超耐氯鹽腐蝕混凝土及快速測試系統(tǒng)實驗設(shè)計

張 敏， 唐延豐， 李庚英， 謝 攀， 王海洋， 何春保

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣州510640）

0 引 言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)今應(yīng)用范圍最廣的結(jié)構(gòu)形式之一，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)失效經(jīng)濟(jì)損失巨大［1-3］。每年因鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)37.9億美元，而由此造成的間接經(jīng)濟(jì)損失至少是直接經(jīng)濟(jì)損失的10倍以上［4］。英國環(huán)保部門公布每年鋼筋混凝土構(gòu)筑物的維修費用高達(dá)5.5億英鎊［5］。我國十一五期間，每年因鋼筋混凝土腐蝕結(jié)構(gòu)破壞而造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國內(nèi)生產(chǎn)總值的3%～4%，其直接經(jīng)濟(jì)損失近5 000億元/a。因此構(gòu)筑具有超耐氯鹽腐蝕的鋼筋混凝土具有重要的實際工程意義［6-7］。

本文基于OBE教育理念，通過完成國家級大學(xué)生創(chuàng)新項目“超耐氯鹽腐蝕混凝土及快速測試系統(tǒng)”的實驗設(shè)計，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的科學(xué)方法，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作精神的目的。

1 實驗方法

1.1 實驗依據(jù)

鋼筋混凝土腐蝕破壞的最根本原因是由于鋼筋腐蝕后其體積可膨脹2～10倍［8］。根據(jù)金屬腐蝕機(jī)理可知（見圖1）：①金屬元素Fe存在穩(wěn)定區(qū)、腐蝕區(qū)和鈍化區(qū)3個區(qū)域；②電位和pH值影響Fe的腐蝕；③腐蝕過程包括液相傳質(zhì)、電子轉(zhuǎn)移和液相傳質(zhì)或新相生成，其中阻力最大的步驟就是決定腐蝕的速度。因此，要控制和防止鋼筋混凝土腐蝕破壞，必須使得鋼筋處于鈍態(tài)或穩(wěn)態(tài)，而降低電位或提高pH值有利于保護(hù)鋼筋。

圖1 金屬Fe的電位-pH平衡圖

1.2 實驗材料

實驗所用水泥為廣東塔牌集團(tuán)生產(chǎn)的P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥。所用砂為細(xì)度模數(shù)2.5的天然河砂；粗骨料為碎石，最大粒徑為10 mm。砂、石的質(zhì)量及檢驗方法均按JGJ52—2006標(biāo)準(zhǔn)。實驗中導(dǎo)電材料為山東淄博市華光化工廠生產(chǎn)的特導(dǎo)炭黑，顆粒平均粒徑為34 nm，比表面積為550 m2/g。

1.3 實驗設(shè)備及方法

實驗中采用的設(shè)備包括混凝土攪拌機(jī)、混凝土振動臺、電極片、LW穩(wěn)壓直流電源、YAW4306型微機(jī)控制試驗機(jī)、IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水槽和計算機(jī)。

混凝土制作根據(jù)《土木工程材料》中的附屬實驗方法進(jìn)行，采用自然養(yǎng)護(hù)。力學(xué)性能測試根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）。抗折實驗的加載速率為0.05 mm/min，每組配比3個試件，抗折強(qiáng)度為其均值?？箟簩嶒灥募虞d速率為0.5 MPa/s，每組配比6個試件，抗壓強(qiáng)度為其均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 基于OBE理念的過程管理設(shè)計

OBE理念（Outcome-based Education），即成果導(dǎo)向教育理念是由斯帕蒂（Spady）在1981年提出來的，其關(guān)注的重點在于學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，使學(xué)生真正掌握基礎(chǔ)理論知識，具備解決此類知識涉及的工程問題的能力［9］。OBE理念實施過程強(qiáng)調(diào)“學(xué)生為中心，成果為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”3個基本過程［11］。

基于OBE教育理念對試驗過程進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，如圖2所示。從圖2可知，試驗動態(tài)管理包括“培養(yǎng)目標(biāo)”“措施保證”“觀測評定”“改進(jìn)提升”和“成果目標(biāo)”5個環(huán)節(jié)，其中“觀測評定”是決定項目成功與否的最重要環(huán)節(jié)。在“觀測評定”環(huán)節(jié)中，“組織有效團(tuán)隊”是保證創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目順利執(zhí)行的基礎(chǔ)，導(dǎo)師需要從項目組成員的知識體系、工作態(tài)度、討論交流中判斷學(xué)生團(tuán)隊的有效性，并根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。其次，“發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵問題”和“提出解決方法”是從事科學(xué)研究核心部分，也是創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題能力的重要組成。導(dǎo)師需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思考，在規(guī)定時間內(nèi)提出關(guān)鍵科學(xué)問題和相應(yīng)的解決方法。最后，為了得到真實可靠的試驗結(jié)果，促使學(xué)生樹立正確的科研態(tài)度，必須規(guī)定學(xué)生“有序規(guī)范實驗”。

2.2 超耐氯鹽腐蝕混凝土配比設(shè)計

為了實現(xiàn)如圖2所示知識培養(yǎng)目標(biāo)和能力培養(yǎng)目標(biāo)，導(dǎo)師需要科學(xué)引導(dǎo)學(xué)生利用相關(guān)知識進(jìn)行科學(xué)思考，并在規(guī)定時間內(nèi)提出關(guān)鍵科學(xué)問題和相應(yīng)的解決方法。在“超耐氯鹽腐蝕混凝土”設(shè)計試驗中，學(xué)生需根據(jù)所學(xué)知識，凝練出超耐氯鹽腐蝕混凝土必須具有：①較高的pH值；②較低的液相傳質(zhì)速度；③較低的電子轉(zhuǎn)移速度。

圖2 基于OBE理念的項目動態(tài)管理框架

根據(jù)《土木工程材料》相關(guān)知識可知，普通混凝土的pH值通常為10～13，具有較好的護(hù)筋性能，但是混凝土是多孔材料，液相傳質(zhì)速度和電子轉(zhuǎn)移速度非常快，在氯離子作用下，鋼筋極易腐蝕。根據(jù)教材和文獻(xiàn)可知［10］，價格低廉的工業(yè)廢渣粉煤灰具有較好的填孔作用，30%～40%摻量的粉煤灰能降低混凝土的孔隙率，提高抗?jié)B透性能。但是粉煤灰的二次水化反應(yīng)會消耗氫氧化鈣，降低混凝土的pH值。為了得到孔隙率低、造價低、pH值高的混凝土，通過學(xué)習(xí)和反復(fù)推敲，提出了采用氫氧化鈣飽和溶液養(yǎng)護(hù)代替常規(guī)的水養(yǎng)護(hù)的試驗方法。

為了降低混凝土內(nèi)部電子轉(zhuǎn)移速度，基于混凝土的等效電路模型（見圖3），通過外摻低于滲流閾值的碳黑在混凝土中形成電容器效應(yīng)［11-12］。由于電容器能捕獲移動電荷，切斷腐蝕電流，因而能提高鋼筋混凝土的耐氯鹽腐蝕能力。根據(jù)滲流原理炭黑的合理摻量可用有效介質(zhì)方程（GEM）進(jìn)行模擬，在此過程中，學(xué)生自學(xué)了Matlab軟件，并基于所用材料特性獲得了炭黑的合理摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.05%～0.3%。

圖3 不同摻量導(dǎo)電材料時混凝土的等效電路模型

最后，學(xué)生根據(jù)《土木工程材料》的基本知識，進(jìn)行普通混凝土的配合比設(shè)計，確定對比C40混凝土的配比為：水泥380 kg/m3，細(xì)集料593 kg/m3，粗集料1 186 kg/m3，水灰比為0.4。而改性混凝土的配比為：膠凝材料的用量為380 kg/m3（其中水泥為228 kg/m3，占60%；粉煤灰為152 kg/m3，占40%），細(xì)集料用量為593 kg/m3，粗集料用量為1 186 kg/m3，水灰比0.4，炭黑摻量為0.05%。

2.3 快速測試系統(tǒng)設(shè)計

在該項實驗設(shè)計中，學(xué)生需要思考的問題包括：①鋼筋混凝土腐蝕緩慢，如何在不到1年的項目執(zhí)行時間內(nèi)（創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目一般為1年期限）獲得鋼筋混凝土腐蝕的實驗結(jié)果？②如何就地取材利用實驗室現(xiàn)有的簡便設(shè)備，直觀的測試鋼筋混凝土腐蝕破壞過程？③試驗方法和可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象及解決辦法？

為了解決上述問題，學(xué)生設(shè)計了一套如圖4所示的腐蝕的快速測試系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括：①混凝土中的鋼筋非均勻布置，如圖4（a）所示鋼筋距離混凝土上下表面分別為30和70 mm，使得測試過程中鋼筋上層混凝土率先破壞以便觀測實驗結(jié)果，并且自制了一套樣本成型模具（圖4（b））；②混凝土上表面貼應(yīng)變片，實時觀測鋼筋混凝土的變形及破壞特征；③為了防止裸露鋼筋腐蝕以及氫脆破壞，拆模后鋼筋兩端表面涂抹環(huán)氧樹脂，并且距離測試液面1.0～1.5 cm（圖4（c）、（d））；④基于法拉第定律利用外加電源加速鋼筋腐蝕（圖4（c）、（d））。

圖4 鋼筋混凝土腐蝕性能快速測試系統(tǒng)

如圖4所示，本項實驗設(shè)計的鋼筋腐蝕快速測試系統(tǒng)構(gòu)造簡單，僅包括塑料水箱、直流電源、數(shù)據(jù)采集箱，電腦、數(shù)據(jù)線和電極片。在實驗過程中，把混凝土試樣放入裝有3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液的塑料水箱中（圖4（c）），注意鋼筋與液面保持10 mm的距離（圖4（d））。將電源正極與試件相連，負(fù)極接電流采集系統(tǒng)，陰極銅網(wǎng)接電流采集系統(tǒng)，構(gòu)成閉合回路（圖4（c）、（d））。試塊的應(yīng)變片與IMP應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相接，采用半橋接法。試驗過程電壓穩(wěn)定在（30±

0.5）V，當(dāng)試件上的應(yīng)變片因混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕開裂破壞時停止數(shù)據(jù)采集。

2.4 性能分析

首先根據(jù)《土木工程材料》和《材料力學(xué)》課程的基本知識以及《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）對混凝土試樣進(jìn)行力學(xué)性能實驗分析。測試結(jié)果表明，經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)后，改性混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為47.7 MPa，平均抗折強(qiáng)度為6.4 MPa，對比用普通混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為45.9 MPa，平均抗折強(qiáng)度為6.2 MPa，均符合設(shè)計目標(biāo)。

鋼筋混凝土耐腐蝕性能測試結(jié)果如圖5所示。從圖5（a）可以看出，鋼筋腐蝕使得混凝土體積膨脹，腐蝕的時間越長，膨脹越大，當(dāng)混凝土的應(yīng)變超過ε＞4×10－3后，混凝土破壞。其次從圖5（a）還可以發(fā)現(xiàn)，改性混凝土具有較好的護(hù)筋性能，其初裂和終裂發(fā)生的時間分別是對比混凝土的2.4和1.7倍，這一結(jié)果表明學(xué)生設(shè)計的混凝土達(dá)到了實驗?zāi)康?，具有?yōu)良的護(hù)筋特性。

圖5 （b）為加速腐蝕測試時混凝土的電流變化情況。顯然，改性混凝土的電流變化曲線顯著不同于對比混凝土。首先，改性混凝土的電流密度遠(yuǎn)低于對比混凝土，這一現(xiàn)象說明學(xué)生設(shè)計的混凝土可有效降低離子和電子轉(zhuǎn)移速度，進(jìn)而提高混凝土的護(hù)筋性能。其次，圖5（b）還表明改性混凝土電流密度變化趨勢不同于對比混凝土。從圖中可知，改性混凝土的電流密度在測試過程中會迅速降低，而對比混凝土的電流密度持續(xù)增加。這是由于改性混凝土中的碳材料在外加電場作用下會定向排列形成電容器效應(yīng)，電容器效應(yīng)的限流作用使得電流密度降低。

圖5 加速腐蝕時混凝土變形及電流變化

最后，為了進(jìn)一步分析改性混凝土的作用機(jī)理，學(xué)生還分析了兩種混凝土的毛細(xì)孔吸水性能。根據(jù)文獻(xiàn)可知，毛細(xì)孔吸水率反映了水泥材料內(nèi)部的毛細(xì)孔含量及孔結(jié)構(gòu)分布狀況，孔隙率越大、連通孔越多，則毛細(xì)孔吸水率越高，毛細(xì)孔吸水系數(shù)k就越大。其中k可以采用下式計算［13］：

式中：Q為試件吸水量，g；A為試件吸水表面積，m2；t為試件吸水時間，s；k為試件毛細(xì)吸水系數(shù)，g/（m2·s1/2）。

吸水率試驗的試件尺寸為10 cm×10 cm×30 cm，圖6為改性混凝土和對比混凝土的毛細(xì)孔吸水性能測試結(jié)果。從圖中可知，改性混凝土和對比混凝土的k值分別為4.627 g/（m2·s1/2）和12.795 g/（m2·s1/2），對比混凝土的k值是改性混凝土2.8倍。這一測試結(jié)果表明，在混凝土中摻入適量粉煤灰和炭黑可以有效降低混凝土的毛細(xì)孔隙率，提高混凝土的耐久性。

圖6 廢渣粉摻量對水泥砂漿吸水性的影響

3 結(jié) 語

本試驗基于OBE理念建立執(zhí)行大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目動態(tài)管理的科學(xué)方法，實現(xiàn)了“學(xué)生為中心，成果為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的教育目標(biāo)。通過該實驗，學(xué)生不僅掌握和應(yīng)用了土木工程材料和鋼筋混凝土原理的專業(yè)知識，同時交叉融合了金屬腐蝕、物理學(xué)、數(shù)值分析和信息處理等科學(xué)知識。實驗中電容器效應(yīng)設(shè)計、鋼筋腐蝕快速測試系統(tǒng)設(shè)計以及毛細(xì)孔吸水率測試方法均超過本專業(yè)大學(xué)生知識范疇，在完成本項實驗過程中，學(xué)生查閱了大量文獻(xiàn)、請教導(dǎo)師和其他專業(yè)成員，提高了自學(xué)能力和團(tuán)隊交流能力。

本項實驗緊扣土木工程學(xué)科和材料科學(xué)的前沿問題，實驗設(shè)計、構(gòu)思、執(zhí)行及分析過程均符合科學(xué)研究的基本方法，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新思維能力，實現(xiàn)了科研育人目標(biāo)。