楊建宇，夏彬華，李榮軍，楊偉軍，蔣雯麗

(1長沙理工大學 土木工程學院，湖南長沙 410114；2長沙理工大學 城南學院，湖南長沙410015)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人民日常生活出行、用電的激增，國內(nèi)各地興建了大量的地鐵、特高壓輸電工程。這些工程在使用的過程中，部分會受到由電位差引起的雜散電流的侵擾，這些雜散電流會加速混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕，銹蝕產(chǎn)物的體積是原有體積的2～6倍[1]，由于周圍混凝土的約束，鋼筋與混凝土界面間產(chǎn)生銹脹力，當銹脹應力大于混凝土抗拉強度時，混凝土出現(xiàn)裂縫。隨著銹脹力的發(fā)展，裂紋尖端的應力強度因子超過斷裂韌性，裂紋擴展也將進入不穩(wěn)定擴展，直至保護層開裂，混凝土截面受到損傷，使得鋼筋混凝土結構整體性降低[2]。洪舒賢等[3]試驗研究表明，外加電場環(huán)境下，鋼筋的銹蝕速度加快；楊向東[4]探討了混凝土中鋼筋銹蝕量與外加電流大小及腐蝕時間之間的關系，認為外加電流加速了鋼筋的腐蝕，影響整個結構的承載力和耐久性；陸晨浩、李旭等[5-6]進行了通電加速鋼筋銹蝕對混凝土強度的影響試驗研究；Zhang等[7]給出了在不同電流強度情況下，鋼筋銹蝕產(chǎn)物膨脹的不同系數(shù)；徐玉野[8]對銹蝕鋼筋混凝土短柱的抗震性能進行了試驗研究；曹芙波[9]通過對鋼筋通電加速銹蝕的方法，分析相同強度條件下不同鋼筋直徑和銹蝕率對混凝土梁力學性能的影響；楊建宇[10]研究得到了混凝土在不同電流強度下的抗壓強度退化理論模型。

綜上所述，目前關于電流作用對鋼筋混凝土性能的影響研究主要集中在鋼筋力學性能退化以及鋼筋混凝土結構整體性能上，對于電流作用下鋼筋銹脹導致的混凝土抗壓強度退化機理并不明確，且相關研究較多是理論推導，缺少試驗分析，然而研究混凝土抗壓強度退化機理對于工程的使用壽命預測具有重要意義。因此，本文對電流作用下鋼筋銹蝕導致混凝土抗壓強度的變化進行試驗研究，得到與外加電流強度以及通電時間有關的鋼筋銹脹混凝土抗壓強度時變退化規(guī)律。

1 試驗設計

1.1 試驗材料與配合比

原材料為：P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料為細度模數(shù)為2.5的天然河砂；粗骨料為粒徑5~16 mm的連續(xù)級配碎石。配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比設計參數(shù)

1.2 試驗操作

制作邊長為150×150×150 mm的混凝土立方體標準試件，在試塊中心位置埋有一根直徑為12 mm的無銹鋼筋并在兩端外露15 mm，用于連接電線，如圖1所示。將試件分成5組，每組35個試件。分別通以0、0.2、0.5、0.8、1.4A的電流。在當天和 開 始 通 電 后 第2、4、6、8、10、12d分別在各組取出5個進行抗壓實驗，取其平均值。

圖1 埋有鋼筋的混凝土抗壓強度試驗試件

試件達到標準養(yǎng)護期后，將試件分組放入盛裝有5%濃度的氯化鈉溶液的容器中進行腐蝕。在容器內(nèi)放置兩列，用導線將每列試件串聯(lián)起來，將導線的金屬芯綁在試件兩端的裸露鋼筋上，為防止導線松動脫落，用絕緣膠帶捆綁將導線固定在試件上。將每列試件的一端通過導線與恒壓恒流電源正極相接，另一端接上一根單獨的鋼筋并將鋼筋置于溶液中，再通過導線將電源負極連上一根非活性電極，同時將電極放入溶液中，使每列試件與最大輸出電流為5A的恒壓恒流電源構成一個通電串聯(lián)回路，如圖2所示。

圖2 埋有鋼筋的混凝土抗壓強度試件通電銹蝕圖

因為在同一組串聯(lián)回路中，電流是處處相等的，所以同一組的6個試件在試驗中將處于相同外加條件下，即電流加載大小和通電時間相同。在試驗通電后將將恒壓恒流電源調至恒流模式，并將電流恒定在所需要的值。試驗在恒溫恒壓條件下進行，為保證試驗的準確性，在每組試件的試驗后及時將容器內(nèi)的NaCl溶液進行更換。浸泡過程中，溫、濕度均以試驗室內(nèi)環(huán)境為準，不加任何控制，一旦達到設計腐蝕時間，將試件取出，使其干燥，進行外觀檢查，準備進行抗壓強度試驗。通電作用下鋼筋銹蝕完成后，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[11]（GB/T 50081—2002）進行混凝土試塊的抗壓強度試驗。混凝土試件選不外露鋼筋的一面進行抗壓實驗，對于表面帶裂縫的混凝土試塊，其加載方向與裂縫垂直，如圖3所示。

圖3 試件置于試驗機墊板上

2 試驗現(xiàn)象

隨著通電時間的增加，混凝土試塊的外露鋼筋部位有銹跡流出，鋼筋也慢慢受到腐蝕，試驗第4d所有試件沒有特別的變化，而對于因試驗需求通電6d及以上，并且通電電流強度大小設定在0.8A及以上的試件，大約在通電第7～8d開始在外露鋼筋部位出現(xiàn)細微的裂縫。對于設定外加電流為0.8A及以上的試塊，當通電8d后，試塊出現(xiàn)較為明顯的順筋裂縫。對于設定外加電流為1.4A的試塊（圖4），在通電12d后，試塊表面出現(xiàn)的順筋裂縫進一步擴張，裂縫穿透整個混凝土試塊，裂縫寬度也達到了1mm以上。通電腐蝕后混凝土受壓試驗破壞整個過程與一般混凝土受壓試驗破壞過程完全類似，出現(xiàn)第一條受壓試驗裂縫后，所有試塊迅速被壓壞，破壞形態(tài)呈粉碎狀，如圖4所示。

圖4 埋有鋼筋的混凝土試塊受壓破壞形態(tài)

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

試驗前先測得無電流加速氯離子腐蝕混凝土試塊抗壓強度為35.115 MPa，作為基礎數(shù)據(jù)和用于對比分析。同樣為了對比分析，測試了有氯離子腐蝕、無通電腐蝕的埋有鋼筋的混凝土抗壓強度。分別通以0、0.2、0.5、0.8、1.4A電流腐蝕埋入混凝土試塊的鋼筋，在5%濃度NaCl溶液的相同腐蝕條件下，分別在通電時間為2、4、6、8、10、12d時測得五組抗壓強度平均值，并與35.115 MPa進行對比，分析其下降程度，試驗結果見表2。

表2 通電作用下混凝土抗壓強度試驗結果

3.2 試驗分析

由表2的混凝土抗壓強度平均值可得出，當有外加電流時，隨著腐蝕時間的變化，腐蝕鋼筋對混凝土抗壓強度的影響如圖5所示。

圖5 鋼筋腐蝕時間對混凝土抗壓強度的影響

從表2和圖5可以看出：

（1）隨著試件通電銹蝕的時間增加，各組混凝土試件抗壓強度逐漸降低，說明鋼筋銹蝕影響很大，混凝土抗壓強度的降低不容忽視；

（2）當無外加電流時，氯離子腐蝕鋼筋使混凝土抗壓強度幾乎沒有下降，說明本試驗腐蝕時間沒有達到使鋼筋銹蝕產(chǎn)生銹脹應力導致混凝土抗壓強度下降；但同樣的腐蝕時間，有外加電流情況混凝土抗壓強度急劇下降，外加電流為1.4A，腐蝕12d后，混凝土試件抗壓強度降低30.87%；

（3）外加電流越大，埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強度降低越快越大。當外加電流為0.2、0.5、0.8、1.4A，腐蝕12d后，混凝土試件抗壓強度分別降低0.122%、16.321%、27.043%、30.87%，外加電流1.4A情況比外加電流0.2A情況下降速度快約250倍；

（4）圖5中曲線前期均有一平臺線，當外加電流較小時，腐蝕鋼筋量較小，對埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強度幾乎無影響，表明未有鋼筋銹脹應力產(chǎn)生。外加電流越小，平臺線走得越遠，外加0.5A電流情況下，混凝土試件抗壓強度在6d后開始降低。外加電流越大，平臺線越短，外加1.4A電流情況下，混凝土試件抗壓強度在2d后開始降低；

（5）外加電流情況下，埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強度退化歷程可分為三階段。第一階段，腐蝕初期抗壓強度幾乎無變化，表明鋼筋尚未生銹或銹蝕到產(chǎn)生銹脹應力；第二階段，到達某一時刻后，抗壓強度陡然急劇下降，表明鋼筋銹蝕到產(chǎn)生銹脹應力，導致對埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強度產(chǎn)生影響，發(fā)生質的變化；第三階段，混凝土試件抗壓強度產(chǎn)生變化后，變化減緩，后幾天的抗壓強度衰減幅度相比之前稍緩。在腐蝕初期，由于電流腐蝕導致的鋼筋銹脹尚未產(chǎn)生銹脹應力或產(chǎn)生不大，對混凝土的抗壓強度影響不大，而隨著銹蝕的發(fā)展，銹脹應力增加，混凝土抗壓強度受到的影響愈加明顯。在通電初期，因為鋼筋銹蝕，大量銹蝕產(chǎn)物使鋼筋的體積開始膨脹，逐漸開始填充鋼筋與混凝土的間隙。所以，初期混凝土抗壓強度受到的影響較小或沒有。隨后由于鋼筋體積的持續(xù)脹大，混凝土內(nèi)部受到膨脹力的影響，開始出現(xiàn)微裂縫，使得混凝土抗壓強度比較明顯地下降。本試驗結果與Liu[12]的銹裂三階段結論是吻合的。

由各組試驗不同外加電流強度下的抗壓強度間的橫向比較，可以得出各組混凝土抗壓強度隨外加電流強度不同的變化關系，如圖6所示。

圖6 混凝土抗壓強度隨外加電流強度不同的變化

從表2和圖6可以看出：

（1）隨著外加電流強度的增長，各組鋼筋混凝土試件抗壓強度逐漸降低；

（2）圖6中曲線前期均有一平臺線，當外加電流較小時，尤其是腐蝕時間較短時，腐蝕鋼筋量小或沒有，對埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強度幾乎無影響，表明未有鋼筋銹蝕銹脹應力產(chǎn)生。腐蝕時間越長，使得混凝土抗壓強度開始降低的電流強度越??；

（3）電流強度越大，使得混凝土抗壓強度開始降低需要的腐蝕時間越短，這與Faraday第一電解定律是相符合的。

3.3 埋有鋼筋的混凝土抗壓強度時變退化模型

文獻[10]中通過理論分析，建立了從混凝土中銹脹力產(chǎn)生到開裂的混凝土抗壓強度歷時退化模型，從中可看出鋼筋銹蝕導致的混凝土抗壓強度歷時退化模型主要與時間t和電流參數(shù)Z有關，電流參數(shù)Z主要由電流強度Iz決定，其它都是系數(shù)型參數(shù)，可歸納到變量的系數(shù)中，通過試驗回歸得到。因此，可考慮建立埋有鋼筋的混凝土抗壓強度時變退化模型為時間t和電流強度Iz的函數(shù)fc(t,Iz)，用試驗數(shù)據(jù)回歸得到。

從圖5和圖6可以看出：一旦混凝土抗壓強度開始降低，或者說一旦銹脹應力產(chǎn)生，當電流強度Iz一定時，埋有鋼筋的混凝土抗壓強度隨時間t變化的關系用線性擬合較好，如圖7所示，擬合的相關系數(shù)均大于0.91；當腐蝕時間t一定時，埋有鋼筋的混凝土抗壓強度隨電流強度Iz變化的關系同樣用線性擬合較好，如圖8所示，擬合的相關系數(shù)均大于0.847。

圖7 埋有鋼筋的混凝土抗壓強度與腐蝕時間的線性擬合關系

圖8 埋有鋼筋的混凝土抗壓強度與外加電流強度的線性擬合關系

根據(jù)文獻[10]可知，埋有鋼筋的混凝土抗壓強度腐蝕退化與腐蝕時間t和電流強度Iz的乘積成線性關系，因此可建立埋有鋼筋的混凝土抗壓強度時變退化模型：

式中：a0、aI、at為系數(shù)。

由表2（只考慮混凝土抗壓強度開始降低部分數(shù)據(jù)）回歸分析得到a0=45.54374、aI=-0.179563、at=-0.024959，即有：

擬合的相關系數(shù)為0.795，顯著性檢驗通過，t檢驗對應的概率小于0.05。

4 結論

（1）鋼筋通電加速銹蝕情況下，埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強度退化歷程可分為三階段。第一階段，腐蝕初期抗壓強度幾乎無變化；第二階段，到達某一時刻后，陡然急劇下降；第三階段，抗壓強度衰減幅度稍緩。

（2）電流強度越大，混凝土抗壓強度開始降低的初始時間越早；在一定時間內(nèi)的小電流對混凝土構件影響不明顯，而大電流作用時間長將會對構件造成比較大的影響。

（3）根據(jù)試驗結果建立了鋼筋通電加速銹蝕情況下，埋有鋼筋的混凝土抗壓強度退化模型fc(t,Iz)，抗壓強度腐蝕退化與腐蝕時間t和電流強度Iz的乘積成線性關系，模型與試驗結果吻合較好，具有一定的實用性和工程價值。