电化学修复后钢筋混凝土黏结性能演变规律

樊玮洁，吴云涛，毛江鸿✉，金伟良，陈锦森

1) 浙江大学宁波理工学院土木建筑工程学院，宁波 315100 2) 浙江大学建筑工程学院，杭州 310058

混凝土结构由于其材料自身和使用环境的特点,存在着严重的耐久性问题[1-2]. 由于海水中氯离子长期侵蚀、大量氯化物使用和众多盐碱地存在等原因，氯盐导致钢筋锈蚀问题日益突出，钢筋锈蚀导致结构性能加速劣化，造成结构安全隐患的同时带来巨大的经济损失和财政负担[3-4]. 因此,如何提高氯盐环境下钢筋混凝土结构耐久性问题，已成为一个迫切需要解决的科学问题.

现有多种氯盐环境下钢筋锈蚀的防治方法：修补法、防潮隔离法、钢筋表面涂层法和电化学修复技术等. 其中电化学修复技术作为一种无损修复技术，能有效快速地去除保护层中的有害氯离子[5]，提升钢筋周围混凝土的碱性[6]并提高钢筋表面的腐蚀电位，从而达到修复钢筋和提升结构耐久性的目的[7-8].

现有研究表明，电化学修复属于非破损性修复方法，可以在不破坏钢筋周围混凝土保护层、不影响结构的正常使用的情况下，在较短时间内（30～45 d）内排除保护层中70%～90%的氯离子，显著提升钢筋混凝土结构耐久性能[9]. 电化学修复过程是一个复杂的物理、化学过程（阳极和阴极处发生电化学反应，离子随电场方向定向移动），致使混凝土保护层内发生非均匀软化，非均匀软化减小了带肋钢筋与混凝土之间的化学黏结力和机械咬合力，最终导致钢筋混凝土黏结性能退化[10-15].国内外学者的研究表明，电化学修复后黏结强度普遍降低15%～25%，当电流密度和通电时间过大时，最大黏结强度退化可达60%以上[16]. 因此，研究电化学参数对钢筋混凝土结构黏结性能的影响规律，如何科学优化电化学参数，在保证除氯效率的同时控制黏结性能退化，已成为推广电化学修复技术的瓶颈问题.

国内外学者在研究电化学修复技术对钢筋混凝土黏结性能劣化影响规律时发现[17-20]，修复后结构黏结强度随电流密度及通电时间的增加而降低. 但相关研究主要为实验定性研究，缺少相关定量研究成果，未能提出解决电化学修复后结构性能不确定性评估和控制问题的有效方法. 综上所述，急需开展相应的定量研究，建立电化学修复后钢筋混凝土黏结强度预测模型.

本文采用中心拉拔实验获取电化学修复前后试件的黏结滑移曲线，研究在不同电化学参数控制下修复后，实验试件黏结强度的变化特征，分析电流密度和通电时间对钢筋混凝土黏结性能的影响规律，最终建立包含电化学参数的钢筋混凝土黏结强度三维折减模型，本模型可为实际工程结构评估、优化电化学参数提供实验数据及理论依据.

1 实验设计

1.1 试件设计

试件采用C30混凝土，配合比如表1所示，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，如图1所示，试块中埋置1根直径14 mm的HRB400带肋钢筋，钢筋与混凝土的黏结长度为5d（d为钢筋直径）钢筋非黏结段用硬质光滑PVC管套隔离[21-22]，加载端预留长度330 mm钢筋以便施加荷载，如图1所示.

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

图1 拉拔试件尺寸（单位：mm）Fig.1 Specimen size (Unit: mm)

1.2 电化学修复实验

为研究电化学参数对钢筋混凝土黏结性能的影响，建立以通电时间和电流密度为变量的实验组. 基于已有的研究成果，选用氢氧化钙（Ca(OH)2）溶液作为电解质溶液，其中电流密度分别为1、3和 5 A·m-2，通电时间分别为 7、15和 28 d. 每组试件包括三个试块，具体试件组内的电化学参数设计如表2所示.

表2 实验试件分组情况表Table 2 Electrochemical parameters design

试块一个侧面设置不锈钢网连接电源正极作为电迁阳极，钢筋连接电源负极作为电迁阴极，通电装置如图2所示；为提高电源使用率的同时保证同组试件的电流密度一致，采用串联方式连接试件（一组三个试块串联同时通电）；为保证电流只能通过混凝土试块形成电流回路，每个试块单独置于一个溶液盘内.

图2 通电装置示意图Fig.2 Schematic of experimental setup for electrochemical rehabilitation

1.3 中心拉拔实验

采用中心拉拔实验（实验装置如图3所示），来获取钢筋混凝土黏结滑移曲线. 试件结束电化学修复实验后，放置在自行设计的反力架中开展中心拉拔实验，实验采用25 t电液伺服实验机进行拉拔，加载速度设置为0.2 mm·min-1，试件自由端及加载端放置位移计以测量钢筋的滑移量.

图3 拉拔装置及实验加载图Fig.3 Pull-out test device and test loading

以自由端和加载端位移的平均值作为中心拉拔实验的滑移量，共取得10组共30个试件的黏结力-平均滑移曲线（F-S曲线）. 从F-S曲线中寻找峰值荷载，标记为试件最大黏结力Fmax. 选取最大黏结力最接近平均最大黏结力的实验F-S曲线，绘制F-S曲线对比图，如图4所示. 各组试件经不同电流密度及通电时间的电化学修复后，试件最大黏结力Fmax的实验值如表3所示.

表3 拉拔实验最大黏结力Table 3 Maximum force of pull-out test

图4 不同电流密度下的黏结-滑移曲线. （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 通电参数对钢筋混凝土黏结性能的影响

2.1 电流密度对钢筋混凝土黏结性能的影响

如图5所示，我们分析电流密度对钢筋混凝土黏结强度的影响发现：在相同的通电时间下，随着电流密度的增大，钢筋混凝土的最大黏结力呈现下降趋势，其中通电时间为7 d的试块组，即使电流密度为5 A·m-2，最大黏结力也无明显下降，说明在较短通电时间内电化学修复技术对黏结性能的影响有限；当通电时间达到28 d时，不同电流密度作用下试件的黏结性能下降明显，特别是电流密度为5 A·m-2的实验组，最大黏结力不足原来的一半.

图5 不同电流密度下的最大黏结力Fig.5 Maximum bond force under different currents densities

分析图6中不同电流密度下钢筋混凝土最大黏结力的损失情况，发现在通电时间为7 d或电流密度为1 A·m-2时黏结力的损失程度较小，处在可接受范围内；通电时间为7 d的三组试件，随着电流密度从1 A·m-2增加至5 A·m-2，黏结力损失量最大也仅为2.1%，说明在较短的通电时间内黏结性能对电流密度变化的敏感性较弱；而随着通电时间的增加，通电时间为7 d的三组试件，电流密度从1 A·m-2增加至5 A·m-2时，损失量呈现指数增长，说明通电时间较大时黏结性能损失量对电流密度表现出高敏感性；电流密度为5 A·m-2通电28 d的试件，最大黏结力损失率高达56.9%. 综上所述，除去通电时间为7 d的三组试件，黏结力损失量随电流密度这一变量增加呈指数增长趋势.

图6 不同电流密度下最大黏结力损失量Fig.6 Maximum bond force loss amount under different current densities

2.2 通电时间对钢筋混凝土黏结性能的影响

实验设置中通电时间分别为7，15和28 d，图7为不同通电时间下的最大黏结力. 可以看出在相同的电流密度下，随着通电时间的增加，最大黏结力呈现出减小趋势，且通电7 d内最大黏结力的减小幅度较小，而在到达15 d和到达28 d的减小幅度基本相似且明显大于到达7 d时最大黏结力的减小幅度.

图7 不同通电时间下的最大黏结力Fig.7 Maximum bond force under different conduction times

图8 为试件在相同电流密度的不同通电时间作用下，钢筋混凝土最大黏结力的损失情况，可以发现黏结力损失量在电流密度恒定的情况下，随通电时间增加而增加，在通电时间为7 d时黏结力的损失程度均较小. 电流密度较小时（1 A·m-2），损失量在长通电情况下也较小，即使通电28 d黏结力损失量也未超过6%，此时随着通电时间的增加，损失量类似线性增加. 然而在大电流密度情况下（5 A·m-2），通电7 d时最大黏结力损失量还较小，但当通电时间增加到15 d时黏结力损失量快速上升至22.6%，此处有一个变化率的突增. 综上所述，除去通电时间为7 d的三组试件，黏结力损失量随通电时间这一变量增加，接近线性增长形式.

图8 不同通电时间下最大黏结力损失量Fig.8 Maximum bond force loss amount under different conduction times

2.3 内含电化学参数的钢筋混凝土黏结强度模型

钢筋混凝土黏结性能是影响混凝土构件的破坏形态、承载能力、裂缝发展、结构变形和结构动力响应等力学性能的重要因素，黏结性能随着结构服役过程中的各种灾害及环境作用发生劣化，众多科学研究者针对黏结性能劣化，开展了相关研究，建立了部分黏结性能劣化模型：周子健等[23]学者研究了高温下混凝土黏结强度衰减规律，并建立线性方程形式的劣化模型；王晓璐等[24]学者通过引入折减参数建立了纤维增强复合筋（FRP筋）与混凝土的黏结强度随温度以指数形式折减的折减公式. 本文通过建立混凝土的黏结强度随电流联立通电时间递减的三维模型，定量表征电化学参数对钢筋混凝土黏结强度影响的规律，并利用黏结强度折减模型预测分析特定电流密度和通电时间修复后结构黏结性能的劣化情况. 部分学者针对电化学修复后钢筋混凝土黏结性能劣化问题，建立了电通量Q（即电流密度I×通电时间t）作为唯一控制变量的黏结性能预测模型，基于本文实验结果及其他文献的实验结果，发现利用单一电通量来分析黏结性能的损失会产生较大误差. 故本文通过考虑电流密度和通电时间两个单独变量来建立黏结强度劣化模型，其中对比一变量恒定，而另一变量的变化规律，发现除去电通量值较小的实验组，电流密度和通电时间的变化都将引起最大黏结荷载损失量的指数增长，故将以I和t的指数乘积函数作为模型主体项，同时考虑电量Q作为辅助项以调整模型在通电电流密度或通电时间较小时（即Q较小时）模型的准确性，拟合公式如下：

式中：K为折减系数，表示通电后钢筋混凝土的剩余黏结力与未通电钢筋混凝土黏结力的比值；i为电流密度，A·m-2；t为通电时间，d.

通过MATLAB软件，编写模型程序，绘制得到不同电化学参数对应的钢筋混凝土黏结强度的二维和三维折减模型，如图9、10和11所示. 将本文实验所得的27组实验数据与折减模型模拟值对比，发现本文提出的模型与实验结果有较好的一致性，相关系数达0.9606，并将本文模型与其他文献的实验数据进行对比，如图9和11所示，也呈现出较好的一致性，相关系数达0.9745. 图11为二维表现的折减模型，更直观地反映出模拟值与实验值吻合良好.

图9 三维折减模型与本文实验值Fig.9 Three-dimensional deterioration mode and experimental data of this paper

图10 三维折减模型与文献[25-27]的实验值Fig.10 Three-dimensional deterioration mode and experimental data of Ref.[25-27]

图11 折减模型与实验值对比Fig.11 Comparison between deterioration mode and experimental data

表4为模拟值和实验值的对比，可以从表中看出出现最大误差的实验组为连续通3 A·m-2电流42 d的实验组，最大值误差值为9.7%，21组对比中只有3组出现误差大于5%的情况，更有7组误差不到1%，对比误差结果属于可接受的误差范围.其中误差超过5%的实验组都是本文实验及其他文献中电通量最大的实验组，产生误差原因为随着电化学修复程度的加深，混凝土自身材性因素放大，导致实验结果离散性增加. 因此，当电通量过大时，实验数据本身离散性增加，实验值和模拟值误差较大，同时由于当通电时间过小时，黏结性能变化量微小受其他因素影响较大. 综上所述，本文提出公式不适用于通电时间过小（小于3 d）和大电通量修复后钢筋混凝土结构的黏结性能预测，且电流密度过大和通电时间过长都会造成黏结性能劣程度过高，是规范明令禁止应用于实际工程中的，因此无实际工程意义. 本文提出的折减模型在适当的通电参数范围内，具有模型模拟值与实验结果较好的一致性，可用于预测分析电化学修复后钢筋混凝土的黏结强度，为解决修复参数优化问题及修复后结构服役性能精细有限元分析提供支持.

表4 拟合值与实验值对比Table 4 Comparison between analysis results and experimental results

3 结论

通过中心拉拔实验探究电化学修复后钢筋混凝土的黏结性能劣化特征，分析电流密度及通电时间对试件最大黏结力的影响规律，可以得出以下三点结论：

（1）电流密度和通电时间是电化学修复过程中钢筋混凝土黏结性能劣化的主要影响因素，大电流密度和长通电时间会导致黏结性能显著劣化. 在5 A·m-2的大电流密度下，仅通电15 d黏结力损失量就已高达22.6%. 因此，在合理考虑除氯效果的前提下，应控制电流密度和通电时间，避免大电流密度及长通电时间.

（2）电通量较小的情况下，钢筋混凝土黏结性能损失较小，因此在必须设置大电流及长通电时间的工况条件下开展电化学修复，可以减小另一个电化学参数来控制黏结性能的劣化程度. 例如通电时间长达28 d时，用1 A·m-2的小电流密度，可控制黏结力损失量在5%左右；而在5 A·m-2的大电流密度下，通电时间缩短到7 d时，黏结力损失量仅为2.1%.

（3）基于中心拉拔实验结果，提出了混凝土黏结强度随电流密度及通电时间变化的三维折减模型. 该模型以电流密度和通电时间为控制参数，模型模拟值与本文实验结果有较好的一致性，相关系数达0.9606，与国内外其他文献的实验数据进行对比，结果相关系数达0.9745，说明此模型同时具有较强的适用性.