氯盐渗透下钢拱架锈蚀与喷射混凝土间锈胀力研究

王明年，杨恒洪，张艺腾，刘轲瑞，于 丽，*

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

近年来，随着经济的发展与水下隧道建设技术的不断进步，多条跨越海湾的交通隧道已于近期完成规划或建设。相比于一般隧道，海域环境中服役的隧道将长期暴露于氯离子等侵蚀环境中，环境中的氯离子通过对流弥散作用穿过管片保护层并到达钢拱架表面。一旦钢拱架表面氯离子浓度达到钢拱架锈蚀的临界浓度，且有足够的水分和氧气存在，钢拱架表面钝化膜将受到破坏，钢拱架产生锈蚀[1]。

大量试验表明，埋在混凝土中的钢拱架发生锈蚀以后，其产生的铁锈的体积是原来体积的2～4倍，因而会向周围膨胀，钢拱架四周的混凝土则限制其膨胀，产生交界面上的压力，这种压力被称为锈胀力。钢拱架锈胀力会影响钢拱架与混凝土的黏结性能，且将导致混凝土保护层受拉而开裂。型钢混凝土构件受锈胀力纵裂后，钢拱架锈蚀速度加快，这对型钢混凝土构件(初期支护)的耐久性十分不利。因而，研究锈胀力对结构构件耐久性分析具有十分重要的意义，许多学者对此进行了研究。例如：丁万涛等[2]采用FLAC3D数值分析软件及有限元强度折减思想，探讨加筋锈蚀对锚固支护结构体系承载作用的劣化影响；曲立清等[3]建立了海底隧道混凝土在双重破坏因素作用下的寿命预测模型；王明年等[4]建立了锈蚀工字钢与喷射混凝土的黏结滑移本构关系数学模型；王学斌[5]采用相关技术标准、规范和室内加速腐蚀试验进行综合分析，评价了海底隧道支护结构环境腐蚀性等级并分析了二次衬砌混凝土抗腐蚀性能；童建军等[6]利用有限元软件，考虑初期支护与二次衬砌荷载分配比例，研究了钢拱架锈蚀率对其自身承载力的影响规律；王永东等[7]基于氯盐侵蚀将海底隧道的寿命周期分为3个阶段，并对钢筋锈蚀阶段进行了量化细分，从氯盐腐蚀的3个阶段分析了海底隧道的耐久性。

目前，关于锈蚀钢筋与混凝土之间锈胀力的研究成果很多[8-14]，但工字钢(钢拱架)锈胀力与钢筋锈胀力可能有较大的不同，因为工字钢与钢筋具有不同的特性: 1)工字钢与混凝土的接触面积远大于钢筋、锚杆；2)工字钢的空间形态与锚杆、钢筋的空间形态不同，导致其力学性能存在差异。因此，研究工字钢与混凝土之间的锈胀力具有一定意义。

本文首先通过室内试验研究了工字钢在不同混凝土保护层厚度下的锈胀力及锈胀力与锈蚀率之间的关系，然后通过数值模拟方法研究了锈胀力作用下混凝土裂缝、混凝土应力、应变分布规律以及混凝土胀裂应力变化情况。

1 试验概述

1.1 试验目的

已有的研究结果显示，钢筋混凝土的保护层厚度对锈胀力的影响很大。一方面，保护层厚度大的构件能更好地阻止地下水与钢筋接触，从而使钢筋锈蚀的初始时间要晚；另一方面，保护层厚度越大，混凝土抵抗钢筋锈胀力的能力就越强，从而使构件不容易开裂，能更好地保护钢筋。本次锈胀力试验的目的是研究保护层厚度对工字钢锈胀力的影响以及保护层厚度对锈胀承载力(胀裂时的锈胀力)的影响，并观察混凝土裂缝的分布和发展，从而能清楚地了解海底隧道初期支护工字钢与混凝土之间的相互作用，为海底隧道初期支护的病害研究提供依据。

1.2 试验原理及步骤

锈胀力试验难点有：1)通电快速锈蚀时锈蚀率不好控制；2)对用于测锈胀力的试验仪器既有强度要求(不能被压坏)，又有防锈蚀要求，且仪器体积不能太大以防改变钢筋混凝土内部黏结的真实情况。

针对第1个难点，本试验预先浇筑同等大小、规格的工字钢混凝土构件，然后采用电解液快速腐蚀法加速钢拱架的腐蚀。具体做法是：1)把试件放在质量分数为5%的NaCl溶液中浸泡7 d，然后将试件横放入电解槽中并加入相同质量分数的NaCl溶液；2)将试件中的工字钢用导线与可调式稳压电源的阳极相接,电源阴极与溶液中的铜板连接，通过NaCl溶液形成回路,使阳极的钢拱架发生腐蚀。通电完成锈蚀后采用酸洗实测[15]的方法测定锈蚀率，具体做法如下：1)将混凝土试件凿开，取出锈蚀工字钢；2)切割未包裹在混凝土中的锈蚀工字钢；3)用质量分数为12%的盐酸溶液去除包裹在混凝土中的锈蚀工字钢的锈蚀产物，然后用质量分数为3%的碳酸钠溶液中和，最后用水洗涤，放入烘箱烘干；4)将除锈后的工字钢称重，可得到除锈后的工字钢质量，进一步得到实际的锈蚀损失质量。

经快速电解锈蚀后的工字钢如图1所示。由图可以看出，工字钢表面锈蚀较为均匀。锈蚀质量与通电时间的关系如图2所示。快速锈蚀试验完成后以相同的快速锈蚀条件和环境进行锈胀力试验，得到具体时间相应锈蚀率所对应的锈胀力。

图1 快速电解锈蚀后的工字钢

图2 锈蚀质量与通电时间的关系

对于锈胀力试验的第2个难点，本文采用的方法是：将土压力盒(其外面用薄绝缘膜包裹)固定在工字钢上，翼缘中部和腹板中部各布置1个，然后浇筑混凝土并通电锈蚀，用静态应变仪测得频率，并将其转换成锈胀力。土压力盒的安置、保护和固定分别如图3和图4所示。应变读数仪如图5所示。

图3 土压力盒安置示意图

图4 土压力盒的保护与固定

图5 应变读数仪

土压力盒能够满足强度要求，不会被压坏。绝缘膜要薄，并且防水，其没有压缩性，能很好地传递锈胀力，绝缘膜的选用是本试验成败的关键。

对于锈胀力试验，本文采用如下方案：1)按不同的混凝土保护层厚度浇筑构件，研究内容包括早期锈胀力、开裂锈胀力和后期锈胀力的对比。本试验设置4种不同的保护层厚度，分别为22、24、26、28 mm。2)不同的通电锈蚀时间得到不同锈蚀率下的锈胀力。

本次试验步骤如下：1)将土压力盒安装到工字钢上,要求绝缘保护膜与工字钢之间无杂质，贴紧效果好，然后记录土压力盒编号和对应的位置；2)浇筑混凝土构件并养护，混凝土质量配合比m水∶m碎石∶m砂∶m水泥=1∶3.5∶2.7∶1.8；3)通电锈蚀，记录锈蚀时间(见表1)，锈蚀的同时将土压力盒数据线连接到应变仪上，记录频率数据；4)将频率数据换算成锈胀力；5)对数据进行分析。

表1 锈胀力试验记录

2 试验结果分析

2.1 锈胀力

通过应变仪记录的数据是频率值，需要转换为锈胀力。转换公式见式(1)。

p=a×10-4×(L+b)。

(1)

式中：p为锈胀力，MPa；L为记录频率值；a、b为压力盒标定系数。

锈胀力试验的通电电流和快速锈蚀试验电流相同，都控制在5 A，这样可以根据图2的曲线得出锈胀力与锈蚀率的关系图。锈蚀率ρ为锈蚀质量mt与原质量m之比，即

ρ=mt/m。

(2)

如此可以得到翼板和肋板处锈胀力与锈蚀率的关系曲线，分别如图6和图7所示。

根据图6和图7可知：1)锈胀力随着锈蚀率的增加而增大；2)相同锈蚀率情况下，锈胀力随着保护层厚度的增加而增大。这是因为混凝土的保护层厚度越大，外围混凝土的约束刚性就越大，铁锈膨胀受到的阻力就越大，因此锈胀力就越大。

图6 翼板处锈胀力与锈蚀率关系曲线

图7 肋板处锈胀力与锈蚀率关系曲线

2.2 锈胀发展过程

在通电锈蚀过程中，锈胀的形成、发展一般分为3个阶段：自由锈蚀阶段、锈胀力明显增加阶段和胀裂。

1)自由锈蚀阶段。当工字钢表面的钝化膜遭到破坏时，钢材处于活化状态，阳极区的铁原子转化为亚铁离子Fe2+，其与OH-反应生成Fe(OH)2，再与水和氧气反应生成Fe(OH)3。这种反应模式得以实现的前提是混凝土是一种多孔材料，且工字钢与混凝土的界面存在空隙，否则阴、阳离子很难迁移，很难产生反应。所以，锈蚀初期生成的铁锈将首先填充工字钢与混凝土界面间的空隙，部分还会渗入界面周围混凝土的孔隙中，但对周围混凝土产生的压力很小。显然，孔隙或空隙的总体积越大，产生锈胀力的时间就越晚。孔隙或空隙的体积与工字钢的表面积、混凝土的水灰比、水化程度及固结程度有关。混凝土越不密实，工字钢锈蚀产物越容易向混凝土中扩散和外逸，锈蚀产物在钢筋周围的堆积量越少，铁锈所引起的膨胀压力越小。

2)锈胀力明显增加阶段。当锈蚀产物的总量超过工字钢与混凝土界面附近的孔隙或空隙可容纳的锈蚀产物总量时，锈胀力开始明显增加。

3)胀裂。当锈蚀产物的总量达到混凝土保护层胀裂时所能承受的最大锈蚀物量时，构件便出现裂缝。在通电锈蚀过程中，发现当通电时间达到90 h左右时，构件表面会出现明显的纵向裂缝，如图8所示。

图8 构件锈蚀胀裂

3 锈胀力作用影响

通过土压力盒测量工字钢锈蚀时的锈胀力，只能看到试验构件表面的裂缝，而对于混凝土内部的锈胀问题、混凝土不同部位受到锈胀力的应力、应变问题以及内部裂缝的分布均不清楚。为了解工字钢锈胀力作用下混凝土的内部情况，本文采用有限元软件ANSYS三维实体模型进行模拟分析。

3.1 锈胀模型的建立

根据锈胀力试验所得，按照实测翼板部位与肋板部位锈胀力的比例来设置数值模拟面荷载，研究混凝土开裂区的裂缝、应力、应变及胀裂应力。

混凝土的单轴受压应力-应变关系采用Kent-Park模型，具体参数见表2。破坏准则采用Willam & Warnke 5参数破坏准则，裂缝为弥散固定裂缝模式。

表2 喷射混凝土材料参数

混凝土采用solid65单元模拟，模型采用三维实体分析。由于试验构件是对称的，模型建立时只取构件一半的尺寸。锈胀力采用面荷载模拟(见图9)，网格划分为六面体单元(见图10)。模型底面用LINK单元连接，只受拉。每1种保护层厚度建立1种模型，所加的面荷载从小逐步增大，直到混凝土出现裂缝为止。

图9 面荷载示意图

图10 单元网格模型

3.2 锈胀力数值结果分析

3.2.1 裂缝

数值计算得到的混凝土锈胀裂缝如图11所示。由图可以看出，混凝土在锈胀力作用下的开裂情况及裂缝的分布规律如下：

图11 混凝土锈胀裂缝

1)工字钢混凝土构件锈胀开裂，裂缝集中于混凝土与工字钢翼缘接触的位置，即翼缘中部和2个角点。腹板位置的混凝土不出现裂缝，原因在于腹板处混凝土的保护层很厚，远远大于翼缘位置处混凝土的保护层厚度，所以裂缝集中在翼缘位置。

2)翼缘中部的裂缝由外向内发展，所以这个区域的裂缝首先出现在混凝土构件的外表面，然后随着锈胀力的增大逐渐向混凝土内部发展。

3)2角点区域的混凝土裂缝由内向外发展。裂缝产生于与工字钢接触的混凝土表面，然后逐步向外发展。原因是角点部位受到2个垂直方向(1个向上，另1个向两侧)的锈胀力作用，导致角点部位混凝土内部受拉而开裂。角点裂缝在开裂后不会马上被观察到。

3.2.2 混凝土应力、应变

混凝土开裂区应力如图12所示。由图12可知：1)在3个裂缝区，混凝土受到的应力均为拉应力，这也是裂缝发生的原因。2)翼缘中间部分拉应力由外向内依次减小，而2角点的拉应力由内向外依次减小。混凝土开裂区应变如图13所示。由图13可知：1)3个裂缝区均为拉应变区。2)翼缘中部外侧拉应变大于内侧拉应变，而角点内侧拉应变大于角点外侧拉应变。混凝土拉应力和拉应变的发展方向代表着混凝土裂缝的发展趋势。

图12 混凝土开裂区应力(单位：kPa)

图13 混凝土开裂区应变

3.2.3 胀裂应力

混凝土胀裂应力数值计算结果与试验结果对比如图14所示。由图可以看出，数值计算得到的混凝土胀裂应力随保护层厚度的变化规律与试验得到的规律是一样的；但数值计算得出的混凝土胀裂应力要大于试验得到的混凝土胀裂应力，两者比值约为1.25。其主要原因为试验中工字钢锈蚀时，混凝土与工字钢接触面存在空隙，锈蚀产物要先填满这些空隙才能产生锈胀力；而数值计算时，混凝土单元是绝对密实的，只要存在面荷载作用，锈胀力就会充分体现。

图14 混凝土胀裂应力数值计算结果与试验结果对比

4 结论与建议

本文采用室内试验、数值模拟方法对工字钢锈胀的发展过程进行了研究，得出以下结论与建议：

1)相同保护层厚度下，锈胀力随着锈蚀率的增加而增大；相同锈蚀率时，锈胀力随着保护层厚度的增加而增大。根据锈胀力试验可知，在保护层厚度为28 mm、锈蚀率为8%时，翼板处的最大锈胀力约为0.65 MPa，肋板处约为0.98 MPa。

2)工字钢混凝土构件锈胀开裂，裂缝集中于翼缘中部和2个角点，翼缘中部的裂缝由外向内发展，2角点区域的裂缝由内向外发展。3个裂缝区的混凝土均受拉应力，翼缘中间部分拉应力由外向内依次减小，而2角点的拉应力由内向外依次减小。

3)数值计算得到的混凝土胀裂应力随保护层厚度的变化规律与试验得到的规律相同，但数值计算得出的混凝土胀裂应力大于试验得到的混凝土胀裂应力，两者比值约为1.25。

4)本文目前只考虑了氯盐渗透下钢拱架锈蚀与支护结构间的膨胀力，对于氯离子渗透规律目前尚未开展试验研究。此外，采用的数值模拟方法主要获得了不同保护层厚度下混凝土的胀裂应力，但不能反映出钢拱架锈蚀过程及锈胀力发展趋势，建议后续在本文的基础上进一步研究。