杂散电流与氯离子耦合作用下对钢筋混凝土性能的影响

2020-11-05叶瑞丰尚静媛刘晓铮

天津城建大学学报 2020年5期

叶瑞丰，雅菁，尚静媛，刘晓铮，陈倩

（1.天津城建大学，天津300384；2.天津津贝尔建筑工程试验检测技术有限公司，天津300170）

近年来，城市轨道交通建设成为地区经济发展的基石，其中地铁作为现代出行的重要方式，已成为各大城市建设的重点.因此地铁环境下钢筋混凝土结构的耐久性问题逐渐成为人们的研究热点.杂散电流的泄漏对地铁工程混凝土的耐久性影响十分严重[1]. 杂散电流单独作用会造成混凝土强度的下降，并引发混凝土内部钢筋的锈蚀[2-3].此外，天津位于滨海地区，由于地区差异性，地下水中富含大量的氯盐也是引起混凝土内钢筋锈蚀的主要原因之一[4-6].因此，杂散电流和氯盐双重作用下钢筋混凝土腐蚀会更加剧烈[7-9].杂散电流和氯离子对钢筋混凝土腐蚀的过程可大致分为三个阶段：①杂散电流诱导混凝土内部氯离子向钢筋表面迁移；②氯离子聚集在钢筋表面，与杂散电流共同破坏钢筋钝化层；③造成钢筋电化学腐蚀，钢筋的锈蚀膨胀最终引起混凝土强度的下降.根据这三个腐蚀阶段，本文首先研究杂散电流对混凝土中氯离子迁移特性的影响，分析影响杂散电流诱导氯离子迁移的因素；通过内掺氯化钠的方式制作试块，研究杂散电流和氯离子共同作用下，混凝土内部钢筋的腐蚀程度以及对钢筋混凝土结构强度的影响.

1 原材料与试验方法

1.1 试验原料及配合比

试验采用天津地铁某工段混凝土原材料及配合比，水泥、粉煤灰、矿粉、砂、石、水、减水剂配合比分别为334，58，53，693，1083，150，8.75 kg/m3. 水泥为P.I 42.5普通硅酸盐水泥；Ⅱ级粉煤灰，细度15.3；S95 级矿粉；河沙为二区中沙；碎石为5～25 连续级配碎石；减水剂为高和牌高性能聚羧酸减水剂.

1.2 试验方法

为研究杂散电流环境下Cl-在混凝土内部迁移过程，设计了试验模型一：杂散电流环境下氯离子迁移试验模型.试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，中央垂直埋入Φ14×100 mm 钢筋.标养28 d 后，取一个平行于钢筋的表面为工作面，其余各面用环氧树脂封涂. 将试件放置在3%的NaCl 溶液中，在距工作面50 mm 处平行放置一块电极板.模型示意图如图1.用硝酸银显色法[10-11]测量Cl-的侵入深度.采用硝酸银电位滴定法测定混凝土中游离态Cl-质量分数Cf，硫氰酸铵滴定法测定总的Cl-质量分数Ct[12].以Cl-固化率R表征混凝土对游离态Cl-的固化能力[13]，公式如下

式中：R 为混凝土Cl-固化率，%；Ct为混凝土中总Cl-质量分数，%；Cf为混凝土中游离态Cl-质量分数，%.

图1 杂散电流环境下氯离子迁移试验模型

为研究杂散电流和Cl-共同作用下钢筋混凝土结构耐久性的劣化，设计了试验模型二：混凝土内掺氯离子试验模型.试块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，配制混凝土时水中先溶解一定量的NaCl，使混凝土内部Cl-质量分数分别为0.05%，0.1%，0.2%，试块中央埋置Φ14×100 mm 钢筋.钢筋一端焊接导线，另一端上方混凝土表层埋置一片铁质电极网.标养28 d 后，埋在土介质（土壤含水率22%）中，放入绝缘箱.模型示意图如图2.

图2 混凝土内掺氯离子试验模型

对通电一定时间后的试样用LK2005A 型电化学工作站测量钢筋混凝土内部钢筋的腐蚀电位，以混凝土内部的螺纹钢为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和氯化银电极为参比电极，电解质溶液为质量分数3%的NaCl 溶液.根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[14]检测试块抗折强度.

2 试验结果与分析

2.1 杂散电流环境下氯离子在混凝土内部的迁移特性

首先对混凝土材料中Cl-质量分数进行了测定（见表1）.从表1 可见，原材料中水泥是Cl-的主要来源.标养28 d 后的混凝土中游离态Cl-质量分数Cf较新拌混凝土浆料中的有所下降，这说明在混凝土水化硬化的过程中固化了一部分游离态Cl-.

表1 原材料及混凝土试块中游离态氯离子质量分数Cf %

图3a 为根据试验模型一，不同外加电压强度下外界Cl-向混凝土试块内部侵入的深度.无外加电压时，Cl-的传输主要以质量分数梯度作为推动力，即依靠自由扩散作用，故因混凝土内部物质传输通道狭小使得Cl-向混凝土内部的迁移十分缓慢，浸泡15 d 后试块中Cl-侵入深度仅为11 mm.在外加电压的作用下，随通电时间延长混凝土内部Cl-扩散深度不断加大.20，40，60 V 电压通电15 d 时Cl-扩散深度分别是自由扩散15 d 时的6.0，6.7，6.8 倍. 可以看出在外加电压作用下电场形成的电势差对Cl-运输的推动力远远大于浓度梯度的推动力.因此表明在杂散电流环境下，Cl-在混凝土内部的传输是以电场作用的电迁移为主导.图3b-3d 为试块各深度Cf随通电时间的变化.无外加电压作用下混凝土试块内部Cf增加缓慢.而在杂散电流的作用下，试块内部Cf明显升高.随着外加电压的提高，Cf增加越快.不同电压强度下通电15 d 后，混凝土试块表面10 mm 处，Cf均增加约4.8 倍，距混凝土试块表面50 mm 处，Cf均增加约3.2 倍.

图3 混凝土内部氯离子迁移深度和氯离子质量分数Cf

图4 混凝土不同深度氯离子固化率R

图4 所示为根据试验模型一，Cl-迁移试验条件下试块Cl-固化率R 的变化.在各深度下不通电的混凝土试块R 值均维持在25%左右，表明无电压时混凝土的Cl-固化能力稳定且不受外界及混凝土内部Cl-质量分数的影响.再结合图3 不同外加电压条件下外界Cl-的侵入深度，可以看出不同电压通电5 d 时Cl-的侵入深度均未超过25 mm.但从图4b-4c 显示，在外加电压作用下混凝土试块内部未有外界Cl-侵入的部位其Cl-固化率R 明显降低，说明杂散电流明显减弱了混凝土的Cl-固化能力，促进了混凝土内部游离态Cl-迁移.20，40，60 V 电压作用下30 mm 深度附近的Cl-固化率R 分别较自然条件时的R 降低了4%，8%，12%.

2.2 杂散电流与氯离子共同作用下钢筋混凝土的劣化

图5 为根据试验模型二，内掺Cl-试验各条件下试块钢筋的腐蚀电位.0.05%Cl-的试块钢筋锈蚀电位变化较平缓，随着混凝土内掺Cl-质量分数的提高，在通电条件下钢筋的腐蚀电位迅速下降.其中0.2%Cl-的试块钢筋在通电3 d 时其腐蚀电位已下降到-492 mV.根据以往研究，腐蚀电位在-350 mV 以下时，钢筋锈蚀的概率在90%以上，在-700～-500 mV 之间时，钢筋钝化膜已完全破坏[1].通电15 d 后，0.05%，0.1%，0.2%Cl-的试块内钢筋腐蚀电位分别为-344，-467，-687 mV.

图5 混凝土试块内钢筋腐蚀电位

根据试验模型二，在研究杂散电流强度对钢筋混凝土结构性能的影响过程中，测定了内掺0.05%和0.2%Cl-的混凝土试件在通电前后的抗折强度变化，结果如图6a 所示.通电15 d 后内掺0.05%Cl-的钢筋混凝土试件，不超过30 V 的电压强度均未对其造成损伤，但在外加电压达到40 V 或更高时抗折强度出现下降.当Cl-质量分数为0.2%时，在15 V 的电压作用下混凝土试件抗折强度已经下降了18.5%.说明在相同电压作用下，Cl-质量分数越高，钢筋混凝土越容易被破坏.

图6b 所示为在0 V 和30 V 电压条件下，不同Cl-质量分数的混凝土在杂散电流作用下的腐蚀特征.无杂散电流作用下的试件，抗折强度在15 d 内仍有良好的增长趋势，说明单独Cl-在短时间作用内对混凝土抗折强度的危害较小.而内掺0.1%和0.2%Cl-的试块在通电3 d 时的强度损失就分别达到了22%和29%，说明在杂散电流和Cl-的双重作用下钢筋混凝土试块的强度劣化十分迅速，且Cl-质量分数越高，劣化越快.通电15 d 后，各Cl-质量分数下的试块强度损失分别为23%，42%，51%.结合2.1 节试验结果，由于杂散电流促进了游离态Cl-在混凝土内部的迁移，并且激活了混凝土固化的一部分Cl-，使得混凝土内部的Cl-具有更高的活性，从而加剧其对钢筋的腐蚀.同时杂散电流的存在使得钢筋的电化学腐蚀过程中的电子交换更加迅速，二者共同作用，进一步加剧了钢筋混凝土结构的破坏.