活性掺合料对地铁混凝土杂散电流的抑制作用[摘 要] 采用磨细矿渣和粉煤灰等活性掺合料,对地铁混凝土抗杂散电流性能进行对比试验研究,结果表明,掺加活性掺合料使混凝土钢筋钝化膜电阻Ｒｃ和累积电量得到提高,从而使地铁混凝土的抗杂散电流能力显著增强。[关键词] 掺合料; 地铁; 混凝土; 杂散电流0 引言 杂散电流,是指由采用直流供电牵引方式的地铁列车在地铁长期运行后其受到污染、渗漏和高地应力破坏等原因而泄露到道床及其周围土壤中的电流。它可能使地铁列车周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及车站和隧道主体工程中的钢筋发生电化学腐蚀,由阳极反应产生的腐蚀产物铁锈等在钢筋或钢管表面沉积形成锈层而产生膨胀,从而导致钢筋混凝土结构破坏[1]。 铁工程的主体结构为钢筋混凝土结构,在相对封闭的环境下,地铁工程特有的杂散电流对钢筋混凝土结构的腐蚀破坏是影响其耐久寿命和结构安全的重要因素,必须引起足够的重视[2]。1地铁杂散电流的研究进展 杂散电流对埋地金属管线和混凝土主体结构中钢筋的腐蚀在本质上是电化学腐蚀,这种腐蚀属于局部腐蚀,其原理与金属在大气条件下或在水溶液及土壤电解质中发生的自然腐蚀一样,都是具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应。但混凝土结构中的钢筋在高电压和较大的杂散电流作用下,所发生的腐蚀与其在电解质中自发进行的腐蚀有较大的区别, 主要表现在钢筋的腐蚀速率与周围介质的电阻率、混凝土的水胶比等有关,实际的电化学当量、腐蚀速率远远小于电解质溶液中的腐蚀速率[3]。 来对于地铁杂散电流的研究取得了一些进展[4～8],主要研究成果有地铁杂散电流的形成机理研究和对钢筋混凝土中钢筋腐蚀的模拟试验研究,初步得出了混凝土杂散电流的电化学当量、腐蚀速率等参数,另外,采用高阻抗混凝土等方法来抑制杂散电流也取得了一定进展,但是,国内对于地铁混凝土抗杂散电流研究不够深入,迫切需要进行地铁混凝土杂散电流形成机理和抑制方法的系统研究。结合某地铁工程混凝土耐久性研究,本文对活性掺合料对地铁杂散电流的抑制作用进行了试验分析。2 地铁混凝土抗杂散电流腐蚀耐久性的试验研究2.1试验原材料 水泥:“天宝”Ｐ·Ｏ32.5级,碱含量0.49%,28ｄ抗压强度47.9ＭＰａ;粉煤灰:南热Ｉ级,碱含量1.34%,需水量比91.8%;磨细矿渣:比表面积420ｍ2/ｋｇ,碱含量1.34%,需水量比91.8%;砂:宏田江砂,视密度2.68ｇ/ｍ3,细度模数2.64;碎石:泉水碎石,视密度2.70ｇ/ｍ3,粒径5ｍｍ～40ｍｍ;外加剂: ＨＬＣ型防渗抗裂剂,减水率22%。2.2 地铁混凝土配合比 设计基准混凝土配合比Ｄ0,根据粉煤灰和磨细矿渣的不同掺量选取单掺粉煤灰的混凝土配合比Ｄｆ1—Ｄｆ2,单掺磨细矿渣的混凝土配合比Ｄｋ1—Ｄｋ2,双掺磨细矿渣和粉煤灰的混凝土配合比Ｄｆｋ1—Ｄｆｋ2。该地铁Ｃ30泵送混凝土的配合比见表1。
2.3 地铁混凝土抗杂散电流试验结果分析 按以上配合比成型尺寸为10ｃｍ×10ｃｍ×10ｃｍ的混凝土试件,成型时在向上一面的中心垂直插入直径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28ｄ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。 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,测量基准配合比与掺合料配合比在直流条件下的电阻和累积电量。将混凝土试件分部分浸泡于3.5%ＮａＣｌ溶液和饱和Ｃａ(ＯＨ)2溶液中,液面距试件顶面保留5ｍｍ距离,进行长时间通电,直至混凝土试件开裂或导线与钢筋的连接被腐蚀中断为止。 研究表明[9],混凝土试件在液体中导电是离子导电。经测试,混凝土试件在开裂前的电流不大于100ｍＡ,功率最大是5ｗ,不会造成很大的温差,因此通电后温度上升不是造成混凝土试件胀裂的主要原因,而钢筋锈蚀体积膨胀则是混凝土试件胀裂破坏的决定因素。本试验研究测得的直流电阻和累积电量见表2。
从表2可以看出,掺加活性掺合料(单掺粉煤灰、单掺矿渣和双掺粉煤灰矿渣)的混凝土试件,无论在3 .5%ＮａＣｌ溶液中还是饱和Ｃａ(ＯＨ)2溶液中,其混凝土试件电阻和混凝土试件开裂时的累积电量均得到较大增加。在单掺粉煤灰和单掺矿渣的混凝土试件中,单掺磨细矿渣的混凝土试件电阻最大,直到其他各组混凝土试件开裂,而单掺磨细矿渣的混凝土试件仍完好无损,这表明单掺磨细矿渣对地铁混凝土抗杂散电流效果最明显。2.4 活性掺合料对地铁混凝土杂散电流的抑制机理 杂散电流对埋地金属管线和混凝土主体结构中钢筋的腐蚀是一种电化学腐蚀,其发生的机理是混凝土中钢筋钝化膜由于杂散电流的长期作用,其钝化膜电阻Ｒｃ显著下降,使电极电位较低的金属Ｆｅ失去电子被氧化成Ｆｅ2+,同时金属周围介质中电极电位较高的非金属Ｈ+或Ｏ2得到电子而被还原,形成电池反应,导致钢筋产生锈蚀而体积膨胀,其膨胀压力超过混凝土极限拉应力时就会使混凝土结构开裂。掺加活性掺合料(磨细矿渣和粉煤灰)后,其钢筋钝化膜电阻Ｒｃ得到较大提高,从而使地铁混凝土的抗杂散电流能力显著增强[10,11]。3 结论 通过掺加磨细矿渣和粉煤灰的Ｃ30混凝土与基准混凝土的对比试验,可得出以下结论: 1 要提高混凝土的抗杂散电流能力,抵御钢筋锈蚀体积膨胀从而提高混凝土的抗裂能力,就需要提高混凝土的阻抗,增加其开裂时的累积电量,因此混凝土电阻就成为衡量混凝土抗杂散电流腐蚀的重要参数。 2 磨细矿渣和粉煤灰对地铁杂散电流腐蚀有明显的抑制作用。在本次试验中,混凝土中掺加56%～65%的磨细矿渣和粉煤灰可比同水胶比基准混凝土的电阻增大1 4倍～4 7倍,其中掺加磨细矿渣的Ｄｋ2混凝土试件电阻为基准混凝土试件Ｄ0的4 7倍,能大大降低杂散电流,减小电化学腐蚀的速率。 3 地铁工程所采用的水胶比0 38的Ｃ30泵送混凝土是一种“长寿”混凝土[12],优化其矿渣微粉、粉煤灰的掺量,可使混凝土抗地铁杂散电流腐蚀能力比同水胶比基准混凝土提高6倍～8倍。 4 由杂散电流腐蚀导致的混凝土开裂,主要原因不是电流导致发热造成的温度差,混凝土开裂的主要原因是钢筋腐蚀产物膨胀。混凝土开裂与杂散电流的累积电量有关,在本次试验中,掺加活性掺合料的混凝土试件开裂时的腐蚀电量在2856ｍＡｈ～952ｍＡｈ范围以内,均比同水胶比的基准混凝土试件Ｄ0开裂时的累积电量增加1.1倍～2.0倍。地铁工程所外泄的杂散电流具有不均匀性,间断性,以及地铁设备质量的不稳定性,因此该地铁工程采用的抗杂散电流腐蚀性强的双掺(磨细矿渣和粉煤灰)技术,以及选用了经理论和试验证实的“长寿混凝土”(水胶比0.38)这两项材料措施,结合地铁杂散电流的防护技术等工艺措施,提高混凝土阻抗和耐腐蚀累积电量,可极大提高该地铁工程的钢筋混凝土抗杂散电流的耐久性。[参考文献][1]蔺安林,周晓军.地铁迷流对混凝土中钢筋的腐蚀及混凝土强度影响的试验研究[Ｊ].世界隧道,1999,(6):1-7.[2]贺鸿珠,史美伦.粉煤灰对地铁杂散电流的抑制作用[Ｊ].混凝土与水泥制品,2001,(1):21-23.[3]高敬宇,易友祥.地铁杂散电流的分析[Ｊ].天津理工学院学报,1996,12(3):52-55.[4]陈志源,刘国飞.混凝土中掺加粉煤灰对地铁杂散电流的抑制[Ｊ].科学研究,1999,(3):24-25[5]林江,唐华.地铁混凝土用高阻抗混凝土的研制[Ｊ].建筑材料学报,200ｌ,4(4):373-377.[6]周晓军,高波.地铁杂散电流分布及其对混凝土衬砌耐久性的影响[Ｊ].西部探矿工程,1999,11(6):31-39.[7]耿飞,钱春香.南京地铁用模筑聚丙烯纤维混凝土力学性能试验研究[Ｊ].混凝土与水泥制品,2003,130(2):37-39.[8]王勇.深圳地铁杂散电流防护措施分析[Ｊ].铁道机车车辆,2001,(5):32-34.[9]张永健.地铁迷流测量与典型数据分析[Ｊ].上海电力学院学报,1997,13(1):8-11.[10]ＴｈｏｍａｓＪＢ,ＡｌａｎＤＺ.Ｓｔｒａｙｃｕｒｒｅｎｔｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｎｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄｒａｉｌｓｙｓ ｔｅｍｓ:ＩＴＩｐｒｏｊｅｃｔｓ[Ｒ].ＵＳＡ:ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ,1998.[11]吴祥祖,张庆贺.地铁杂散电流产生机理及其防护措施[Ｊ].建筑安全,2003,(4):28-30.[12]刘崇熙,汪在芹,坝工混凝土耐久寿命的现状与问题[Ｊ].长江科学院院报,2000,17(1):17-20.
