氯鹽環境下粉煤灰對混凝土中鋼筋的損傷度影響測試?

李 鐘 ，鄒 挺

（1.東南沿海鐵路福建有限責任公司，福建 福州350011；2.中鐵電氣化局集團有限公司，北京100036）

0 引言

鋼筋混凝土是房屋、橋梁、大壩等各類建筑工程的重要組成部分，因此，其使用性能和壽命直接影響整個建筑的安全［1］。當下，我國存在諸多處于氯鹽環境中的混凝土建筑，該環境指的是長期處于海洋、鹽湖以及鹽漬土等侵蝕環境［2］，該環境中存在大量的氯離子，會引起混凝土中鋼筋發生銹蝕，混凝土長期處于這類環境中［3］，會發生氯離子侵蝕，降低混凝土的密實度，影響混凝土結構的整體安全性。因此，在混凝土工程中摻入粉煤灰，增加混凝土的密實度，以此提升混凝土的使用性能［4］，成為一種普遍應用的方式。粉煤灰是一種微小的灰粒，將其摻入混凝土中，對于提升混凝土的性能具有顯著效果。

高延紅等［5］和安強等［6］分析粉煤灰摻量對混凝土氯離子擴散性和混凝土微觀結構的影響，但對于氯鹽環境下的影響情況仍需進一步驗證?；诖?，本文通過試樣的制備以及有限元軟件的分析，對鋼筋的損傷情況進行測試和計算，分析氯鹽環境下，不同粉煤灰摻量的混凝土中鋼筋損傷情況。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料和試樣制備

1.1.1 試驗材料

采用山東正途鋼材有限公司生產的HRB400 級鋼筋； 由濟南鑫資源化工有限公司生產的硅酸鹽水泥，其型號為P52.5； 選擇靈壽縣科嘉礦產品有限公司生產的粗細兩種骨料，兩者分別采用中砂和石灰巖，前者細度模數為2.4，后者為5～16 mm連續級； 同時，也選擇該公式生產的粉煤灰，其等級為I 級。水泥和粉煤灰的化學成分詳情見表1。

表1 材料的化學成分Table 1 Chemical composition of the material ／wt%

1.1.2 鋼筋混凝土試樣制備

采用上述材料制備鋼筋混凝土試樣，試樣為1.2 m×1.2 m×2 m 的長方體柱形，鋼筋的布置位置見圖1； 在制備過程中，制備3 種粉煤灰含量的鋼筋混凝土試樣，分別為0、30%、40%，混凝土的詳細配合比用表2 描述。試樣的制備和養護需滿足國家DL－T5150－2001 《水工混凝土實驗規程》的相關標準［7］。

圖1 鋼筋的布置位置Fig.1 Placement of steel bars

表2 混凝土的配合比Table 2 Relationship between excavation depth and deformation of supporting structure

試樣成型后和模具一起進行養護［8］，持續時間為24 h，養護后拆除模具； 同時設定養護箱的溫度為20 ℃，并將試樣放入水箱中進行養護，持續時間為28 d，完成試樣制備，取出后備用。

1.2 孔隙率試驗

以ASTMC642－06 的規定標準為依據，進行水泥砂漿孔隙率試驗，試驗在下述兩種溶液組中完成：

（1） 試樣飽和度0 的鹽溶液組：

步驟1： 對試樣實行加速養護，持續時間為5 d，取出后稱量并記錄試樣質量，用M1表示；

步驟2： 設定真空干燥箱的溫度，使其保持在100～110 ℃之間，將試樣置于箱內進行干燥處理，持續時間為5 d； 當試樣質量不再變化后，取出試樣置于常溫環境中冷卻［9］，進行第二次質量稱量并完成記錄，用M2表示。

步驟3： 完成記錄后將試樣置于真空飽水機中進行飽鹽處理，持續時間為24 h； 飽鹽結束后，將取出的試樣置于鹽溶液中［10］，對試樣進行時間為7 d 浸泡處理。

步驟4： 浸泡完成后，將試樣取出后并對其實行處理，保證其表面干燥，獲取試樣當下的質量［11］，用M5表示； 記錄完成后重新進行烘干處理，持續時間為5 d，當試樣質量不再變化后，稱量此刻試樣的質量，用M6表示；

步驟5： 記錄完成后，將試樣置于蒸餾水［12］，對其浸泡，持續時間為5 d； 浸泡完成后，將試樣取出后并對其處理，保證其表面干燥，獲取試樣當下的質量，用M7表示。

（2） 試樣飽和度50%的鹽溶液組：

步驟1： 該步驟與（1） 中內容相同，記錄M1的結果。

步驟2： 將試樣進行吸水處理直至飽和，試樣質量不再變化后［13］，計算此時試樣的吸水量Δm；設定真空干燥箱的溫度在100 ～110 ℃之間，將計算完成后的置于箱內，完成試樣干燥處理當。

步驟3： 當試樣的質量減少Δm／2 時，將試樣取出后稱量并記錄當下質量后； 將試樣置于真空飽和鹽溶液中進行浸泡處理，持續時間為7 d，將試樣取出后并對其實行處理，保證其表面干燥，獲取試樣當下的質量。

步驟4： 將試樣置于干燥箱中實行烘干處理，持續時間為5 d，干燥處理后試樣質量沒有變化后，稱量和記錄其當下質量。

步驟5： 記錄完成后，將試樣置于蒸餾水，對其實行浸泡，持續時間為5 d； 浸泡完成后，將試樣取出后并對其實行處理，保證其表面干燥，獲取試樣當下的質量。

試樣的孔隙率計算公式為：

式中：Vo和VSalt均表示孔隙率，前者對應原始試樣，后者對應鹽溶液浸泡后； 孔隙率的變化值用V′表示。采用自然浸泡法將試件置于不同濃度的鹽溶液中，實行浸泡處理，持續時間為28 d； 將其去除后，通過切片、磨粉以及浸泡等處理方式，完成目標測量。

1.3 計算方法

1.3.1 氯離子擴散傳輸模型

在氯鹽環境下，混凝土的內部和外部存在兩種離子，分別為鈣離子和氯離子，兩種離子分別由內而外、由外向內的進行滲透和傳播［14］，會導致混凝土孔隙率的擴大，并且形成氯化鈣，該成分會提升鈣的溶解速度。為了描述上述兩種離子的傳輸和滲透過程，構建鈣離子擴散方程，其依據質量守恒和Fick 兩個定律完成，其公式為：

式中：φ表示混凝土孔隙率；Cca和Cs均表示濃度，前者對應鈣離子，后者對應固相鈣；t表示溶蝕時間；r表示位置坐標，對應試樣截面；Dca和D0均表示鈣離子擴散系數，前者對應混凝土，后者對應水；k表示傳輸速度，對應試樣表面鈣離子；Ccao和Csatu均表示濃度，前者對應環境水中的鈣離子，后者對應混凝土中的鈣離子。

在濃度梯度的作用下，依據Fick 定律構建混凝土內部氯離子的滲透方程，其公式為：

式中：Ccl和Ccl0均表示氯離子含量，前者屬于混凝土孔溶液，后者屬于環境水中；t表示試樣在環境水中的浸泡時間。

試樣的φ會在鈣溶蝕過程中增加，以此可促進鈣溶蝕的速度以及氯離子的擴散速率，因此，可采用該溶蝕時的試樣φ描述鈣和氯兩種離子的傳輸。依據固相鈣在溶解過程中發生的流式量和φ之間的關聯，得出試樣φ在鈣溶蝕過程中的變化方程：

式中： 試樣的初始孔隙率用φ0表示；表示摩爾體積，對應試樣中固相鈣； 試樣在溶蝕前、后固相鈣的含量分別用Cs0和Cs表示。

結合公式（4） ～ （6） 構成試樣中鈣、氯兩種離子的擴散傳輸方程，采用差分法對其實行求解后，可得出試樣在氯鹽環境下，鈣、氯兩種離子的時空分布規律，基于此，可計算得出該環境下，試樣的損傷程度以及鋼筋的銹蝕程度。

1.3.2 有限元模型

本文以混凝土長方體柱形為研究對象，通過Opensees 有限元分析，研究氯鹽侵蝕條件下混凝土柱中鋼筋的侵蝕損傷過程。鋼筋選用彈性的Beam Column 單元，混凝土及砌體選用Elastic Beam Column 單元，混凝土和鋼筋單元長度分別取200 mm和100 mm?；炷翉姸鹊燃墳閏30，混凝土抗壓強度為29.4 MPa，彈性模量為33.7 GPa，混凝土保護層厚度取為25 mm，縱筋采用HRB 400，屈服強度為400 MPa，鋼筋彈性模量為200 GPa，環境參數中的離子濃度參照實際海洋環境，氯離子濃度取為422.53 mol／m3，以此構建有限元模型。

基于侵蝕后混凝土長方體柱形的受力特點，作以下基本假定：

（1） 侵蝕過程中，混凝土試樣截面仍符合平截面假定； （2） 柱截面網格中，各纖維內離子濃度、損傷程度、應力及應變等參數分布均勻； （3） 忽略銹蝕膨脹引起的鋼筋一混凝土相互作用； （4） 柱截面中混凝土纖維失效時的損傷程度為95%。采用有限元模型模擬試樣中鋼筋在氯鹽環境下發生的侵蝕損傷情況，在模擬過程中，試樣的截面可采用尺寸相同的纖維劃分方式完成［15］，劃分的各個纖維內，離子濃度、損傷程度、應力應變等均呈現均勻分布狀態； 并且，在纖維失效時，鋼筋的損傷程度為95%。

根據上述柱截面所劃分的混凝土和鋼筋纖維，利用所建立的氯離子擴散傳輸模型，定義柱截面混凝土纖維性能，試樣的損傷程度以及鋼筋的銹蝕程度根據公式（4） ～ （6） 確定，而柱截面中的鋼筋纖維性能，由于氯鹽侵蝕引起的鋼筋銹蝕從表及里，鋼筋內部未出現損傷。因此，銹蝕過程中，混凝土柱截面中鋼筋纖維的力學性能不變，但其有效面積減小。按照基本假定（4） ，混凝土柱的軸壓、受彎及抗震等力學性能的退化規律主要與柱截面混凝土纖維的損傷程度和鋼筋纖維的有效面積有關。

對試樣進行網格劃分，沿試樣截面的寬度和高度方向進行分割處理，形成等邊長的正方形纖維網格； 試樣截面則被離散成若干個混凝土纖維合格鋼筋纖維，試樣的網格劃分結果用圖2 描述。

圖2 試樣的網格劃分結果Fig.2 Meshing results of samples

2 數值模擬結果分析

通過有限元模型獲取試樣在侵蝕過程中的軸向受壓性能，結果用表3 描述； 同時獲取試樣在不同的服役時間下，三個試樣中，鋼筋和混凝土的承擔荷載比率，結果如表3 所示。

表3 試樣軸向受壓能力結果Table 3 Results of axial compression capacity of specimens ／kN

分析表3 和表4 的試驗結果得出： 隨著服役時間的逐漸增加，3 個試樣的受壓承載力均發生逐漸下降趨勢，其中，試樣A 的下降趨勢顯著，當服役時間為10 年時，其受壓承載力結果下降至5650 kN左右，試樣B 和試樣C 的受壓承載力結果下降至8465 kN和8620 kN左右； 并且，在不同的服役時間下，三個試樣的鋼筋和混凝土承擔荷載比率結果存在明顯差異，但是，其變化趨勢一致，服役時間越長，鋼筋的承擔荷載比率呈現逐漸上升的變化趨勢，混凝土則呈現逐漸下降趨勢，是由于試樣在受到氯鹽環境侵蝕后，混凝土受到侵蝕后，性能逐漸下降； 鋼筋則發揮主要作用。服役時間為10 年時，試樣C 的承擔荷載比率結果最佳，鋼筋和混凝土的承擔荷載比率結果分別為19.6%和86.4%； 試樣A 的承擔荷載比率結果最差，鋼筋和混凝土的承擔荷載比率結果分別為12.2%和75.7%。因此，混凝土中摻入粉煤灰能夠提升鋼筋在氯鹽環境下的耐銹蝕能力。

表4 鋼筋和混凝土的承擔荷載比率Table 4 Load－bearing ratios of steel and concrete ／%

3 試驗結果分析

3.1 試樣中氯離子擴散性能分析

獲取在試樣橫向方向，在距離表面不同深度下，氯離子的濃度分布情況，結果用圖3 描述；同時獲取不同粉煤灰摻量和混凝土氯離子擴散系數之間的關聯，結果用圖3 描述。

圖3 氯離子的濃度分布情況Fig.3 Distribution of chloride ion concentration

分析圖3 的試驗結果得出： 三個試樣在距離表面不同深度下，氯離子濃度的分布情況也存在差異，在距離表面深度為1 cm 時，三個試樣的氯離子濃度的分布分別為0.47%、0.31%、0.26%； 此時濃度分布值為最高； 隨著深度的逐漸增加，三個試樣的氯離子濃度逐漸下降，其中，試樣B 和試樣C 之間的結果差距較??； 該結果表明，將粉煤灰摻入鋼筋混凝土中后，摻量越高，對混凝土性能的提升越佳，氯離子的滲透速度越慢。

分析圖4 的試驗結果得出： 在距離表面深度相同時，試樣A 的氯離子擴散系數結果，顯著高于試樣B 和試樣C 氯離子擴散系數結果，在深度為1 cm 時，三者的結果分別為1.35×10－12、0.42×10－12、0.39×10－12。該試驗結果進一步驗證粉煤灰能夠有效提升混凝土的抗氯離子侵蝕能力。

圖4 氯離子擴散系數的變化結果Fig.4 Variation of diffusion coefficient of chloride ion

3.2 孔隙率變化結果分析

混凝土的密實程度會受到孔隙率的直接影響，孔隙率越大，氯離子的擴散性能越差。獲取三個試樣在經過不同濃度的氯化鈉溶液浸泡后，孔隙率的變化結果，如圖5 所示。

圖5 孔隙率的變化結果Fig.5 Changes of porosity

分析圖5 的試驗結果得出： 隨著氯化鈉溶液濃度的逐漸增加，三個試樣的孔隙率變化結果均呈現逐漸上升趨勢，其中試樣A 的整體孔隙率結果最高，表示其混凝土的密實度最低； 試樣C 的整體孔隙率結果最低； 當氯化鈉溶液濃度達到20%時，三個試樣的孔隙率結果分別為9.6%、6.4%和5.8%。該結果表明： 在試樣中摻入混凝土后，會增加混凝土的密實性，摻量越高，密實性越佳。當混凝土密實性較高時，氯離子的滲透速度會降低，能夠延緩氯離子侵蝕程度，延緩鋼筋的損傷。

3.3 損傷程度分析

通過有限元模型獲取3 個試樣中鋼筋在相同的模擬的氯鹽環境下，服役時間為10 年時，三個試樣中鋼筋的銹蝕損傷程度，結果如圖6所示。

圖6 銹蝕損傷程度的有限元結果Fig.6 Finite element results of corrosion damage degree

分析圖6 的試驗結果得出： 三個試樣在相同的氯鹽環境下，試樣中鋼筋的損失程度存在一定差異，其中試樣A 的損傷明顯，試樣B 和試樣C的損傷明顯小于試樣A； 且兩者的差異不大。該結果直觀體現粉煤灰摻入混凝土中后，混凝土中的鋼筋損傷程度會降低，延長鋼筋的使用壽命。

3.4 對比實驗

為驗證上述數值模擬分析結果的正確性，將數值模擬結果與實際工程測量的實測數據進行比較，服役時間均為1 年，模擬值及實測值具體對比結果如表5 所示。

表5 銹蝕混凝土中鋼筋模擬值與試驗值對比Table 5 Comparison between simulated and test values of steel bars in corroded concrete

分析表5 可知，各試樣軸向受壓能力模擬值與實測值誤差小于0.25%，吻合較好。由于銹蝕的不均勻性及試驗誤差，試樣A 承擔荷載比率模擬值與實測值誤差較大，其余試樣該誤差均小于1.28%，基本吻合。因此本文采用的有限元建模法能對銹蝕混凝土中鋼筋損傷程度全過程進行有效模擬。

4 結論

目前諸多鋼筋混凝土工程處于氯鹽環境下，對于混凝土而言，其使用性能和壽命均面臨較大挑戰。因此，諸多工程中，均選擇將粉煤灰摻入混凝土中，以此提升混凝土性能。本文針對粉煤灰對混凝土中鋼筋的損傷程度影響，展開相關試驗和分析。分析結果顯示： 在混凝土中摻入粉煤灰后，能夠顯著提升混凝土的應能，同時能夠延緩其內部氯離子的滲透速度，使混凝土的性能更佳、使用壽命得到延長。