腐蚀性水环境下开裂地铁侧墙环氧灌浆效果试验研究

郑博宇 董宏波 毛江鸿

摘  要：沿海地区地下水环境中腐蚀性介质含量高，地铁侧墙开裂后存在高腐蚀风险。环氧树脂灌浆法是修复地铁侧墙裂缝的主要方法，然而修复后结构在腐蚀地下水环境中的长期服役性能尚不明确。文章利用干湿循环模拟腐蚀性水环境中环氧树脂灌浆修复后的混凝土长期劣化过程，结合电化学评估方法评价内部钢筋的腐蚀过程。结果表明，有效的环氧树脂灌浆修复将提升结构寿命至未开裂水平，但需要保障钢筋周围包裹环氧树脂材料。

关键词：地铁侧墙;耐久性;环氧灌浆;钢筋锈蚀

中图分类号：U231.4         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0077-03

Abstract： The groundwater environment in coastal areas has a high content of corrosive media， and there is a high risk of corrosion after the side walls of the subway crack. Epoxy resin grouting method is the main method for repairing cracks in the side walls of subways. However， the long-term service performance of the structure in the corroded groundwater environment after repair is not clear. In this paper， the dry-wet cycle is used to simulate the long-term deterioration process of concrete after epoxy resin grouting repair in corrosive water environment， and the electrochemical corrosion assessment method is used to evaluate the internal steel bar corrosion process. The results show that effective epoxy grouting repair will increase the life of the structure， but it is necessary to ensure that epoxy material is wrapped around the reinforcement.

Keywords： subway side wall; durability; epoxy grouting; steel corrosion

引言

近年来，城市轨道交通发展迅速，方便了人们的日常出行，成为不可缺少的交通方式。但地铁混凝土受材料强度、地基沉降及水化热等因素影响，普遍存在开裂问题[1]。轨道交通工程设计使用年限为100年，对于混凝土结构的质量有很高的要求，但沿海地区土质多为软土，工程地质条件较差且地下水位高，给施工建设造成了很大的困难，容易产生开裂渗水的问题。在潮湿和地下水[2，3]流经的环境中，裂缝的产生不仅会加快锈蚀速率。根据调研结果，浙江宁波部分区域的地下水中氯离子含量超过3500mg/L，同时结构还受荷载、杂散电流[4，5]等影响，在很大程度上加剧了对结构的侵蚀作用，会显著降低结构的耐久性，因此必须及时修复裂缝。常见的地铁混凝土结构裂缝修复方法有表面修补法、灌浆法及嵌缝封堵法，采用灌浆法及嵌缝封堵法相较于表面修补法，能有效修补混凝土中裂缝，且拥有良好的抗渗性，适用于对抗渗有要求工程中的裂缝修补[6]，但灌浆法修复后的混凝土结构耐久性存疑。为此本文开展了腐蚀性水环境下开裂地铁侧墙环氧灌浆后的耐久性试验，采用电化学手段评价了灌浆法在长期服役过程中对钢筋的保护效果。

1 不同修复效果下的钢筋腐蚀行为

1.1 试件制备

试件尺寸为300mm×150mm×100mm，内部设置两根直径10mm，长330mm的HRB400钢筋，分别在试件两端各露出15mm用以连接导线，露出的钢筋用环氧树脂灌封胶封闭，钢筋保护层厚度30mm，试件设计如图1（a）所示。混凝土强度为C35，配合比为水：水泥：沙：石子等于158：398：810：1031。混凝土裂缝采用万能试验机三点加载使试件中部受弯制作。在试件侧面依据灌浆法进行钻孔，直达裂缝面并埋入灌浆止水针头形成灌浆通道，最后使用灌浆机完成灌浆。根据调研，高渗透改性环氧树脂在地铁混凝土裂缝修复中广泛使用，本文采用该类型材料作为灌浆法的修复材料，灌浆后效果如图1（b）所示。

1.2 耐久性加速劣化及监测

将修复后的试件置于ZXC型潮汐模拟池中，该装置工作时可通过在两个水池中来回抽水模拟海洋环境中的潮汐进行干湿循环，类似也可模拟地下结构随地下水位涨落的干湿交替情况。干湿循环试验周期设计为3天一个周期，每个周期干湿比为3：1，即干54h，湿18h，水溶液为质量分数3.5%的NaCl溶液，共进行40个干湿循环周期。每两个周期后取出试件测量弱极化曲线。弱极化曲线测试采用电化学工作站Reference600采用三电极系统，钢筋混凝土试件中的一根钢筋作为工作电极，另一个不锈鋼棒作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极。试验设置电化学工作站从相对于开路电位开始扫描，扫描区间为-70mV到+70mV，为弱极化区;为保证获得稳态弱极化曲线，取扫描速率为0.15mV/s。

1.3 钢筋的腐蚀电化学参数特征

使用电化学工作站Gamry Echem Analyst分析软件计算得到所有弱极化曲线中的腐蚀电位Ecorr与腐蚀电流密度icorr，将两者在干湿循环全周期中的变化过程绘制于图2。

混凝土结构中的钢筋进行电化学腐蚀的过程时，其阴极反应与阳极反应是在同一点位下进行的，这两个反应的电位耦合而成的混合电位即为钢筋的腐蚀电位。它可一定程度上表征钢筋的锈蚀概率，美国ASTM规范[7]中提供判断标准为电位>-200mV时有5%腐蚀概率;-200～-350mV范围中为50%概率;电位<-350mV时有95%腐蚀概率。

对比图2（a）和图2（b）可知，W试件在干湿循环进行59天时腐蚀电位降低至-200mV以下，腐蚀概率达到50%。K试件在41天时达到50%的腐蚀概率，相比W试件提早了17天，此后的干湿循环过程中K试件的腐蚀电位快速降低，仅19天后达到-350mV，进入95%腐蚀概率，其腐蚀电位降幅远大于W试件。由此可知，混凝土开裂后内部钢筋暴露在腐蚀环境中锈蚀风险极高，将极大缩短结构寿命。

对比图2（a）和图2（c）可知，G试件干湿循环61天后存在50%腐蚀概率，且后续循环中电位下降过程平缓，至120天时仍大于-350mV，其电位变化过程与W试件近似，说明如果灌浆修复时钢筋周围完全包裹环氧树脂时，灌浆料对混凝土内部钢筋起到非常好的保护作用，保障了钢筋混凝土结构耐久性寿命。

腐蚀电流密度icorr是腐蚀进程中反应速度最直观的电化学参数，体现了阳极反应和阴极反应的交换电流密度，平衡电位及Tafel斜率。我国规范[9]中提供判断标准为icorr≤0.1μA/cm2时不腐蚀，0.1μA/cm2

对比图2（a）和图2（c）可知，G试件在干湿循环72天后进入中等腐蚀速率，相比完整试件W推迟14天进入中等腐蚀速率。说明有效的环氧树脂修复可提升耐久性能至未开裂前水平，甚至优于原结构。原因为高渗透改性环氧树脂是环氧树脂系胶黏剂为方便裂缝压力注浆的改良分支，其亦有环氧树脂系胶黏剂的良好粘结强度，抗渗性等，当通过注浆方式填满裂缝，浆液包裹裂缝内的钢筋后将有效减少外界有害离子侵蚀，即使结构长期服役后修补位置再次新生裂隙，只要环氧仍包裹缝内钢筋，依然可形成有效的保护。

2 结论

本文利用干湿循环模拟腐蚀性水环境中环氧树脂灌浆修复后的混凝土长期劣化试验。结果表明，环氧树脂灌浆修复后将有效保护裂缝内部钢筋，大幅提升混凝土结构耐寿命，甚至恢复至无裂缝情况下的耐久性能，而未修复的混凝土结构钢筋锈蚀风险将显著增加，服役寿命大幅缩短。从耐久性角度出发，建议灌浆修复须保证环氧树脂包裹结构内钢筋以保障腐蚀环境下的混凝土结构耐久性。

参考文献：

[1]叶耀东，朱合华，王如路.软土地铁运营隧道病害现状及成因分析[J].地下空间与工程学报，2007（01）：157-160+166.

[2]黄炳德.地铁结构耐久性影响因素及其寿命预测研究[D].同济大学，2007.

[3]黄家祥，张晓春.城市地铁工程的地下水问题分析[J].岩土工程界，2008（01）：54-56.

[4]李宇杰，王梦恕，宋国侠，等.地铁列车振动对既有矿山法隧道襯砌裂缝的影响研究[J].土木工程学报，2015（S1）：346-350.

[5]周晓军.地铁杂散电流对衬砌耐久性影响及防护的探讨[J].地下空间与工程学报，2007（03）：522-528.

[6]CA Issa.6-Methods of crack repair in concrete structures[J].Failure Distress & Repair of Concrete Structures，2009，36 （11）：169-193.

[7]ASTM C876-2015.Standard test method for corrosion potentials of uncoated reinforcing steel in concrete[S].

[8]DB33-T1128.混凝土结构耐久性技术规程[S].北京，2017.