這種溶蝕現(xiàn)象使得混凝土孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，宏觀上表現(xiàn)為混凝土強(qiáng)度和彈性模量退化［11-13］。也有研究者指出荷載的作用會(huì)造成混凝土內(nèi)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致氯離子傳輸?shù)交炷林械乃俾拾l(fā)生變化，且這種變化存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)［14-15］。通過(guò)超聲檢測(cè)等方法，研究者對(duì)單軸壓縮荷載下混凝土內(nèi)的損傷進(jìn)行評(píng)估，建立了荷載與混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系［16-18］?；贔ick 定律，研究者提出了多種氯離子傳輸模型，例如DuraCrete和FBI Model Code等，并通過(guò)氯離子擴(kuò)散測(cè)試等手段對(duì)模型進(jìn)行了補(bǔ)充和修改［19-20］。

到目前為止，對(duì)于氯離子和荷載分別作用下混凝土中氯離子的傳輸特性已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)。但是，大部分通電腐蝕試驗(yàn)以在混凝土外施加電壓為主，沒(méi)有考慮實(shí)際工程中混凝土內(nèi)的鋼筋會(huì)作為載體傳遞電流，對(duì)于雜散電流與壓縮荷載耦合作用下混凝土中氯離子的傳輸研究更是鮮少看到。在缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，關(guān)于雜散電流和壓縮荷載對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子傳輸?shù)挠绊憴C(jī)理尚不清楚。為此，本文首先設(shè)計(jì)考慮雜散電流通過(guò)鋼筋在混凝土內(nèi)傳輸?shù)穆入x子腐蝕試驗(yàn)，得到不同雜散電流條件下混凝土試件的孔隙結(jié)構(gòu)變化和氯離子分布情況。然后，通過(guò)荷載與雜散電流共同作用下的氯離子腐蝕試驗(yàn)，研究不同荷載與雜散電流條件下混凝土試件的氯離子傳輸情況。最后，基于試驗(yàn)結(jié)果和已有研究，提出雜散電流和受壓荷載作用下混凝土的氯離子傳輸模型。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 混凝土的配合比

試件尺寸采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，混凝土試件中埋置長(zhǎng)度為300 mm的直徑16 mm的HRB400鋼筋。所有試件澆筑后在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d，對(duì)相同配比的標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。將養(yǎng)護(hù)完成的試件分成兩類(lèi)，分別記為C類(lèi)與D類(lèi)。C類(lèi)試件用于研究雜散電流單獨(dú)作用對(duì)氯離子傳輸?shù)挠绊懀珼類(lèi)試件用于研究雜散電流與荷載耦合作用下對(duì)氯離子傳輸?shù)挠绊憽?/p>

2.2 雜散電流作用下的腐蝕試驗(yàn) 用鍍鋅鐵皮制作尺寸為2000 mm×2000 mm×300 mm 的腐蝕池，在池內(nèi)鋪設(shè)絕緣防腐布，保證試驗(yàn)過(guò)程中電流和腐蝕溶液不會(huì)與池體發(fā)生反應(yīng)。試驗(yàn)環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃。試驗(yàn)溶液采用5%的NaCl溶液。參考已有雜散電流研究［22］，為方便進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)中采用的雜散電流值分別設(shè)置為50和100 mA。通電時(shí)間分別設(shè)置為1 d、7 d、14 d。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 雜散電流作用下的腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用的C類(lèi)的混凝土試件按不同試驗(yàn)電流與通電時(shí)間分為6組，如表2所示。另外，設(shè)置1組未通電試件作為對(duì)照組。將試件置于腐蝕池中，每一組試件分別用導(dǎo)線串聯(lián)接入直流電源中。電源的正極與混凝土試件的鋼筋相連，負(fù)極與腐蝕池中的導(dǎo)電片相連。試件暴露在外的鋼筋用絕緣膠帶纏繞，避免與空氣接觸。電路連接后，用萬(wàn)用表檢查試驗(yàn)電路是否連通。確認(rèn)電路通暢后，將配置好的NaCl溶液倒入腐蝕池中，保證液面高度為40 mm，避免溶液與鋼筋直接接觸。

表2 雜散電流單獨(dú)作用下試件的通電情況

2.3 荷載與雜散電流共同作用下的腐蝕試驗(yàn) 本文設(shè)計(jì)的荷載與雜散電流共同作用下的試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖2所示。該裝置主要由腐蝕盒（外包絕緣防水布的鐵盒）、海綿、導(dǎo)電片（鈦網(wǎng)）和直流電源組成。試驗(yàn)荷載的通過(guò)液壓伺服加載系統(tǒng)控制。由于混凝土試件的平均抗壓強(qiáng)度為42.6 MPa，分別設(shè)計(jì)荷載水平為抗壓強(qiáng)度的0、20%、40%和60%，取60%為試驗(yàn)的最大持續(xù)壓縮荷載水平。通過(guò)直流穩(wěn)壓電源控制試驗(yàn)電流，電流值分別為50 和100 mA。通電時(shí)間設(shè)置為1 d。將未加載的通電試驗(yàn)組設(shè)置為對(duì)照組。

圖2 荷載與雜散電流共同作用下的腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用的D類(lèi)試件的通電和加載情況如表3所示。試驗(yàn)操作簡(jiǎn)述如下：首先將試驗(yàn)裝置中的吸水海綿吸滿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液，海綿一側(cè)緊貼混凝土試件，另一側(cè)緊貼導(dǎo)電片。將電源正極與混凝土試件中的鋼筋連接，負(fù)極與裝置中的導(dǎo)電片連接。電路連接后用萬(wàn)用表檢查電路是否連通。確定電路連通后，打開(kāi)電源，將試驗(yàn)電流保持在目標(biāo)值。通過(guò)加載系統(tǒng)逐漸加載達(dá)到目標(biāo)應(yīng)力水平，并在試驗(yàn)過(guò)程中保持穩(wěn)定。

表3 荷載與雜散電流共同作用下試件的通電和加載情況

2.4 孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試 本文采用AutoPore IV 9500型全自動(dòng)壓汞儀對(duì)樣品進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析，該儀器的最小可檢測(cè)孔徑為6 nm。測(cè)試前將待測(cè)樣品在真空干燥箱中干燥至恒重。MIP 測(cè)試的接觸角和表面張力分別設(shè)置為130°和0.48 N/m，壓力設(shè)置為3.5～200 MPa。通過(guò)MIP測(cè)試獲得試驗(yàn)后混凝土的孔隙分布，得到孔隙分布曲線。

2011年中央1號(hào)文件提出“建立健全職能明確、布局合理、隊(duì)伍精干、服務(wù)到位的基層水利服務(wù)體系，全面提高基層水利服務(wù)水平”的要求，近年各地認(rèn)真貫徹落實(shí)2011年中央1號(hào)文件精神和水利部、中央編辦、財(cái)政部《關(guān)于進(jìn)一步健全完善基層水利服務(wù)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》（水農(nóng)〔2012〕254號(hào)），加快推進(jìn)基層水利服務(wù)體系建設(shè)。

2.5 氯離子含量測(cè)試 經(jīng)過(guò)腐蝕試驗(yàn)后，用切削取粉機(jī)對(duì)混凝土樣品從表面逐層進(jìn)行取樣，每層厚度控制在5 mm。然后，將得到的粉末通過(guò)160 um 的孔徑篩，并在100 ℃的真空干燥箱中干燥至恒重。根據(jù)《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T 176-2017）測(cè)量試件的氯離子含量，用硝酸銀（AgNO3）化學(xué)滴定后，用ZDJ-4A自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定氯離子濃度，氯離子的濃度通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算［23］：

式中：ωCl-為氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；TCl-硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液對(duì)氯離子的滴定度；V1為滴定時(shí)消耗硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積；V2為滴定空白時(shí)消耗硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積；m為試料的質(zhì)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 雜散電流作用對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響 混凝土的孔隙類(lèi)型從孔徑上可以分為3 類(lèi)：凝膠孔（直徑小于0.01 μm）、毛細(xì)孔（直徑在0.01～1 μm 之間）和氣孔（直徑大于1 μm）［24］。其中，凝膠孔太小，氯化物無(wú)法通過(guò)其向混凝土內(nèi)部傳輸，大多數(shù)離子轉(zhuǎn)移是通過(guò)毛細(xì)孔進(jìn)行的。大的毛細(xì)孔能夠促進(jìn)并允許更多的氯化物擴(kuò)散，而小毛細(xì)孔則對(duì)氯化物的擴(kuò)散影響較小。當(dāng)存在電場(chǎng)時(shí)，已有研究發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)會(huì)使水泥基材料鈣離子加速溶出，導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣和水化硅酸鈣凝膠的逐步溶解，使得水泥基材料加速劣化［25］。

圖3 顯示了相同通電時(shí)間（7 d）下、不同電流大小（0 mA、50 mA、100 mA）的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)變化。由圖3可以看出，隨著試驗(yàn)電流的增大，曲線向右上方移動(dòng)，表現(xiàn)為總孔隙率的增加和孔徑逐漸變大。這說(shuō)明總孔隙率與雜散電流值大致呈線性關(guān)系，隨著雜散電流的增大，試件的孔隙率逐漸增大。未通電試件的孔徑分布曲線趨于單峰曲線，而溶蝕后試件的孔徑分布曲線趨于多峰曲線，這表明雜散電流改變了混凝土內(nèi)的孔徑分布。較大的雜散電流會(huì)使孔隙分布曲線的臨界孔徑向較大的孔區(qū)域移動(dòng)，使孔徑在0.01～1 μm之間的毛細(xì)孔數(shù)量增加，這一結(jié)果與文獻(xiàn)［26］一致。相較于在混凝土外施加電場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)雜散電流通過(guò)混凝土中的鋼筋時(shí)，混凝土中的較大毛細(xì)孔所占的比例相對(duì)更高。

圖4顯示了相同電流大?。?00 mA）下、不同通電時(shí)間（0 d、1 d、7 d）的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)變化。由圖4 可以看出，隨著通電時(shí)間的增加，孔隙分布曲線向右上方移動(dòng)，表現(xiàn)為總孔隙率和孔徑逐漸增大。這是由于試驗(yàn)初期，混凝土內(nèi)部可供氯離子通過(guò)的傳輸通道相對(duì)較少，隨著通電時(shí)間的增加，孔隙連通的程度逐漸增大，從而使更多的氯離子進(jìn)入到混凝土內(nèi)部。

圖4 不同通電時(shí)間下試件的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)變化

3.2 雜散電流單獨(dú)作用對(duì)混凝土氯離子滲透的影響 圖5顯示的是不同通電時(shí)間（1 d、7 d）時(shí)雜散電流（0 mA、50 mA、100 mA）對(duì)氯離子傳輸?shù)挠绊?。由圖5可知，隨著雜散電流強(qiáng)度的增加，氯離子向混凝土內(nèi)的傳輸速率明顯增大，混凝土淺層的氯離子含量迅速提高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因除了電場(chǎng)對(duì)離子的加速效應(yīng)外，還有電流導(dǎo)致部分固化態(tài)氯離子向游離態(tài)氯離子轉(zhuǎn)變，自由態(tài)氯離子的增多，導(dǎo)致混凝土中的氯離子含量提高［27］。當(dāng)雜散電流強(qiáng)度不變時(shí)，氯離子在混凝土內(nèi)部的含量隨深度增加而減少。這是由于混凝土內(nèi)傳輸通道的連通性與曲折性使氯離子傳輸受到的阻力隨著深度增加而增大，在一定程度上減慢了氯離子的傳輸速率。

圖5 不同通電時(shí)間下雜散電流對(duì)混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊?/p>

對(duì)比圖5（a）和圖5（b）可知，與1 d時(shí)相比，7 d時(shí)傳輸至混凝土深層的氯離子增幅明顯。當(dāng)通電時(shí)間增加，傳輸至混凝土深層的氯離子含量明顯增大。隨著時(shí)間的推移，氯離子含量的增大幅度逐漸平緩，最終混凝土內(nèi)的氯離子分布會(huì)趨于平衡。

3.3 荷載與雜散電流共同作用下對(duì)氯離子傳輸?shù)挠绊?為了進(jìn)一步研究雜散電流和壓縮荷載對(duì)混凝土中氯離子滲透的耦合作用，基于雜散電流單獨(dú)作用下的腐蝕試驗(yàn)情況，進(jìn)行了持續(xù)壓縮荷載狀態(tài)下混凝土的通電腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)電流分別為0、50、100 mA，荷載水平分別為0、20%、40%和60%，混凝土試件通電并加載1 d，試件內(nèi)各深度處的氯離子含量如圖6所示。

圖6 雜散電流和荷載作用對(duì)混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊?/p>

從圖6可以看出，在荷載一定的情況下，混凝土內(nèi)的氯離子含量隨著雜散電流的增大而提高。雜散電流一定時(shí)，當(dāng)λ≤40%時(shí)，混凝土中氯離子的含量隨著荷載等級(jí)的提升有所減小，但是變化程度不明顯。在混凝土深度為10～15mm的位置，氯離子含量的減小程度要大于其他位置。這是由于在試驗(yàn)初期表層接觸腐蝕溶液氯離子較易進(jìn)入，但由于傳輸通道的曲折性，越深入混凝土內(nèi)部，氯離子傳輸越困難。在深度超過(guò)15 mm以后，由于氯離子的含量很低，變化程度不明顯。當(dāng)λ＞40%時(shí)，混凝土中氯離子的含量隨著荷載水平的提升變化明顯，并且隨著混凝土深度的增加，氯離子含量提升的速率逐漸加快。結(jié)合已有研究［28］，基于菲克第二定律，將試驗(yàn)試件的表面層（0～5 mm）的氯離子濃度近似看作表觀氯離子濃度，可得到表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)Da。對(duì)于應(yīng)力水平λ對(duì)表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)Da的影響函數(shù)f（λ），本文采用表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)于應(yīng)力水平的二次函數(shù)來(lái)進(jìn)行擬合［29］。不同電流值（0 mA和100 mA）下，表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力水平的變化情況如圖7所示。

圖7 不同電流值下混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力水平的變化情況

從圖7可見(jiàn)，當(dāng)λ≤40%時(shí)，表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)。這可能是由于初始加載階段，混凝土處于彈性狀態(tài)，所受的壓應(yīng)力導(dǎo)致其內(nèi)部的部分孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生閉合，降低了混凝土的孔隙率和孔隙之間的連通性，從而使氯離子的傳輸有所減弱。當(dāng)λ＞40%時(shí)，混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)的明顯提高。這是由于荷載水平高于臨界閾值后，混凝土內(nèi)部的微裂紋和裂縫開(kāi)始快速產(chǎn)生和發(fā)展，孔隙之間的連通增多，從而使氯離子的傳輸加快。當(dāng)雜散電流與荷載耦合作用下，由于雜散電流對(duì)氯離子傳輸?shù)募铀傩?yīng)與荷載對(duì)混凝土的損傷效應(yīng)相互促進(jìn)，表現(xiàn)為混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)大幅提高，這一結(jié)果與已有研究較為一致［30］。

4 氯離子傳輸預(yù)測(cè)模型

離子在混凝土中的傳輸主要有擴(kuò)散、遷移和對(duì)流三種方式，混凝土中離子的總體傳輸通量密度可表示為：

式中：J為氯離子在混凝土中的總體傳輸通量密度；Jc為對(duì)流形成離子通量密度；Jd為擴(kuò)散形成的離子通量密度；Je為電遷移形成的離子通量密度。

基于菲克定律可知擴(kuò)散形成的離子通量密度Jd可表示為：

式中：D為氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)；C為混凝土中的氯離子濃度?；贜ernst-Planck定律，電遷移下的離子通量密度Je可表示為：

式中：z為氯離子攜帶的電荷數(shù)；F為法拉第常數(shù)；?為電場(chǎng)強(qiáng)度；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

對(duì)于荷載作用對(duì)氯離子傳輸?shù)挠绊?，在其他條件（水灰比、溫度、濕度等）一定的情況下，基于已有研究模型［31］，建立雜散電流與荷載作用下氯離子的擴(kuò)散系數(shù)Del的簡(jiǎn)化模型如下：

式中f(λ)為荷載對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響函數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，f(λ)可以描述為：

式中：λ為應(yīng)力水平；α、β為擬合參數(shù)。

由于雜散電流的存在，氯離子的遷移速率大大加快，可忽略對(duì)流對(duì)氯離子傳輸?shù)挠绊?。因此，雜散電流和荷載作用下的氯離子的總體傳輸離子通量密度Jel可表示為：

根據(jù)離子的質(zhì)量守恒描述：

式中p為混凝土的孔隙率。

聯(lián)立式（7）和式（8），可以得到：

參考已有研究對(duì)該類(lèi)問(wèn)題的求解方法［32］，使用Galerkin加權(quán)殘差法對(duì)方程進(jìn)行離散化來(lái)求解該氯離子傳輸模型，并通過(guò)數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較來(lái)驗(yàn)證該模型的有效性。圖8顯示了混凝土中氯化物含量的試驗(yàn)值與模型計(jì)算值之間的比較結(jié)果。

圖8 氯離子傳輸?shù)哪Ｐ徒Y(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

通過(guò)圖8所示的比較結(jié)果可以看出，總體上該模型的數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。本文提出的數(shù)值模型適用于描述在雜散電流與短期持續(xù)壓縮荷載作用下混凝土中氯離子的傳輸情況。

5 結(jié)論

（1）雜散電流單獨(dú)作用時(shí)，相對(duì)于普通混凝土試件，埋置鋼筋的混凝土試件更加容易受到雜散電流對(duì)氯離子的加速效應(yīng)影響。當(dāng)構(gòu)件受到雜散電流影響，電流會(huì)通過(guò)混凝土內(nèi)的鋼筋流動(dòng)，促使氯離子在鋼筋周?chē)焖倬奂?，使鈣離子加速析出，導(dǎo)致孔隙連通程度增大，尤其是直徑在0.01～1 μm的孔隙增多，使氯離子的傳輸速度加快。

（2）試件中的氯離子傳輸受到雜散電流和壓縮荷載的共同影響時(shí)，當(dāng)荷載水平λ≤0.4時(shí)，氯離子的傳輸速率與雜散電流單獨(dú)作用下的傳輸速率相似；當(dāng)荷載水平λ＞0.4時(shí)，氯離子的傳輸速率隨著耦合作用的增強(qiáng)而提高，且提高程度大于雜散電流或荷載單獨(dú)作用。試驗(yàn)結(jié)果表明雜散電流對(duì)氯離子傳輸?shù)募铀傩?yīng)受混凝土內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)和微裂紋的影響，因此雜散電流與荷載的協(xié)同作用不可忽視。

（3）基于試驗(yàn)結(jié)果和已有理論模型研究，本文提出了雜散電流與壓縮荷載作用下混凝土中氯離子的傳輸預(yù)測(cè)模型，并與試驗(yàn)結(jié)果（λ=20%和λ=60%）進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型的預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。