基于銹蝕電位的復(fù)合式襯砌鋼架銹蝕規(guī)律研究

崔學(xué)忠

摘 要：我國(guó)當(dāng)前擁有大量的既有運(yùn)營(yíng)隧道，作為初期支護(hù)中重要構(gòu)件的鋼架面臨著巨大的耐久性考驗(yàn)。本文采用自然電位法對(duì)鋼架的銹蝕規(guī)律進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)室內(nèi)縮尺復(fù)合式襯砌模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。得到如下的結(jié)論：初支中的鋼架和二襯中的鋼筋均有不同程度的腐蝕，腐蝕速度和程度為靠圍巖側(cè)初支中鋼架——靠防水板側(cè)初支中鋼架——靠防水板側(cè)二襯鋼筋的規(guī)律遞減，施工質(zhì)量對(duì)鋼架的銹蝕劣化有較強(qiáng)的影響，地下環(huán)境中完全依賴增加保護(hù)層厚度提高耐久性是有限的。

關(guān)鍵詞：銹蝕電位；鋼架；銹蝕規(guī)律；模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TG171 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）05-0150-05

0 引言

我國(guó)當(dāng)前是世界上隧道數(shù)量及隧道延長(zhǎng)最多的國(guó)家[1]，復(fù)合式襯砌已經(jīng)成為當(dāng)前山嶺隧道的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式，IV、V級(jí)圍巖中，鋼架作為初期支護(hù)中重要的支護(hù)構(gòu)件，起著不可替代的作用。然而長(zhǎng)期使用過(guò)程中，鋼架的銹蝕會(huì)引起初期支護(hù)承載能力的降低，承擔(dān)的荷載會(huì)向二次襯砌轉(zhuǎn)移，當(dāng)前的設(shè)計(jì)中二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，然而長(zhǎng)期使用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)一系列的病害影響其承載能力，因此初期支護(hù)具備長(zhǎng)期承載能力是當(dāng)前隧道設(shè)計(jì)的共識(shí)。

隧道施工時(shí)鋼架往往最先架設(shè)的，由于內(nèi)側(cè)鋼架的遮擋，噴混凝土很難完全包裹靠圍巖一側(cè)的鋼架，所以緊貼圍巖一側(cè)的鋼架混凝土保護(hù)層厚度難以得到保證，在地下水作用下鋼架易被腐蝕，同時(shí)噴混凝土施工存在缺陷，鋼架架設(shè)處噴混凝土很難施作密實(shí)，抗?jié)B性能差，鋼架易被地下水腐蝕。

噴混凝土中水泥水化后，生成大量的氫氧化鈣，使砂漿中含有大量的氫氧根離子，PH值一般可達(dá)到12～14，鋼材在這樣的高堿環(huán)境中，其表面會(huì)生成一層鈍化膜，這種鈍化膜能阻止錨桿或鋼架的銹蝕。若隧道地下水中含有氯鹽時(shí)，氯離子通常通過(guò)鋼架保護(hù)層的宏觀、微觀缺陷，滲透到保護(hù)層內(nèi)部并達(dá)到鋼架表面，直接或間接破壞鋼架表面的鈍化膜，使鋼材加速銹蝕繼而銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，使鋼架的保護(hù)層開裂與脫落。

為了減少鋼材銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)造成危害，需即時(shí)了解結(jié)構(gòu)中的鋼材銹蝕狀態(tài)，據(jù)此對(duì)鋼架采取必要措施，減少鋼架銹蝕。本文鋼架銹蝕測(cè)試方法采用自然電位法，自然電位通過(guò)測(cè)定鋼筋電極電位差來(lái)定性判定鋼架銹蝕狀況，其基本原理是：混凝土中的鋼筋與周圍介質(zhì)在交界面上相互作用形成雙電層，并與介質(zhì)兩側(cè)產(chǎn)生電位差，通過(guò)測(cè)試電位差判定鋼筋所處的狀態(tài)。

1 錨桿銹蝕機(jī)理及銹蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

混凝土中鋼筋銹蝕是在多相介質(zhì)中的電化學(xué)銹蝕過(guò)程，這一過(guò)程包括兩個(gè)相互獨(dú)立又相互依存的陰極反應(yīng)和陽(yáng)極反應(yīng)，其作用結(jié)果是在鋼架上建立起一個(gè)穩(wěn)定的混合電位，即鋼筋的自銹蝕電位。當(dāng)所處的環(huán)境不同時(shí)，鋼筋表面的銹蝕狀態(tài)也不同，相應(yīng)的電位就不同，且一般可分為以下四種情況：

1.1 鈍化狀態(tài)

在完好或被輕微侵蝕、且碳化深度很小的混凝土中，鋼架處于鈍化狀態(tài)，鋼架銹蝕速率很低，可認(rèn)為鋼架無(wú)銹蝕，鋼架的電位表現(xiàn)為正。

1.2 局部銹蝕

在具有較好導(dǎo)電性、pH值較大的混凝土中，當(dāng)氯離子只到達(dá)鋼架表面部分區(qū)域時(shí)，表現(xiàn)為活化一鈍化銹蝕電池的局部銹蝕。銹蝕區(qū)電位為負(fù)，鈍化區(qū)電位為正，且電位梯度較高，通常為-100～-200mV。

1.3 均勻銹蝕

即鋼架處于全面銹蝕狀態(tài)。均勻銹蝕是由碳化銹蝕（pH值低于鈍化范圍）或大量的氯離子使鈍化膜全面破壞所致，此時(shí)銹蝕電位很低，通常為-350mV以下。

1.4 低氧銹蝕

當(dāng)混凝土中的氧氣不能維持鈍化電流時(shí)，鋼架表面的鈍化膜將溶解為FeO2，銹蝕電位很低，只要混凝土中的氧氣不足以進(jìn)行陰極反應(yīng)，鋼架就基本不銹蝕。這種情況一般發(fā)生在長(zhǎng)期飽水的混凝土結(jié)構(gòu)物上，這種情況下的銹蝕電位也在-350mV以下。

銹蝕電位在-200mV～-230mV的情況下，銹蝕的概率為5%；在-230～-280mV的情況下，銹蝕的概率為50%，在 -280mV～-350mV的情況下，銹蝕的概率為95%。

混凝土中鋼架銹蝕狀態(tài)也可用電流進(jìn)行評(píng)價(jià)，銹蝕電流在一定的程度上可以反映鋼架銹蝕速度的快慢，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2 鋼架劣化規(guī)律試驗(yàn)研究

2.1 鋼架劣化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

若隧道結(jié)構(gòu)耐久壽命按設(shè)計(jì)100年考慮，《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了混凝土鋼筋保護(hù)層最小厚度35mm（即使是T1環(huán)境），對(duì)于模筑混凝土內(nèi)側(cè)臨大氣環(huán)境的一面，這個(gè)最小厚度是合理的，但是靠防水板一側(cè)二襯中鋼筋以及初支中鋼架的混凝土保護(hù)層厚度若仍按照《耐久性規(guī)范》中規(guī)定來(lái)執(zhí)行，不僅需要加大開挖斷面，同時(shí)還要增加混凝土的用量。作為不直接接觸大氣環(huán)境的這些結(jié)構(gòu)部位，是否需要按照《耐久性規(guī)范》的要求施作，現(xiàn)在沒有足夠的證據(jù)及研究表明這些確切的信息。

通過(guò)試驗(yàn)研究，在保證鋼筋不發(fā)生影響結(jié)構(gòu)安全及穩(wěn)定的銹蝕的前提下，盡可能減少混凝土保護(hù)層厚度，可以降低二襯及初支剛度，減少隧道脆性破壞，減少隧道開挖斷面及材料用量，是結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)性的有力支撐。

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/p>

針對(duì)隧道環(huán)境特點(diǎn)，模仿初支中鋼架和二襯中鋼筋不同保護(hù)層厚度制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。將隧道支護(hù)體系模型置于2.5%氯化鈉和2.5%硫酸鈉的混合溶液中，模擬圍巖中含有腐蝕離子的地下水環(huán)境，隧道結(jié)構(gòu)中鋼筋和鋼架受地下水的影響，易產(chǎn)生腐蝕劣化。

模型模擬地下水在緩慢滲透作用下，不同部位及不同保護(hù)層厚度的鋼筋和鋼架的銹蝕情況，進(jìn)而計(jì)算在特定的壽命期內(nèi)，不同保護(hù)層厚度鋼筋的銹蝕，據(jù)此合理設(shè)計(jì)鋼筋和鋼架保護(hù)層厚度。

針對(duì)隧道施工良好和施工不良的原因，制作同樣尺寸的兩個(gè)模型，一個(gè)是高品質(zhì)噴混凝土模型，另一個(gè)是低品質(zhì)噴混凝土模型。通過(guò)兩種情況的對(duì)比分析，確定鋼筋和鋼架銹蝕的最不利情況。

2.1.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某跗谥ёo(hù)采用C20噴射混凝土，二次襯砌采用C30混凝土，噴混凝土中埋設(shè)9根鋼筋，其中靠圍巖側(cè)埋設(shè)6根（編號(hào)為3-1～6），靠二襯一側(cè)埋設(shè)3根（編號(hào)為2-1～3），靠初支一側(cè)的二襯中埋設(shè)6根鋼筋（編號(hào)為1-1～6），鋼筋保護(hù)層厚度隨編號(hào)增大逐漸增大，鋼筋和鋼架具體設(shè)置位置和保護(hù)層厚度見表1。

根據(jù)試驗(yàn)工況，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵还仓谱鲀蓚€(gè)如圖2～5所示，分別為施工良好的模型（以下簡(jiǎn)稱A模型）和施工不良的模型（以下簡(jiǎn)稱B模型），兩模型主要差別在于初期支護(hù)C20噴混凝土的品質(zhì)。C30模筑混凝土和C20噴混凝土的配比選取如表2所示。

2.1.3 試驗(yàn)所用原材料

在模型制作的過(guò)程中，主要采用模筑混凝土、噴混凝土以及鋼筋等主要材料，試驗(yàn)原材料主要有水泥、砂、碎石和鋼筋。

水泥：水泥采用拉法基P.O42.5水泥，其性能指標(biāo)如表3所示。

砂：選用級(jí)配合理Ⅱ區(qū)河砂，其主要性能指標(biāo)如表4所示。

石：選用5～20mm碎石，含泥量小于0.3%，針片狀顆粒小于15%，碎石主要性能指標(biāo)如表5所示。

鋼筋：采用φ10的RHB335鋼筋進(jìn)行模擬，每根長(zhǎng)10cm。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 靠圍巖側(cè)初支中鋼架銹蝕測(cè)試

采用CHAIN LTM陽(yáng)極測(cè)試儀對(duì)初期支護(hù)內(nèi)靠圍巖側(cè)鋼架的銹蝕狀態(tài)進(jìn)行電壓及電流測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖6和圖7。

從圖6-7可以看出：

（1）所有鋼筋的初始電壓都為負(fù)，這是因?yàn)槭┕r(shí)混凝土中的化學(xué)成分和水分對(duì)鋼筋的侵蝕作用而造成的；

（2）隨著混凝土逐漸硬化，對(duì)于保護(hù)層厚度較小的鋼架（5～25mm），受地下水的滲透侵入作用，電壓不斷降低，集中在-100mv～-250mv之間，說(shuō)明此類鋼筋已處于銹蝕狀態(tài)；

（3）施工良好A模型的鋼筋銹蝕電壓值（最大值為 -200mv左右）明顯低于施工不良B模型（最大值為-250mv 左右）；

（4）銹蝕電流密度的規(guī)律與銹蝕電壓規(guī)律基本一致。

2.2.2 靠防水板側(cè)初支中鋼架銹蝕測(cè)試

采用CHAIN LTM陽(yáng)極測(cè)試儀對(duì)初期支護(hù)內(nèi)靠防水板側(cè)鋼筋的銹蝕狀態(tài)進(jìn)行電壓及電流測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖8-9。

從圖8-9可以看出：

（1）所有鋼筋的初始電壓都為負(fù)，這是因?yàn)槭┕r(shí)混凝土中的化學(xué)成分和水分對(duì)鋼筋的侵蝕作用而造成的；

（2）此處鋼筋的銹蝕規(guī)律與靠圍巖側(cè)鋼筋類似，這是由于水分從模型邊界處滲入到防水板上，保護(hù)層薄的鋼筋接觸水分更多，因此電壓值集中在-100mv左右，但峰值比靠圍巖側(cè)鋼筋的銹蝕電壓要小；

（3）電流密度變化規(guī)律與電壓值基本一致；

（4）施工質(zhì)量對(duì)此處鋼筋銹蝕影響不十分明顯，因?yàn)樵斐纱颂庝P蝕的水分大部分來(lái)自于模型邊界的滲漏。

2.2.3 靠防水板側(cè)二襯中鋼筋銹蝕測(cè)試

采用CHAIN LTM陽(yáng)極測(cè)試儀對(duì)靠防水板側(cè)二襯中鋼筋的銹蝕狀態(tài)進(jìn)行電壓及電流測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖10-11。

從圖10-11可以看出：

（1）所有鋼筋的初始電壓都為負(fù)，這是因?yàn)槭┕r(shí)混凝土中的化學(xué)成分和水分對(duì)鋼筋的侵蝕作用而造成的；

（2）此處鋼筋的銹蝕電壓基本隨著保護(hù)層厚度增大而減小，說(shuō)明了一定厚度的保護(hù)層對(duì)減少鋼筋銹蝕是有必要的；

（3）盡管二次模筑混凝土的施工質(zhì)量是一樣的，但由于初期支護(hù)和防水板的施工質(zhì)量差異，對(duì)二次襯砌內(nèi)的鋼筋腐蝕也造成了不同影響，表現(xiàn)為：初期支護(hù)施工不良的B模型的鋼筋銹蝕電壓和電流密度較大。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)觀察可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）初支中的鋼架和二襯中的鋼筋均有不同程度的腐蝕，但其腐蝕速度和程度有所不同，具體表現(xiàn)為靠圍巖側(cè)初支中鋼架—靠防水板側(cè)初支中鋼架—靠防水板側(cè)二襯鋼筋的規(guī)律遞減，其中初支中鋼架和二襯中鋼筋的腐蝕速度差別不大；

（2）施工條件對(duì)初支中鋼架和二襯中鋼筋腐蝕劣化程度有較強(qiáng)影響，施工條件良好有利于鋼材的防腐。因此，隧道結(jié)構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)重視對(duì)初期支護(hù)施作質(zhì)量的控制；

（3）混凝土保護(hù)層對(duì)防止鋼架和鋼筋的劣化有一定的作用，但在實(shí)際隧道施工中不能完全依賴增加保護(hù)層厚度來(lái)提高其耐久性能，還應(yīng)充分考慮環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 洪開榮.我國(guó)隧道及地下工程近兩年的發(fā)展與展望[J].隧道建設(shè)，2017，37（02）：123-134.

[2] 李永和，葛修潤(rùn).錨噴結(jié)構(gòu)中鋼錨桿銹蝕量的估計(jì)分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，1998（01）：50-54.

[3] 范建海，張世飆，陳建平，關(guān)愛軍.錨桿銹蝕對(duì)錨噴支護(hù)安全性影響分析[J].安全與環(huán)境工程，2002（04）：48-50.

[4] 趙健，冀文政，張文巾，曾憲明.現(xiàn)場(chǎng)早期砂漿錨桿腐蝕現(xiàn)狀的取樣研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005（S1）：179-184.

[5] 夏寧，任青文，李宗利.砂漿錨桿錨固段銹蝕脹裂過(guò)程的數(shù)值模擬及分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006（07）：1481-1485.

[6] 胡江春，徐曉晨，申號(hào)，楊成林，郭福偉.復(fù)雜環(huán)境中土層錨桿表面銹蝕的電化學(xué)特征[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，27（06）：6-9.

[7] 王軍.水化學(xué)腐蝕下錨桿的承載特性[J].煤炭技術(shù)，2016，35（04）：44-46.

[8] 丁萬(wàn)濤，劉金慧，張樂文.不同銹蝕度時(shí)海底隧道錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)巖錨相互作用分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，45（05）：1642-1652.

[9] 鄧東平，李亮，趙煉恒，劉劍豪.基于銹脹開裂的預(yù)應(yīng)力錨桿（索）使用壽命預(yù)測(cè)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（08）：1464-1472.