ECE处理后钢筋混凝土冻融损伤模型研究

屈 锋，胡 松，程火焰，金 浩，王功勋，孙浩然

(1.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大学结构抗风与震动控制湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

处于严寒地区海洋环境和使用除冰盐的钢筋混凝土结构，服役环境中的氯离子侵蚀和冻融循环作用是影响其耐久性的关键因素[1-3]。电化学修复、掺合料的添加是钢筋混凝土在盐冻环境下常见的预防方法，电化学除氯作为一种无损修复手段[4-5]，可有效降低氯盐环境下在役钢筋混凝土结构内的氯离子浓度，降低钢筋锈蚀可能，保证钢筋混凝土结构的耐久性及服役寿命，以其高效、快速、非破损型的优点被广泛应用[6-7]。但研究表明[8-9]，开展电化学除氯后，钢筋混凝土结构的混凝土孔隙结构特征会发生变化，结构疏松，孔隙率会提高，这不仅会影响除氯后混凝土渗透性及抗冻性，而且会影响混凝土保护层的保护作用，进而会降低钢筋混凝土结构的耐久性。因此，开展电化学除氯后钢筋混凝土结构的抗冻性研究、建立电化学除氯钢筋混凝土的冻融损伤模型，对保证结构安全和正常使用具有重要意义。

混凝土相对动弹性模量能较好地反映冻融循环作用下混凝土的冻融损伤变化程度，邱继生等[10]定义钢纤维煤矸石混凝土和煤矸石陶粒混凝土的动弹性模量为损伤变量, 分别建立了钢纤维煤矸石混凝土的损伤模型和煤矸石陶粒混凝土冻融损伤劣化模型，其损伤模型与试验数据符合均较好。牛建刚等[11]以相对动弹性模量和抗压强度为损伤变量，建立的含塑钢纤维掺量参数的轻骨料混凝土冻融损伤模型具有较高的拟合精度。陈升平等[12]以相对动弹模、抗折强度、抗压强度定义损伤变量, 建立纤维混凝土冻融损伤模型，其二次多项式衰减模型能很好的反映出纤维混凝土冻融作用下的损伤程度。本文通过自制除氯装置对钢筋混凝土进行电化学除氯，然后进行冻融循环试验，根据除氯结果和损伤度的变化规律探究了除氯时间与粉煤灰、引气剂、减水剂的掺入对冻融后混凝土构件抗冻性的影响，并依据ECE处理后钢筋混凝土动弹性模量的变化和各不同因素组与基准组之间的关系，建立钢筋混凝土的冻融损伤预测模型。本文研究成果为电化学修复后的混凝土冻融耐久性规律和耐久性寿命预测提供理论参考。

1 试验方法

1.1 试验材料和配合比

本试验采用湘乡水泥制造公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，细度6.0%，3 d、28 d抗压强度分别为23.5 MPa、54.1 MPa；湘潭电厂生产的Ι级粉煤灰，密度2.28/g·cm-3，稠度为48%，需水量比102%；粗骨料选用湘江碎石，粒径5～15 mm连续级配，压碎指标3.2%；细集料选用湘江河砂，细度模数2.76；选用FDN-C型萘系高效减水剂，掺量为胶凝材料总重量的 0.7%～1.2%；选用三萜皂苷引气剂，掺量0.015%；钢筋选用直径16 mm，长350 mm的HRB400螺纹钢；NaCl选用纯度>96%的工业纯品。

如表1所示，共设计5组混凝土配合比，水胶比均为0.43。其中A0组为普通组；A1、A2为粉煤灰组，分别掺10%、20%粉煤灰；A3组掺1%的减水剂；A4组掺0.015%的引气剂。同时，各组试件制作过程中掺入3%的NaCl。

表1 混凝土配合比 Table1 Mix proportion kg·m-3

1.2 试验方法

本试验混凝土抗压强度采用100×100×100 mm的立方体试块，电化学除氯和冻融循环试验采用100×100×400 mm的棱柱体试件，如图1所示。试件成型1 d后拆模，标准养护至28 d龄期时将其取出；图2为自制电化学除氯装置，电解质采用饱和Ca(OH)2溶液，阳极材料选用不锈钢网，外加直流电源，电流密度固定在2 A/m2。其中A0组分别除氯7 d、14 d、28 d，其他组均除氯28 d；除氯后将试件表面清洁，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)进行快速冻融试验；使用ZBL-U520混凝土超声检测仪，采用平测法测试件冻融损伤层厚度，并通过式(1)计算；采用超声对测法并通过式(3)计算对应的相对动弹性模量。

(1)

式中，hf为损伤层厚度(mm)；v1,v2分别为超声波在未损伤层和损伤层中的传播速度(km/s)；l0对应声时与换能器间距关系图中直线斜率发生变化时两换能器间的距离(mm)。

考虑超声波在钢筋与混凝土间传播速度的差异，测读声时所得到的首波可能是部分或全部通过钢筋的传播声时，导致最终结果偏大。本试验仅在水平方向放置钢筋，故只对超声传播方向平行于钢筋轴线的情况进行钢筋影响修正。修正系数[13]如下：

(2)

式中，L为换能器之间的距离(mm)；a和b分别为换能器到钢筋轴线垂直方向和水平方向的相对距离(mm)；v为钢筋混凝土中实测的声速(km/s)；vc为混凝土的声速(km/s)；vs为钢筋的声速(km/s)；α为测点到钢筋轴线的距离(mm)。

(3)

式中，Ed为动弹性模量(GPa)；Erd为相对动弹性模量(GPa)；V为超声波速(km/s)；T为超声声时(s)。

2 试验结果与分析

鉴于冻融过程中混凝土内密实度的差异性，混凝土损伤层厚度能够反映混凝土内部的损伤程度，当损伤层厚度越大、经过损伤层的声速越低，因此采用冻融损伤度Hv作为评价混凝土结构表层损伤程度的综合指标，计算公式见式(4)。

(4)

式中，Hv为冻融损伤度；hf为损伤层厚度(mm)；V2为超声波在损伤层中的传播声速(km/s)。

图3表示电化学除氯时间对混凝土冻融损伤度的影响规律，图4表示粉煤灰掺量、外加剂等对混凝土冻融损伤度的影响规律。

由图3可知，除氯对冻融损伤的发展影响显著。在冻融达到100次前，未经除氯处理试件的损伤度均大于除氯试件组，表明其劣化更严重，100次冻融循环后，A0-0组、A0-7组、A0-14损伤发展近线性增加，而A0-28组试件损伤度开始骤升，增长率急剧增大，冻融结束后损伤度分别为A0-0组、A0-7组、A0-14组的1.73、1.52、1.32倍，损伤层厚度与声速分别达到了26.12 mm，0.98 km/s。钢筋混凝土进行电化学除氯时，在电场的作用下，Na+，K+，Al3+等大量碱金属阳离子向钢筋附近迁移，在此过程中所形成的苛性碱对其周围的水泥浆体有破坏作用，它们会加速水泥水化产物C-S-H凝胶的分解，进而导致水化产物出现软化[14]。因此随着除氯时间的增加，内层混凝土孔隙率及大孔数量增加，结构松散，抗冻性大幅降低，外层混凝土孔隙减少，结构致密，抗冻性良好[15]。

由图4可知，粉煤灰对试件的抗冻融性能提升较少，相比普通组试件(A0-28)，在达到175次冻融循环时A1、A2组因其动弹性模量达到限值而停止试验，若以175次循环为基准，粉煤灰组的损伤度远高于其他组，且掺量越大，试件的抗冻融性能越差，破坏程度更为严重。A3组的损伤发展情况优于A0组，逊于A4组。A4组效果最佳，历经300次冻融循环后损伤层厚度仍只有17.01 mm，远小于构件钢筋的保护层厚度，且损伤层的经时声速均高于其他组别，表明冻融过程中引气剂组试件一直保持较好的抗冻融能力。

3 电化学除氯钢筋混凝土冻融损伤模型

3.1 冻融损伤模型建立

基于宏观损伤力学中的等效应变原理，将损伤变量定义如式(5)所示，采用单一因素研究法，各因素之间相互独立，可通过系数k1、k2、k3、k4将各组试件的损伤D值与基准组(A0-0)相关联，建立一种考虑除氯时间、粉煤灰掺量、减水剂以及引气剂等4个因素作用下的钢筋混凝土冻融损伤模型。

D=1-Pn.

(5)

式中，Pn为n次冻融循环下的相对动弹性模量。

3.1.1 基准组(A0-0)冻融损伤模型

根据试验数据拟合出损伤值随冻融循环次数衰减的基准模型，模型如图5和式(6)所示。

图5 基准组混凝土冻融损伤模型Fig.5 Freeze-thaw damage model of concrete in reference group

D(N)=-0.004 89+0.001 23N+1.55·10-6N2.

(6)

3.1.2k值的确定

(1)除氯组

以基准组数据作为对照，计算出除氯组各试件的损伤D值与其存在的倍数关系，如下表2所示。此时，暂不考虑循环次数对于损伤发展的影响，而是引入时间变量t(d)，根据不同除氯时间下的倍数散点分布情况，拟合出最优曲线(如图6)，即为系数k1的取值。

表2 基准组与除氯组间的倍数关系Table2 Multiple relationship between reference group and dechlorination group

(2)粉煤灰组

由于A1～A4组试件均进行了为期28 d的除氯行为，因此在计算k值的过程中应以A0-28为基准对照组，表3则是列出了粉煤灰组试件的损伤D值与基准组存在的倍数关系。此时引入掺量x(%)，根据不同粉煤灰掺量下的倍数散点分布情况，拟合出最优曲线(如图7)，即为k2的取值。

表3 基准组与粉煤灰组间的倍数关系Table3 Multiple relationship between reference group and fly ash group

(3)外加剂组

由于本次试验设计中并未考虑减水剂和引气剂掺量变化对于除氯后混凝土抗冻性能的影响，而是通过固定掺比的方式使混凝土获得减少水用量以及引气的效果，因此k3，k4的取值为常数，选用不同冻融次数下外加剂组与基准组(A0-28)间倍数的平均值,其基准组与外加剂组间的倍数关系如表4所示。

表4 基准组与外加剂组间的倍数关系Table4 Multiple relationship between reference group and admixture group

综上所得，冻融环境下电化学除氯后钢筋混凝土的损伤模型见式(7)，式中各参数含义及边界条件如表5所示。

D(N)=k1k2k3k4·(-0.004 89+0.001 23N+1.55·10-6N2).

(7)

表5 参数含义Table5 Parameter meaning

3.2 模型验证

图8表示试验结果与模拟结果的对比。由图8可知，模拟结果围绕试验结果出现不同程度的正、负增长,通过计算各组混凝土经ECE处理后在冻融循环作用下损伤值与模拟值的相关系数，得出各组试验值与模拟值的相关系数均大于0.9921。

图8 试验结果与模拟结果对比图Fig.8 Comparison of test results and simulation results

综上可知，该模型的拟合精度较高，效果较好，符合试验规律，能较好地预测不同因素下ECE处理后钢筋混凝土的冻融损伤程度。

4 结论

通过试验研究除氯时间、粉煤灰掺量、减水剂、引气剂等因素对不同冻融循环次数时的冻融损伤度影响规律，根据回归分析的方法得到了不同因素下钢筋混凝土的冻融损伤预测模型，并得出以下结论：

(1)随冻融循环次数增加，各试件呈现出较明显的冻融损伤增大趋势，对于经200次冻融循环，电化学除氯28 d的混凝土试件劣化最严重，200次后除氯7 d、14 d的混凝土试件损伤层较未除氯混凝土劣化发展迅速。

(2)粉煤灰的掺入降低了除氯混凝土的抗冻性能，且粉煤灰掺量越多，混凝土的冻融损伤发展越快；掺减水剂的混凝土试件抗冻能力得到适当提升；引气剂的掺入效果最佳，显著地提升了混凝土的抗冻能力。

(3)ECE处理后钢筋混凝土冻融损伤模型采用二次多项式函数模型，模型与试验值拟合良好，精度较高，能够较好地预测除氯时间、粉煤灰掺量、减水剂、引气剂因素下电化学除氯后钢筋混凝土的冻融损伤程度。