地鐵混凝土耐久性影響因素的研究現狀

徐 健,楊 洋,陳夢成,王 凱

(華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,江西 南昌330013)

0 前 言

當今世界混凝土結構破壞的主要原因為鋼筋腐蝕,寒冷氣候下的凍害,侵入環境下的物理化學作用[1]。而地鐵結構因其所處位置不同而與地面建筑的環境、施工工藝、使用功能等不同,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[2]。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,但在地鐵工程中采用高性能混凝土抗雜散電流和鹽腐蝕的研究相對滯后。

1 研究現狀

1.1 雜散電流影響的研究現狀

地鐵雜散電流,主要是指由采用直流供電牽引方式的地鐵列車在地鐵運行時,由于行走軌與大地之間的絕緣不良或不是完全絕緣,流經行走軌的電流不能全部流回牽引變電所的負極,有一部分電流會泄漏進入大地,就成為雜散電流[3],又稱迷流,如圖1所示。北京地鐵運營數年后,其主體結構鋼筋發現嚴重腐蝕,隧道內水管腐蝕穿孔,天津地鐵也存在著水管被迷流迅速蝕穿的情況[4]。日本等發達國家的地鐵也存在地鐵迷流腐蝕的問題。

圖1 地鐵雜散電流形成示意圖[2]

就國外而言,1998年埃及的Emad S.Ibrahim[5]提出雜散電流比土壤對地下結構腐蝕更嚴重,強調應考慮項目設計或結合技術最有效和最經濟控制腐蝕。2003年印度國家冶金實驗室馬德拉斯中心的Srikanth S,Sankaranarayanan T S N[6]等通過對地下管道的取樣試驗,提出雜散電流會加速其腐蝕影響,對雜散電流對地下結構影響有重要的參考的價值。2005年意大利的Luca Bertolini[7]等做了直流電和交流電對鋼筋在水泥石和混凝土中的腐蝕對比試驗,并且指出有氯化物環境下會促進雜散電流的腐蝕影響。2008年Robles Hernández F C[8]等認為直流雜散電流比疲勞和鹽腐蝕對縮短鐵軌的壽命更加厲害,并通過有限元分析了腐蝕造成的應力集中破壞鐵路,指出適當的絕緣加上雜散直流電流控制,將在很大程度上減小對地鐵基礎腐蝕。

近年來,國內對雜散電流的研究也越來越多,大致從三個方面來講。第一,通過建立模型,分析試驗數據。周曉軍[9,10]等通過電腐蝕的模擬試驗和試件的強度試驗,對混凝土結構中鋼筋在電位作用下結構強度的影響進行了比較全面的分析研究,并模擬了鋼筋混凝土試件處于水和土壤中的兩種腐蝕介質中,并進行了試驗,測定鋼筋發生電化學腐蝕的電化學當量和腐蝕速率。丁慶軍[11]等分別對有雜散、無雜散電流影響下摻粉煤灰水泥石氯離子固化能力進行了研究,提出雜散電流對固化氯離子的穩定性有一定的影響。杜應吉等[12]磨細礦渣和粉煤灰等活性摻合料,對地鐵混凝土抗雜散電流性能進行對比試驗研究。楊向東等[13]依據地下鐵道雜散電流引起金屬電化學腐蝕的基本原理,給出了鋼筋混凝土中鋼筋在外加直流電腐蝕下,其腐蝕產物的計算表達式。黃文新等[3]通過加速試驗方法研究了直流電流作用下混凝土篩余砂漿的溶蝕性能,并建立了其與廣州地鐵工程混凝土在雜散電流下的溶蝕性能之間的關系。龐原冰等[14]提出了基于電場的雜散電流模型,采用了腐蝕量這一直觀標準來評價雜散電流對埋地金屬的危害程度。第二,通過理論分析,建立預測模型。杜應吉等[15]通過模糊綜合評判法對其進行耐久壽命預測和多因素模糊綜合評價,初步建立了電化學當量與鋼筋混凝土的耐久壽命關系的近似模型,據此進行了地鐵混凝土抗雜散電流耐久壽命的初步預測。周曉軍等[16]給出了區間隧道內雜散電流的近似計算方法,探討了產生雜散電流的原因和影響因素,利用等效電路分析法和解析法分析了地鐵區間隧道中雜散電流的分布,探討了軌道過渡電阻值以及走行軌阻抗對雜散電流變化的影響。陳志源等[17]闡述了地鐵軌枕等雜散電流能破壞鋼筋的表面鈍化膜,促進鋼筋的銹蝕,以及在混凝土中摻加粉煤灰對地鐵等雜散電流腐蝕的抑制作用、機理。第三,提出維護,監測和防護措施。李威等[18]模擬地鐵的實際工況,使用長效銅/硫酸銅電極作為測量混凝土鋼筋極化電位的參考電極,用于測量埋地金屬結構的雜散電流腐蝕。胡曙光等[19]通過比較有雜散電流和無雜散電流兩種情況摻粉煤灰和礦渣微粉水泥石中固化態氯離子含量變化的差異,研究了雜散電流干擾下摻礦物摻合料水泥石固化氯離子的特點。周曉軍初步分析了雜散電流腐蝕對隧道襯砌混凝土結構耐久性的影響以及地下鐵道雜散電流的防護措施[9]。杜應吉等[12]提出摻加活性摻合料使混凝土鋼筋鈍化膜電阻和累積電量得到提高,使地鐵混凝土的抗雜散電流能力顯著增強。根據國內外經驗,鋼筋中的雜散電流鋼筋的腐蝕可基本上被防止,當然,目前這些措施還是不夠完善的。因而當前如何在對原有設施加強維護、監測的同時,研究、開發更為完善和有效的迷流防護措施也是十分必要的。

1.2 氯離子影響的研究現狀

早在20世紀30年代,美國就有大橋就因氯離子侵蝕,不得不拆除,更換,而日本,澳大利亞,印度等也有海港碼頭混凝土被腐蝕而造成破壞的情況,到了80年代,許多國家不同程度的出現有氯離子破壞混凝土報道。我國也同樣出現大量因氯離子破壞混凝土結構報道。其腐蝕機理,游離的氯離子進入到鋼筋混凝土中,達到鋼筋表面,破壞鋼筋鈍化膜,從而使鋼筋發生銹蝕,從而破壞混凝土結構,如圖2[20]所示。

圖2 氯離子銹蝕鋼筋示意圖

自20世紀80年代以來,國內外關于混凝土在氯離子環境下的使用,主要集中于使用壽命的研究中,盡管第二擴散定律可以用來預測使用壽命,但是至今仍沒有建立完整的理論體系。由于FICK第二擴散定律考慮的條件過于理想化,對混凝土并沒有普遍適用意義,實際混凝土的氯離子擴散過程難以用理想化模型描述,它并不滿足第二擴散定律的理論條件[21]。1996年Maage基于Fick第二擴散定律、現有工程結構和實驗結果,考慮擴散系數的時間依賴性,提出了一個預測現有混凝土結構服役壽命的實際模型,同年,歐洲Duragrete項目的Mejlbro提出Mejlbro理論模型,該模型考慮了氯離子擴散的時間依賴性和環境等因素對氯離子擴散性能的影響,1998年Amey等改變了方程的邊界條件,考慮到混凝土表面的氯離子濃度是時間的函數,提出考慮線性函數和冪函數邊界條件的Amey理論模型,1999年Mangat等在氯離子擴散方程中考慮到氯離子擴散系數與時間的關系,提出考慮擴散系數的時間依賴性的Mangat理論模型,2002年Kassir根據實驗得到混凝土暴露表面的氯離子濃度與時間之間指數關系,提出考慮指數函數邊界條件的Kassir理論模型。

國內,近幾年,余紅發、孫偉等[21～23]基于 Fick第二擴散定律,推導出綜合考慮混凝土的氯離子結合能力、氯離子擴散系數的時間依賴性和混凝土結構微缺陷影響的新擴散方程,得到了混凝土的氯離子擴散理論基準模型,建立了考慮多種耐久性因素作用下的混凝土表面剝落氯離子擴散理論模型、混凝土凍融循環氯離子擴散理論模型和混凝土損傷氯離子擴散理論模型。經過嚴密的理論推導,建立了考慮多種因素作用下的混凝土氯離子擴散理論模型。余紅發等[21～23]借助損傷力學的原理,通過系統實驗,研究了混凝土在凍融與腐蝕條件下損傷失效過程的規律與特點,建立了具有普適意義的混凝土損傷演化方程,提出了損傷速度和損傷加速度的新概念,并提出了一套預測混凝土結構使用壽命的基本方法與理論體系,用等溫吸附法測定了混凝土在系列氯化鈉溶液中的平衡氯離子濃度,計算了礦渣對混凝土的總結合能力、物理結合能力和化學結合能力,研究了礦渣摻量對混凝土結合能力影響的規律。關宇剛等[24]結合了可靠度與損傷理論,首次提出了能適用于不同邊界條件以及包括單因素和多因素復合作用下的更加符合實際的有關混凝土壽命預測方面的普適多元Weibull分布模型。袁承斌等[25]通過混凝土試件在不同應力狀態下氯離子侵蝕試驗的方法,建立了混凝土在應力狀態下氯離子侵蝕速度預測的數學模型,推斷出預應力混凝土抗氯離子侵蝕能力強于普通混凝土的結論。

2 研究的發展方向

人們分析出對地鐵其混凝土結構腐蝕因素有雜散電流、氯離子侵入、疲勞荷載,混凝土碳化,凍融,硫酸鹽侵蝕等因素,對這些因素如何耦合產生的對混凝土的影響研究的極少,今后社會的迅速發展,對混凝土的要求,朝著高性能方向發展,所以,對高性能混凝土的應用和研究,是今后的必然趨勢,另外,由于環境的不同,其他影響因素也會起到重要影響,所以,高性能混凝土結構的應用和發展,必然面臨著這種多因素耦合下破壞。研究這種多因素耦合,需要考慮以下幾個問題。

(1)雜散電流和腐蝕離子耦合對混凝土結構的影響,考慮到兩因素對地鐵混凝土結構協同劣化。由雜散電流對其鋼筋腐蝕和離子由混凝土表面侵入內部,然后再對鋼筋腐蝕,從而降低鋼筋的承載力,直接引起結構極限承載力和抗剪強度降低,其損傷規律和耦合機理值得著重研究,以及在雙重腐蝕下鋼筋銹蝕后的力學性能隨這兩因素的變化規律和鋼筋—混凝土粘結性能變化規律。能否通過同一種腐蝕當量,聯系兩種腐蝕因素對結構的影響,從而推廣到各種腐蝕因素只是由一種腐蝕當量對混凝土結構的影響。

(2)雜散電流,腐蝕離子和疲勞三因素作用下,疲勞損傷對兩腐蝕因素耦合的影響的研究算是具有真正意義上考慮到了地鐵實際工程情況。在疲勞荷載影響下,兩因素引起結構損傷的變化規律,耦合機理和各種力學性能變化趨勢又是怎樣的?能否通過建立考慮到各種腐蝕因素的腐蝕疲勞損傷方程預測其疲勞壽命,及時采取防止措施。

(3)能否通過改進混凝土配置方法,如摻合料,堿激發劑的使用,系統研究其對腐蝕疲勞的抑制作用。

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