不同環(huán)境中雜散電流對(duì)鋼筋混凝土腐蝕影響

陳迅捷，歐陽(yáng)幼玲，錢文勛，何 旸

(南京水利科學(xué)研究院，水利部水工新材料工程技術(shù)研究中心，江蘇南京 210029)

地鐵交通和高壓變電輸送均可能產(chǎn)生雜散電流。雜散電流對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)造物的腐蝕日益受到人們的重視[1-4]。有關(guān)試驗(yàn)研究表明，適宜摻量的活性摻合料有利于提高鋼筋混凝土抗雜散電流腐蝕耐久性[5]。在沿海環(huán)境中修建的地鐵工程和變電站工程，其鋼筋混凝土同時(shí)還遭受氯鹽侵蝕和凍融循環(huán)破壞。在氯鹽環(huán)境中，雜散電流對(duì)鋼筋混凝土腐蝕加劇[6]，混凝土凍融循環(huán)破壞也加劇[7-8]。而對(duì)于同時(shí)存在氯鹽、凍融以及雜散電流的多重腐蝕條件下，混凝土的性能劣化規(guī)律還未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。

本文通過(guò)對(duì)幾年來(lái)多個(gè)項(xiàng)目的研究結(jié)果分析，揭示在一般環(huán)境、氯化物環(huán)境、凍融-氯化物環(huán)境中，雜散電流對(duì)普通鋼筋混凝土和添加適量活性摻合料的耐腐蝕鋼筋混凝土腐蝕程度的影響規(guī)律，為類似環(huán)境中的工程設(shè)計(jì)建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)方案與混凝土試驗(yàn)配合比

1.1 試驗(yàn)研究方案

(a) 方案1 (b) 方案2圖1 雜散電流通過(guò)鋼筋混凝土試驗(yàn)方案Fig.1 Experiment design of stray current corrosion of steel in concrete

雜散電流通過(guò)鋼筋混凝土采用了2種試驗(yàn)方案(見(jiàn)圖1)：方案1為雜散電流直接通過(guò)鋼筋，不以鋼筋外混凝土作為導(dǎo)體；方案2為雜散電流通過(guò)局部混凝土作為導(dǎo)體，在混凝土內(nèi)鋼筋中形成回路。

采用方案1，試驗(yàn)分析雜散電流強(qiáng)度在氯化物環(huán)境和凍融-氯化物環(huán)境中對(duì)鋼筋混凝土腐蝕程度的影響?；炷猎嚰叽鐬?00 mm×100 mm×200 mm，并在試件中心位置埋設(shè)直徑6 mm，長(zhǎng)100 mm鋼筋。鋼筋兩端用導(dǎo)線接出，用以連通直流電源。試件除了一個(gè)100 mm×200 mm的側(cè)面供外界鹽離子滲透外，其余5個(gè)表面均用環(huán)氧樹(shù)脂封閉。

采用方案2，試驗(yàn)分析普通鋼筋混凝土和添加適量活性摻合料的耐腐蝕鋼筋混凝土的抗腐蝕耐久性。將尺寸為100 mm ×100 mm×200 mm的混凝土試件中心埋設(shè)Φ6 mm×100 mm的鋼筋，在鋼筋的一端焊有絕緣銅線，將5面封閉的混凝土試件和電極板放入盛有飽和Ca(OH)2溶液或3.5%NaCl溶液的容器內(nèi)，接直流電源，鋼筋接正極，電極板接負(fù)極，進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)。

1.2 混凝土原材料和試驗(yàn)配合比

混凝土原材料：天山牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥、媽灣電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰、唐山鋼鐵廠生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉、深圳天地集團(tuán)提供的中粗江砂和人工砂巖碎石、萘系減水劑(FDN-1)和DH-9引氣劑。

普通混凝土和摻加20%粉煤灰+40%礦渣的耐腐蝕混凝土試驗(yàn)配合比參數(shù)見(jiàn)表1。表中給出采用RCM法[9]測(cè)定的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

表1 混凝土試驗(yàn)配合比參數(shù)Tab.1 Concrete mix proportion

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雜散電流密度與鋼筋活化電位

試驗(yàn)結(jié)果[5]表明，鋼筋混凝土中電流-電壓符合歐姆定律。鋼筋混凝土在飽和Ca(OH)2溶液和3.5%NaCl溶液中測(cè)定的電阻值分別為：普遍混凝土2.42和2.66 kΩ；耐腐蝕混凝土12.60和13.26 kΩ。可見(jiàn)，在飽和Ca(OH)2溶液和3.5%NaCl溶液中混凝土電阻值相當(dāng)，耐腐蝕混凝土電阻值較同水膠比普通混凝土高約5倍。在相同直流電壓下，普通鋼筋混凝土需承受的電流密度5倍于耐腐蝕混凝土。

依據(jù)技術(shù)規(guī)程CJJ49-92[10]，混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋允許的最大泄漏電流密度為0.6 mA/dm2。雜散電流直接通過(guò)混凝土內(nèi)鋼筋的試驗(yàn)中，采用的雜散電流密度為3，15和75 mA/dm2，是規(guī)范規(guī)定的最大允許值的5倍、25倍和75倍。采用0.5V直流電源分別通過(guò)50，10和2 kΩ的串聯(lián)電阻來(lái)調(diào)節(jié)。鋼筋混凝土試件干燥后，放入3.5%NaCl溶液中浸泡(15±0.5) h。浸泡過(guò)程中，試件中埋設(shè)的鋼筋通過(guò)一定的電流值。浸泡結(jié)束后風(fēng)干1 h，再放入烘箱，在(80±5)℃下烘6 h，最后拿出冷卻2 h。整個(gè)循環(huán)過(guò)程為24 h，即一天1個(gè)干濕循環(huán)。不同雜散電流密度下，混凝土內(nèi)鋼筋活化電位檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2混凝土中鋼筋的半電池電位是指鋼筋表面微陽(yáng)極和微陰極的混合電位。當(dāng)混凝土中鋼筋表面陰極極化性能變化不大時(shí)，鋼筋半電池電位主要決定于陽(yáng)極性狀，即陽(yáng)極鈍化，電位偏低；陽(yáng)極活化，電位偏負(fù)。根據(jù)SL352-2006[9]的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，半電池電位負(fù)向大于-350 mV，則此區(qū)域發(fā)生鋼筋腐蝕概率大于90%。據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著雜散電流密度和腐蝕齡期的增加，混凝土中鋼筋發(fā)生腐蝕的概率增加。在侵蝕早期(30次循環(huán))，普通混凝土與耐腐蝕混凝土中的鋼筋半電池電位無(wú)明顯差別；到侵蝕后期(90次循環(huán))，耐腐蝕混凝土的半電池電位負(fù)向明顯小于普通混凝土。也就是說(shuō)，在氯鹽-雜散電流雙重因素腐蝕條件下，耐腐蝕混凝土內(nèi)鋼筋耐久性能明顯高于普通混凝土，耐腐蝕混凝土內(nèi)鋼筋產(chǎn)生銹蝕的電流密度5倍于普通混凝土。

表2 混凝土中鋼筋的半電池電位Tab.2 Half cell potential of the reinforcing bar in concrete (單位： mV)

2.2 氯化物環(huán)境對(duì)鋼筋混凝土腐蝕程度的影響

采用雜散電流直接通過(guò)混凝土內(nèi)鋼筋試驗(yàn)，經(jīng)90次循環(huán)后檢測(cè)混凝土不同深度氯離子含量，根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律[11]計(jì)算的氯離子擴(kuò)散系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同雜散電流強(qiáng)度下混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)Tab.3 Chloride diffusivity coefficients in concrete in different stray current strength environments

試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在氯化物環(huán)境中，普通混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為耐腐蝕混凝土的3.1倍。混凝土內(nèi)鋼筋通過(guò)直流電流，電流密度增加提高混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)鋼筋中雜散電流密度提高至15 mA/dm2時(shí)，普通混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)提高近1倍，耐腐蝕混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅略有增加。在雜散電流作用下，普通混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)提高為耐腐蝕混凝土的5.5倍。

將鋼筋混凝土試件和電極板分別不完全浸泡于飽和Ca(OH)2溶液和3.5%NaCl溶液中，液面距試件頂面保留5 mm距離，以混凝土為導(dǎo)體，在直流電壓為5V的條件下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間通電，加速模擬試驗(yàn)混凝土雜散電流腐蝕。鋼筋銹蝕，混凝土開(kāi)裂時(shí)間見(jiàn)表4。

表4 鋼筋混凝土雜散電流加速模擬試驗(yàn)Tab.4 Corrosion accelerated simulation tests of stray current in reinforcement concrete

加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在鋼筋混凝土內(nèi)通過(guò)直流電流，相對(duì)于一般腐蝕環(huán)境，氯化物環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕破壞速度明顯加快，普通鋼筋混凝土腐蝕破壞速率提高23倍。在電流作用下，氯離子快速進(jìn)入混凝土達(dá)到鋼筋表面，破壞鋼筋鈍化膜，鋼筋銹蝕膨脹，混凝土開(kāi)裂破壞。

圖2 凍融-氯化物-雜散電流多重腐蝕環(huán)境混凝土氯離子擴(kuò)散濃度Fig.2 Chloride ion diffusion concentration in concrete in freezing-thawing-chloride- stray current corrosion environments

耐腐蝕混凝土能夠極大延緩氯鹽環(huán)境中雜散電流腐蝕破壞時(shí)間，在氯化物環(huán)境中腐蝕破壞時(shí)間較同水膠比的普通混凝土相應(yīng)延長(zhǎng)15倍之多。礦物摻合料的摻入可以顯著改善水泥石的密實(shí)程度，提高水泥石的電阻率，降低雜散電流形成的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此礦物摻合料能夠抑制雜散電流對(duì)固化氯離子的激活作用[12]，故耐腐蝕混凝土抗雜散電流侵蝕能力較普通混凝土明顯增強(qiáng)。

2.3 凍融-氯化物-雜散電流多重腐蝕環(huán)境影響

在淡水、3.5%NaCl溶液和混凝土內(nèi)鋼筋施加電流密度為15 mA/dm2的雜散電流的3.5%NaCl溶液中，進(jìn)行混凝土抗凍性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。凍融-氯化物-雜散電流多重腐蝕環(huán)境下，混凝土經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)后不同深度氯離子濃度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

表5 不同腐蝕環(huán)境中混凝土抗凍性能Tab.5 Freeze-thaw resistance capability of concrete in different corrosive environments

混凝土在不同雜散電流密度及鹽凍條件下的氯離子擴(kuò)散性能結(jié)果表明，隨著雜散電流密度的增加，混凝土中氯離子的濃度是隨之增加的?；炷两?jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)后，耐腐蝕混凝土中的氯離子主要集中在混凝土表層，內(nèi)部氯離子很少；而普通混凝土中氯離子濃度明顯比耐腐蝕混凝土的高，氯離子濃度隨著擴(kuò)散深度而減小。

混凝土抗凍等級(jí)為F300的混凝土試件，在沒(méi)有雜散電流存在的條件下，經(jīng)過(guò)200次3.5%NaCl溶液凍融循環(huán)后試件均無(wú)破壞，300次凍融循環(huán)后試件疏松破壞。在電流密度為15 mA/dm2的雜散電流存在的條件下，混凝土經(jīng)過(guò)200次3.5%NaCl溶液凍融循環(huán)后，試件均已松散凍壞，而其中的鋼筋卻并無(wú)銹漲。由此可知，雜散電流的存在加劇了混凝土在鹽溶液中的凍融破壞。

3 結(jié) 語(yǔ)

雜散電流密度的增加將加劇混凝土中鋼筋的腐蝕。在氯鹽-雜散電流雙重因素腐蝕條件下，與同水膠比普通混凝土相比，摻加20%粉煤灰+40%礦渣的耐腐蝕混凝土內(nèi)鋼筋產(chǎn)生銹蝕的電流密度可提高5倍。

氯鹽溶液加速雜散電流對(duì)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的腐蝕，腐蝕速率約為淡水環(huán)境的20多倍?；炷猎诼塞}-雜散電流環(huán)境下，隨著雜散電流密度的增加和侵蝕齡期的增長(zhǎng)，混凝土中氯離子的濃度也隨之增加。特別是對(duì)普通混凝土而言，這種趨勢(shì)更加明顯。雜散電流增加了氯離子在普通混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)。耐腐蝕混凝土極大延緩氯鹽環(huán)境中雜散電流腐蝕破壞時(shí)間，較同水膠比的普通混凝土相應(yīng)延長(zhǎng)15倍之多。

相同的水膠比條件下，普通混凝土和耐腐蝕混凝土的抗鹽凍性能大致相當(dāng)。隨著雜散電流密度的增加，混凝土中氯離子濃度隨之增加。經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)后，普通混凝土中氯離子濃度明顯高于耐腐蝕混凝土。在凍融-氯化物-雜散電流多重腐蝕環(huán)境中，主要破壞形式為混凝土疏松破壞。雜散電流的存在加劇了混凝土在鹽溶液中的凍融破壞。

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