超耐氯鹽腐蝕混凝土及快速測試系統實驗設計

張 敏， 唐延豐， 李庚英， 謝 攀， 王海洋， 何春保

（華南農業大學水利與土木工程學院，廣州510640）

0 引 言

鋼筋混凝土結構是當今應用范圍最廣的結構形式之一，鋼筋混凝土結構失效經濟損失巨大［1-3］。每年因鋼筋混凝土結構失效導致的直接經濟損失達37.9億美元，而由此造成的間接經濟損失至少是直接經濟損失的10倍以上［4］。英國環保部門公布每年鋼筋混凝土構筑物的維修費用高達5.5億英鎊［5］。我國十一五期間，每年因鋼筋混凝土腐蝕結構破壞而造成的經濟損失約占國內生產總值的3%～4%，其直接經濟損失近5 000億元/a。因此構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生創新項目“超耐氯鹽腐蝕混凝土及快速測試系統”的實驗設計，達到訓練學生解決復雜工程問題的科學方法，提升學生的創新能力和團隊合作精神的目的。

1 實驗方法

1.1 實驗依據

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］。根據金屬腐蝕機理可知（見圖1）：①金屬元素Fe存在穩定區、腐蝕區和鈍化區3個區域；②電位和pH值影響Fe的腐蝕；③腐蝕過程包括液相傳質、電子轉移和液相傳質或新相生成，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或穩態，而降低電位或提高pH值有利于保護鋼筋。

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生產的P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥。所用砂為細度模數2.5的天然河砂；粗骨料為碎石，最大粒徑為10 mm。砂、石的質量及檢驗方法均按JGJ52—2006標準。實驗中導電材料為山東淄博市華光化工廠生產的特導炭黑，顆粒平均粒徑為34 nm，比表面積為550 m2/g。

1.3 實驗設備及方法

實驗中采用的設備包括混凝土攪拌機、混凝土振動臺、電極片、LW穩壓直流電源、YAW4306型微機控制試驗機、IMP數據采集系統、水槽和計算機。

混凝土制作根據《土木工程材料》中的附屬實驗方法進行，采用自然養護。力學性能測試根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（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，抗折強度為其均值。抗壓實驗的加載速率為0.5 MPa/s，每組配比6個試件，抗壓強度為其均值。

2 結果與討論

2.1 基于OBE理念的過程管理設計

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

基于OBE教育理念對試驗過程進行科學規劃，如圖2所示。從圖2可知，試驗動態管理包括“培養目標”“措施保證”“觀測評定”“改進提升”和“成果目標”5個環節，其中“觀測評定”是決定項目成功與否的最重要環節。在“觀測評定”環節中，“組織有效團隊”是保證創新創業項目順利執行的基礎，導師需要從項目組成員的知識體系、工作態度、討論交流中判斷學生團隊的有效性，并根據實際情況進行調整。其次，“發現關鍵問題”和“提出解決方法”是從事科學研究核心部分，也是創新思維和解決復雜工程問題能力的重要組成。導師需要引導學生進行科學思考，在規定時間內提出關鍵科學問題和相應的解決方法。最后，為了得到真實可靠的試驗結果，促使學生樹立正確的科研態度，必須規定學生“有序規范實驗”。

2.2 超耐氯鹽腐蝕混凝土配比設計

為了實現如圖2所示知識培養目標和能力培養目標，導師需要科學引導學生利用相關知識進行科學思考，并在規定時間內提出關鍵科學問題和相應的解決方法。在“超耐氯鹽腐蝕混凝土”設計試驗中，學生需根據所學知識，凝練出超耐氯鹽腐蝕混凝土必須具有：①較高的pH值；②較低的液相傳質速度；③較低的電子轉移速度。

圖2 基于OBE理念的項目動態管理框架

根據《土木工程材料》相關知識可知，普通混凝土的pH值通常為10～13，具有較好的護筋性能，但是混凝土是多孔材料，液相傳質速度和電子轉移速度非常快，在氯離子作用下，鋼筋極易腐蝕。根據教材和文獻可知［10］，價格低廉的工業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，提高抗滲透性能。但是粉煤灰的二次水化反應會消耗氫氧化鈣，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，通過學習和反復推敲，提出了采用氫氧化鈣飽和溶液養護代替常規的水養護的試驗方法。

為了降低混凝土內部電子轉移速度，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［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。根據滲流原理炭黑的合理摻量可用有效介質方程（GEM）進行模擬，在此過程中，學生自學了Matlab軟件，并基于所用材料特性獲得了炭黑的合理摻量（質量分數）為0.05%～0.3%。

圖3 不同摻量導電材料時混凝土的等效電路模型

最后，學生根據《土木工程材料》的基本知識，進行普通混凝土的配合比設計，確定對比C40混凝土的配比為：水泥380 kg/m3，細集料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 快速測試系統設計

在該項實驗設計中，學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年的項目執行時間內（創新創業項目一般為1年期限）獲得鋼筋混凝土腐蝕的實驗結果？②如何就地取材利用實驗室現有的簡便設備，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的異常現象及解決辦法？

為了解決上述問題，學生設計了一套如圖4所示的腐蝕的快速測試系統，主要內容包括：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

如圖4所示，本項實驗設計的鋼筋腐蝕快速測試系統構造簡單，僅包括塑料水箱、直流電源、數據采集箱，電腦、數據線和電極片。在實驗過程中，把混凝土試樣放入裝有3%質量分數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，負極接電流采集系統，陰極銅網接電流采集系統，構成閉合回路（圖4（c）、（d））。試塊的應變片與IMP應變數據采集系統相接，采用半橋接法。試驗過程電壓穩定在（30±

0.5）V，當試件上的應變片因混凝土內鋼筋銹蝕開裂破壞時停止數據采集。

2.4 性能分析

首先根據《土木工程材料》和《材料力學》課程的基本知識以及《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）對混凝土試樣進行力學性能實驗分析。測試結果表明，經過28 d養護后，改性混凝土的平均抗壓強度為47.7 MPa，平均抗折強度為6.4 MPa，對比用普通混凝土的平均抗壓強度為45.9 MPa，平均抗折強度為6.2 MPa，均符合設計目標。

鋼筋混凝土耐腐蝕性能測試結果如圖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，當混凝土的應變超過ε＞4×10－3后，混凝土破壞。其次從圖5（a）還可以發現，改性混凝土具有較好的護筋性能，其初裂和終裂發生的時間分別是對比混凝土的2.4和1.7倍，這一結果表明學生設計的混凝土達到了實驗目的，具有優良的護筋特性。

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低于對比混凝土，這一現象說明學生設計的混凝土可有效降低離子和電子轉移速度，進而提高混凝土的護筋性能。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，電容器效應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，為了進一步分析改性混凝土的作用機理，學生還分析了兩種混凝土的毛細孔吸水性能。根據文獻可知，毛細孔吸水率反映了水泥材料內部的毛細孔含量及孔結構分布狀況，孔隙率越大、連通孔越多，則毛細孔吸水率越高，毛細孔吸水系數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為試件毛細吸水系數，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孔吸水性能測試結果。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 語

本試驗基于OBE理念建立執行大學生創新創業項目動態管理的科學方法，實現了“學生為中心，成果為導向，持續改進”的教育目標。通過該實驗，學生不僅掌握和應用了土木工程材料和鋼筋混凝土原理的專業知識，同時交叉融合了金屬腐蝕、物理學、數值分析和信息處理等科學知識。實驗中電容器效應設計、鋼筋腐蝕快速測試系統設計以及毛細孔吸水率測試方法均超過本專業大學生知識范疇，在完成本項實驗過程中，學生查閱了大量文獻、請教導師和其他專業成員，提高了自學能力和團隊交流能力。

本項實驗緊扣土木工程學科和材料科學的前沿問題，實驗設計、構思、執行及分析過程均符合科學研究的基本方法，提高了學生的學習興趣，培養了學生的科研素養和創新思維能力，實現了科研育人目標。