城市地铁钢筋混凝土杂散电流腐蚀研究

2021-06-29李祝文刘朝晖王永红吴清强

建材世界 2021年3期

苏昕，李祝文,2,3，刘朝晖，王永红，吴清强

(1.中国交建马来西亚东海岸铁路项目总经理部，吉隆坡 50480；2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉 430040；3.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉 430040)

随着我国经济快速增长和“一带一路”的大力推进，城市轨道快速发展，截止至2021年1月1日，我国内地已有45个城市修建地铁，投运交通线路达7 978.19 km。上述工程在采用直流供电牵引方式服役过程中，流经行走轨的电流不能全部流回牵引变电所的负极，有一部分电流会泄漏进入土壤形成杂散电流。杂散电流主要会使得地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及道床甚至是车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，缩短金属管线和钢筋的使用寿命，降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性。因此，开展城市地铁钢筋混凝土杂散电流腐蚀的研究，对提升工程结构服役寿命和降低潜在安全风险显得十分重要。关于杂散电流对钢筋混凝土的腐蚀，国内外学者进行了大量的研究工作[1-2]，并在杂散电流加速钢筋锈蚀、引起混凝土性能退化以及杂散电流防护方面取得了众多的研究成果。该文以某轨道工程项目为依托，通过掺加矿物掺合料、膨胀剂及钢纤维等方式优化混凝土配合比，研究杂散电流对混凝土及钢筋腐蚀的影响。

1 试验

1.1 原材料及配合比

水泥(C)：华新PO42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰(FA)：北仑二级灰；矿粉：S95级；粗骨料(G)：石灰石5～25.5 mm的连续级配；细骨料(S)：机制砂，细度模数2.6；外加剂(Ad)：中交二航新材料的高效减水剂；钢纤维为泰安同宏纤维有限公司生产的tath05钢纤维，膨胀剂为MgO微膨胀剂。钢筋：Q235钢，尺寸为φ8 mm ×140 mm。

1.2 方法

成型150 mm×150 mm×150 mm的混凝土试块，养护到28 d后两端包裹惰性钛网作为阴极和阳极，试块中放置钢筋模拟杂散电流作用下混凝土内部钢筋，钢筋位于阴阳极中间，并引出铜导线便于进行电化学测试。在试验装置内注入蒸馏水，液面低于混凝土试件5～10 mm，并放置温度计测量水槽中蒸馏水温度，当液面不满足要求时及时补充蒸馏水。

将表1中每个配合比分成4组，第1组通电并放置钢筋，第2组通电不放置钢筋，第3组不通电不放置钢筋仅在蒸馏水中进行与前两组相同的养护，第4组不通电放置钢筋在蒸馏水中进行与前三组相同的养护。

表1 混凝土试验配合比

通电4周和7周后，第二组和第三组进行混凝土抗压强度测试，评估不同配合比混凝土在杂散电流影响下的抗压强度比；取出第一组和第四组进行钢筋极化曲线测量，评估钢筋的电化学性能。

2 结果与分析

2.1 杂散电流对混凝土的影响

通电4周和7周分别进行了混凝土抗压强度比测试，测试结果见表2。由表2可知，加载电流混凝土抗压强度有所降低，主要是电流使混凝土的孔隙率增多，孔径增大，结构越来越疏松，并在电场作用下，混凝土孔溶液中离子的定向迁移导致孔隙率增大且形成连通孔，从而使强度下降[3-4]。已有学者和教授通过微观测试发现[5-6]，靠近阴极的混凝土砂浆中胶凝产物呈松散状，水化硅酸钙产物的Ca/Si比略有下降。加载电流28 d抗压强度损失范围为2.9%～10.6%，加载电流49 d抗压强度损失范围为3.7%～12.2%，波动幅度均较大，说明在混凝土中增加矿物掺合料、膨胀剂及钢纤维，混凝土的密实度变化明显，从而导致强度变化大。但对于同一配合比，加载电流49 d抗压强度损失明显大于28 d，混凝土抗压强度损失随着加载电流的时间的增加而增大。

表2 杂散电流对混凝土抗压强度的影响

由表2可知，不同配合比强度降低的幅度差异较大，依次为纯水泥>单掺粉煤灰+纤维>单掺粉煤灰>单掺矿粉>单掺粉煤灰+膨胀剂>粉煤灰和矿粉复合掺入，且加载电流49 d和28 d变化规律相同。在电流作用下潮湿混凝土内部孔隙中离子会随着电流进行定向迁移，造成水化进程的差异。不同配合比在相同水胶比的情况下由于胶凝材料体系的差异带来混凝土中孔隙结构的不同，故不同配合比混凝土试块强度损失差异大。纤维对于强度损失影响较小，主要是纤维虽然增加了混凝土的密实度，但纤维导电性较强，降低了混凝土的电阻率，增加了杂散电流在混凝土内部的传导。膨胀剂有利于改善混凝土密实度，但其效果比矿物掺合料差，矿物掺合料的掺入可以显著改善水泥石的密实程度，提高水泥石的电阻率，抑制杂散电流在混凝土内部的传导，降低杂散电流形成的电场强度，使得混凝土更为密实，双掺矿物掺合料配合比强度损失最小。

2.2 杂散电流对钢筋的影响

图1为49 d龄期钢筋试样的动电位扫描极化曲线。由图1可知，与未加载电流相比，加载电流49 d后，混凝土中钢筋电极的自腐蚀电位E0逐渐负移，腐蚀电流密度I0逐渐增大。这是因为加载电流后，电场对混凝土孔溶液中离子的作用越强，单位时间离子的迁移量越大，对钢筋的腐蚀越严重[7,8]。同时，随混凝土配合比的变化，钢筋电极的自腐蚀电位和腐蚀电流变化量呈现不同规律，纯水泥混凝土变化最大、粉煤灰与纤维混掺次之，粉煤灰与矿粉变化最小，表明混凝土的性能对于防止杂散电流对钢筋的作用有较大影响，粉煤灰与矿粉复合掺入的配合比有较优的表现。

表3是通过图1换算所得不同混凝土配合比下钢筋自然腐蚀电位和腐蚀电流密度。由表可知，各配合比的混凝土都存在明显的去钝化期，该阶段的试验现象不明显，电解池体系的电流很小，只有小幅上升的趋势。由于矿物掺合料、纤维及膨胀剂的加入引入了金属及其氧化物，因此不论掺加何种掺合料，对比基准混凝土，都有明显能抑制杂散电流的作用。其中双掺矿物掺合料电流密度最小，抑制效果最好，而单掺粉煤灰电流密度最大，可能与粉煤灰生产过程中混入金属碎末有关，却对双掺影响较小，说明粉煤灰也存在一定的抑制效果。单掺矿粉的电流密度比单掺粉煤灰小，比双掺矿物掺合料大，说明矿粉的抑制效果优于粉煤灰，双掺矿物掺合料优于单掺。掺入钢纤维或膨胀剂后，钢筋电流密度小于基准配合比，说明钢纤维和膨胀剂可以适当抑制杂散电流腐蚀，但抑制效果比双掺矿物掺合料较差。对于未加载电流和加载电流49 d的各组配合比混凝土，其钢筋的自腐蚀电位均在-250 mV以上，腐蚀电流密度均小于0.1 μA/cm2，说明混凝土中钢筋均处于钝化状态，没有发生腐蚀。

表3 不同混凝土配合比下钢筋自然腐蚀电位和腐蚀电流密度

矿物掺合料能够明显改善混凝土的孔结构，提高混凝土的密实度[9]，增大混凝土的电阻率，因此矿物掺合料能有效降抑制杂散电流在混凝土内部的传导，并降低其电流强度。复掺情况下腐蚀电流的波动性相较于单掺更加稳定,腐蚀电流波动越小，发生破坏时所需的累计电量越高，其稳定性便于观测及防控，因此复合添加掺合料的混凝土更适合实际工程的使用。