水压与杂散电流耦合作用下混凝土中氯离子传输性能研究

王义庆，周彩楼，雅 菁，刘晓铮

（1.天津城建大学 材料科学与工程学院，天津 300384；2.天津津贝尔建筑工程试验检测技术有限公司结构与评价部，天津 300170）

地铁以其运量大、能耗低、交通效率高等特点成为大都市现代交通出行的重要方式.地铁大多处在地下10～50 m处，其混凝土结构不仅遭受着地上工程遇到的荷载、氯盐、碳化等的影响，还遭受着来自地下水压力、更高的氯盐浓度环境和杂散电流等的影响，严重影响到地铁混凝土结构的使用年限[1-3].国内外学者对此已进行了大量相关性研究工作，张雪勤等[4]、张奕[5]的研究证明杂散电流加速了氯离子向混凝土内部的传输，陈聪等[6]、马志鸣等[7]、Jin等[8]证实了水压作用会加速氯离子的传输，王凯等[9]、陈梦成等[10]研究发现杂散电流与氯离子复合作用对钢筋锈蚀影响比杂散电流或氯离子单一作用时更大.以往的研究主要是针对水压或杂散电流单一因素对氯离子传输以及混凝土性能的影响，而实际地铁环境中各种因素同时存在，因此有必要对水压和杂散电流复合作用下氯离子传输特性以及混凝土结构变化进行研究.

本文采用氯盐浸泡，以水压和杂散电流同时作用于混凝土的方式，模拟类似地铁工程中水压、杂散电流、氯盐共存的实际环境，分析水压-氯盐-杂散电流复合作用对地铁混凝土中氯离子传输以及混凝土结构的影响.

1 试验过程

1.1 原材料与配合比

试验所用水泥为唐山福顺水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，Ⅱ级粉煤灰，S95级矿粉，细集料为细度模数2.6的河砂，粗集料为16～31.5 mm的碎石，外加剂为高和牌高性能聚羧酸减水剂.混凝土配合比选用天津某地铁实际工程配合比，配合比见表1，测其28 d抗压强度值为49.42 MPa.

表1 混凝土配合比kg·m-3

1.2 试验方法

按表1配合比制备尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的混凝土试件，装模时从中间竖直插入一根Φ16 mm×160 mm的钢筋.试件成型24 h后拆模，标准养护28 d后，将试块平行于钢筋的某个面留作后续试验的渗透面，用环氧树脂涂封其余面.

为了模拟实际地铁环境中的水压渗透、杂散电流以及氯盐对混凝土的综合作用，自行设计制作了一种密封钢箱试验装置，如图1所示.箱体长和宽约600 mm，高约400 mm，箱体与箱盖之间有橡胶圈靠螺栓拧紧密封.箱体的侧面有2根链接钢箱内外导线的钢管，钢管内部用密封胶填满封实.用空气压缩机对密封箱内加压，压力表设在密封箱底部，用于监测箱内压力.

图1 试验装置图

将制备好的试件放入盛有3%NaCl溶液的装置中，采用直流电源模拟实际地铁环境中的杂散电流，电源正极连接钢筋，负极连接铜板.设置杂散电流强度值为20 V，恒定水压力最大为0.5 MPa.

1.3 测试方法

采用北京康科瑞公司的NM-4A型超声检测仪对试块进行超声无损检测.检测时每隔30 mm布一个测点，共测16个点取平均值，作为该试块超声声速.采用ZC3-B回弹仪取同样的16个点测定其回弹强度.

沿试件渗透面用电钻每隔5 mm深度取粉5 g，取至20 mm处，过0.08 mm的筛子.采用《建筑结构检测技术标准》（GBT500344—2019）附录H：混凝土中氯离子含量测定[11]对试块内不同深度部位的游离态氯离子浓度进行测定.

采用日本电子株式会社的JSM-7800F场发射扫描电镜观察混凝土的微观结构.

2 试验结果与分析

2.1 混凝土超声声速及回弹强度值

图2为混凝土在不同水压-杂散电流作用下氯离子渗透10 d后的超声对测声速及回弹值.试样编号由施加水压-施加电压-渗透时间三部分构成.如0.5-0-3表示混凝土试块在0.5 MPa水压下不施加电流氯盐浸泡3 d.

从图2（a）可以看出，在不加电压的情况下，试块超声声速随着施加水压的增大而缓慢下降，但施加20 V模拟杂散电流后，试块超声声速随着施加水压的增大先缓慢而后快速下降，且其超声声速较单一水压作用下有明显下降.图2（b）中，水压和杂散电流复合作用对混凝土试块的回弹强度也有类似于图2（a）中的规律.根据超声波遇到空洞、裂缝等缺陷时声波经过空气会使其声时增大、声速值降低的原理以及回弹强度与混凝土抗压强度的相关性来间接分析其内部结构的变化情况：施加水压作用会劣化混凝土孔隙结构，但影响较小；在施加杂散电流时，超声声速及回弹强度随水压作用的增大其下降幅度较无杂散电流作用时有显著提高，说明水压和杂散电流的复合作用对降低试块超声声速和回弹强度有协同增效作用，即对混凝土孔隙结构影响更为显著.

图2水压-杂散电流作用下混凝土超声、回弹变化分析

2.2 混凝土中氯离子含量

图3为混凝土在水压—杂散电流作用一定天数的氯离子含量随深度分布图.

由图3可见，试件在不同水压-杂散电流作用下，3 d、5 d、10 d的氯离子含量随渗透深度的变化规律类似，即（以图3b为例）不论水压、电流多大，混凝土表面氯离子浓度最高，向内扩散氯离子含量快速下降，15 mm深度以后浓度基本恒定；不施加电压只增大水压时，试样表面氯离子浓度增加，内部氯离子浓度达到平衡的差异不大；施加20 V电压再同时增大水压时，试样表面氯离子浓度大大增加，内部氯离子浓度达到平衡后的数值也大大提高，且二者复合作用下的氯离子增量比水压或杂散电流单一作用下氯离子增量之和更高.通常来说，施加水压作用时，氯离子渗透混凝土的主要方式是静水压力渗透以及自由扩散；施加杂散电流时，其主要方式是电迁移以及自由扩散.水压和杂散电流两种因素均会加速氯离子的渗透速率，所以当混凝土受到水压以及杂散电流复合作用时，静水压力传输、电迁移及自由扩散都会是氯离子的渗透方式，图3也说明电迁移作用同时会与静水压力传输或自由扩散产生协同效应，促进氯离子的迁移.

图3 不同外加作用下混凝土内氯离子含量

图4为混凝土在水压-杂散电流作用下混凝土在5 mm、20 mm深处氯离子含量随渗透时长的变化曲线.图中编号为水压-电压2部分组成.

由图4可见，混凝土在水压-杂散电流作用下的混凝土内氯离子含量均随渗透时长的增大而增大.图4（a）中，不论水压、杂散电流多大，氯离子含量随渗透时长的变化均非线性增长，而是前期增速较快，后期增速变缓，随着渗透时长的增加，氯离子含量增速越来越缓慢.图4（b）中，不施加电压只增大水压时，氯离子含量也随着渗透时长的增大缓慢增长趋于稳定，而施加20 V电压同时再增大水压时，其氯离子含量随着渗透时长的增大近乎呈线性增长，在浸泡10 d时其含量远远高于单一静水压力作用时的情况，且远未达到平衡浓度.即单一的杂散电流作用较单一的水压作用会导致氯离子向混凝土内扩散的更快更多.

图4不同渗透时长混凝土内部氯离子含量

2.3 混凝土微观特征分析

图5 为试件在水压及杂散电流作用下10 d后的混凝土内部颗粒的微观结构SEM图.

由图5可见，0 MPa和0.1 MPa作用10 d的试件微观结构基本没有裂缝，结构较密实，此时渗透进混凝土表面的氯离子质量分数约为0.11%，而随着水压的进一步扩大，其内部产生了微裂缝，并且水压越大，裂缝宽度越大，其表面氯离子质量分数也随之升高，0.3 MPa和0.5 MPa水压作用10 d的混凝土表面氯离子质量分数较自然浸泡下约增加了23%和47%.施加杂散电流后的试件裂缝较施加水压后的更宽，此时施加20 V单一杂散电流10 d后的混凝土表面氯离子含量较自然浸泡下约增大了1.33倍.而两者复合作用下的试件裂缝发展较杂散电流和水压单一作用下更为显著，裂缝更长更宽，0.5-20-10的混凝土表面氯离子含量较自然浸泡下约增长了1.85倍.由此说明，水压和杂散电流作用会破坏混凝土的内部微观结构，劣化混凝土内部孔隙结构，增大混凝土的孔隙率，从而增多了氯离子向混凝土内部传输的通道，使氯离子含量及渗透深度明显增加.

图5 混凝土微观结构SEM图

3 结论

通过自制水压装置对混凝土进行不同水压-杂散电流耦合作用的氯离子渗透试验研究，并通过超声、回弹损失、氯离子分布以及SEM等手段进行综合分析，主要结论如下：

（1）单一水压作用对混凝土试块声速和回弹强度影响较小，而水压和杂散电流的复合作用对降低试块超声速和回弹强度有协同增效作用，即对混凝土孔隙结构影响更为显著.

（2）杂散电流和水压单一作用均会提高氯离子渗透速率，而两者复合作用时对氯离子传输速率的影响较单一作用时更大，氯离子含量及渗透深度更大，即两者复合作用对氯离子的渗透存在协同效应.

（3）水压作用和杂散电流作用均会破坏混凝土内部结构，产生裂缝.水压与杂散电流复合作用下对混凝土内部结构影响更为严重，裂缝发展更为显著，这是造成其超声声速、回弹强度降低以及氯离子加速扩散的主要原因.