超耐氯盐腐蚀混凝土及快速测试系统实验设计

张 敏， 唐延丰， 李庚英， 谢 攀， 王海洋， 何春保

（华南农业大学水利与土木工程学院，广州510640）

0 引 言

钢筋混凝土结构是当今应用范围最广的结构形式之一，钢筋混凝土结构失效经济损失巨大［1-3］。每年因钢筋混凝土结构失效导致的直接经济损失达37.9亿美元，而由此造成的间接经济损失至少是直接经济损失的10倍以上［4］。英国环保部门公布每年钢筋混凝土构筑物的维修费用高达5.5亿英镑［5］。我国十一五期间，每年因钢筋混凝土腐蚀结构破坏而造成的经济损失约占国内生产总值的3%～4%，其直接经济损失近5 000亿元/a。因此构筑具有超耐氯盐腐蚀的钢筋混凝土具有重要的实际工程意义［6-7］。

本文基于OBE教育理念，通过完成国家级大学生创新项目“超耐氯盐腐蚀混凝土及快速测试系统”的实验设计，达到训练学生解决复杂工程问题的科学方法，提升学生的创新能力和团队合作精神的目的。

1 实验方法

1.1 实验依据

钢筋混凝土腐蚀破坏的最根本原因是由于钢筋腐蚀后其体积可膨胀2～10倍［8］。根据金属腐蚀机理可知（见图1）：①金属元素Fe存在稳定区、腐蚀区和钝化区3个区域；②电位和pH值影响Fe的腐蚀；③腐蚀过程包括液相传质、电子转移和液相传质或新相生成，其中阻力最大的步骤就是决定腐蚀的速度。因此，要控制和防止钢筋混凝土腐蚀破坏，必须使得钢筋处于钝态或稳态，而降低电位或提高pH值有利于保护钢筋。

图1 金属Fe的电位-pH平衡图

1.2 实验材料

实验所用水泥为广东塔牌集团生产的P.O.42.5R普通硅酸盐水泥。所用砂为细度模数2.5的天然河砂；粗骨料为碎石，最大粒径为10 mm。砂、石的质量及检验方法均按JGJ52—2006标准。实验中导电材料为山东淄博市华光化工厂生产的特导炭黑，颗粒平均粒径为34 nm，比表面积为550 m2/g。

1.3 实验设备及方法

实验中采用的设备包括混凝土搅拌机、混凝土振动台、电极片、LW稳压直流电源、YAW4306型微机控制试验机、IMP数据采集系统、水槽和计算机。

混凝土制作根据《土木工程材料》中的附属实验方法进行，采用自然养护。力学性能测试根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）。抗折实验的加载速率为0.05 mm/min，每组配比3个试件，抗折强度为其均值。抗压实验的加载速率为0.5 MPa/s，每组配比6个试件，抗压强度为其均值。

2 结果与讨论

2.1 基于OBE理念的过程管理设计

OBE理念（Outcome-based Education），即成果导向教育理念是由斯帕蒂（Spady）在1981年提出来的，其关注的重点在于学生的学习效果，使学生真正掌握基础理论知识，具备解决此类知识涉及的工程问题的能力［9］。OBE理念实施过程强调“学生为中心，成果为导向，持续改进”3个基本过程［11］。

基于OBE教育理念对试验过程进行科学规划，如图2所示。从图2可知，试验动态管理包括“培养目标”“措施保证”“观测评定”“改进提升”和“成果目标”5个环节，其中“观测评定”是决定项目成功与否的最重要环节。在“观测评定”环节中，“组织有效团队”是保证创新创业项目顺利执行的基础，导师需要从项目组成员的知识体系、工作态度、讨论交流中判断学生团队的有效性，并根据实际情况进行调整。其次，“发现关键问题”和“提出解决方法”是从事科学研究核心部分，也是创新思维和解决复杂工程问题能力的重要组成。导师需要引导学生进行科学思考，在规定时间内提出关键科学问题和相应的解决方法。最后，为了得到真实可靠的试验结果，促使学生树立正确的科研态度，必须规定学生“有序规范实验”。

2.2 超耐氯盐腐蚀混凝土配比设计

为了实现如图2所示知识培养目标和能力培养目标，导师需要科学引导学生利用相关知识进行科学思考，并在规定时间内提出关键科学问题和相应的解决方法。在“超耐氯盐腐蚀混凝土”设计试验中，学生需根据所学知识，凝练出超耐氯盐腐蚀混凝土必须具有：①较高的pH值；②较低的液相传质速度；③较低的电子转移速度。

图2 基于OBE理念的项目动态管理框架

根据《土木工程材料》相关知识可知，普通混凝土的pH值通常为10～13，具有较好的护筋性能，但是混凝土是多孔材料，液相传质速度和电子转移速度非常快，在氯离子作用下，钢筋极易腐蚀。根据教材和文献可知［10］，价格低廉的工业废渣粉煤灰具有较好的填孔作用，30%～40%掺量的粉煤灰能降低混凝土的孔隙率，提高抗渗透性能。但是粉煤灰的二次水化反应会消耗氢氧化钙，降低混凝土的pH值。为了得到孔隙率低、造价低、pH值高的混凝土，通过学习和反复推敲，提出了采用氢氧化钙饱和溶液养护代替常规的水养护的试验方法。

为了降低混凝土内部电子转移速度，基于混凝土的等效电路模型（见图3），通过外掺低于渗流阈值的碳黑在混凝土中形成电容器效应［11-12］。由于电容器能捕获移动电荷，切断腐蚀电流，因而能提高钢筋混凝土的耐氯盐腐蚀能力。根据渗流原理炭黑的合理掺量可用有效介质方程（GEM）进行模拟，在此过程中，学生自学了Matlab软件，并基于所用材料特性获得了炭黑的合理掺量（质量分数）为0.05%～0.3%。

图3 不同掺量导电材料时混凝土的等效电路模型

最后，学生根据《土木工程材料》的基本知识，进行普通混凝土的配合比设计，确定对比C40混凝土的配比为：水泥380 kg/m3，细集料593 kg/m3，粗集料1 186 kg/m3，水灰比为0.4。而改性混凝土的配比为：胶凝材料的用量为380 kg/m3（其中水泥为228 kg/m3，占60%；粉煤灰为152 kg/m3，占40%），细集料用量为593 kg/m3，粗集料用量为1 186 kg/m3，水灰比0.4，炭黑掺量为0.05%。

2.3 快速测试系统设计

在该项实验设计中，学生需要思考的问题包括：①钢筋混凝土腐蚀缓慢，如何在不到1年的项目执行时间内（创新创业项目一般为1年期限）获得钢筋混凝土腐蚀的实验结果？②如何就地取材利用实验室现有的简便设备，直观的测试钢筋混凝土腐蚀破坏过程？③试验方法和可能出现的异常现象及解决办法？

为了解决上述问题，学生设计了一套如图4所示的腐蚀的快速测试系统，主要内容包括：①混凝土中的钢筋非均匀布置，如图4（a）所示钢筋距离混凝土上下表面分别为30和70 mm，使得测试过程中钢筋上层混凝土率先破坏以便观测实验结果，并且自制了一套样本成型模具（图4（b））；②混凝土上表面贴应变片，实时观测钢筋混凝土的变形及破坏特征；③为了防止裸露钢筋腐蚀以及氢脆破坏，拆模后钢筋两端表面涂抹环氧树脂，并且距离测试液面1.0～1.5 cm（图4（c）、（d））；④基于法拉第定律利用外加电源加速钢筋腐蚀（图4（c）、（d））。

图4 钢筋混凝土腐蚀性能快速测试系统

如图4所示，本项实验设计的钢筋腐蚀快速测试系统构造简单，仅包括塑料水箱、直流电源、数据采集箱，电脑、数据线和电极片。在实验过程中，把混凝土试样放入装有3%质量分数NaCl溶液的塑料水箱中（图4（c）），注意钢筋与液面保持10 mm的距离（图4（d））。将电源正极与试件相连，负极接电流采集系统，阴极铜网接电流采集系统，构成闭合回路（图4（c）、（d））。试块的应变片与IMP应变数据采集系统相接，采用半桥接法。试验过程电压稳定在（30±

0.5）V，当试件上的应变片因混凝土内钢筋锈蚀开裂破坏时停止数据采集。

2.4 性能分析

首先根据《土木工程材料》和《材料力学》课程的基本知识以及《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）对混凝土试样进行力学性能实验分析。测试结果表明，经过28 d养护后，改性混凝土的平均抗压强度为47.7 MPa，平均抗折强度为6.4 MPa，对比用普通混凝土的平均抗压强度为45.9 MPa，平均抗折强度为6.2 MPa，均符合设计目标。

钢筋混凝土耐腐蚀性能测试结果如图5所示。从图5（a）可以看出，钢筋腐蚀使得混凝土体积膨胀，腐蚀的时间越长，膨胀越大，当混凝土的应变超过ε＞4×10－3后，混凝土破坏。其次从图5（a）还可以发现，改性混凝土具有较好的护筋性能，其初裂和终裂发生的时间分别是对比混凝土的2.4和1.7倍，这一结果表明学生设计的混凝土达到了实验目的，具有优良的护筋特性。

图5 （b）为加速腐蚀测试时混凝土的电流变化情况。显然，改性混凝土的电流变化曲线显著不同于对比混凝土。首先，改性混凝土的电流密度远低于对比混凝土，这一现象说明学生设计的混凝土可有效降低离子和电子转移速度，进而提高混凝土的护筋性能。其次，图5（b）还表明改性混凝土电流密度变化趋势不同于对比混凝土。从图中可知，改性混凝土的电流密度在测试过程中会迅速降低，而对比混凝土的电流密度持续增加。这是由于改性混凝土中的碳材料在外加电场作用下会定向排列形成电容器效应，电容器效应的限流作用使得电流密度降低。

图5 加速腐蚀时混凝土变形及电流变化

最后，为了进一步分析改性混凝土的作用机理，学生还分析了两种混凝土的毛细孔吸水性能。根据文献可知，毛细孔吸水率反映了水泥材料内部的毛细孔含量及孔结构分布状况，孔隙率越大、连通孔越多，则毛细孔吸水率越高，毛细孔吸水系数k就越大。其中k可以采用下式计算［13］：

式中：Q为试件吸水量，g；A为试件吸水表面积，m2；t为试件吸水时间，s；k为试件毛细吸水系数，g/（m2·s1/2）。

吸水率试验的试件尺寸为10 cm×10 cm×30 cm，图6为改性混凝土和对比混凝土的毛细孔吸水性能测试结果。从图中可知，改性混凝土和对比混凝土的k值分别为4.627 g/（m2·s1/2）和12.795 g/（m2·s1/2），对比混凝土的k值是改性混凝土2.8倍。这一测试结果表明，在混凝土中掺入适量粉煤灰和炭黑可以有效降低混凝土的毛细孔隙率，提高混凝土的耐久性。

图6 废渣粉掺量对水泥砂浆吸水性的影响

3 结 语

本试验基于OBE理念建立执行大学生创新创业项目动态管理的科学方法，实现了“学生为中心，成果为导向，持续改进”的教育目标。通过该实验，学生不仅掌握和应用了土木工程材料和钢筋混凝土原理的专业知识，同时交叉融合了金属腐蚀、物理学、数值分析和信息处理等科学知识。实验中电容器效应设计、钢筋腐蚀快速测试系统设计以及毛细孔吸水率测试方法均超过本专业大学生知识范畴，在完成本项实验过程中，学生查阅了大量文献、请教导师和其他专业成员，提高了自学能力和团队交流能力。

本项实验紧扣土木工程学科和材料科学的前沿问题，实验设计、构思、执行及分析过程均符合科学研究的基本方法，提高了学生的学习兴趣，培养了学生的科研素养和创新思维能力，实现了科研育人目标。