地铁工程中高性能混凝土抗杂散电流腐蚀模拟试验研究[摘 要]杂散电流对地铁工程钢筋混凝土的损害是严重的。本文通过混凝土试件在Ｃａ(ＯＨ)2饱和溶液和3 5%ＮａＣｌ溶液中的模拟试验及微观机理分析,得出采用优化配制的复掺优质粉煤灰和矿渣微粉的高性能混凝土抗杂散电流腐蚀能力比同水胶比基准混凝土提高6～8倍的结论,并通过耐久寿命评估,达到了设计使用寿命100年的基本要求。[关键词]地铁工程;高性能混凝土;杂散电流腐蚀;模拟试验 高性能混凝土是20世纪80年代末、90年代初问世的一个新术语[1]。它是针对传统的混凝土设计仅注重以抗压强度为主要依据,以及全球范围日益突出的耐久性问题,超高层建筑、大跨度桥梁、海洋工程结构的迅猛发展,混凝土的商品化和施工高度机械化,资源、能源与环境保护形势日趋严重的可持续发展问题等背景下提出的。一经问世,立即在世界范围内得到普遍认同和推崇,在高性能混凝土的研究和工程应用方面取得了相当快的进展。1国内外研究现状 日本是高性能混凝土研究较早、水平较高、应用较广的国家。该国科研人员研制出耐久性达500年以上的混凝土,在水灰比0 50的普通混凝土中掺加乙二醇醚衍生物及氨基醇衍生物,混凝土干燥收缩约为普通混凝土的50%～60%,碳化速度约为普通混凝土的1 3,氯离子渗透速度仅为普通混凝土的1 4,并具有优异的耐酸性,能有效控制盐酸、硝酸对混凝土的渗透,在大型工程应用中得到了有效的检验[2 4]。英、美、加等国粉煤灰资源丰富,对掺粉煤灰高性能混凝土的研究和工程应用也有相当成熟的经验。加拿大矿产能源研究中心(ＣＡＮＭＥＴ)开发研究大掺量粉煤灰混凝土,并对其工作性能、物理力学性能和耐久性进行了系统的研究[5];英国的跨英吉利海峡海底隧道,采用了水胶比为0 33的Ｃ70粉煤灰混凝土(粉煤灰掺量30%);美国佛罗里达州海边最大的一座“阳光”高架桥,其下部大体积混凝土掺用了50%粉煤灰,上部结构采用了水胶比不大于0 35,20%粉煤灰和5%～10%硅粉共掺的Ｃ45高性能混凝土[6]。荷兰对大掺量矿渣微粉混凝土的研究和应用已有50多年的历史和相当成熟的经验,该国的海工结构大多数采用大掺量矿渣微粉混凝土,设计使用寿命也均在100年以上[7]。 我国自20世纪80年代中后期开展高性能混凝土系统研究,十多年来发展迅速,工程应用广泛。1987年,高效减水剂与粉煤灰双掺技术就已应用于厦门高集跨海公路大桥[8]。1997年,在厦门海沧大桥锚碇与承台大体积混凝土中,应用了高效减水剂和35%～40%粉煤灰双掺技术,取得了明显的技术经济效益[9]。1996年,南京水利科学研究院承接交通部国家“九五”攻关项目“海工高性能混凝土成套技术研究”,对海工高性能混凝土的宏观性能和微观机理进行了深入的研究,并在天津新港建设工程中成功应用。 但是,高性能混凝土的研究和应用主要集中于海港、大型桥梁等交通工程及部分大型水利工程,在地铁工程中的应用尚未见报道。对于地铁工程,钢筋混凝土的耐久性除要经受环境介质腐蚀侵害外,地铁杂散电流对其腐蚀破坏作用也相当严重。如北京地铁第一期工程投入运营数年后,即发现其主体结构的钢筋严重腐蚀。在国外,如日本、美国、法国、意大利、英国、加拿大和俄罗斯等国的地铁,也存在杂散电流腐蚀的问题[10]。近几年来,国内外研究人员陆续开展钢筋混凝土抗腐蚀研究[11],但在地铁工程中采用高性能混凝土抗杂散电流腐蚀的应用研究相对滞后。2模拟试验研究 南京地铁工程属国家重点建设项目,工程规模宏伟、投资大、建设周期长、质量要求高。工程使用的混凝土除必须满足物理力学性能和施工性能等设计要求外,还必须重点考虑混凝土的耐久性,使地铁工程混凝土与钢筋混凝土结构在所处环境条件下,能满足100年设计使用寿命的基本要求。对此,南京地铁开展了高性能混凝土的应用研究,针对地铁杂散电流对钢筋混凝土的腐蚀,重点进行了高性能混凝土抗杂散电流腐蚀的模拟试验。 避免杂散电流的危害,可以采取两方面的措施:一是避免产生接触电位差;二是减少由于电位差产生的电流,即提高混凝土的电阻率。根据南京地铁工程的实际情况,本次试验研究采用的是掺和粉煤灰和矿渣的方法,提高混凝土的电阻率,减少杂散电流的危害。2.1Ｃ30高性能泵送混凝土试验配合比和试件 开展Ｃ30泵送混凝土综合性能试验,采用的是南京地铁主体工程Ｃ30泵送混凝土。即,原材料采用南京天宝水泥集团32.5普硅水泥、江苏南热粉煤灰开发公司Ｉ级灰、江南粉磨有限公司矿渣微粉、南京宏田江砂、江苏小野田泉水碎石和南京瑞迪新材料公司ＨＬＣ抗裂防渗剂。Ｃ30高性能泵送混凝土试验配合比见表1。
混凝土试件尺寸(ｃｍ)为10×10×10,成型时在向上一面的中心位置垂直插入直径8ｍｍ、长8ｃｍ的钢筋。钢筋的两端都埋入试件内,在钢筋的一端焊有绝缘铜线,绝缘铜线露在试件外的长度约为25ｃｍ。试件养护28天后在上下面和三个侧面涂环氧树脂封闭,保留一个侧面不涂。2.2混凝土试件在Ｃａ(ＯＨ)2饱和溶液中的模拟试验 实验时,模拟地铁现场的工况,将混凝土试件和电极板放入盛有液体的容器内,试件的开放面与电极板平行,距离1ｃｍ。试验时接直流电,钢筋接正极,电极板接负极,测量直流条件下短时间内的电流电压关系。研究结果表明,混凝土在液体介质中的导电符合欧姆定律,其电阻与长期通电试验的结果相符,见表2。
试验结果可见,掺加矿渣和粉煤灰的Ｄ334、Ｄ335混凝土试件电阻值为Ｄ320基准混凝土试件的5倍,能够大大降低电流,减少腐蚀。 在Ｃａ(ＯＨ)2饱和溶液中长期通电的模拟试验结果见表3。
混凝土试件在Ｃａ(ＯＨ)2饱和溶液中通电腐蚀过程中电流较为平稳,仅有少量变化,当腐蚀累计电量达到一定数值,混凝土试件开裂前后,腐蚀电流明显变大。研究结果表明,由杂散电流腐蚀导致的混凝土开裂,其主要原因不是电流发热造成的温度差,而是由于钢筋腐蚀产物的膨胀所致。混凝土开裂与杂散电流的累积电量相关,在本次试验中,混凝土试件开裂时的腐蚀电量在2856～4952ｍＡｈ范围以内。 结果表明,掺加矿渣微粉和粉煤灰的混凝土对减少地铁杂散电流的腐蚀是有效的。试验中,混凝土中掺加56%～65%的矿渣微粉和粉煤灰,可以将杂散电流的腐蚀,减少到同量级水胶比基准混凝土的1/5。 为进一步明确混凝土配合比与电阻的关系,在混凝土水胶比和胶凝材料总量相同条件下,以混凝土配合比中影响较大的水泥、粉煤灰、矿渣微粉的用量为自变量,电阻为函数,进行三元二次回归计算。回归计算公式如下: 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分别表示混凝土中水泥、粉煤灰和矿渣微粉用量。 由计算公式可见,混凝土胶凝材料中水泥用量对提高混凝土电阻作用最小,矿渣微粉次之,粉煤灰作用最大。但考虑到混凝土的综合性能,水泥、粉煤灰和矿渣微粉具有合理掺量组合。水胶比和胶凝材料总量相同条件下,混凝土水泥用量与试件电阻之关系计算检测结果见图1。
由计算结果并经试验验证,推算出合理的矿渣微粉、粉煤灰的掺加量,可使高性能混凝土抗地铁杂散电流腐蚀能力,比同量级的水胶比基准混凝土提高6～8倍。2.3混凝土试件在海水环境中的模拟试验 为检测钢筋混凝土在海水环境下抗地铁杂散电流腐蚀性能,进行了在3.5%ＮａＣｌ溶液中的模拟试验,结果见表4。
从试验结果可见,混凝土试件在3.5%ＮａＣｌ溶液中电流变动大,腐蚀快,中断早。在有电压时,中性溶液中的氯离子,不仅仅是电荷载体,更重要的是与混凝土的组分和钢筋、焊接点发生化学反应,改变导电条件,同时很快地腐蚀混凝土、钢筋、焊接点。因此,氯盐溶液极大地增强杂散电流对地铁建筑结构的腐蚀,极具破坏性,必须坚决避免。2.4微观机理分析 双掺粉煤灰加矿渣微粉对钢筋混凝土抗地铁杂散电流腐蚀的改善机理,主要是提高了混凝土的密实性,图2为Ｄ320和Ｄ333混凝土试件养护180ｄ时的显微电镜照片。由表1可知,其中,Ｄ320为基准混凝土试件;Ｄ333为双掺粉煤灰加矿渣微粉的混凝土试件。
由图2可见,在相同水胶比(0.38)条件下,基准混凝土试件内部含有较多毛细孔洞和通道,在杂散电流腐蚀试验时,为孔隙液中离子导电提供方便;而掺加28%粉煤灰+28%矿渣微粉的混凝土试件内部非常致密,毛细孔洞基本被二次水化产物填满,对杂散电流腐蚀试验时离子导电起阻碍作用。 微观分析表明,双掺粉煤灰加矿渣微粉对钢筋混凝土抗地铁杂散电流腐蚀耐久性的改善,主要原因为混凝土二次水化反应,提高混凝土密实性。 通过耐久寿命评估公式计算(钢筋混凝土耐久寿命Ｔｃｒ=去钝化时间Ｔｄ+锈蚀发展期Ｔｐ),掺加56%～65%的矿渣微粉和粉煤灰的混凝土抗地铁杂散电流腐蚀耐久寿命可达150年。3 结 语 地铁工程钢筋混凝土抗杂散电流腐蚀模拟试验研究的结果表明,采用优化配制的复掺优质粉煤灰和矿渣微粉的高性能混凝土抗杂散电流腐蚀能力比同水胶比基准混凝土提高6～8倍。 当然,作为施工应用的高性能混凝土还必须兼顾防渗抗裂性、强度等其它方面的要求,进行综合考虑。采用这种方式所配制的Ｃ30高性能泵送混凝土凝结时间较长,但此缺陷可通过调整ＨＬＣ抗裂防渗剂配方、降低其中的缓凝成分的方法得以改善,同时采用这种方式所配制的高性能泵送混凝土还可以节约水泥用量,大量的利用工业废渣,节约了施工成本,创造了可观的经济效益,且钢筋混凝土预期耐久寿命延长,从而可减少后期的维修费用;另外,更为重要的是,减少了生产水泥对环境的污染,也减少了工业废渣排放的环境压力,社会效益显著。[参考文献][1] 吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[Ｍ].北京:中国铁道出版社,1999.[2] 蔡跃波等.海工高性能混凝土成套技术研究[Ｒ].南京水利科学研究院,2000.[3] 冯乃谦.高性能混凝土[Ｍ].北京:中国建筑工业出版社,1996.[4] Ｈ.索默编,冯乃谦,等译.高性能混凝土的耐久性[Ｍ].北京:中国科学出版社,1998.[5] ＡｌａｎＢｉｌｏｄｅａｕ＆ＭｏｈａｎＭａｌｈｏｔｒａ,Ｈｉｇｈ ＶｏｌｕｍｅＦｌｙＡｓｈＳｙｓｔｅｍ:ＣｏｎｃｒｅｔｅＳｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＤｅｖｌｏｐｍｅｎｔ[Ｊ].ＡＣＩＭａｔｅｒｉａｌｓＪｏｕｒｎａｌ,2000,97(1):41～48.[6] 洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[Ｍ].北京:中国铁道出版社,1998.[7] ＪａｎＢ.Ｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅｓｌａｇｃｅｍｅｎｔｆｏｒｄｕｒａｂｌｅｍａｒｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ[Ｃ].ＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓｃｅｍｅｎｔＩｎｄｕｓｔｒｙ,Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ,1998.[8] 方景等.厦门高集海峡大桥工程混凝土双掺技术应用研究[Ｒ].南京水利科学研究院,1987.[9] 陆采荣,梅国兴.厦门海沧大桥混凝土试验研究专题报告[Ｒ].南京水利科学研究院,1997.[10] 蔺安林,周晓军.地铁迷流对钢筋混凝土中钢筋腐蚀的模拟试验研究[Ｊ].西部探矿工程,1999.3:66～71.[11] 杨卫东,等.沿海地区钢筋混凝土的腐蚀及其防护[Ｊ].混凝土,2003,(8).
