锚索孔道压浆体的非稳态腐蚀性能研究

张军平

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州　730000)

近年来，预应力锚索锚固技术已在山区铁路、公路的路堑高边坡加固工程中得到了广泛应用，就2001年开工建设的渝怀铁路工程而言，边坡加固工点38处，使用锚索2 121根，合计锚索长度约6万多米，沿线任何一处边坡锚索的安全可靠性都影响着整条铁路线的安全行车，可见锚索的耐久性对铁路的安全运营具有重要作用。因此，锚索的安全性、可靠性以及耐久性也越来越受到广大学者及工程界人士的关注。按GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》中第8.1.3条要求，锚索的设计使用年限应高于被保护建(构)筑物的设计使用年限。这就需要估算锚索的服务年限，而锚索的服务年限又与锚索孔道压浆体在锚索钢绞线周围所形成的保护层(简称压浆体保护层)的抗腐蚀能力息息相关，即压浆体保护层对钢绞线的保护作用将直接影响着锚索的服务年限。

压浆作为锚索防腐蚀的主要措施之一，对于确保锚索在各种环境下(比如在能导致锚索的钢绞线加速锈蚀的氯离子环境下)的工作性能显得尤为重要[1]。与钢绞线发生反应的有害物质主要为氯离子，其来源主要包括压浆材料自身携带的和从外界环境中渗透进来的。在这2种能带来氯离子的途径中，压浆材料自身所携带的氯离子往往绝大多数被压浆体吸附，以结合的方式存在于压浆体中，对钢绞线锈蚀的影响很小；造成钢绞线大面积锈蚀甚至丧失作用的主要因素是外界环境中渗透进来的氯离子[2]。因此，压浆体保护层抗外界氯离子入侵的能力是锚索防腐蚀研究的重点内容。

锚索的压浆材料主要为水泥浆或水泥砂浆，目前在锚索孔道压浆工艺上只考虑压浆体的密实度、强度等因素，缺少关于压浆材料的成分对抵抗外界有害化学物质渗透及锚索腐蚀影响的研究。在压浆材料的抗腐蚀方面，国内外有学者采用加速腐蚀方法对预应力结构孔道压浆材料进行了锈蚀研究[3-6]，但只是用试验结果定性描述了氯离子在压浆体保护层中的扩散是非稳态的，而没有定量分析其非稳态扩散的特性。本文综合前人的研究成果，采用外加电场梯度进行加速腐蚀试验，得到钢绞线腐蚀效果更为明显的试验数据，依据Fick扩散定律推导等效扩散系数关系式，计算加速腐蚀时刻的等效扩散系数，并用等效扩散系数的变化定量解释压浆体保护层中氯离子的非稳态扩散特性，为锚索孔道的压浆材料选择及配制提供更为科学的理论依据。

1　试验简介

1.1　压浆体原材料及配合比

(1)水泥。分别选取甘肃祁连山水泥集团股份有限公司的P.O42.5水泥(记为QL)和甘肃恒亚水泥有限公司的P.O42.5水泥(记为HY)。

(2)压浆剂。分别选取厦门兴纳科技有限公司的XN-Y型高性能压浆剂(记为XN)、湖南省白银新材料有限公司的BY12-Ⅰ型高性能压浆剂(记为BY)和湖北中桥科技有限公司的CHIDGE型高性能压浆剂(记为ZQ)。3种压浆剂的各项性能指标均符合JTG/TF 50—2011《公路桥涵施工技术规范》关于专用高性能压浆剂的各项指标要求。

(3)配合比。水泥∶压浆剂∶水=2.7∶0.3∶0.81。

1.2　试验方法与过程

采用外加直流稳压电源为加速腐蚀试验提供电场梯度环境，待腐蚀的钢绞线接电源的正极，作为电化学腐蚀的阳极，不锈钢棒辅助电极接电源的负极，作为电化学腐蚀的阴极。压浆体保护层作为电的不良导体，在电路通电后的恒定电压作用下，电势能使不导电的压浆体保护层被极化开始导电，带电的氯离子渗透到钢绞线的表面，造成钢绞线发生腐蚀。随着钢绞线被逐渐腐蚀，钢绞线表面的腐蚀物越来越多，腐蚀物的体积膨胀，能达到腐蚀前钢绞线体积的2～4倍[7-8]，当腐蚀物的体积增大到一定程度，会使包裹钢绞线的压浆体保护层产生膨胀裂缝，当裂缝宽度增大到一定程度时，其他腐蚀性液体也会穿过压浆体保护层直接与钢绞线接触并发生腐蚀反应。试验过程中，由于电流随着时间发生复杂的变化，因此可根据电流的变化研究压浆体的抗腐蚀能力。

在外加电场梯度的加速腐蚀试验中选用长度为25 cm、直径为15.2 mm的钢绞线，以不同直径的pvc管作为不同直径待腐蚀试件的模具。将拌制好的压浆材料注入pvc管中，然后放在温度20 ℃、湿度≥90%的标养室内养护7 d。试验前去掉中间10 cm长的pvc管，露出水泥浆包裹的钢绞线，置入浓度为5%的氯化钠溶液中，接通电路进行加速腐蚀试验。用电压表监控供电电源的稳压状态，用电流表观测电路中的腐蚀电流，电路连接方式如图1所示。

图1　加速腐蚀试验示意图

2　等效非稳态扩散系数推导

在氯离子环境下锚索孔道压浆体内的钢绞线腐蚀过程可分为诱导期、发展期和失效期3个阶段[9]。目前对锚索服务年限的研究还很少，没有可靠的计算理论，通常仅从永久性锚索和临时性锚索考虑，通过提高安全系数增加锚索的服务年限。绝大多数学者采用Fick扩散定律研究预应力混凝土的服务年限，结果表明，使原子迁移的作用力与应力场梯度、氯离子浓度梯度、电场梯度等因素相关[10]。而通过本文试验又进一步得知，在外加直流稳压电源后，所产生的电场梯度远大于氯离子浓度梯度和应力梯度，故本文只研究电场梯度作用下氯离子在压浆体中的扩散现象。

随着高能量带电粒子的不断迁移和能量消耗，粒子的非稳态扩散最终会发展成稳态扩散，腐蚀电流终将趋于稳定值。运用Fick定律进行分析，氯离子在压浆体保护层径向(设为x方向)的扩散方程可表述为

(1)

式中：D为氯离子的非稳态扩散系数；t为扩散时间；C为氯离子浓度；x为扩散距离。

式(1)的一维固体物质中扩散的浓度方程解为

(2)

其中：

式中：Cs为压浆体自身所含的氯离子浓度；h为压浆体保护层的厚度。

氯离子非稳态扩散的边界条件为：试验开始时刻，即t=0，x>0时，C=CS；t>0，x=0时，C=C0(C0为压浆体保护层表面的氯离子浓度)，将上述边界条件代入式(2)得[4]

C=Cs-(Cs-C0)erf(u)

(3)

式中：erf(*)表示变量*的误差函数。则

(4)

氯离子经过一定时间的非稳态扩散后，当可认为已达到稳态扩散时，由于式(4)中的Cs，C0和C均为已知常数，则u为一个常数解，此刻的扩散系数D为

(5)

(6)

3　试验结果分析

3.1　诱导期

用同一配方、保护层厚度分别为4.5，5.0和5.5 mm的3组试件的加速腐蚀试验结果如图2所示。

图2　腐蚀电流随腐蚀时间的变化曲线

由图2可以看出：试验开始就存在微弱的腐蚀电流，且在一段时间内基本稳定不变(如图中OA段)，这是由于水泥压浆体为钢绞线提供了一种弱碱环境，且保护层的存在阻碍了钢绞线腐蚀所必需的氧气[11]。在不完全供氧条件下，钢筋表面的微电池化学反应产生微电流，电流大小基本不变。

在电场作用下，带电粒子在压浆体保护层中持续运动迁移，钢绞线表面的弱碱环境遭到破坏，腐蚀反应开始加剧，腐蚀电流开始增大，钢绞线的破坏进入了发展期，将电流开始增大的时刻(如图中的A点)定义为开始加速腐蚀的时间。当电流增大到一定程度时，电流趋于稳定，腐蚀反应速率逐渐趋于平稳(如图中AB段)，原因可能是随着腐蚀的进行，钢绞线表面产生的铁锈来不及渗出，在钢绞线表面聚集，形成铁锈层，减缓了钢绞线锈蚀的速率[12]。

经过B点后，腐蚀电流再一次开始增大，将此刻定义为再加速腐蚀时间，即钢绞线的破坏进入了失效期，腐蚀电流迅速持续增大(如图中BC段)。

按照设计，对不同厚度压浆体保护层试件加速腐蚀试验结果利用式(7)计算出不同配方下A点时刻的等效扩散系数，得到A点时刻的等效扩散系数随压浆体保护层厚度的变化曲线如图3所示，加速腐蚀时间随压浆体保护层厚度的变化曲线如图4所示。

图3A点时刻的等效扩散系数随压浆体保护层厚度的变化曲线

图4　诱导期加速腐蚀时间随压浆体保护层厚度的变化曲线

从图3中可以看出：对同一配方的压浆体保护层而言，A点的等效扩散系数随着压浆体保护层厚度的增加而减小；从图4中可以看出：加速腐蚀时间随着保护层厚度的增加而增加，这两点足可以说明扩大锚索孔径以提高锚索的抗腐蚀耐久性是可行的。随着保护层厚度的增加，等效扩散系数的减小速率明显低于加速腐蚀时间增大的速率，而且等效扩散系数减小的规律性较差，说明氯离子在压浆体保护层中的扩散是非稳态的。

从图4中可以看出，在保护层厚度相同时，QL+ZQ压浆体的抗腐蚀能力最强。不同配方下加速腐蚀时间的对比表明，选用的3种压浆剂中ZQ对提高压浆材料的抗腐蚀性能作用最大，选用的2种水泥中QL比HY的抗腐蚀性能强；另外，在诱导期阶段，QL+ZQ压浆体的加速腐蚀时间约为QL压浆体的1.5倍，这是因为压浆剂有一定的膨胀作用，使压浆体保护层的密实度更好，降低了带电粒子在压浆体中的扩散能力，即降低了扩散系数D，图中表现为等效扩散系数的降低，从而增强了压浆体保护层对钢绞线的保护能力。

根据试验结果进一步推断，在钢绞线防腐方面，通过增加压浆体保护层的厚度延长锚索的服务年限是可行的，但这样会造成锚索孔径偏大，成孔费用偏高，很不经济[13]。相比之下，通过选择适宜的压浆剂提高压浆材料的抗渗透扩散能力从而提高锚索的服务年限是可行的。

对数据进行多次拟合后，发现用幂函数拟合较好，加速腐蚀时间ta和保护层厚度h之间具有很好的相关性，假设钢绞线的加速腐蚀时间与压浆体保护层厚度呈幂函数关系，即有

ta=AhB

(7)

式中：A和B为回归系数。

利用Origin 6.0软件的非线性曲线拟合(Nonlinear Curve Fitting)功能对试验结果进行改进的最小二乘法的Levenberg-Marquardt法拟合，得到诱导期的非稳态扩散方程见表1。

表1　根据试验结果得到的诱导期非稳态扩散方程

由表1可见，相关系数R2均大于0.99，可知建立的扩散方程能够很好模拟试验情况。根据加速腐蚀试验原理，试验得到的加速腐蚀时间与钢绞线的服务年限没有直接关系，本文进行钢绞线加速腐蚀性能研究只是为了分析不同配方的压浆体保护层的抗腐蚀能力。

3.2　发展期

发展期试验结果如图2中的BC段所示，经过B点时刻后，腐蚀电流再一次开始增大，将B点时刻定义为再加速腐蚀时间，根据试验结果利用式(7)计算出不同配方下B点时刻的等效扩散系数，得到B点时刻的等效扩散系数随压浆体保护层厚度的变化曲线如图5所示，再加速腐蚀时间随压浆体保护层厚度的变化曲线如图6所示。

图5B点时刻的等效扩散系数随压浆体保护层厚度的变化曲线

图6发展期再加速腐蚀时间随压浆体保护层厚度的变化曲线

从图5可以看出：8种不同配方压浆材料的试件在发展期氯离子的扩散逐渐逼近于稳态扩散，B点时刻的等效扩散系数均趋于稳定值，再加速腐蚀时间随保护层厚度的变化不再明显，说明钢绞线的腐蚀速率也基本上趋于稳定，可认为B点时刻后的扩散已发展为稳态扩散。

从图6可以看出：压浆体的抗腐蚀能力提高效果在发展期更为显著，如QL+ZQ压浆体的再加速腐蚀时间约为QL压浆体的4倍，说明QL+ZQ压浆体比QL压浆体的抗腐蚀能力提高了4倍；QL压浆体的再加速腐蚀时间比HY压浆体的大，说明发展期QL压浆体的抗腐蚀性能始终比HY压浆体的好。

3.3　失效期

电化学腐蚀作用下，随着钢绞线表面的腐蚀物逐渐增多，腐蚀物体积膨胀，对压浆体保护层产生了膨胀力。当腐蚀物体积膨胀力超过压浆体保护层的抗拉强度时，压浆体保护层开裂，此时腐蚀电流开始迅速增大，而且变化十分不规律，这是因为压浆体保护层开裂到一定程度后，电解液穿过裂缝直接与钢绞线接触，电化学反应加剧，此刻为钢绞线腐蚀破坏的失效期，此阶段腐蚀电流持续增大。此后，由膨胀产生的裂缝为氯离子穿过压浆体保护层提供了直达通道，在电场梯度的作用下，钢绞线很快被锈蚀，导致钢绞线的抗拉强度在短时间内降低，再加上锚固力的存在，钢绞线很快就会丧失作用。

4　结　论

(1)通过计算分析得到，钢绞线在氯离子作用下的加速腐蚀时间与压浆体保护层厚度的平方成正比；等效扩散系数逐渐减小且不规律的变化证明了氯离子在压浆体保护层中扩散是非稳态的。

(2)在诱导期，加速腐蚀时间与压浆体保护层厚度呈幂函数关系；在发展期，氯离子扩散逼近于稳态扩散，压浆体保护层厚度对等效扩散系数的影响不再明显。

(3)试验表明，不同配方压浆体中氯离子的等效扩散系数和钢绞线的加速腐蚀时间均不相同。在诱导期，氯离子在压浆体中的等效扩散系数随保护层厚度的增大而减小；在发展期，氯离子的等效扩散系数趋于稳定值。

(4)所选几个配方的压浆材料在一定的水灰比(0.3)下，不论是在诱导期、发展期还是失效期，QL+ZQ的抗腐蚀性能始终比QL的好，因此给纯水泥浆液试配一种适宜的压浆剂后，其压浆体保护层的抗腐蚀能力会得到成倍提高。

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