雜散電流和氯離子耦合作用下鋼纖維混凝土腐蝕試驗(yàn)研究

林龍鑌

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院土木工程學(xué)院，福建漳州 363105)

鋼纖維混凝土作為一種新型的復(fù)合材料，具有良好的力學(xué)性能，較普通混凝土而言，抗拉、抗彎、還是抗剪強(qiáng)度等均有顯著提高，且抗疲勞、抗沖擊和耐久性能等亦有較大的改善。該材料被廣泛地運(yùn)用于道路、橋梁、隧道、建筑等工程應(yīng)用領(lǐng)域。鋼纖維混凝土還具有良好的耐火性能，可作為替代隧道結(jié)構(gòu)材料的理想材料。將該材料應(yīng)用于地鐵新型盾構(gòu)管片的制作，正成為一個(gè)重要的應(yīng)用方向。它能夠較好地解決盾構(gòu)管片制作和搬運(yùn)過程中遇見的掉角、開裂等問題，為隧道火災(zāi)搶險(xiǎn)爭取更多的時(shí)間，減少生命財(cái)產(chǎn)的損失。

因顧慮在地鐵環(huán)境中，鋼纖維混凝土耐久性能受到影響，應(yīng)用項(xiàng)目不多，文獻(xiàn)顯示僅有國外丹麥[1]，國內(nèi)武漢[2]、西安[3]和南京[4]等城市地鐵項(xiàng)目。地鐵機(jī)車采用直流電源驅(qū)動，機(jī)車在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生雜散電流泄漏，雜散電流會導(dǎo)致地鐵沿途的金屬管道和結(jié)構(gòu)鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕[5]，導(dǎo)致管道泄漏和結(jié)構(gòu)壽命縮短。近年來，許多沿海城市修建地鐵工程的項(xiàng)目增多。沿海城市存在海水入侵的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致地下水氯離子含量增高[6]，氯離子會破壞金屬鈍化膜，使得結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕[7-8]。研究雜散電流和氯離子耦合作用下，鋼纖維混凝土的耐久性能，推動在沿海發(fā)達(dá)城市的地鐵項(xiàng)目中使用該復(fù)合材料具有一定的工程意義。

有關(guān)鋼纖維混凝土耐久性能的研究成果，更多關(guān)注其在生活污水[9]、工業(yè)費(fèi)廢水[10]、沿海地區(qū)[11]和海洋[12]等環(huán)境中的腐蝕行為，而在沿海地鐵環(huán)境中腐蝕行為研究成果甚少。A.O.S.Solgaard研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土存在明顯的“尺度效應(yīng)”，陰陽兩極間的電位梯度將隨著增強(qiáng)材料長度的減小而增大[13]；Kangkang通過一系列試驗(yàn)，研究了單根鋼纖維在雜散電流環(huán)境中的腐蝕行為，及雜散電流與氯離子共同作用下的腐蝕行為[14-16]。現(xiàn)有的研究，并不足以解開工程技術(shù)人員對該問題的困惑。

本文模擬了雜散電流腐蝕環(huán)境，以氯化鈉為導(dǎo)電溶液，研究在兩種不利因素耦合作用下，鋼纖維混凝土的腐蝕行為。試驗(yàn)揭示了，鋼纖維混凝土銹蝕后強(qiáng)度損失率與氯化鈉溶液濃度間的關(guān)系，有助于增加工程人員對材料耐久性能的客觀認(rèn)識，促進(jìn)材料的推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 原材料

鋼纖維混凝土制作原材料：水泥為海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰等級為Ⅱ級；砂為河砂，細(xì)度模數(shù)2.57；碎石粒徑級配為10～20 mm；減水劑為壘知集團(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，長度為30 mm，長徑比為60.2，抗拉強(qiáng)度為620 MPa。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)一般地鐵工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，水膠比為0.41，試件的鋼纖維體積率為1.5 %，粉煤灰摻量為15 %，詳細(xì)配合比信息如表1所示，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm?；炷涟柚萍霸嚰谱髯裱璊GJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和JGJ T221-2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)范條文的要求。試件的制作數(shù)量為4組(12塊)，其中1組用于測量材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，另3組分別用于不同條件下的腐蝕試驗(yàn)，測量材料強(qiáng)度的損失率。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 雜散電流腐蝕試驗(yàn)裝置

腐蝕試驗(yàn)裝置為自制，如圖1所示。試驗(yàn)裝置采用導(dǎo)電絕緣材料(塑料)與試件兩端表面拼接形成容器空間，塑料與試件接縫處內(nèi)外均采用中性硅膠進(jìn)行密封，該容器空間用于存放導(dǎo)電溶液。直流電源采用香港龍威儀器儀表有限公司生產(chǎn)的型號為TPR-12002直流穩(wěn)壓電源，可高精度輸出0～110 V之間的穩(wěn)定直流電壓。電極分別采用石墨板和鈦網(wǎng)片，其中與電源正極相連的為石墨板，與電源負(fù)極相連的為鈦網(wǎng)片，電極安置于容器內(nèi)的導(dǎo)電溶液中，分別平行安置于試件的兩側(cè)面。電流由正極輸出至石墨板，經(jīng)導(dǎo)電溶液到達(dá)試件陰極面，穿過試件內(nèi)部至陽極面，經(jīng)導(dǎo)電溶液和鈦網(wǎng)片回流回電源負(fù)極。

表1 混凝土設(shè)計(jì)配合比

注：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

2.2 腐蝕試驗(yàn)方案

郭占榮學(xué)者研究了廈門市海水入侵后，廈門島內(nèi)地下水氯離子的含量分布。參考其成果，本次試驗(yàn)采用氯化鈉溶液模擬地鐵結(jié)構(gòu)的外部環(huán)境，濃度范圍設(shè)定為1 %～3 %。采用直流電源模擬雜散電流，容器內(nèi)的氯化鈉溶液則是腐蝕介質(zhì)，通過該裝置實(shí)現(xiàn)對鋼纖維混凝土材料施加雜散電流和氯離子的耦合作用。

腐蝕電壓為60 V，腐蝕時(shí)間為3 d，共進(jìn)行了三種不同腐蝕條件下的腐蝕試驗(yàn)，分別對應(yīng)1 %、2 %和3 %的氯化鈉導(dǎo)電溶液，每種腐蝕條件下腐蝕的試塊數(shù)量為1組(3塊)，試件試件齡期為330 d。根據(jù)導(dǎo)電溶液的不同對試驗(yàn)進(jìn)行編號，如表2所示，其中D3表示導(dǎo)電溶液為溶度的3 %氯化鈉溶液。

表2 試驗(yàn)方案

3 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)GB/T 50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，分別對腐蝕后試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，得到腐蝕后鋼纖維混凝土的強(qiáng)度值。將強(qiáng)度測量值代入下式(1)計(jì)算腐蝕后材料的強(qiáng)度損失率。各組腐蝕后強(qiáng)度測試結(jié)果及強(qiáng)度損失率計(jì)算結(jié)果，如圖2所示。

(1)

圖1 氯化鈉濃度對材料強(qiáng)度損失率的影響

圖2顯示，在同等的電壓強(qiáng)度和腐蝕時(shí)間下，鋼纖維混凝土材料強(qiáng)度值和氯離子濃度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，腐蝕后材料強(qiáng)度隨著氯離子濃度的提高而降低；強(qiáng)度損失率Kc與氯離子濃度成正相關(guān)關(guān)系，隨著氯化鈉濃度的提高而提高。在混凝土種摻入鋼纖維，由于鋼纖維的阻裂作用，較好地改善了混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能，提升了材料對腐蝕介質(zhì)的入侵的防御能力。但是，銹蝕后鋼纖維的阻裂作用減弱，銹蝕生成物體積膨脹，取而代之對混凝土產(chǎn)生了漲裂作用，銹漲作用使得混凝土內(nèi)部生成裂縫，材料強(qiáng)度降低，抵御腐蝕介質(zhì)入侵的能力下降，材料的耐久性能減弱。當(dāng)鋼纖維嚴(yán)重銹蝕后，纖維的漲裂作用將大于阻裂作用，材料內(nèi)部的漲裂縫擴(kuò)展，直至與相鄰的漲裂縫貫通，形成嚴(yán)重危害材料強(qiáng)度的貫通裂縫，是材料強(qiáng)度損失嚴(yán)重的根本原因。

腐蝕后的試件陽極面生成了大量銹蝕物，如圖3所示。陽極表面的銹蝕生成物，主要為混凝土內(nèi)部的鋼纖維發(fā)生銹蝕后，生成物沿著纖維周邊混凝土漲裂縫外滲，到達(dá)試件表面堆積而成。試驗(yàn)結(jié)果顯示，氯離子和雜散電流耦合作用下，對鋼纖維混凝土具有強(qiáng)大的銹蝕能力，材料強(qiáng)度在銹蝕后顯著下降。比較不同腐蝕條件下試件陽極面的銹蝕物，結(jié)果顯示隨著氯離子濃度提高，試件陽極面的銹蝕生成物增多，材料受到的腐蝕影響加重，如圖3所示。氯離子對鋼纖維鈍化膜的破壞是導(dǎo)致銹蝕的重要原因。

圖3 腐蝕后試件陽極面銹蝕照片對比

4 結(jié)論

本文研究鋼纖維混凝土在雜散電流和不同氯化鈉導(dǎo)電溶液疊加作用下，對材料耐久性能的影響。通過模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)在雜散電流和氯離子兩種不利因素的共同作用下，對鋼纖維混凝土的強(qiáng)度有顯著影響。鋼纖維的銹漲作用逐漸增大至主導(dǎo)作用，材料內(nèi)部裂縫生成和擴(kuò)展，是材料強(qiáng)度損失的原因。

(2)導(dǎo)電溶液中氯離子濃度的提高，將加劇了對鋼纖維混凝土的腐蝕影響。氯離子數(shù)量的增加，在電流的作用下，對鋼纖維鈍化膜的破壞作用加劇，導(dǎo)致材料發(fā)生嚴(yán)重銹蝕。

綜上所述，在地鐵環(huán)境中使用鋼纖維混凝土，如果結(jié)構(gòu)周邊的地下水中含有氯離子時(shí)，應(yīng)對該材料的耐久性能進(jìn)行審慎評估，以減少地鐵運(yùn)營后結(jié)構(gòu)材料發(fā)生銹蝕的維修費(fèi)用。