杂散电流与受压荷载耦合作用下混凝土中的氯离子传输性能

倪源城，朱尔玉

（北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044）

1 研究背景

混凝土结构在服役过程中会受到周围环境的影响，造成钢筋腐蚀和混凝土开裂，导致结构耐久性劣化。其中，氯离子的存在及其传输特性是影响钢筋混凝土结构耐久性的关键因素之一。在实际工程中，混凝土结构由于荷载、温度和所处环境的改变会导致离子传输特征发生变化［1-3］。对于水工混凝土结构，由于水电设施的高压输电线路以及各种用电设备接地与漏电，会在周围环境中形成杂散电流，影响环境中的氯离子向混凝土内的传输。同时，荷载作用下混凝土内裂纹的产生和发展，也会对氯离子的传输产生影响。因此，为了准确评估水工混凝土结构的耐久性，需要研究杂散电流与外部荷载耦合作用对钢筋混凝土的氯离子传输特征的影响。

对于氯离子在混凝土中的传输已经有了非常广泛的研究［4］。混凝土中氯化物的传输在很大程度上取决于混凝土中的离子传输通道［5］。研究显示，混凝土的水灰比及矿物掺合料会影响其孔隙结构，从而改变离子传输通道［6］。当氯离子进入水泥基材料后，形成了Friedel’s盐沉淀在较大的孔隙中，也会改变材料的孔隙结构和分布，导致混凝土孔隙率和渗透性降低［7-8］。在电场作用下，混凝土中的部分结合态氯离子会被释放，使混凝土孔隙溶液中自由氯离子的浓度显着增加［9］。同时，外加电场使得水泥水化产物相继分解，以此来维持混凝土中孔溶液的平衡［10］。这种溶蚀现象使得混凝土孔隙结构发生改变，宏观上表现为混凝土强度和弹性模量退化［11-13］。也有研究者指出荷载的作用会造成混凝土内裂纹的产生和发展，进而导致氯离子传输到混凝土中的速率发生变化，且这种变化存在明显的转折点［14-15］。通过超声检测等方法，研究者对单轴压缩荷载下混凝土内的损伤进行评估，建立了荷载与混凝土的氯离子扩散系数之间的关系［16-18］。基于Fick 定律，研究者提出了多种氯离子传输模型，例如DuraCrete和FBI Model Code等，并通过氯离子扩散测试等手段对模型进行了补充和修改［19-20］。

到目前为止，对于氯离子和荷载分别作用下混凝土中氯离子的传输特性已经有了一定的研究基础。但是，大部分通电腐蚀试验以在混凝土外施加电压为主，没有考虑实际工程中混凝土内的钢筋会作为载体传递电流，对于杂散电流与压缩荷载耦合作用下混凝土中氯离子的传输研究更是鲜少看到。在缺乏试验数据的情况下，关于杂散电流和压缩荷载对水工混凝土结构中氯离子传输的影响机理尚不清楚。为此，本文首先设计考虑杂散电流通过钢筋在混凝土内传输的氯离子腐蚀试验，得到不同杂散电流条件下混凝土试件的孔隙结构变化和氯离子分布情况。然后，通过荷载与杂散电流共同作用下的氯离子腐蚀试验，研究不同荷载与杂散电流条件下混凝土试件的氯离子传输情况。最后，基于试验结果和已有研究，提出杂散电流和受压荷载作用下混凝土的氯离子传输模型。

2 试验设计

表1 混凝土的配合比

试件尺寸采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，混凝土试件中埋置长度为300 mm的直径16 mm的HRB400钢筋。所有试件浇筑后在标准环境下养护28 d，对相同配比的标准立方体混凝土试块进行抗压强度测试。将养护完成的试件分成两类，分别记为C类与D类。C类试件用于研究杂散电流单独作用对氯离子传输的影响，D类试件用于研究杂散电流与荷载耦合作用下对氯离子传输的影响。

2.2 杂散电流作用下的腐蚀试验 用镀锌铁皮制作尺寸为2000 mm×2000 mm×300 mm 的腐蚀池，在池内铺设绝缘防腐布，保证试验过程中电流和腐蚀溶液不会与池体发生反应。试验环境温度设置为20 ℃。试验溶液采用5%的NaCl溶液。参考已有杂散电流研究［22］，为方便进行对比分析，试验中采用的杂散电流值分别设置为50和100 mA。通电时间分别设置为1 d、7 d、14 d。试验设计如图1所示。

图1 杂散电流作用下的腐蚀试验设计

试验用的C类的混凝土试件按不同试验电流与通电时间分为6组，如表2所示。另外，设置1组未通电试件作为对照组。将试件置于腐蚀池中，每一组试件分别用导线串联接入直流电源中。电源的正极与混凝土试件的钢筋相连，负极与腐蚀池中的导电片相连。试件暴露在外的钢筋用绝缘胶带缠绕，避免与空气接触。电路连接后，用万用表检查试验电路是否连通。确认电路通畅后，将配置好的NaCl溶液倒入腐蚀池中，保证液面高度为40 mm，避免溶液与钢筋直接接触。

表2 杂散电流单独作用下试件的通电情况

2.3 荷载与杂散电流共同作用下的腐蚀试验 本文设计的荷载与杂散电流共同作用下的试验设计如图2所示。该装置主要由腐蚀盒（外包绝缘防水布的铁盒）、海绵、导电片（钛网）和直流电源组成。试验荷载的通过液压伺服加载系统控制。由于混凝土试件的平均抗压强度为42.6 MPa，分别设计荷载水平为抗压强度的0、20%、40%和60%，取60%为试验的最大持续压缩荷载水平。通过直流稳压电源控制试验电流，电流值分别为50 和100 mA。通电时间设置为1 d。将未加载的通电试验组设置为对照组。

图2 荷载与杂散电流共同作用下的腐蚀试验设计

本文采用的D类试件的通电和加载情况如表3所示。试验操作简述如下：首先将试验装置中的吸水海绵吸满质量分数为5%的NaCl溶液，海绵一侧紧贴混凝土试件，另一侧紧贴导电片。将电源正极与混凝土试件中的钢筋连接，负极与装置中的导电片连接。电路连接后用万用表检查电路是否连通。确定电路连通后，打开电源，将试验电流保持在目标值。通过加载系统逐渐加载达到目标应力水平，并在试验过程中保持稳定。

表3 荷载与杂散电流共同作用下试件的通电和加载情况

2.4 孔隙结构测试 本文采用AutoPore IV 9500型全自动压汞仪对样品进行孔结构分析，该仪器的最小可检测孔径为6 nm。测试前将待测样品在真空干燥箱中干燥至恒重。MIP 测试的接触角和表面张力分别设置为130°和0.48 N/m，压力设置为3.5～200 MPa。通过MIP测试获得试验后混凝土的孔隙分布，得到孔隙分布曲线。

2011年中央1号文件提出“建立健全职能明确、布局合理、队伍精干、服务到位的基层水利服务体系，全面提高基层水利服务水平”的要求，近年各地认真贯彻落实2011年中央1号文件精神和水利部、中央编办、财政部《关于进一步健全完善基层水利服务体系的指导意见》（水农〔2012〕254号），加快推进基层水利服务体系建设。

2.5 氯离子含量测试 经过腐蚀试验后，用切削取粉机对混凝土样品从表面逐层进行取样，每层厚度控制在5 mm。然后，将得到的粉末通过160 um 的孔径筛，并在100 ℃的真空干燥箱中干燥至恒重。根据《水泥化学分析方法》（GB/T 176-2017）测量试件的氯离子含量，用硝酸银（AgNO3）化学滴定后，用ZDJ-4A自动电位滴定仪测定氯离子浓度，氯离子的浓度通过下式进行计算［23］：

式中：ωCl-为氯离子的质量分数；TCl-硝酸银标准滴定溶液对氯离子的滴定度；V1为滴定时消耗硝酸银标准滴定溶液的体积；V2为滴定空白时消耗硝酸银标准滴定溶液的体积；m为试料的质量。

3 试验结果分析

3.1 杂散电流作用对混凝土孔隙结构的影响 混凝土的孔隙类型从孔径上可以分为3 类：凝胶孔（直径小于0.01 μm）、毛细孔（直径在0.01～1 μm 之间）和气孔（直径大于1 μm）［24］。其中，凝胶孔太小，氯化物无法通过其向混凝土内部传输，大多数离子转移是通过毛细孔进行的。大的毛细孔能够促进并允许更多的氯化物扩散，而小毛细孔则对氯化物的扩散影响较小。当存在电场时，已有研究发现电场会使水泥基材料钙离子加速溶出，导致水泥水化产物氢氧化钙和水化硅酸钙凝胶的逐步溶解，使得水泥基材料加速劣化［25］。

图3 显示了相同通电时间（7 d）下、不同电流大小（0 mA、50 mA、100 mA）的混凝土孔隙结构变化。由图3可以看出，随着试验电流的增大，曲线向右上方移动，表现为总孔隙率的增加和孔径逐渐变大。这说明总孔隙率与杂散电流值大致呈线性关系，随着杂散电流的增大，试件的孔隙率逐渐增大。未通电试件的孔径分布曲线趋于单峰曲线，而溶蚀后试件的孔径分布曲线趋于多峰曲线，这表明杂散电流改变了混凝土内的孔径分布。较大的杂散电流会使孔隙分布曲线的临界孔径向较大的孔区域移动，使孔径在0.01～1 μm之间的毛细孔数量增加，这一结果与文献［26］一致。相较于在混凝土外施加电场的试验结果，当杂散电流通过混凝土中的钢筋时，混凝土中的较大毛细孔所占的比例相对更高。

图4显示了相同电流大小（100 mA）下、不同通电时间（0 d、1 d、7 d）的混凝土孔隙结构变化。由图4 可以看出，随着通电时间的增加，孔隙分布曲线向右上方移动，表现为总孔隙率和孔径逐渐增大。这是由于试验初期，混凝土内部可供氯离子通过的传输通道相对较少，随着通电时间的增加，孔隙连通的程度逐渐增大，从而使更多的氯离子进入到混凝土内部。

图4 不同通电时间下试件的混凝土孔隙结构变化

3.2 杂散电流单独作用对混凝土氯离子渗透的影响 图5显示的是不同通电时间（1 d、7 d）时杂散电流（0 mA、50 mA、100 mA）对氯离子传输的影响。由图5可知，随着杂散电流强度的增加，氯离子向混凝土内的传输速率明显增大，混凝土浅层的氯离子含量迅速提高。出现这种现象的原因除了电场对离子的加速效应外，还有电流导致部分固化态氯离子向游离态氯离子转变，自由态氯离子的增多，导致混凝土中的氯离子含量提高［27］。当杂散电流强度不变时，氯离子在混凝土内部的含量随深度增加而减少。这是由于混凝土内传输通道的连通性与曲折性使氯离子传输受到的阻力随着深度增加而增大，在一定程度上减慢了氯离子的传输速率。

图5 不同通电时间下杂散电流对混凝土中氯离子传输的影响

对比图5（a）和图5（b）可知，与1 d时相比，7 d时传输至混凝土深层的氯离子增幅明显。当通电时间增加，传输至混凝土深层的氯离子含量明显增大。随着时间的推移，氯离子含量的增大幅度逐渐平缓，最终混凝土内的氯离子分布会趋于平衡。

3.3 荷载与杂散电流共同作用下对氯离子传输的影响 为了进一步研究杂散电流和压缩荷载对混凝土中氯离子渗透的耦合作用，基于杂散电流单独作用下的腐蚀试验情况，进行了持续压缩荷载状态下混凝土的通电腐蚀试验。试验电流分别为0、50、100 mA，荷载水平分别为0、20%、40%和60%，混凝土试件通电并加载1 d，试件内各深度处的氯离子含量如图6所示。

图6 杂散电流和荷载作用对混凝土中氯离子传输的影响

从图6可以看出，在荷载一定的情况下，混凝土内的氯离子含量随着杂散电流的增大而提高。杂散电流一定时，当λ≤40%时，混凝土中氯离子的含量随着荷载等级的提升有所减小，但是变化程度不明显。在混凝土深度为10～15mm的位置，氯离子含量的减小程度要大于其他位置。这是由于在试验初期表层接触腐蚀溶液氯离子较易进入，但由于传输通道的曲折性，越深入混凝土内部，氯离子传输越困难。在深度超过15 mm以后，由于氯离子的含量很低，变化程度不明显。当λ＞40%时，混凝土中氯离子的含量随着荷载水平的提升变化明显，并且随着混凝土深度的增加，氯离子含量提升的速率逐渐加快。结合已有研究［28］，基于菲克第二定律，将试验试件的表面层（0～5 mm）的氯离子浓度近似看作表观氯离子浓度，可得到表观氯离子扩散系数Da。对于应力水平λ对表观氯离子扩散系数Da的影响函数f（λ），本文采用表观氯离子扩散系数关于应力水平的二次函数来进行拟合［29］。不同电流值（0 mA和100 mA）下，表观氯离子扩散系数随应力水平的变化情况如图7所示。

图7 不同电流值下混凝土的表观氯离子扩散系数随应力水平的变化情况

从图7可见，当λ≤40%时，表观氯离子扩散系数出现小幅度的波动。这可能是由于初始加载阶段，混凝土处于弹性状态，所受的压应力导致其内部的部分孔隙结构发生闭合，降低了混凝土的孔隙率和孔隙之间的连通性，从而使氯离子的传输有所减弱。当λ＞40%时，混凝土的表观氯离子扩散系数的明显提高。这是由于荷载水平高于临界阈值后，混凝土内部的微裂纹和裂缝开始快速产生和发展，孔隙之间的连通增多，从而使氯离子的传输加快。当杂散电流与荷载耦合作用下，由于杂散电流对氯离子传输的加速效应与荷载对混凝土的损伤效应相互促进，表现为混凝土的表观氯离子扩散系数大幅提高，这一结果与已有研究较为一致［30］。

4 氯离子传输预测模型

离子在混凝土中的传输主要有扩散、迁移和对流三种方式，混凝土中离子的总体传输通量密度可表示为：

式中：J为氯离子在混凝土中的总体传输通量密度；Jc为对流形成离子通量密度；Jd为扩散形成的离子通量密度；Je为电迁移形成的离子通量密度。

基于菲克定律可知扩散形成的离子通量密度Jd可表示为：

式中：D为氯离子在混凝土中的扩散系数；C为混凝土中的氯离子浓度。基于Nernst-Planck定律，电迁移下的离子通量密度Je可表示为：

式中：z为氯离子携带的电荷数；F为法拉第常数；ϕ为电场强度；R为气体常数；T为绝对温度。

对于荷载作用对氯离子传输的影响，在其他条件（水灰比、温度、湿度等）一定的情况下，基于已有研究模型［31］，建立杂散电流与荷载作用下氯离子的扩散系数Del的简化模型如下：

式中f(λ)为荷载对混凝土中氯离子扩散系数的影响函数。根据试验结果，f(λ)可以描述为：

式中：λ为应力水平；α、β为拟合参数。

由于杂散电流的存在，氯离子的迁移速率大大加快，可忽略对流对氯离子传输的影响。因此，杂散电流和荷载作用下的氯离子的总体传输离子通量密度Jel可表示为：

根据离子的质量守恒描述：

式中p为混凝土的孔隙率。

联立式（7）和式（8），可以得到：

参考已有研究对该类问题的求解方法［32］，使用Galerkin加权残差法对方程进行离散化来求解该氯离子传输模型，并通过数值结果与试验结果的比较来验证该模型的有效性。图8显示了混凝土中氯化物含量的试验值与模型计算值之间的比较结果。

图8 氯离子传输的模型结果与试验结果的对比

通过图8所示的比较结果可以看出，总体上该模型的数值结果与试验结果吻合良好。本文提出的数值模型适用于描述在杂散电流与短期持续压缩荷载作用下混凝土中氯离子的传输情况。

5 结论

（1）杂散电流单独作用时，相对于普通混凝土试件，埋置钢筋的混凝土试件更加容易受到杂散电流对氯离子的加速效应影响。当构件受到杂散电流影响，电流会通过混凝土内的钢筋流动，促使氯离子在钢筋周围快速聚集，使钙离子加速析出，导致孔隙连通程度增大，尤其是直径在0.01～1 μm的孔隙增多，使氯离子的传输速度加快。

（2）试件中的氯离子传输受到杂散电流和压缩荷载的共同影响时，当荷载水平λ≤0.4时，氯离子的传输速率与杂散电流单独作用下的传输速率相似；当荷载水平λ＞0.4时，氯离子的传输速率随着耦合作用的增强而提高，且提高程度大于杂散电流或荷载单独作用。试验结果表明杂散电流对氯离子传输的加速效应受混凝土内孔隙结构和微裂纹的影响，因此杂散电流与荷载的协同作用不可忽视。

（3）基于试验结果和已有理论模型研究，本文提出了杂散电流与压缩荷载作用下混凝土中氯离子的传输预测模型，并与试验结果（λ=20%和λ=60%）进行对比验证，结果表明该模型的预测与试验结果较为吻合。