雜散電流及氯離子腐蝕共同作用下鋼纖維混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)

林龍鑌,賴秀英,豐正偉

(1.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院土木工程系,福建 漳州 363105;2.莆田學(xué)院土木工程學(xué)院,福建 莆田 351100)

鋼纖維混凝土是一種性能優(yōu)良的新型復(fù)合材料,其抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度等較普通混凝土顯著提高,其抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性也有較大改善.近幾十年,國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼纖維混凝土做了大量研究,并將其應(yīng)用于道路、橋梁、隧道、水利、海洋、建筑和耐火材料結(jié)構(gòu)等各類工程中,取得較好的效果.隧道開(kāi)挖支護(hù)是當(dāng)今鋼纖維混凝土應(yīng)用廣泛的一個(gè)工程領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)使用鋼纖維混凝土的隧道工程案例較多,效果良好,由于減少了隧洞的開(kāi)挖量和襯砌圬工量,經(jīng)濟(jì)效益明顯[1].地鐵工程屬于隧道工程范疇,如能將鋼纖維混凝土應(yīng)用于地鐵隧道開(kāi)挖中,將有助于地鐵工程的建設(shè).

地鐵較傳統(tǒng)公共交通系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)得到大力發(fā)展,近年來(lái)沿海城市的地鐵工程項(xiàng)目增多.地鐵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的雜散電流泄漏,會(huì)使金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕[2].沿海城市的海水入侵導(dǎo)致地下水氯離子(Cl-)含量增高[3],Cl-易使金屬發(fā)生銹蝕[4-5]，因此雜散電流和Cl-是影響沿海地鐵工程耐久性能的重要因素,二者的存在對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性能提出了嚴(yán)峻考驗(yàn).目前,在國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)中主要采用鋼筋混凝土作為結(jié)構(gòu)材料,西安[6]、南京[7]和廣州[8]等少數(shù)城市在地鐵建設(shè)中采用了鋼纖維混凝土材料.有關(guān)雜散電流和Cl-共同作用下的鋼筋混凝土腐蝕問(wèn)題得到了學(xué)者的廣泛重視,可查閱的研究成果較多[9-11],成果顯示在二者共同作用下,鋼筋腐蝕速率明顯增大，鋼筋保護(hù)層開(kāi)裂時(shí)間縮短，混凝土力學(xué)性能受損嚴(yán)重.然而對(duì)于相同作用下鋼纖維混凝土腐蝕的相關(guān)文獻(xiàn)卻鮮有發(fā)表[8，12],學(xué)者們更多關(guān)注鋼纖維混凝土在生活污水[13]、工業(yè)廢水[14]、沿海地區(qū)[15]和海洋[16]等腐蝕環(huán)境中的腐蝕行為,鋼纖維的銹脹導(dǎo)致基體開(kāi)裂是鋼纖維混凝土耐久性能下降的主要原因.因此,本文中試圖通過(guò)模擬雜散電流腐蝕試驗(yàn),研究雜散電流和Cl-腐蝕共同作用下鋼纖維混凝土強(qiáng)度損失的變化規(guī)律,及材料成分在其腐蝕過(guò)程中的作用,提高工程師對(duì)該材料在電化學(xué)腐蝕方面的認(rèn)識(shí),促進(jìn)鋼纖維混凝土在沿海城市地鐵工程中的應(yīng)用.

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,28 d實(shí)測(cè)強(qiáng)度51.6 MPa;粉煤灰等級(jí)為Ⅱ級(jí),細(xì)度為18.2%,燒失量為2%,SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%;砂為河砂,細(xì)度模數(shù)2.57;碎石為花崗巖碎石,粒徑級(jí)配為10～20 mm,表觀密度為2 650 kg/m3,堆積密度為1 410 kg/m3,壓碎指標(biāo)為9%;減水劑為科之杰新材料集團(tuán)生產(chǎn)的pohnt-ys型引氣減水劑;阻銹劑為廈門凱景實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的KJ-R鋼筋阻銹劑;鋼纖維為宜興市華源金屬纖維有限公司生產(chǎn)的剪切型鋼纖維,長(zhǎng)度為30 mm,等效直徑為0.5 mm,長(zhǎng)徑比為60.2,抗拉強(qiáng)度為620 MPa.

1.2 配合比設(shè)計(jì)

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40,水膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41,根據(jù)鋼纖維、粉煤灰和阻銹劑摻量的不同,共設(shè)計(jì)了10種配合比方案,如表1所示.

表1 混凝土配合比

注：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm.

1.3 雜散電流腐蝕試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

腐蝕試驗(yàn)裝置如圖1所示,采用直流穩(wěn)壓電源模擬雜散電流,電源正極與石墨板連接,電流經(jīng)防腐箱內(nèi)導(dǎo)電溶液進(jìn)入試件陽(yáng)極面(石墨板一側(cè)的試件表面),穿過(guò)試件從陰極面(鈦網(wǎng)片一側(cè)的試件表面)流出,最后經(jīng)另一側(cè)防腐箱內(nèi)導(dǎo)電溶液和鈦網(wǎng)片返回到電源負(fù)極.為防止導(dǎo)電溶液泄露,試件與防腐箱的接縫處采用中性硅膠密封,該裝置可構(gòu)建一個(gè)類似地鐵雜散電流腐蝕的模擬環(huán)境,可以對(duì)材料進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)研究.

2 雜散電流腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文的試驗(yàn)設(shè)計(jì)包含兩方面的內(nèi)容:1) 采用正交試驗(yàn)法研究影響因素對(duì)鋼纖維混凝土強(qiáng)度損失率的主次關(guān)系;2) 通過(guò)腐蝕試驗(yàn)進(jìn)一步分析主要影響因素與材料強(qiáng)度損失率之間的關(guān)系.腐蝕試驗(yàn)的直流電壓值設(shè)為60 V,試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為72 h,每組腐蝕試驗(yàn)的試塊數(shù)量為3個(gè),每24 h更換一次導(dǎo)電溶液以保證導(dǎo)電離子數(shù)量的穩(wěn)定.

2.1 正交試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法,以鋼纖維混凝土的強(qiáng)度損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo),以鋼纖維體積率(A-SF)、粉煤灰摻量(B-FA)、阻銹劑摻量(C-CI)和導(dǎo)電溶液(D-CS)為影響因素,采用極差分析法進(jìn)行分析,確定影響因素主次作用的排序.正交試驗(yàn)的因素水平值如表2所示,依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,采用四因素三水平的正交設(shè)計(jì)安排表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn).

試驗(yàn)方案如表3所示,對(duì)9組試件(共27個(gè)試塊)進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn),試件齡期為300 d;試件按鋼纖維、粉煤灰、阻銹劑摻量的水平值和導(dǎo)電溶液進(jìn)行編號(hào),A為鋼纖維、B為粉煤灰、C為阻銹劑、D為導(dǎo)電溶液,數(shù)字1～3分別代表3個(gè)水平值或?qū)щ娙芤侯悇e(見(jiàn)表2),如A1-B1-C3-D2試件表示鋼纖維體積率為0.5%,粉煤灰摻量為0%,阻銹劑摻量為4%,導(dǎo)電溶液為NaCl-3%.

1-直流電源;2-石墨板;3-鈦網(wǎng)片;4-鋼纖維混凝土試件;5-防腐箱;6-導(dǎo)電溶液.圖1 腐蝕試驗(yàn)裝置Fig.1 Setup for corrosion test

2.2 不同濃度NaCl溶液的腐蝕試驗(yàn)

采用不同濃度的NaCl溶液作為導(dǎo)電溶液,研究雜散電流與Cl-共同腐蝕作用下,混凝土強(qiáng)度損失率和Cl-濃度之間的關(guān)系.參考郭占榮等[3]的研究成果,本次試驗(yàn)中NaCl溶液的Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)取值范圍設(shè)定為1%～3%.

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

注：Ca(OH)2為飽和溶液，NaCl-3%表示NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，下同.

表3 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案如表4,對(duì)3組試件(共9塊試塊)進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn),試件齡期為330 d,試件的鋼纖維體積率為1.5%,粉煤灰摻量為15%.試件按導(dǎo)電NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值進(jìn)行編號(hào),如D2-3試件,D2表示導(dǎo)電溶液為NaCl溶液,3表示溶液Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%.

表4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液的試驗(yàn)方案

2.3 不同鋼纖維含量的腐蝕試驗(yàn)

研究在腐蝕作用下鋼纖維體積率與材料強(qiáng)度損失率之間的關(guān)系.試驗(yàn)方案如表5所示,對(duì)4組試件(12塊試塊)進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn),試件齡期為330 d.試件按鋼纖維體積率進(jìn)行編號(hào),A表示以鋼纖維體積率為變量,數(shù)字00、05、10、15分別表示鋼纖維體積率為0%、0.5%、1.0%、1.5%.

表5 不同鋼纖維體積率的試驗(yàn)方案

2.4 材料強(qiáng)度試驗(yàn)

鋼纖維混凝土試件參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)[17]測(cè)試其抗壓強(qiáng)度.試件承載面為陽(yáng)極面和陰極面,荷載方向與電流流過(guò)試件的方向一致,試件加載如圖2所示.

本文中采用材料強(qiáng)度損失率Kc為材料抵御雜散電流腐蝕的評(píng)價(jià)指標(biāo),按式(1)計(jì)算.

(1)

圖2 試件加載示意圖Fig.2 Test setup of the compressive strength

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用極差分析法進(jìn)行分析,結(jié)果如表6所示.可以看出各因素對(duì)Kc影響的主次順序?yàn)?A-SF>D-CS>B-FA>C-CI.A-SF和D-CS具有主要作用,B-FA和C-CI具有次要作用.

表6 正交試驗(yàn)的極差計(jì)算結(jié)果

注：R為極差.

圖3說(shuō)明了4個(gè)影響因素與Kc之間的關(guān)系,圖3中橫坐標(biāo)字母代表影響因素,數(shù)字代表影響因素的水平值(與表2對(duì)應(yīng)).影響因素與Kc的關(guān)系如下:

1) 隨著鋼纖維體積率的增加,Kc先減少后增大.說(shuō)明適量的鋼纖維有助于提高材料的抗腐蝕性能,過(guò)多的鋼纖維體積率反而不利于材料的抗腐蝕性能.

2) 增大粉煤灰摻量有助于減小Kc.少量的粉煤灰摻量對(duì)于抗腐蝕性能的作用并不明顯,當(dāng)摻量增大至一定數(shù)量后則顯著提高了材料的抗腐蝕性能.粉煤灰的摻入可改善混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)[18-20]和提高材料的電阻率[21],從而提高Cl-入侵的難度和減小雜散電流的強(qiáng)度,進(jìn)而達(dá)到提高材料耐久性能的目的.

3)Kc與阻銹劑摻量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即Kc隨著阻銹劑摻量增加而減小.由于阻銹劑成分中的亞硝酸根(NO2-)能夠促使金屬鈍化膜的修復(fù)[22],所以增加阻銹劑摻量有助于延緩鋼纖維銹蝕,減小Kc,提高材料的抗腐蝕性能.

4)Kc與導(dǎo)電溶液類別有較大關(guān)系,在不同導(dǎo)電溶液中材料的腐蝕程度差異巨大,如圖4所示.試驗(yàn)中以NaCl溶液為導(dǎo)電溶液的試件腐蝕程度最嚴(yán)重,自來(lái)水的試件次之,飽和Ca(OH)2溶液的試件最輕.在以NaCl溶液為導(dǎo)電溶液的試驗(yàn)中,各組試件的腐蝕程度差異較大,如試件A2-B3-C2-D2的Kc僅為4.4%,不足試件A3-B2-C1-D2的1/10,表現(xiàn)出較好的抗腐蝕性能.

圖3 鋼纖維混凝土強(qiáng)度損失率的影響因素分析Fig.3 Analysis of influence factors on strength loss rate of steel fiber concrete

試驗(yàn)結(jié)果分析可得,A2(A-SF為1%)、B3(B-FA為30%)、C3(C-CI為4%)為雜散電流環(huán)境下耐久性能最佳的配比組合.工程實(shí)踐中,可依據(jù)此結(jié)果進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),以獲得耐久性能較佳的材料.

圖4 不同導(dǎo)電溶液腐蝕試件陰極面照片對(duì)比Fig.4 Comparison between cathode surface of different conductive solution for corrosion specimen

3.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖5為腐蝕后材料抗壓強(qiáng)度和Kc與Cl-濃度的關(guān)系曲線,曲線顯示Kc與Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正相關(guān)性.隨著NaCl濃度的提高,材料腐蝕后的強(qiáng)度減小,Kc增大.

圖5 NaCl濃度對(duì)材料強(qiáng)度損失率的影響Fig.5 The effect of sodium chloride concentration on material strength loss rate

試驗(yàn)顯示Cl-和雜散電流腐蝕共同作用下,對(duì)材料強(qiáng)度損失具有顯著的影響.Cl-在雜散電流作用下具有更強(qiáng)的滲透能力[23],基體材料內(nèi)的裂縫會(huì)加速Cl-的侵蝕[24],二者共同作用加快了材料的腐蝕速度.Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,材料的腐蝕速度越快,腐蝕程度越嚴(yán)重.鋼纖維銹蝕產(chǎn)物會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生漲裂力,當(dāng)該力的漲裂作用大于鋼纖維的阻裂作用時(shí),基體的裂縫開(kāi)始生成并拓展,直至形成通縫(如圖6所示),這是材料強(qiáng)度顯著降低的原因.

圖6 試件各面銹蝕裂縫情況Fig.6 Corrosion and cracking on each surface of specimen

3.3 不同鋼纖維含量的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖7為鋼纖維混凝土腐蝕前、后材料強(qiáng)度和Kc與A-SF之間的關(guān)系曲線.隨著A-SF的增加,材料強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),而腐蝕后的材料強(qiáng)度則先增大后減小,Kc呈先變小后增大的特征.

適量的鋼纖維摻入能夠有效地阻滯基體混凝土裂縫的開(kāi)展,提高材料的強(qiáng)度.在A-SF逐漸增大的初期,鋼纖維對(duì)基體材料的阻裂作用大于纖維銹蝕后的漲裂作用,有效抑制裂縫的形成,提高了材料的強(qiáng)度和耐久性能,Kc呈現(xiàn)減小的特征.

過(guò)量的鋼纖維易使基體密實(shí)度降低,不利于抵御Cl-的入侵,銹蝕后產(chǎn)生的漲裂作用大于其阻裂作用,促使裂縫的形成和擴(kuò)展.雜散電流和裂縫的共存使得Cl-加速入侵,鋼纖維銹蝕加快,材料的腐蝕程度加劇,強(qiáng)度損失增大.在圖7中,表現(xiàn)為在A-SF大于0.5%時(shí),Kc逐漸增大.

鋼纖維體積率存在最佳數(shù)值.采用最佳鋼纖維體積率進(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì),可充分發(fā)揮鋼纖維阻滯基體材料開(kāi)裂的作用,降低Kc,提高材料耐久性能.如試件A-05的Kc為9.4%,分別是試件A-00、A-10和A-15的0.60，0.38和0.29倍,最佳鋼纖維體積率約為0.5%.本文中未對(duì)最佳摻入量的數(shù)值范圍進(jìn)行研究,僅揭示了鋼纖維體積率與Kc間的關(guān)系.

圖7 鋼纖維體積率對(duì)材料強(qiáng)度損失率的影響Fig.7 The effect of steel filer content on material strength loss rate

4 結(jié) 論

通過(guò)模擬雜散電流腐蝕試驗(yàn),研究了影響因素對(duì)鋼纖維混凝土Kc的主次作用、影響因素和鋼纖維混凝土Kc間的關(guān)系,主要結(jié)論如下:

1) 采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法得到:影響鋼纖維混凝土Kc的因素按主次作用排序?yàn)?A-SF>D-CS>B-FA>C-CI.其中A-SF和D-CS具有主要作用,B-FA和C-CI具有次要作用.

2)Kc隨著A-SF的增大先變小后增大.A-SF存在最佳體積率,如試件A-05的Kc是A-00、A-10和A-15的0.60、0.38和0.29倍,說(shuō)明鋼纖維體積率為0.5%的試件耐久性能優(yōu)于其他不同體積率的試件,本文未對(duì)該最佳體積率的適用性進(jìn)行研究.

3) 雜散電流和Cl-腐蝕共同作用下,對(duì)Kc影響顯著.正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,D-CS采用NaCl溶液時(shí),Kc的平均值為20.7%,分別是導(dǎo)電溶液為Ca(OH)2和自來(lái)水時(shí)的10.9倍和3.6倍.不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液的腐蝕試驗(yàn)顯示,Kc隨著Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而顯加速增大的趨勢(shì).

4)Kc隨著B(niǎo)-FA的增大而變小.粉煤灰的摻入可提高材料的密實(shí)度和電阻率,減少Cl-的入侵和降低雜散電流的強(qiáng)度,能夠減輕雜散電流和Cl-腐蝕的共同作用.

5)Kc隨著C-CI的增大而變小.阻銹劑中的亞硝酸根(NO2-)具有修復(fù)金屬鈍化膜的功能,有利于延緩鋼纖維銹蝕,提高材料的抗腐蝕性能.

綜上所述,在雜散電流和Cl-共存的地鐵環(huán)境中,通過(guò)鋼纖維混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì),充分發(fā)揮粉煤灰、鋼纖維和阻銹劑等因素的積極作用,能夠達(dá)到有效降低Kc,提高材料耐久性能的目的.如試件A2-B3-C2-D2的Kc僅為4.4%,對(duì)雜散電流和Cl-腐蝕的共同作用具有較強(qiáng)的抵御能力和良好的耐久性能.

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