城市地鐵鋼筋混凝土雜散電流腐蝕研究

蘇 昕，李祝文,2,3，劉朝暉，王永紅，吳清強

(1.中國交建馬來西亞東海岸鐵路項目總經(jīng)理部，吉隆坡 50480；2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430040；3.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430040)

隨著我國經(jīng)濟快速增長和“一帶一路”的大力推進，城市軌道快速發(fā)展，截止至2021年1月1日，我國內(nèi)地已有45個城市修建地鐵，投運交通線路達7 978.19 km。上述工程在采用直流供電牽引方式服役過程中，流經(jīng)行走軌的電流不能全部流回牽引變電所的負極，有一部分電流會泄漏進入土壤形成雜散電流。雜散電流主要會使得地鐵周圍的埋地金屬管道、通訊電纜外皮以及道床甚至是車站和區(qū)間隧道主體結構中的鋼筋發(fā)生電化學腐蝕，縮短金屬管線和鋼筋的使用壽命，降低地鐵鋼筋混凝土主體結構的強度和耐久性。因此，開展城市地鐵鋼筋混凝土雜散電流腐蝕的研究，對提升工程結構服役壽命和降低潛在安全風險顯得十分重要。關于雜散電流對鋼筋混凝土的腐蝕，國內(nèi)外學者進行了大量的研究工作[1-2]，并在雜散電流加速鋼筋銹蝕、引起混凝土性能退化以及雜散電流防護方面取得了眾多的研究成果。該文以某軌道工程項目為依托，通過摻加礦物摻合料、膨脹劑及鋼纖維等方式優(yōu)化混凝土配合比，研究雜散電流對混凝土及鋼筋腐蝕的影響。

1 試 驗

1.1 原材料及配合比

水泥(C)：華新PO42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰(FA)：北侖二級灰；礦粉：S95級；粗骨料(G)：石灰石5～25.5 mm的連續(xù)級配；細骨料(S)：機制砂，細度模數(shù)2.6；外加劑(Ad)：中交二航新材料的高效減水劑；鋼纖維為泰安同宏纖維有限公司生產(chǎn)的tath05鋼纖維，膨脹劑為MgO微膨脹劑。鋼筋：Q235鋼，尺寸為φ8 mm ×140 mm。

1.2 方法

成型150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試塊，養(yǎng)護到28 d后兩端包裹惰性鈦網(wǎng)作為陰極和陽極，試塊中放置鋼筋模擬雜散電流作用下混凝土內(nèi)部鋼筋，鋼筋位于陰陽極中間，并引出銅導線便于進行電化學測試。在試驗裝置內(nèi)注入蒸餾水，液面低于混凝土試件5～10 mm，并放置溫度計測量水槽中蒸餾水溫度，當液面不滿足要求時及時補充蒸餾水。

將表1中每個配合比分成4組，第1組通電并放置鋼筋，第2組通電不放置鋼筋，第3組不通電不放置鋼筋僅在蒸餾水中進行與前兩組相同的養(yǎng)護，第4組不通電放置鋼筋在蒸餾水中進行與前三組相同的養(yǎng)護。

表1 混凝土試驗配合比

通電4周和7周后，第二組和第三組進行混凝土抗壓強度測試，評估不同配合比混凝土在雜散電流影響下的抗壓強度比；取出第一組和第四組進行鋼筋極化曲線測量，評估鋼筋的電化學性能。

2 結果與分析

2.1 雜散電流對混凝土的影響

通電4周和7周分別進行了混凝土抗壓強度比測試，測試結果見表2。由表2可知，加載電流混凝土抗壓強度有所降低，主要是電流使混凝土的孔隙率增多，孔徑增大，結構越來越疏松，并在電場作用下，混凝土孔溶液中離子的定向遷移導致孔隙率增大且形成連通孔，從而使強度下降[3-4]。已有學者和教授通過微觀測試發(fā)現(xiàn)[5-6]，靠近陰極的混凝土砂漿中膠凝產(chǎn)物呈松散狀，水化硅酸鈣產(chǎn)物的Ca/Si比略有下降。加載電流28 d抗壓強度損失范圍為2.9%～10.6%，加載電流49 d抗壓強度損失范圍為3.7%～12.2%，波動幅度均較大，說明在混凝土中增加礦物摻合料、膨脹劑及鋼纖維，混凝土的密實度變化明顯，從而導致強度變化大。但對于同一配合比，加載電流49 d抗壓強度損失明顯大于28 d，混凝土抗壓強度損失隨著加載電流的時間的增加而增大。

表2 雜散電流對混凝土抗壓強度的影響

由表2可知，不同配合比強度降低的幅度差異較大，依次為純水泥>單摻粉煤灰+纖維>單摻粉煤灰>單摻礦粉>單摻粉煤灰+膨脹劑>粉煤灰和礦粉復合摻入，且加載電流49 d和28 d變化規(guī)律相同。在電流作用下潮濕混凝土內(nèi)部孔隙中離子會隨著電流進行定向遷移，造成水化進程的差異。不同配合比在相同水膠比的情況下由于膠凝材料體系的差異帶來混凝土中孔隙結構的不同，故不同配合比混凝土試塊強度損失差異大。纖維對于強度損失影響較小，主要是纖維雖然增加了混凝土的密實度，但纖維導電性較強，降低了混凝土的電阻率，增加了雜散電流在混凝土內(nèi)部的傳導。膨脹劑有利于改善混凝土密實度，但其效果比礦物摻合料差，礦物摻合料的摻入可以顯著改善水泥石的密實程度，提高水泥石的電阻率，抑制雜散電流在混凝土內(nèi)部的傳導，降低雜散電流形成的電場強度，使得混凝土更為密實，雙摻礦物摻合料配合比強度損失最小。

2.2 雜散電流對鋼筋的影響

圖1為49 d齡期鋼筋試樣的動電位掃描極化曲線。由圖1可知，與未加載電流相比，加載電流49 d后，混凝土中鋼筋電極的自腐蝕電位E0逐漸負移，腐蝕電流密度I0逐漸增大。這是因為加載電流后，電場對混凝土孔溶液中離子的作用越強，單位時間離子的遷移量越大，對鋼筋的腐蝕越嚴重[7,8]。同時，隨混凝土配合比的變化，鋼筋電極的自腐蝕電位和腐蝕電流變化量呈現(xiàn)不同規(guī)律，純水泥混凝土變化最大、粉煤灰與纖維混摻次之，粉煤灰與礦粉變化最小，表明混凝土的性能對于防止雜散電流對鋼筋的作用有較大影響，粉煤灰與礦粉復合摻入的配合比有較優(yōu)的表現(xiàn)。

表3是通過圖1換算所得不同混凝土配合比下鋼筋自然腐蝕電位和腐蝕電流密度。由表可知，各配合比的混凝土都存在明顯的去鈍化期，該階段的試驗現(xiàn)象不明顯，電解池體系的電流很小，只有小幅上升的趨勢。由于礦物摻合料、纖維及膨脹劑的加入引入了金屬及其氧化物，因此不論摻加何種摻合料，對比基準混凝土，都有明顯能抑制雜散電流的作用。其中雙摻礦物摻合料電流密度最小，抑制效果最好，而單摻粉煤灰電流密度最大，可能與粉煤灰生產(chǎn)過程中混入金屬碎末有關，卻對雙摻影響較小，說明粉煤灰也存在一定的抑制效果。單摻礦粉的電流密度比單摻粉煤灰小，比雙摻礦物摻合料大，說明礦粉的抑制效果優(yōu)于粉煤灰，雙摻礦物摻合料優(yōu)于單摻。摻入鋼纖維或膨脹劑后，鋼筋電流密度小于基準配合比，說明鋼纖維和膨脹劑可以適當抑制雜散電流腐蝕，但抑制效果比雙摻礦物摻合料較差。對于未加載電流和加載電流49 d的各組配合比混凝土，其鋼筋的自腐蝕電位均在-250 mV以上，腐蝕電流密度均小于0.1 μA/cm2，說明混凝土中鋼筋均處于鈍化狀態(tài)，沒有發(fā)生腐蝕。

表3 不同混凝土配合比下鋼筋自然腐蝕電位和腐蝕電流密度

礦物摻合料能夠明顯改善混凝土的孔結構，提高混凝土的密實度[9]，增大混凝土的電阻率，因此礦物摻合料能有效降抑制雜散電流在混凝土內(nèi)部的傳導，并降低其電流強度。復摻情況下腐蝕電流的波動性相較于單摻更加穩(wěn)定,腐蝕電流波動越小，發(fā)生破壞時所需的累計電量越高，其穩(wěn)定性便于觀測及防控，因此復合添加摻合料的混凝土更適合實際工程的使用。

3 結 論

a.雙摻礦物摻合料可有效改善混凝土孔隙結構和提高電阻率，使其強度損失最小，加載電流最小，自然腐蝕電位最正，腐蝕電流最小，腐蝕電位和腐蝕電流波動幅度最小。

b.鋼纖維和膨脹劑對雜散電流存在一定抑制效果，但抑制效果略低于雙摻礦物摻合料，與其自身含有金屬及金屬氧化物有關。

c.采用雙摻礦物摻合料+鋼纖維+膨脹劑膠凝體系可以制備出高性能高阻抗混凝土，具備抑制雜散電流腐蝕的能力。