氯盐环境下粉煤灰对混凝土中钢筋的损伤度影响测试∗

李 钟 ，邹 挺

（1.东南沿海铁路福建有限责任公司，福建 福州350011；2.中铁电气化局集团有限公司，北京100036）

0 引言

钢筋混凝土是房屋、桥梁、大坝等各类建筑工程的重要组成部分，因此，其使用性能和寿命直接影响整个建筑的安全［1］。当下，我国存在诸多处于氯盐环境中的混凝土建筑，该环境指的是长期处于海洋、盐湖以及盐渍土等侵蚀环境［2］，该环境中存在大量的氯离子，会引起混凝土中钢筋发生锈蚀，混凝土长期处于这类环境中［3］，会发生氯离子侵蚀，降低混凝土的密实度，影响混凝土结构的整体安全性。因此，在混凝土工程中掺入粉煤灰，增加混凝土的密实度，以此提升混凝土的使用性能［4］，成为一种普遍应用的方式。粉煤灰是一种微小的灰粒，将其掺入混凝土中，对于提升混凝土的性能具有显著效果。

高延红等［5］和安强等［6］分析粉煤灰掺量对混凝土氯离子扩散性和混凝土微观结构的影响，但对于氯盐环境下的影响情况仍需进一步验证。基于此，本文通过试样的制备以及有限元软件的分析，对钢筋的损伤情况进行测试和计算，分析氯盐环境下，不同粉煤灰掺量的混凝土中钢筋损伤情况。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料和试样制备

1.1.1 试验材料

采用山东正途钢材有限公司生产的HRB400 级钢筋； 由济南鑫资源化工有限公司生产的硅酸盐水泥，其型号为P52.5； 选择灵寿县科嘉矿产品有限公司生产的粗细两种骨料，两者分别采用中砂和石灰岩，前者细度模数为2.4，后者为5～16 mm连续级； 同时，也选择该公式生产的粉煤灰，其等级为I 级。水泥和粉煤灰的化学成分详情见表1。

表1 材料的化学成分Table 1 Chemical composition of the material ／wt%

1.1.2 钢筋混凝土试样制备

采用上述材料制备钢筋混凝土试样，试样为1.2 m×1.2 m×2 m 的长方体柱形，钢筋的布置位置见图1； 在制备过程中，制备3 种粉煤灰含量的钢筋混凝土试样，分别为0、30%、40%，混凝土的详细配合比用表2 描述。试样的制备和养护需满足国家DL－T5150－2001 《水工混凝土实验规程》的相关标准［7］。

图1 钢筋的布置位置Fig.1 Placement of steel bars

表2 混凝土的配合比Table 2 Relationship between excavation depth and deformation of supporting structure

试样成型后和模具一起进行养护［8］，持续时间为24 h，养护后拆除模具； 同时设定养护箱的温度为20 ℃，并将试样放入水箱中进行养护，持续时间为28 d，完成试样制备，取出后备用。

1.2 孔隙率试验

以ASTMC642－06 的规定标准为依据，进行水泥砂浆孔隙率试验，试验在下述两种溶液组中完成：

（1） 试样饱和度0 的盐溶液组：

步骤1： 对试样实行加速养护，持续时间为5 d，取出后称量并记录试样质量，用M1表示；

步骤2： 设定真空干燥箱的温度，使其保持在100～110 ℃之间，将试样置于箱内进行干燥处理，持续时间为5 d； 当试样质量不再变化后，取出试样置于常温环境中冷却［9］，进行第二次质量称量并完成记录，用M2表示。

步骤3： 完成记录后将试样置于真空饱水机中进行饱盐处理，持续时间为24 h； 饱盐结束后，将取出的试样置于盐溶液中［10］，对试样进行时间为7 d 浸泡处理。

步骤4： 浸泡完成后，将试样取出后并对其实行处理，保证其表面干燥，获取试样当下的质量［11］，用M5表示； 记录完成后重新进行烘干处理，持续时间为5 d，当试样质量不再变化后，称量此刻试样的质量，用M6表示；

步骤5： 记录完成后，将试样置于蒸馏水［12］，对其浸泡，持续时间为5 d； 浸泡完成后，将试样取出后并对其处理，保证其表面干燥，获取试样当下的质量，用M7表示。

（2） 试样饱和度50%的盐溶液组：

步骤1： 该步骤与（1） 中内容相同，记录M1的结果。

步骤2： 将试样进行吸水处理直至饱和，试样质量不再变化后［13］，计算此时试样的吸水量Δm；设定真空干燥箱的温度在100 ～110 ℃之间，将计算完成后的置于箱内，完成试样干燥处理当。

步骤3： 当试样的质量减少Δm／2 时，将试样取出后称量并记录当下质量后； 将试样置于真空饱和盐溶液中进行浸泡处理，持续时间为7 d，将试样取出后并对其实行处理，保证其表面干燥，获取试样当下的质量。

步骤4： 将试样置于干燥箱中实行烘干处理，持续时间为5 d，干燥处理后试样质量没有变化后，称量和记录其当下质量。

步骤5： 记录完成后，将试样置于蒸馏水，对其实行浸泡，持续时间为5 d； 浸泡完成后，将试样取出后并对其实行处理，保证其表面干燥，获取试样当下的质量。

试样的孔隙率计算公式为：

式中：Vo和VSalt均表示孔隙率，前者对应原始试样，后者对应盐溶液浸泡后； 孔隙率的变化值用V′表示。采用自然浸泡法将试件置于不同浓度的盐溶液中，实行浸泡处理，持续时间为28 d； 将其去除后，通过切片、磨粉以及浸泡等处理方式，完成目标测量。

1.3 计算方法

1.3.1 氯离子扩散传输模型

在氯盐环境下，混凝土的内部和外部存在两种离子，分别为钙离子和氯离子，两种离子分别由内而外、由外向内的进行渗透和传播［14］，会导致混凝土孔隙率的扩大，并且形成氯化钙，该成分会提升钙的溶解速度。为了描述上述两种离子的传输和渗透过程，构建钙离子扩散方程，其依据质量守恒和Fick 两个定律完成，其公式为：

式中：φ表示混凝土孔隙率；Cca和Cs均表示浓度，前者对应钙离子，后者对应固相钙；t表示溶蚀时间；r表示位置坐标，对应试样截面；Dca和D0均表示钙离子扩散系数，前者对应混凝土，后者对应水；k表示传输速度，对应试样表面钙离子；Ccao和Csatu均表示浓度，前者对应环境水中的钙离子，后者对应混凝土中的钙离子。

在浓度梯度的作用下，依据Fick 定律构建混凝土内部氯离子的渗透方程，其公式为：

式中：Ccl和Ccl0均表示氯离子含量，前者属于混凝土孔溶液，后者属于环境水中；t表示试样在环境水中的浸泡时间。

试样的φ会在钙溶蚀过程中增加，以此可促进钙溶蚀的速度以及氯离子的扩散速率，因此，可采用该溶蚀时的试样φ描述钙和氯两种离子的传输。依据固相钙在溶解过程中发生的流式量和φ之间的关联，得出试样φ在钙溶蚀过程中的变化方程：

式中： 试样的初始孔隙率用φ0表示；表示摩尔体积，对应试样中固相钙； 试样在溶蚀前、后固相钙的含量分别用Cs0和Cs表示。

结合公式（4） ～ （6） 构成试样中钙、氯两种离子的扩散传输方程，采用差分法对其实行求解后，可得出试样在氯盐环境下，钙、氯两种离子的时空分布规律，基于此，可计算得出该环境下，试样的损伤程度以及钢筋的锈蚀程度。

1.3.2 有限元模型

本文以混凝土长方体柱形为研究对象，通过Opensees 有限元分析，研究氯盐侵蚀条件下混凝土柱中钢筋的侵蚀损伤过程。钢筋选用弹性的Beam Column 单元，混凝土及砌体选用Elastic Beam Column 单元，混凝土和钢筋单元长度分别取200 mm和100 mm。混凝土强度等级为c30，混凝土抗压强度为29.4 MPa，弹性模量为33.7 GPa，混凝土保护层厚度取为25 mm，纵筋采用HRB 400，屈服强度为400 MPa，钢筋弹性模量为200 GPa，环境参数中的离子浓度参照实际海洋环境，氯离子浓度取为422.53 mol／m3，以此构建有限元模型。

基于侵蚀后混凝土长方体柱形的受力特点，作以下基本假定：

（1） 侵蚀过程中，混凝土试样截面仍符合平截面假定； （2） 柱截面网格中，各纤维内离子浓度、损伤程度、应力及应变等参数分布均匀； （3） 忽略锈蚀膨胀引起的钢筋一混凝土相互作用； （4） 柱截面中混凝土纤维失效时的损伤程度为95%。采用有限元模型模拟试样中钢筋在氯盐环境下发生的侵蚀损伤情况，在模拟过程中，试样的截面可采用尺寸相同的纤维划分方式完成［15］，划分的各个纤维内，离子浓度、损伤程度、应力应变等均呈现均匀分布状态； 并且，在纤维失效时，钢筋的损伤程度为95%。

根据上述柱截面所划分的混凝土和钢筋纤维，利用所建立的氯离子扩散传输模型，定义柱截面混凝土纤维性能，试样的损伤程度以及钢筋的锈蚀程度根据公式（4） ～ （6） 确定，而柱截面中的钢筋纤维性能，由于氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀从表及里，钢筋内部未出现损伤。因此，锈蚀过程中，混凝土柱截面中钢筋纤维的力学性能不变，但其有效面积减小。按照基本假定（4） ，混凝土柱的轴压、受弯及抗震等力学性能的退化规律主要与柱截面混凝土纤维的损伤程度和钢筋纤维的有效面积有关。

对试样进行网格划分，沿试样截面的宽度和高度方向进行分割处理，形成等边长的正方形纤维网格； 试样截面则被离散成若干个混凝土纤维合格钢筋纤维，试样的网格划分结果用图2 描述。

图2 试样的网格划分结果Fig.2 Meshing results of samples

2 数值模拟结果分析

通过有限元模型获取试样在侵蚀过程中的轴向受压性能，结果用表3 描述； 同时获取试样在不同的服役时间下，三个试样中，钢筋和混凝土的承担荷载比率，结果如表3 所示。

表3 试样轴向受压能力结果Table 3 Results of axial compression capacity of specimens ／kN

分析表3 和表4 的试验结果得出： 随着服役时间的逐渐增加，3 个试样的受压承载力均发生逐渐下降趋势，其中，试样A 的下降趋势显著，当服役时间为10 年时，其受压承载力结果下降至5650 kN左右，试样B 和试样C 的受压承载力结果下降至8465 kN和8620 kN左右； 并且，在不同的服役时间下，三个试样的钢筋和混凝土承担荷载比率结果存在明显差异，但是，其变化趋势一致，服役时间越长，钢筋的承担荷载比率呈现逐渐上升的变化趋势，混凝土则呈现逐渐下降趋势，是由于试样在受到氯盐环境侵蚀后，混凝土受到侵蚀后，性能逐渐下降； 钢筋则发挥主要作用。服役时间为10 年时，试样C 的承担荷载比率结果最佳，钢筋和混凝土的承担荷载比率结果分别为19.6%和86.4%； 试样A 的承担荷载比率结果最差，钢筋和混凝土的承担荷载比率结果分别为12.2%和75.7%。因此，混凝土中掺入粉煤灰能够提升钢筋在氯盐环境下的耐锈蚀能力。

表4 钢筋和混凝土的承担荷载比率Table 4 Load－bearing ratios of steel and concrete ／%

3 试验结果分析

3.1 试样中氯离子扩散性能分析

获取在试样横向方向，在距离表面不同深度下，氯离子的浓度分布情况，结果用图3 描述；同时获取不同粉煤灰掺量和混凝土氯离子扩散系数之间的关联，结果用图3 描述。

图3 氯离子的浓度分布情况Fig.3 Distribution of chloride ion concentration

分析图3 的试验结果得出： 三个试样在距离表面不同深度下，氯离子浓度的分布情况也存在差异，在距离表面深度为1 cm 时，三个试样的氯离子浓度的分布分别为0.47%、0.31%、0.26%； 此时浓度分布值为最高； 随着深度的逐渐增加，三个试样的氯离子浓度逐渐下降，其中，试样B 和试样C 之间的结果差距较小； 该结果表明，将粉煤灰掺入钢筋混凝土中后，掺量越高，对混凝土性能的提升越佳，氯离子的渗透速度越慢。

分析图4 的试验结果得出： 在距离表面深度相同时，试样A 的氯离子扩散系数结果，显著高于试样B 和试样C 氯离子扩散系数结果，在深度为1 cm 时，三者的结果分别为1.35×10－12、0.42×10－12、0.39×10－12。该试验结果进一步验证粉煤灰能够有效提升混凝土的抗氯离子侵蚀能力。

图4 氯离子扩散系数的变化结果Fig.4 Variation of diffusion coefficient of chloride ion

3.2 孔隙率变化结果分析

混凝土的密实程度会受到孔隙率的直接影响，孔隙率越大，氯离子的扩散性能越差。获取三个试样在经过不同浓度的氯化钠溶液浸泡后，孔隙率的变化结果，如图5 所示。

图5 孔隙率的变化结果Fig.5 Changes of porosity

分析图5 的试验结果得出： 随着氯化钠溶液浓度的逐渐增加，三个试样的孔隙率变化结果均呈现逐渐上升趋势，其中试样A 的整体孔隙率结果最高，表示其混凝土的密实度最低； 试样C 的整体孔隙率结果最低； 当氯化钠溶液浓度达到20%时，三个试样的孔隙率结果分别为9.6%、6.4%和5.8%。该结果表明： 在试样中掺入混凝土后，会增加混凝土的密实性，掺量越高，密实性越佳。当混凝土密实性较高时，氯离子的渗透速度会降低，能够延缓氯离子侵蚀程度，延缓钢筋的损伤。

3.3 损伤程度分析

通过有限元模型获取3 个试样中钢筋在相同的模拟的氯盐环境下，服役时间为10 年时，三个试样中钢筋的锈蚀损伤程度，结果如图6所示。

图6 锈蚀损伤程度的有限元结果Fig.6 Finite element results of corrosion damage degree

分析图6 的试验结果得出： 三个试样在相同的氯盐环境下，试样中钢筋的损失程度存在一定差异，其中试样A 的损伤明显，试样B 和试样C的损伤明显小于试样A； 且两者的差异不大。该结果直观体现粉煤灰掺入混凝土中后，混凝土中的钢筋损伤程度会降低，延长钢筋的使用寿命。

3.4 对比实验

为验证上述数值模拟分析结果的正确性，将数值模拟结果与实际工程测量的实测数据进行比较，服役时间均为1 年，模拟值及实测值具体对比结果如表5 所示。

表5 锈蚀混凝土中钢筋模拟值与试验值对比Table 5 Comparison between simulated and test values of steel bars in corroded concrete

分析表5 可知，各试样轴向受压能力模拟值与实测值误差小于0.25%，吻合较好。由于锈蚀的不均匀性及试验误差，试样A 承担荷载比率模拟值与实测值误差较大，其余试样该误差均小于1.28%，基本吻合。因此本文采用的有限元建模法能对锈蚀混凝土中钢筋损伤程度全过程进行有效模拟。

4 结论

目前诸多钢筋混凝土工程处于氯盐环境下，对于混凝土而言，其使用性能和寿命均面临较大挑战。因此，诸多工程中，均选择将粉煤灰掺入混凝土中，以此提升混凝土性能。本文针对粉煤灰对混凝土中钢筋的损伤程度影响，展开相关试验和分析。分析结果显示： 在混凝土中掺入粉煤灰后，能够显著提升混凝土的应能，同时能够延缓其内部氯离子的渗透速度，使混凝土的性能更佳、使用寿命得到延长。