地鐵工程混凝土多因素耦合作用下抗腐蝕性能研究*

盧霄，艾洪祥，岳彩虹，陳旭

（中建西部建設(shè)新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

地鐵工程由于其環(huán)境特殊性，混凝土所遭受的侵蝕要比普通工程混凝土更復(fù)雜也更嚴(yán)酷[1-3]。一方面，地鐵工程普遍存在著雜散電流腐蝕現(xiàn)象，會(huì)對軌道沿線的埋地金屬和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用，從而對混凝土結(jié)構(gòu)安全性構(gòu)成極大的威脅；另一方面，地鐵工程的主體混凝土結(jié)構(gòu)往往處于地下水豐富、透水性強(qiáng)的地層中，而我國地下水特別是淺層地下水受污染比較嚴(yán)重，富含氯離子、硫酸根離子等侵蝕介質(zhì)[4-6]，因此地鐵混凝土作為長期處于地下水滲透的結(jié)構(gòu)，遭受著地下壓力水的溶蝕，酸性地下水的侵蝕，地下水中含有硫酸鹽、氯離子的侵蝕等等；同時(shí)，地鐵工程混凝土還承受著地鐵運(yùn)行時(shí)所帶來的交變疲勞荷載作用。故地鐵工程混凝土主要受雜散電流、氯鹽溶液及疲勞荷載三因素耦合侵蝕作用[7-8]。

1 試驗(yàn)用原材料

（1）水泥：青松水泥廠生產(chǎn)的 P·O42.5 水泥，比表面積 375m2/kg，3d 抗壓強(qiáng)度均值 27.6MPa，28d 抗壓強(qiáng)度均值 50.8MPa，初凝時(shí)間 180min，終凝時(shí)間220min，氯離子含量 0.02%。

（2）粉煤灰：紅二電生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度21.0%，燒失量 2.5%，含水量 0.4%，三氧化硫含量1.1%，游離氧化鈣含量 0.3%。

（3）礦粉：寶鑫盛源 S95 級磨細(xì)?；郀t礦渣粉，比表面積 410m2/kg，流動(dòng)度比 99%，28d 活性指數(shù)81%。

（4）硅灰：甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)，二氧化硅含量 91%。

（5）骨料：采用新疆和砼源生產(chǎn)的河砂，細(xì)度模數(shù) 2.8；5～20mm 卵石。

（6）減水劑：西部卓越建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能減水劑，減水率 29%。

2 方案設(shè)計(jì)

表 1 混凝土配合比設(shè)計(jì)方案 kg/m3

2.1 混凝土配合比方案

參考標(biāo)準(zhǔn) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、通過粉煤灰、礦粉雙摻，外摻硅灰，調(diào)整水膠比，優(yōu)化設(shè)計(jì) C40 混凝土配合比[9]，進(jìn)行對比試驗(yàn)，具體配合比設(shè)計(jì)方案見表 1。

2.2 試驗(yàn)方案

依據(jù) GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》控制混凝土出機(jī)狀態(tài)（坍落度 180～210mm）批量成型混凝土試件（圖 1）。自行設(shè)計(jì)開發(fā)三因素模擬儀器（圖 2），分別控制變量進(jìn)行了氯鹽溶液—雜散電流—疲勞荷載三因素耦合試驗(yàn)。依據(jù) GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試不同齡期試件動(dòng)彈模量、抗折強(qiáng)度及鋼筋銹蝕率來評判試驗(yàn)效果并進(jìn)行分析[10]。圖 3 為混凝土分項(xiàng)測試照片。

圖 1 鋼筋混凝土二次成型試件圖

圖 2 試塊成型照片及試驗(yàn)原理圖

圖 3 鋼筋混凝土分項(xiàng)測試照片

本研究氯鹽溶液采取 2%、5% 質(zhì)量濃度，疲勞荷載應(yīng)力水平采取 0.20、0.50，雜散電流通電電壓采取 50V、100V，混凝土試塊采用 100mm×100mm×400mm 尺寸，試塊內(nèi)部預(yù)埋鋼筋，鋼筋一端連接導(dǎo)線，通過電解池原理進(jìn)行通電試驗(yàn)。整體試驗(yàn)方案見表2。本次研究主要選取試驗(yàn) 1、2、3、5 進(jìn)行測試分析。

表 2 整體試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 混凝土三因素耦合作用試驗(yàn)——固定三變量

表 3 和圖 4 分別為三因素耦合條件下（雜散電流通電電壓 50V、氯鹽溶液質(zhì)量濃度 2%、疲勞荷載應(yīng)力水平 0.20）鋼筋混凝土的動(dòng)彈模量、鋼筋銹蝕率及抗折強(qiáng)度隨試驗(yàn)齡期變化結(jié)果。分析可知，橫向比較，在三因素共同作用下，鋼筋混凝土動(dòng)彈模量、鋼筋銹蝕率及抗折強(qiáng)度隨齡期增長，即隨耦合作用時(shí)間增長而呈現(xiàn)規(guī)則性變化，因?yàn)殇摻罨炷帘怀掷m(xù)腐蝕，故鋼筋發(fā)生銹蝕現(xiàn)象[11]，混凝土結(jié)構(gòu)受到一定破壞，動(dòng)彈模量降低、鋼筋銹蝕率增加、抗折強(qiáng)度降低，同時(shí)，比較 6 組配合比混凝土相關(guān)數(shù)據(jù)變化情況，可知同一強(qiáng)度混凝土，硅灰的摻入及水膠比的調(diào)整均對其抗腐蝕性能有顯著影響，硅灰摻入與水膠比的降低均對鋼筋混凝土抗三因素腐蝕作用有利。

表 3 動(dòng)彈模量鋼筋銹蝕率及抗折強(qiáng)度隨齡期變化

圖 4 三因素耦合條件下混凝土性能變化曲線

3.2 混凝土三因素耦合作用試驗(yàn)——鋼筋銹蝕率（控制變量）

基于 3.1 小節(jié)三因素固定值（電壓 50V、氯鹽濃度2%、應(yīng)力水平 0.20），改變單一因素（分別調(diào)整雜散電流通電電壓至 100V、氯鹽溶液質(zhì)量濃度至 5%、疲勞荷載應(yīng)力水平至 0.50），通過控制變量法進(jìn)行鋼筋銹蝕率影響因素的測試，結(jié)果見表 4。

對比表 3 和表 4 數(shù)據(jù)可知，通電電壓增大、氯鹽溶液濃度增加、疲勞荷載應(yīng)力水平增大均會(huì)使混凝土鋼筋銹蝕率有較明顯增加，其中影響因素作用由大到小分別為：電壓增大＞氯鹽濃度增加＞疲勞荷載增加；同時(shí)，比較表 4 中 6 組配比銹蝕率變化情況，整體趨勢基本保持一致，故硅灰的摻入及宏觀水膠比的降低，對電壓增大、氯鹽溶液濃度增加及疲勞荷載水平增高導(dǎo)致的腐蝕威脅均有良好抑制作用。

3.3 混凝土三因素耦合作用試驗(yàn)——抗折強(qiáng)度（控制變量）

基于 3.1 小節(jié)三因素固定值（電壓 50V、氯鹽濃度2%、應(yīng)力水平 0.20），改變單一因素（分別調(diào)整雜散電流通電電壓至 100V、氯鹽溶液質(zhì)量濃度至 5%、疲勞荷載應(yīng)力水平至 0.50），通過控制變量法進(jìn)行抗折強(qiáng)度影響因素的測試，結(jié)果見表 5。

表 4 鋼筋銹蝕率隨齡期變化數(shù)據(jù) %

表 5 抗折強(qiáng)度隨齡期變化數(shù)據(jù) MPa

對比表 3 和表 5 數(shù)據(jù)可知，通電電壓增大、氯鹽溶液濃度增加、疲勞荷載應(yīng)力水平增大均會(huì)使混凝土抗折強(qiáng)度有一定程度的損失，整體趨勢與鋼筋銹蝕率試驗(yàn)基本一致，但是變化相比于鋼筋銹蝕率較小，是由于從鋼筋銹蝕率的增加反映到混凝土抗折強(qiáng)度的減小，還有混凝土中鋼筋抗彎強(qiáng)度作為中間變量，即從內(nèi)到外的一個(gè)因素傳導(dǎo)過程，故宏觀數(shù)據(jù)趨勢上會(huì)有一定變化，這從側(cè)面說明，鋼筋混凝土鋼筋銹蝕率與抗折強(qiáng)度存在著固定比例關(guān)系，隨著鋼筋銹蝕率的增大，混凝土的抗折強(qiáng)度在減小。

3.4 掃描電鏡（SEM）微觀試驗(yàn)

為明確在不同耦合條件腐蝕下，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部微觀形貌變化，選取試驗(yàn)配比中具有代表性的兩組（PH-2、PH-5）試驗(yàn)試件內(nèi)部預(yù)埋鋼筋端點(diǎn)附近取樣，進(jìn)行掃描電鏡（SEM）試驗(yàn)分析，以空白對照組（PH-5）、雙因素耦合對比試驗(yàn)組（雜散電流通電電壓 100V、氯鹽溶液濃度 2%、PH-5）、三因素耦合對比試驗(yàn)組（雜散電流通電電壓 100V、氯鹽溶液濃度2%、疲勞荷載 0.20、PH-5）、三因素耦合對比試驗(yàn)組（雜散電流通電電壓 100V、氯鹽溶液濃度 2%、疲勞荷載 0.20、PH-2）作為 4 個(gè)對比分析組。

3.4.1 不同對比組密實(shí)度微觀形貌特征分析

密實(shí)度微觀形貌特征詳見圖 5。

觀察分析：空白對照組未受耦合因素影響，試件表面平整，結(jié)構(gòu)排列緊密；施加雙因素耦合條件后，由于雜散電流與氯鹽溶液對混凝土腐蝕作用，試件表面粗糙、致密性差，結(jié)構(gòu)排列散亂，微小孔洞多，混凝土結(jié)構(gòu)受到破壞[12]；三因素耦合條件下，試件微觀形貌中有明顯裂縫，且縫寬大、數(shù)量多、分布廣；針對三因素腐蝕機(jī)理，進(jìn)行配合比優(yōu)化（包括水膠比調(diào)整，硅灰引入，高性能抗腐蝕劑內(nèi)摻等），三因素耦合后，試件微觀形貌中可觀察到雖存在裂縫，但縫寬較小，且數(shù)量少，致密性得到顯著改善，反映到宏觀中表現(xiàn)為混凝土抗腐蝕性得到明顯增強(qiáng)，內(nèi)部鋼筋可得到有效保護(hù)。

圖 5 微觀形貌照片對比（密實(shí)度-1.0k 倍）

3.4.2 不同對比組水化產(chǎn)物微觀形貌特征分析

水化產(chǎn)物微觀形貌詳見圖 6。

觀察分析：空白對照組表面水化產(chǎn)物鈣礬石較為密集，呈層狀、片狀排列，可一定程度提升試塊內(nèi)部密實(shí)度；雙因素對比組表面水化產(chǎn)物多為簇?fù)韴F(tuán)聚、針尖狀鈣礬石結(jié)晶，鈣礬石生長相對密實(shí)；三因素對比組（PH-5）水化產(chǎn)物鈣礬石排列不整齊、較為分散，對混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度貢獻(xiàn)有限，三因素對比組（PH-2）水化產(chǎn)物結(jié)晶生長密集，且形成“鈣礬石網(wǎng)結(jié)構(gòu)”，對混凝土整體強(qiáng)度及致密性有利。

4 結(jié)論

（1）鋼筋混凝土動(dòng)彈模量、鋼筋銹蝕率及抗折強(qiáng)度可有效反映其抗腐蝕性能，動(dòng)彈模量降低、鋼筋銹蝕率增加、抗折強(qiáng)度降低均說明鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到了不利腐蝕影響[13]。

（2）雜散電流通電電壓、氯鹽溶液濃度及疲勞荷載應(yīng)力水平等因素的變化，均會(huì)對鋼筋混凝土各項(xiàng)性能產(chǎn)生影響，隨著通電電壓、氯鹽溶液濃度、疲勞荷載應(yīng)力水平的增大，混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕逐漸增大，同時(shí)隨著齡期的增長，銹蝕率也在逐漸增大，同時(shí)，混凝土鋼筋銹蝕率與抗折強(qiáng)度存在一定比例關(guān)系。

圖 6 微觀形貌照片對比（水化產(chǎn)物-10.0～25.0k 倍）

（3）通過微觀試驗(yàn)（SEM）對試件密實(shí)度及水化產(chǎn)物進(jìn)行形貌分析可知，試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期后，水化已基本完成，水化產(chǎn)物受外界耦合因素侵蝕影響有限，但不同配比水化產(chǎn)物形成致密性有較大差異；同配比混凝土試件隨著侵蝕性耦合因素的增多，表面結(jié)構(gòu)形貌有明顯劣性變化，通過優(yōu)化配合比，可顯著提高微觀結(jié)構(gòu)致密性，從而整體提升混凝土抗腐蝕性能。

（4）通過對鋼筋混凝土配比進(jìn)行調(diào)整，即硅灰的摻入及宏觀水膠比的降低均對其抗腐蝕性能產(chǎn)生有利影響。