基于自然电位法的锚杆锈蚀规律及耐久性研究

崔学忠

摘要：我国当前拥有大量的既有运营隧道，作为初期支护中重要构件的锚杆面临着巨大的耐久性考验。本文通过对锚杆的实际状态的分析，将锚杆所处的环境划分为4类、化学环境分为3类，同时考虑不同的施工情况，采用自然电位法对锈蚀规律展开研究，结果表明：锚杆锈蚀速度表现为氯盐——氯盐+硫酸——浸泡——硫酸盐的规律递减，施工条件对锚杆劣化的影响起重要作用，经过分析表明当前的施工条件无法满足锚杆100年的使用寿命。

Abstract： China currently has a large number of existing operating tunnels， and the anchors， which are important components in the initial support， face enormous durability tests. Based on the analysis of the actual state of the anchors， the environment in which the anchor is located is divided into four categories， and the chemical environment is divided into three categories. At the same time， different construction conditions are considered， and the corrosion law is studied by the natural potential method. The results show that： The corrosion rate of anchor is characterized by the decreasing law of chloride salt - chloride salt + sulfuric acid - soaking - sulfate， and the construction conditions play an important role in the impact of anchor deterioration. After analysis， the current construction conditions can not meet the demand of the 100 years service life of anchor.

关键词：自然电位法;锚杆;锈蚀规律;耐久性

Key words： natural potential method;anchor;corrosion law;durability

中图分类号：TD350                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）11-0161-05

0  引言

我国当前是世界上隧道数量及隧道延长最多的国家[1]，复合式衬砌已经成为当前山岭隧道的标准结构形式，其中锚喷支护是初期支护中必要的构件。当前施做的锚杆大多是砂浆锚杆，一般是采用水泥砂浆包裹其外表面，其作用主要体现在两个方面：其一是可以很好的握裹钢筋，增加锚杆和围岩体之间的摩阻力;其二是水泥砂浆具有一定的防水功效，锚杆表面包裹水泥砂浆可有效阻止地下水对锚杆的腐蚀作用。但是由于锚杆施作时很难做到水泥砂浆完全包裹杆体，砂浆质量难于控制，若围岩中富含地下水时，锚杆易腐蚀。

对于锚杆的锈蚀问题，在煤矿领域很早就有关注[2]，调查发现90%的巷道都有锚杆锈蚀现象，其中有60%的巷道受到锚杆锈蚀较大影响，有40%的巷道随着支护年限的增加，锚杆锈蚀已造成重大影响，甚至造成锈断破坏，直接影响锚喷支护的效果。范建海等[3]发现以砂浆锚杆为主体的锚喷支护安全能满足永久支护的要求，且锚杆支护与喷射混凝土支护作用是相辅相成的，但锚喷支护不当的施工可能引起锚喷支护的永久性受到很大影响。赵健等[4]从已建工程中取出的早期使用3-28年不同龄期的锚杆和17年期现场缩尺试验锚杆的腐蚀现状，对其锈蚀状况和使用环境因素做了宏观观察和分析，对其点蚀、坑蚀、失重、腐蚀速度和強度等力学性能进行了较全面的测试和分析，取得了不同令期的锚杆锈蚀状况和影响其耐久性及使用寿命的第一手资料。夏宁等[5]用有限元软件ANSYS8.0中基于弥散固定裂缝模型的具有开裂功能的Solid65单元对砂浆锚杆锚固段保护层的锈蚀胀裂过程进行数值模拟。应用算例说明，在锈蚀量相等的情况下，杆体发生均匀锈蚀和不均匀锈蚀时，砂浆保护层的开裂程度是明显不同的，锈蚀对砂浆保护层的破坏程度是不一样的，由此提出在进行锈胀预测时均匀锈蚀假定应慎用的观点。胡江春等[6]研究了锚杆表面锈蚀过程中的电化学交流阻抗谱的变化，分析了锚杆在不同土体环境、不同频段中的总阻抗均值的变化规律。

当前的研究对于环境和施工的影响并没有太多的渗入，同时对于耐久性的研究来看，为了减少钢材锈蚀对结构造成危害，需即时了解结构中的钢材锈蚀状态，据此对锚杆和钢架采取必要措施，减少锚杆和钢架锈蚀。

1  锚杆锈蚀机理及锈蚀评价标准

砂浆或喷混凝土中水泥水化后，生成大量的氢氧化钙，使砂浆中含有大量的氢氧根离子，pH值一般可达到12～14，钢材在这样的高碱环境中，其表面会生成一层钝化膜，这种钝化膜能阻止锚杆或钢架的锈蚀。若隧道地下水中含有氯盐时，氯离子通常通过锚杆或钢架保护层的宏观、微观缺陷，渗透到保护层内部并达到锚杆或钢架表面，直接或间接破坏锚杆或钢架表面的钝化膜，使钢材加速锈蚀继而锈蚀产物体积膨胀，使锚杆或钢架的保护层开裂与脱落。

本文锚杆锈蚀测试方法采用自然电位法，自然电位通过测定钢筋电极电位差来定性判定锚杆和钢架锈蚀状况，其基本原理是：混凝土中的钢筋与周围介质在交界面上相互作用形成双电层，并与介质两侧产生电位差，通过测试电位差判定钢筋所处的状态。

砂浆或混凝土中钢筋锈蚀是在多相介质中的电化学锈蚀过程，这一过程包括两个相互独立又相互依存的阴极反应和阳极反应，其作用结果是在钢筋上建立起一个稳定的混合电位，即钢筋的自锈蚀电位。当所处的环境不同时，钢筋表面的锈蚀状态也不同，相应的电位就不同，且一般可分为以下四种情况：

1.1 钝化状态

在完好或被轻微侵蚀、且碳化深度很小的混凝土中，钢筋处于钝化状态，钢筋銹蚀速率很低，可认为钢筋无锈蚀，钢筋的电位表现为正。

1.2 局部锈蚀

在具有较好导电性、pH值较大的混凝土中，当氯离子只到达钢筋表面部分区域时，表现为活化一钝化锈蚀电池的局部锈蚀。锈蚀区电位为负，钝化区电位为正，且电位梯度较高，通常为-100～-200mV。

1.3 均匀锈蚀

即钢筋处于全面锈蚀状态。均匀锈蚀是由碳化锈蚀（pH值低于钝化范围）或大量的氯离子使钝化膜全面破坏所致，此时锈蚀电位很低，通常为-350mV以下。

1.4 低氧锈蚀

当混凝土中的氧气不能维持钝化电流时，钢筋表面的钝化膜将溶解为FeO2，锈蚀电位很低，只要混凝土中的氧气不足以进行阴极反应，钢筋就基本不锈蚀。这种情况一般发生在长期饱水的混凝土结构物上，这种情况下的锈蚀电位也在-350mV以下。

锈蚀电位在-200～-230mV的情况下，锈蚀的概率为5%;在-230～-280mV的情况下，锈蚀的概率为50%，在

-280～-350mV的情况下，锈蚀的概率为95%。

混凝土中钢筋锈蚀状态也可用电流进行评价，锈蚀电流在一定的程度上可以反映钢筋锈蚀速度的快慢，评价标准见表1。

2  锚杆劣化规律试验研究

2.1 锚杆劣化试验方案设计

通过室内锚杆劣化规律试验，定性说明锚杆在各种环境条件及施工条件下的锈蚀速度，定量说明锚杆的锈蚀量，揭示砂浆锚杆的劣化规律，为锚杆设计和施工提供理论指导。

2.1.1 一般环境中锚杆试验工况设计

根据环境条件的不同，将锚杆所处一般环境分别设置为：

①基本干燥环境（湿度<40%）;

②潮湿环境（湿度处在60～90%之间）;

③完全湿润环境（湿度>90%）;

④干湿交替环境。

2.1.2 锈蚀环境中锚杆试验工况设计

锚杆在锈蚀环境中的试验都采用干湿交替方式进行，锈蚀环境包含三种情况：

①氯盐锈蚀环境;

②硫酸盐锈蚀环境;

③氯盐+硫酸盐复合锈蚀环境。

2.1.3 施工不良时锚杆试验工况设计

锚杆施工不良是指其保护层厚度不足或者没有完全被砂浆包裹。锚杆施工缺陷设计分别设置为：

①锚杆对中不良所造成的某一侧砂浆厚度不够或者锚杆直接接触围岩;

②锚杆注浆后，浆液随裂隙流失，造成锚杆的砂浆厚度不够;

③锚杆注浆量不够，砂浆没有完全包裹锚杆。

以上施工缺陷试验都设定在氯盐环境或者氯盐+硫酸盐复合环境中，且处于干湿交替情况下。锚杆类别按施工质量主要分为三种：

其一施工良好（保护层足够）锚杆;

其二施工不良（保护层不够或没有完全包裹）锚杆;

其三裸露锚杆。

锚杆的具体试验工况见表2。

2.2 试件制作和腐蚀溶液配制

锚杆采用φ10的RHB335钢筋进行模拟，每根长45cm。砂浆采用拉法基32.5水泥及河砂配制而成，水泥和河砂的重量比为1：1.5，水灰比为0.45。试验锚杆按裸锚杆、施工良好和施工不良三种制作，如图1所示。

氯盐环境采用5%氯化钠溶液进行模拟，硫酸盐环境采用5%硫酸钠溶液进行模拟，氯盐+硫酸盐复合环境采用2.5%氯化钠和2.5%硫酸钠溶液进行模拟，如图2所示。

2.3 锚杆劣化试验结果与分析

采用德国CHAIN LTM阳极测试仪对不同试验工况下锚杆的腐蚀程度进行测试，分别测试锈蚀电压和锈蚀电流密度，并绘制锈蚀电压和锈蚀电流密度随时间变化曲线图见图3、4。

2.3.1 施工条件对锚杆劣化的影响

将不同施工条件锚杆以及裸露锚杆分别放置在硫酸盐锈蚀环境、氯盐锈蚀环境和硫酸盐+氯盐的双重锈蚀环境中劣化，测试锈蚀电压和锈蚀电流密度随时间变化，测试所得数据及随时间变化规律如图5～7所示。

由图5～7可知，裸锚杆的锈蚀电压和锈蚀电流密度较高，施工不良的锈蚀电压和锈蚀电流密度次之，施工良好的锈蚀电压和锈蚀电流密度较低。总体上来讲，施工良好的锈蚀电压和锈蚀电流密度普遍较低，对锚杆的防锈蚀是有利的。

2.3.2 环境条件对裸露锚杆劣化的影响

裸露锚杆在不同的环境中锈蚀电压和电流密度测试结果见图8。

从图8中测试数据看出：

①裸锚杆的锈蚀电压和锈蚀电流密度在各种环境中的值有较大的变化，锈蚀电压的值表现为干湿交替—硫酸盐—氯盐—硫酸盐+氯盐—浸泡的规律递增;

②锈蚀电流密度的值表现为干湿交替—硫酸盐—硫酸盐+氯盐—氯盐—浸泡的规律递增，可见锈蚀电流密度和锈蚀电压的相关性较强;

③从数据和表观上都可以看出，氯盐对裸锚杆的锈蚀速度较快，硫酸盐+氯盐环境其次，硫酸盐环境的锈蚀速度最慢，可见氯盐对钢筋的锈蚀有较大的影响。

2.3.3 施工质量对锚杆劣化的影响

将施工良好和施工不良锚杆分别放置于不同腐蚀环境下进行劣化试验，每隔一定时间测试锈蚀电压和锈蚀电流密度，测试结果及变化规律见图9、图10。

从图9、图10中测试数据可以看出：

①从锈蚀电压和锈蚀电流密度都可以说明氯盐的锈蚀速度较快，硫酸盐+氯盐的次之，硫酸盐的锈蚀速度最慢;

②处于硫酸盐中的锈蚀电压跳动较大，氯盐和硫酸盐+氯盐的数据相对较为平稳，且有逐渐增大的趋势，可见锈蚀的速度是在加快的;

③施工不良锚杆较施工良好锚杆腐蚀电压要低很多，而腐蚀电流略低一些，说明施工条件对锚杆劣化影响较为显著。

3  结论

通过以上不同类型的锚杆在不同环境中劣化试验数据以及试验观察可以得到以下几点结论：

①不同环境下，锚杆的腐蚀速度也不同，具体腐蚀速度表现为氯盐—氯盐+硫酸—浸泡—硫酸盐的规律递减;

②施工条件对锚杆劣化的影响起重要作用，裸锚杆劣化程度最高，施工不良条件下劣化程度其次，施工条件良好条件下劣化程度较低;

③按照当前的腐蚀速度不降低推算，即使施工良好的锚杆，其使用寿命也就80年左右，不能保证100年的使用寿命，若要保证100年的使用寿命，需要进行特殊处理。

参考文献：

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