地鐵工程中高性能混凝土抗雜散電流腐蝕模擬試驗研究[摘 要]雜散電流對地鐵工程鋼筋混凝土的損害是嚴重的。本文通過混凝土試件在Ｃａ(ＯＨ)2飽和溶液和3 5%ＮａＣｌ溶液中的模擬試驗及微觀機理分析,得出采用優化配制的復摻優質粉煤灰和礦渣微粉的高性能混凝土抗雜散電流腐蝕能力比同水膠比基準混凝土提高6～8倍的結論,并通過耐久壽命評估,達到了設計使用壽命100年的基本要求。[關鍵詞]地鐵工程;高性能混凝土;雜散電流腐蝕;模擬試驗 高性能混凝土是20世紀80年代末、90年代初問世的一個新術語[1]。它是針對傳統的混凝土設計僅注重以抗壓強度為主要依據,以及全球范圍日益突出的耐久性問題,超高層建筑、大跨度橋梁、海洋工程結構的迅猛發展,混凝土的商品化和施工高度機械化,資源、能源與環境保護形勢日趨嚴重的可持續發展問題等背景下提出的。一經問世,立即在世界范圍內得到普遍認同和推崇,在高性能混凝土的研究和工程應用方面取得了相當快的進展。1國內外研究現狀 日本是高性能混凝土研究較早、水平較高、應用較廣的國家。該國科研人員研制出耐久性達500年以上的混凝土,在水灰比0 50的普通混凝土中摻加乙二醇醚衍生物及氨基醇衍生物,混凝土干燥收縮約為普通混凝土的50%～60%,碳化速度約為普通混凝土的1 3,氯離子滲透速度僅為普通混凝土的1 4,并具有優異的耐酸性,能有效控制鹽酸、硝酸對混凝土的滲透,在大型工程應用中得到了有效的檢驗[2 4]。英、美、加等國粉煤灰資源豐富,對摻粉煤灰高性能混凝土的研究和工程應用也有相當成熟的經驗。加拿大礦產能源研究中心(ＣＡＮＭＥＴ)開發研究大摻量粉煤灰混凝土,并對其工作性能、物理力學性能和耐久性進行了系統的研究[5];英國的跨英吉利海峽海底隧道,采用了水膠比為0 33的Ｃ70粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量30%);美國佛羅里達州海邊最大的一座“陽光”高架橋,其下部大體積混凝土摻用了50%粉煤灰,上部結構采用了水膠比不大于0 35,20%粉煤灰和5%～10%硅粉共摻的Ｃ45高性能混凝土[6]。荷蘭對大摻量礦渣微粉混凝土的研究和應用已有50多年的歷史和相當成熟的經驗,該國的海工結構大多數采用大摻量礦渣微粉混凝土,設計使用壽命也均在100年以上[7]。 我國自20世紀80年代中后期開展高性能混凝土系統研究,十多年來發展迅速,工程應用廣泛。1987年,高效減水劑與粉煤灰雙摻技術就已應用于廈門高集跨海公路大橋[8]。1997年,在廈門海滄大橋錨碇與承臺大體積混凝土中,應用了高效減水劑和35%～40%粉煤灰雙摻技術,取得了明顯的技術經濟效益[9]。1996年,南京水利科學研究院承接交通部國家“九五”攻關項目“海工高性能混凝土成套技術研究”,對海工高性能混凝土的宏觀性能和微觀機理進行了深入的研究,并在天津新港建設工程中成功應用。 但是,高性能混凝土的研究和應用主要集中于海港、大型橋梁等交通工程及部分大型水利工程,在地鐵工程中的應用尚未見報道。對于地鐵工程,鋼筋混凝土的耐久性除要經受環境介質腐蝕侵害外,地鐵雜散電流對其腐蝕破壞作用也相當嚴重。如北京地鐵第一期工程投入運營數年后,即發現其主體結構的鋼筋嚴重腐蝕。在國外,如日本、美國、法國、意大利、英國、加拿大和俄羅斯等國的地鐵,也存在雜散電流腐蝕的問題[10]。近幾年來,國內外研究人員陸續開展鋼筋混凝土抗腐蝕研究[11],但在地鐵工程中采用高性能混凝土抗雜散電流腐蝕的應用研究相對滯后。2模擬試驗研究 南京地鐵工程屬國家重點建設項目,工程規模宏偉、投資大、建設周期長、質量要求高。工程使用的混凝土除必須滿足物理力學性能和施工性能等設計要求外,還必須重點考慮混凝土的耐久性,使地鐵工程混凝土與鋼筋混凝土結構在所處環境條件下,能滿足100年設計使用壽命的基本要求。對此,南京地鐵開展了高性能混凝土的應用研究,針對地鐵雜散電流對鋼筋混凝土的腐蝕,重點進行了高性能混凝土抗雜散電流腐蝕的模擬試驗。 避免雜散電流的危害,可以采取兩方面的措施:一是避免產生接觸電位差;二是減少由于電位差產生的電流,即提高混凝土的電阻率。根據南京地鐵工程的實際情況,本次試驗研究采用的是摻和粉煤灰和礦渣的方法,提高混凝土的電阻率,減少雜散電流的危害。2.1Ｃ30高性能泵送混凝土試驗配合比和試件 開展Ｃ30泵送混凝土綜合性能試驗,采用的是南京地鐵主體工程Ｃ30泵送混凝土。即,原材料采用南京天寶水泥集團32.5普硅水泥、江蘇南熱粉煤灰開發公司Ｉ級灰、江南粉磨有限公司礦渣微粉、南京宏田江砂、江蘇小野田泉水碎石和南京瑞迪新材料公司ＨＬＣ抗裂防滲劑。Ｃ30高性能泵送混凝土試驗配合比見表1。
混凝土試件尺寸(ｃｍ)為10×10×10,成型時在向上一面的中心位置垂直插入直徑8ｍｍ、長8ｃｍ的鋼筋。鋼筋的兩端都埋入試件內,在鋼筋的一端焊有絕緣銅線,絕緣銅線露在試件外的長度約為25ｃｍ。試件養護28天后在上下面和三個側面涂環氧樹脂封閉,保留一個側面不涂。2.2混凝土試件在Ｃａ(ＯＨ)2飽和溶液中的模擬試驗 實驗時,模擬地鐵現場的工況,將混凝土試件和電極板放入盛有液體的容器內,試件的開放面與電極板平行,距離1ｃｍ。試驗時接直流電,鋼筋接正極,電極板接負極,測量直流條件下短時間內的電流電壓關系。研究結果表明,混凝土在液體介質中的導電符合歐姆定律,其電阻與長期通電試驗的結果相符,見表2。 試驗結果可見,摻加礦渣和粉煤灰的Ｄ334、Ｄ335混凝土試件電阻值為Ｄ320基準混凝土試件的5倍,能夠大大降低電流,減少腐蝕。 在Ｃａ(ＯＨ)2飽和溶液中長期通電的模擬試驗結果見表3。 混凝土試件在Ｃａ(ＯＨ)2飽和溶液中通電腐蝕過程中電流較為平穩,僅有少量變化,當腐蝕累計電量達到一定數值,混凝土試件開裂前后,腐蝕電流明顯變大。研究結果表明,由雜散電流腐蝕導致的混凝土開裂,其主要原因不是電流發熱造成的溫度差,而是由于鋼筋腐蝕產物的膨脹所致。混凝土開裂與雜散電流的累積電量相關,在本次試驗中,混凝土試件開裂時的腐蝕電量在2856～4952ｍＡｈ范圍以內。 結果表明,摻加礦渣微粉和粉煤灰的混凝土對減少地鐵雜散電流的腐蝕是有效的。試驗中,混凝土中摻加56%～65%的礦渣微粉和粉煤灰,可以將雜散電流的腐蝕,減少到同量級水膠比基準混凝土的1/5。 為進一步明確混凝土配合比與電阻的關系,在混凝土水膠比和膠凝材料總量相同條件下,以混凝土配合比中影響較大的水泥、粉煤灰、礦渣微粉的用量為自變量,電阻為函數,進行三元二次回歸計算。回歸計算公式如下: Ω=-0.003Ｃ2-0.099Ｆ2-0.033Ｋ2-0.108ＣＦ -0.134ＦＫ-0.036ＫＣ+12.22Ｃ+49.99Ｆ +23. 54Ｋ-4204.84 式中,Ｃ、Ｆ、Ｋ分別表示混凝土中水泥、粉煤灰和礦渣微粉用量。 由計算公式可見,混凝土膠凝材料中水泥用量對提高混凝土電阻作用最小,礦渣微粉次之,粉煤灰作用最大。但考慮到混凝土的綜合性能,水泥、粉煤灰和礦渣微粉具有合理摻量組合。水膠比和膠凝材料總量相同條件下,混凝土水泥用量與試件電阻之關系計算檢測結果見圖1。 由計算結果并經試驗驗證,推算出合理的礦渣微粉、粉煤灰的摻加量,可使高性能混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕能力,比同量級的水膠比基準混凝土提高6～8倍。2.3混凝土試件在海水環境中的模擬試驗 為檢測鋼筋混凝土在海水環境下抗地鐵雜散電流腐蝕性能,進行了在3.5%ＮａＣｌ溶液中的模擬試驗,結果見表4。 從試驗結果可見,混凝土試件在3.5%ＮａＣｌ溶液中電流變動大,腐蝕快,中斷早。在有電壓時,中性溶液中的氯離子,不僅僅是電荷載體,更重要的是與混凝土的組分和鋼筋、焊接點發生化學反應,改變導電條件,同時很快地腐蝕混凝土、鋼筋、焊接點。因此,氯鹽溶液極大地增強雜散電流對地鐵建筑結構的腐蝕,極具破壞性,必須堅決避免。2.4微觀機理分析 雙摻粉煤灰加礦渣微粉對鋼筋混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕的改善機理,主要是提高了混凝土的密實性,圖2為Ｄ320和Ｄ333混凝土試件養護180ｄ時的顯微電鏡照片。由表1可知,其中,Ｄ320為基準混凝土試件;Ｄ333為雙摻粉煤灰加礦渣微粉的混凝土試件。 由圖2可見,在相同水膠比(0.38)條件下,基準混凝土試件內部含有較多毛細孔洞和通道,在雜散電流腐蝕試驗時,為孔隙液中離子導電提供方便;而摻加28%粉煤灰+28%礦渣微粉的混凝土試件內部非常致密,毛細孔洞基本被二次水化產物填滿,對雜散電流腐蝕試驗時離子導電起阻礙作用。 微觀分析表明,雙摻粉煤灰加礦渣微粉對鋼筋混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕耐久性的改善,主要原因為混凝土二次水化反應,提高混凝土密實性。 通過耐久壽命評估公式計算(鋼筋混凝土耐久壽命Ｔｃｒ=去鈍化時間Ｔｄ+銹蝕發展期Ｔｐ),摻加56%～65%的礦渣微粉和粉煤灰的混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕耐久壽命可達150年。3 結 語 地鐵工程鋼筋混凝土抗雜散電流腐蝕模擬試驗研究的結果表明,采用優化配制的復摻優質粉煤灰和礦渣微粉的高性能混凝土抗雜散電流腐蝕能力比同水膠比基準混凝土提高6～8倍。 當然,作為施工應用的高性能混凝土還必須兼顧防滲抗裂性、強度等其它方面的要求,進行綜合考慮。采用這種方式所配制的Ｃ30高性能泵送混凝土凝結時間較長,但此缺陷可通過調整ＨＬＣ抗裂防滲劑配方、降低其中的緩凝成分的方法得以改善,同時采用這種方式所配制的高性能泵送混凝土還可以節約水泥用量,大量的利用工業廢渣,節約了施工成本,創造了可觀的經濟效益,且鋼筋混凝土預期耐久壽命延長,從而可減少后期的維修費用;另外,更為重要的是,減少了生產水泥對環境的污染,也減少了工業廢渣排放的環境壓力,社會效益顯著。[參考文獻][1] 吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,1999.[2] 蔡躍波等.海工高性能混凝土成套技術研究[Ｒ].南京水利科學研究院,2000.[3] 馮乃謙.高性能混凝土[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1996.[4] Ｈ.索默編,馮乃謙,等譯.高性能混凝土的耐久性[Ｍ].北京:中國科學出版社,1998.[5] ＡｌａｎＢｉｌｏｄｅａｕ＆ＭｏｈａｎＭａｌｈｏｔｒａ,Ｈｉｇｈ ＶｏｌｕｍｅＦｌｙＡｓｈＳｙｓｔｅｍ:ＣｏｎｃｒｅｔｅＳｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＤｅｖｌｏｐｍｅｎｔ[Ｊ].ＡＣＩＭａｔｅｒｉａｌｓＪｏｕｒｎａｌ,2000,97(1):41～48.[6] 洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,1998.[7] ＪａｎＢ.Ｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅｓｌａｇｃｅｍｅｎｔｆｏｒｄｕｒａｂｌｅｍａｒｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ[Ｃ].ＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓｃｅｍｅｎｔＩｎｄｕｓｔｒｙ,Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ,1998.[8] 方景等.廈門高集海峽大橋工程混凝土雙摻技術應用研究[Ｒ].南京水利科學研究院,1987.[9] 陸采榮,梅國興.廈門海滄大橋混凝土試驗研究專題報告[Ｒ].南京水利科學研究院,1997.[10] 藺安林,周曉軍.地鐵迷流對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的模擬試驗研究[Ｊ].西部探礦工程,1999.3:66～71.[11] 楊衛東,等.沿海地區鋼筋混凝土的腐蝕及其防護[Ｊ].混凝土,2003,(8).
混凝土試件尺寸(ｃｍ)為10×10×10,成型時在向上一面的中心位置垂直插入直徑8ｍｍ、長8ｃｍ的鋼筋。鋼筋的兩端都埋入試件內,在鋼筋的一端焊有絕緣銅線,絕緣銅線露在試件外的長度約為25ｃｍ。試件養護28天后在上下面和三個側面涂環氧樹脂封閉,保留一個側面不涂。2.2混凝土試件在Ｃａ(ＯＨ)2飽和溶液中的模擬試驗 實驗時,模擬地鐵現場的工況,將混凝土試件和電極板放入盛有液體的容器內,試件的開放面與電極板平行,距離1ｃｍ。試驗時接直流電,鋼筋接正極,電極板接負極,測量直流條件下短時間內的電流電壓關系。研究結果表明,混凝土在液體介質中的導電符合歐姆定律,其電阻與長期通電試驗的結果相符,見表2。 試驗結果可見,摻加礦渣和粉煤灰的Ｄ334、Ｄ335混凝土試件電阻值為Ｄ320基準混凝土試件的5倍,能夠大大降低電流,減少腐蝕。 在Ｃａ(ＯＨ)2飽和溶液中長期通電的模擬試驗結果見表3。 混凝土試件在Ｃａ(ＯＨ)2飽和溶液中通電腐蝕過程中電流較為平穩,僅有少量變化,當腐蝕累計電量達到一定數值,混凝土試件開裂前后,腐蝕電流明顯變大。研究結果表明,由雜散電流腐蝕導致的混凝土開裂,其主要原因不是電流發熱造成的溫度差,而是由于鋼筋腐蝕產物的膨脹所致。混凝土開裂與雜散電流的累積電量相關,在本次試驗中,混凝土試件開裂時的腐蝕電量在2856～4952ｍＡｈ范圍以內。 結果表明,摻加礦渣微粉和粉煤灰的混凝土對減少地鐵雜散電流的腐蝕是有效的。試驗中,混凝土中摻加56%～65%的礦渣微粉和粉煤灰,可以將雜散電流的腐蝕,減少到同量級水膠比基準混凝土的1/5。 為進一步明確混凝土配合比與電阻的關系,在混凝土水膠比和膠凝材料總量相同條件下,以混凝土配合比中影響較大的水泥、粉煤灰、礦渣微粉的用量為自變量,電阻為函數,進行三元二次回歸計算。回歸計算公式如下: Ω=-0.003Ｃ2-0.099Ｆ2-0.033Ｋ2-0.108ＣＦ -0.134ＦＫ-0.036ＫＣ+12.22Ｃ+49.99Ｆ +23. 54Ｋ-4204.84 式中,Ｃ、Ｆ、Ｋ分別表示混凝土中水泥、粉煤灰和礦渣微粉用量。 由計算公式可見,混凝土膠凝材料中水泥用量對提高混凝土電阻作用最小,礦渣微粉次之,粉煤灰作用最大。但考慮到混凝土的綜合性能,水泥、粉煤灰和礦渣微粉具有合理摻量組合。水膠比和膠凝材料總量相同條件下,混凝土水泥用量與試件電阻之關系計算檢測結果見圖1。 由計算結果并經試驗驗證,推算出合理的礦渣微粉、粉煤灰的摻加量,可使高性能混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕能力,比同量級的水膠比基準混凝土提高6～8倍。2.3混凝土試件在海水環境中的模擬試驗 為檢測鋼筋混凝土在海水環境下抗地鐵雜散電流腐蝕性能,進行了在3.5%ＮａＣｌ溶液中的模擬試驗,結果見表4。 從試驗結果可見,混凝土試件在3.5%ＮａＣｌ溶液中電流變動大,腐蝕快,中斷早。在有電壓時,中性溶液中的氯離子,不僅僅是電荷載體,更重要的是與混凝土的組分和鋼筋、焊接點發生化學反應,改變導電條件,同時很快地腐蝕混凝土、鋼筋、焊接點。因此,氯鹽溶液極大地增強雜散電流對地鐵建筑結構的腐蝕,極具破壞性,必須堅決避免。2.4微觀機理分析 雙摻粉煤灰加礦渣微粉對鋼筋混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕的改善機理,主要是提高了混凝土的密實性,圖2為Ｄ320和Ｄ333混凝土試件養護180ｄ時的顯微電鏡照片。由表1可知,其中,Ｄ320為基準混凝土試件;Ｄ333為雙摻粉煤灰加礦渣微粉的混凝土試件。 由圖2可見,在相同水膠比(0.38)條件下,基準混凝土試件內部含有較多毛細孔洞和通道,在雜散電流腐蝕試驗時,為孔隙液中離子導電提供方便;而摻加28%粉煤灰+28%礦渣微粉的混凝土試件內部非常致密,毛細孔洞基本被二次水化產物填滿,對雜散電流腐蝕試驗時離子導電起阻礙作用。 微觀分析表明,雙摻粉煤灰加礦渣微粉對鋼筋混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕耐久性的改善,主要原因為混凝土二次水化反應,提高混凝土密實性。 通過耐久壽命評估公式計算(鋼筋混凝土耐久壽命Ｔｃｒ=去鈍化時間Ｔｄ+銹蝕發展期Ｔｐ),摻加56%～65%的礦渣微粉和粉煤灰的混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕耐久壽命可達150年。3 結 語 地鐵工程鋼筋混凝土抗雜散電流腐蝕模擬試驗研究的結果表明,采用優化配制的復摻優質粉煤灰和礦渣微粉的高性能混凝土抗雜散電流腐蝕能力比同水膠比基準混凝土提高6～8倍。 當然,作為施工應用的高性能混凝土還必須兼顧防滲抗裂性、強度等其它方面的要求,進行綜合考慮。采用這種方式所配制的Ｃ30高性能泵送混凝土凝結時間較長,但此缺陷可通過調整ＨＬＣ抗裂防滲劑配方、降低其中的緩凝成分的方法得以改善,同時采用這種方式所配制的高性能泵送混凝土還可以節約水泥用量,大量的利用工業廢渣,節約了施工成本,創造了可觀的經濟效益,且鋼筋混凝土預期耐久壽命延長,從而可減少后期的維修費用;另外,更為重要的是,減少了生產水泥對環境的污染,也減少了工業廢渣排放的環境壓力,社會效益顯著。[參考文獻][1] 吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,1999.[2] 蔡躍波等.海工高性能混凝土成套技術研究[Ｒ].南京水利科學研究院,2000.[3] 馮乃謙.高性能混凝土[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1996.[4] Ｈ.索默編,馮乃謙,等譯.高性能混凝土的耐久性[Ｍ].北京:中國科學出版社,1998.[5] ＡｌａｎＢｉｌｏｄｅａｕ＆ＭｏｈａｎＭａｌｈｏｔｒａ,Ｈｉｇｈ ＶｏｌｕｍｅＦｌｙＡｓｈＳｙｓｔｅｍ:ＣｏｎｃｒｅｔｅＳｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＤｅｖｌｏｐｍｅｎｔ[Ｊ].ＡＣＩＭａｔｅｒｉａｌｓＪｏｕｒｎａｌ,2000,97(1):41～48.[6] 洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,1998.[7] ＪａｎＢ.Ｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅｓｌａｇｃｅｍｅｎｔｆｏｒｄｕｒａｂｌｅｍａｒｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ[Ｃ].ＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓｃｅｍｅｎｔＩｎｄｕｓｔｒｙ,Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ,1998.[8] 方景等.廈門高集海峽大橋工程混凝土雙摻技術應用研究[Ｒ].南京水利科學研究院,1987.[9] 陸采榮,梅國興.廈門海滄大橋混凝土試驗研究專題報告[Ｒ].南京水利科學研究院,1997.[10] 藺安林,周曉軍.地鐵迷流對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的模擬試驗研究[Ｊ].西部探礦工程,1999.3:66～71.[11] 楊衛東,等.沿海地區鋼筋混凝土的腐蝕及其防護[Ｊ].混凝土,2003,(8).
