雜散電流及氯離子腐蝕共同作用下鋼纖維混凝土強度的試驗

林龍鑌,賴秀英,豐正偉

(1.廈門大學嘉庚學院土木工程系,福建 漳州 363105;2.莆田學院土木工程學院,福建 莆田 351100)

鋼纖維混凝土是一種性能優良的新型復合材料,其抗拉、抗彎、抗剪強度等較普通混凝土顯著提高,其抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性也有較大改善.近幾十年,國內外對鋼纖維混凝土做了大量研究,并將其應用于道路、橋梁、隧道、水利、海洋、建筑和耐火材料結構等各類工程中,取得較好的效果.隧道開挖支護是當今鋼纖維混凝土應用廣泛的一個工程領域,國內使用鋼纖維混凝土的隧道工程案例較多,效果良好,由于減少了隧洞的開挖量和襯砌圬工量,經濟效益明顯[1].地鐵工程屬于隧道工程范疇,如能將鋼纖維混凝土應用于地鐵隧道開挖中,將有助于地鐵工程的建設.

地鐵較傳統公共交通系統具有諸多優點,在國內得到大力發展,近年來沿海城市的地鐵工程項目增多.地鐵運行時產生的雜散電流泄漏,會使金屬發生電化學腐蝕[2].沿海城市的海水入侵導致地下水氯離子(Cl-)含量增高[3],Cl-易使金屬發生銹蝕[4-5]，因此雜散電流和Cl-是影響沿海地鐵工程耐久性能的重要因素,二者的存在對地鐵結構的耐久性能提出了嚴峻考驗.目前,在國內地鐵建設中主要采用鋼筋混凝土作為結構材料,西安[6]、南京[7]和廣州[8]等少數城市在地鐵建設中采用了鋼纖維混凝土材料.有關雜散電流和Cl-共同作用下的鋼筋混凝土腐蝕問題得到了學者的廣泛重視,可查閱的研究成果較多[9-11],成果顯示在二者共同作用下,鋼筋腐蝕速率明顯增大，鋼筋保護層開裂時間縮短，混凝土力學性能受損嚴重.然而對于相同作用下鋼纖維混凝土腐蝕的相關文獻卻鮮有發表[8，12],學者們更多關注鋼纖維混凝土在生活污水[13]、工業廢水[14]、沿海地區[15]和海洋[16]等腐蝕環境中的腐蝕行為,鋼纖維的銹脹導致基體開裂是鋼纖維混凝土耐久性能下降的主要原因.因此,本文中試圖通過模擬雜散電流腐蝕試驗,研究雜散電流和Cl-腐蝕共同作用下鋼纖維混凝土強度損失的變化規律,及材料成分在其腐蝕過程中的作用,提高工程師對該材料在電化學腐蝕方面的認識,促進鋼纖維混凝土在沿海城市地鐵工程中的應用.

1 試 驗

1.1 原材料

水泥為海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,28 d實測強度51.6 MPa;粉煤灰等級為Ⅱ級,細度為18.2%,燒失量為2%,SO3質量分數為0.3%;砂為河砂,細度模數2.57;碎石為花崗巖碎石,粒徑級配為10～20 mm,表觀密度為2 650 kg/m3,堆積密度為1 410 kg/m3,壓碎指標為9%;減水劑為科之杰新材料集團生產的pohnt-ys型引氣減水劑;阻銹劑為廈門凱景實業有限公司生產的KJ-R鋼筋阻銹劑;鋼纖維為宜興市華源金屬纖維有限公司生產的剪切型鋼纖維,長度為30 mm,等效直徑為0.5 mm,長徑比為60.2,抗拉強度為620 MPa.

1.2 配合比設計

混凝土設計強度為C40,水膠質量分數為0.41,根據鋼纖維、粉煤灰和阻銹劑摻量的不同,共設計了10種配合比方案,如表1所示.

表1 混凝土配合比

注：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm.

1.3 雜散電流腐蝕試驗裝置設計

腐蝕試驗裝置如圖1所示,采用直流穩壓電源模擬雜散電流,電源正極與石墨板連接,電流經防腐箱內導電溶液進入試件陽極面(石墨板一側的試件表面),穿過試件從陰極面(鈦網片一側的試件表面)流出,最后經另一側防腐箱內導電溶液和鈦網片返回到電源負極.為防止導電溶液泄露,試件與防腐箱的接縫處采用中性硅膠密封,該裝置可構建一個類似地鐵雜散電流腐蝕的模擬環境,可以對材料進行加速腐蝕試驗研究.

2 雜散電流腐蝕試驗設計

本文的試驗設計包含兩方面的內容:1) 采用正交試驗法研究影響因素對鋼纖維混凝土強度損失率的主次關系;2) 通過腐蝕試驗進一步分析主要影響因素與材料強度損失率之間的關系.腐蝕試驗的直流電壓值設為60 V,試驗時長為72 h,每組腐蝕試驗的試塊數量為3個,每24 h更換一次導電溶液以保證導電離子數量的穩定.

2.1 正交試驗

根據正交試驗的設計方法,以鋼纖維混凝土的強度損失率為評價指標,以鋼纖維體積率(A-SF)、粉煤灰摻量(B-FA)、阻銹劑摻量(C-CI)和導電溶液(D-CS)為影響因素,采用極差分析法進行分析,確定影響因素主次作用的排序.正交試驗的因素水平值如表2所示,依據正交試驗設計原理,采用四因素三水平的正交設計安排表L9(34)進行試驗.

試驗方案如表3所示,對9組試件(共27個試塊)進行了腐蝕試驗,試件齡期為300 d;試件按鋼纖維、粉煤灰、阻銹劑摻量的水平值和導電溶液進行編號,A為鋼纖維、B為粉煤灰、C為阻銹劑、D為導電溶液,數字1～3分別代表3個水平值或導電溶液類別(見表2),如A1-B1-C3-D2試件表示鋼纖維體積率為0.5%,粉煤灰摻量為0%,阻銹劑摻量為4%,導電溶液為NaCl-3%.

1-直流電源;2-石墨板;3-鈦網片;4-鋼纖維混凝土試件;5-防腐箱;6-導電溶液.圖1 腐蝕試驗裝置Fig.1 Setup for corrosion test

2.2 不同濃度NaCl溶液的腐蝕試驗

采用不同濃度的NaCl溶液作為導電溶液,研究雜散電流與Cl-共同腐蝕作用下,混凝土強度損失率和Cl-濃度之間的關系.參考郭占榮等[3]的研究成果,本次試驗中NaCl溶液的Cl-質量分數取值范圍設定為1%～3%.

表2 正交試驗因素水平表

注：Ca(OH)2為飽和溶液，NaCl-3%表示NaCl質量分數為3%，下同.

表3 正交試驗方案設計

試驗方案如表4,對3組試件(共9塊試塊)進行了腐蝕試驗,試件齡期為330 d,試件的鋼纖維體積率為1.5%,粉煤灰摻量為15%.試件按導電NaCl溶液的質量分數值進行編號,如D2-3試件,D2表示導電溶液為NaCl溶液,3表示溶液Cl-質量分數為3%.

表4 不同質量分數NaCl溶液的試驗方案

2.3 不同鋼纖維含量的腐蝕試驗

研究在腐蝕作用下鋼纖維體積率與材料強度損失率之間的關系.試驗方案如表5所示,對4組試件(12塊試塊)進行了腐蝕試驗,試件齡期為330 d.試件按鋼纖維體積率進行編號,A表示以鋼纖維體積率為變量,數字00、05、10、15分別表示鋼纖維體積率為0%、0.5%、1.0%、1.5%.

表5 不同鋼纖維體積率的試驗方案

2.4 材料強度試驗

鋼纖維混凝土試件參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)[17]測試其抗壓強度.試件承載面為陽極面和陰極面,荷載方向與電流流過試件的方向一致,試件加載如圖2所示.

本文中采用材料強度損失率Kc為材料抵御雜散電流腐蝕的評價指標,按式(1)計算.

(1)

圖2 試件加載示意圖Fig.2 Test setup of the compressive strength

3 試驗結果分析

3.1 正交試驗結果

采用極差分析法進行分析,結果如表6所示.可以看出各因素對Kc影響的主次順序為:A-SF>D-CS>B-FA>C-CI.A-SF和D-CS具有主要作用,B-FA和C-CI具有次要作用.

表6 正交試驗的極差計算結果

注：R為極差.

圖3說明了4個影響因素與Kc之間的關系,圖3中橫坐標字母代表影響因素,數字代表影響因素的水平值(與表2對應).影響因素與Kc的關系如下:

1) 隨著鋼纖維體積率的增加,Kc先減少后增大.說明適量的鋼纖維有助于提高材料的抗腐蝕性能,過多的鋼纖維體積率反而不利于材料的抗腐蝕性能.

2) 增大粉煤灰摻量有助于減小Kc.少量的粉煤灰摻量對于抗腐蝕性能的作用并不明顯,當摻量增大至一定數量后則顯著提高了材料的抗腐蝕性能.粉煤灰的摻入可改善混凝土內部微觀結構[18-20]和提高材料的電阻率[21],從而提高Cl-入侵的難度和減小雜散電流的強度,進而達到提高材料耐久性能的目的.

3)Kc與阻銹劑摻量呈負相關關系,即Kc隨著阻銹劑摻量增加而減小.由于阻銹劑成分中的亞硝酸根(NO2-)能夠促使金屬鈍化膜的修復[22],所以增加阻銹劑摻量有助于延緩鋼纖維銹蝕,減小Kc,提高材料的抗腐蝕性能.

4)Kc與導電溶液類別有較大關系,在不同導電溶液中材料的腐蝕程度差異巨大,如圖4所示.試驗中以NaCl溶液為導電溶液的試件腐蝕程度最嚴重,自來水的試件次之,飽和Ca(OH)2溶液的試件最輕.在以NaCl溶液為導電溶液的試驗中,各組試件的腐蝕程度差異較大,如試件A2-B3-C2-D2的Kc僅為4.4%,不足試件A3-B2-C1-D2的1/10,表現出較好的抗腐蝕性能.

圖3 鋼纖維混凝土強度損失率的影響因素分析Fig.3 Analysis of influence factors on strength loss rate of steel fiber concrete

試驗結果分析可得,A2(A-SF為1%)、B3(B-FA為30%)、C3(C-CI為4%)為雜散電流環境下耐久性能最佳的配比組合.工程實踐中,可依據此結果進行配合比設計,以獲得耐久性能較佳的材料.

圖4 不同導電溶液腐蝕試件陰極面照片對比Fig.4 Comparison between cathode surface of different conductive solution for corrosion specimen

3.2 不同質量分數NaCl溶液的腐蝕試驗結果

圖5為腐蝕后材料抗壓強度和Kc與Cl-濃度的關系曲線,曲線顯示Kc與Cl-質量分數成正相關性.隨著NaCl濃度的提高,材料腐蝕后的強度減小,Kc增大.

圖5 NaCl濃度對材料強度損失率的影響Fig.5 The effect of sodium chloride concentration on material strength loss rate

試驗顯示Cl-和雜散電流腐蝕共同作用下,對材料強度損失具有顯著的影響.Cl-在雜散電流作用下具有更強的滲透能力[23],基體材料內的裂縫會加速Cl-的侵蝕[24],二者共同作用加快了材料的腐蝕速度.Cl-質量分數越高,材料的腐蝕速度越快,腐蝕程度越嚴重.鋼纖維銹蝕產物會對基體產生漲裂力,當該力的漲裂作用大于鋼纖維的阻裂作用時,基體的裂縫開始生成并拓展,直至形成通縫(如圖6所示),這是材料強度顯著降低的原因.

圖6 試件各面銹蝕裂縫情況Fig.6 Corrosion and cracking on each surface of specimen

3.3 不同鋼纖維含量的腐蝕試驗結果

圖7為鋼纖維混凝土腐蝕前、后材料強度和Kc與A-SF之間的關系曲線.隨著A-SF的增加,材料強度逐漸增強,而腐蝕后的材料強度則先增大后減小,Kc呈先變小后增大的特征.

適量的鋼纖維摻入能夠有效地阻滯基體混凝土裂縫的開展,提高材料的強度.在A-SF逐漸增大的初期,鋼纖維對基體材料的阻裂作用大于纖維銹蝕后的漲裂作用,有效抑制裂縫的形成,提高了材料的強度和耐久性能,Kc呈現減小的特征.

過量的鋼纖維易使基體密實度降低,不利于抵御Cl-的入侵,銹蝕后產生的漲裂作用大于其阻裂作用,促使裂縫的形成和擴展.雜散電流和裂縫的共存使得Cl-加速入侵,鋼纖維銹蝕加快,材料的腐蝕程度加劇,強度損失增大.在圖7中,表現為在A-SF大于0.5%時,Kc逐漸增大.

鋼纖維體積率存在最佳數值.采用最佳鋼纖維體積率進行配合比優化設計,可充分發揮鋼纖維阻滯基體材料開裂的作用,降低Kc,提高材料耐久性能.如試件A-05的Kc為9.4%,分別是試件A-00、A-10和A-15的0.60，0.38和0.29倍,最佳鋼纖維體積率約為0.5%.本文中未對最佳摻入量的數值范圍進行研究,僅揭示了鋼纖維體積率與Kc間的關系.

圖7 鋼纖維體積率對材料強度損失率的影響Fig.7 The effect of steel filer content on material strength loss rate

4 結 論

通過模擬雜散電流腐蝕試驗,研究了影響因素對鋼纖維混凝土Kc的主次作用、影響因素和鋼纖維混凝土Kc間的關系,主要結論如下:

1) 采用正交試驗設計的方法得到:影響鋼纖維混凝土Kc的因素按主次作用排序為:A-SF>D-CS>B-FA>C-CI.其中A-SF和D-CS具有主要作用,B-FA和C-CI具有次要作用.

2)Kc隨著A-SF的增大先變小后增大.A-SF存在最佳體積率,如試件A-05的Kc是A-00、A-10和A-15的0.60、0.38和0.29倍,說明鋼纖維體積率為0.5%的試件耐久性能優于其他不同體積率的試件,本文未對該最佳體積率的適用性進行研究.

3) 雜散電流和Cl-腐蝕共同作用下,對Kc影響顯著.正交試驗數據顯示,D-CS采用NaCl溶液時,Kc的平均值為20.7%,分別是導電溶液為Ca(OH)2和自來水時的10.9倍和3.6倍.不同質量分數NaCl溶液的腐蝕試驗顯示,Kc隨著Cl-質量分數的增大而顯加速增大的趨勢.

4)Kc隨著B-FA的增大而變小.粉煤灰的摻入可提高材料的密實度和電阻率,減少Cl-的入侵和降低雜散電流的強度,能夠減輕雜散電流和Cl-腐蝕的共同作用.

5)Kc隨著C-CI的增大而變小.阻銹劑中的亞硝酸根(NO2-)具有修復金屬鈍化膜的功能,有利于延緩鋼纖維銹蝕,提高材料的抗腐蝕性能.

綜上所述,在雜散電流和Cl-共存的地鐵環境中,通過鋼纖維混凝土配合比的優化設計,充分發揮粉煤灰、鋼纖維和阻銹劑等因素的積極作用,能夠達到有效降低Kc,提高材料耐久性能的目的.如試件A2-B3-C2-D2的Kc僅為4.4%,對雜散電流和Cl-腐蝕的共同作用具有較強的抵御能力和良好的耐久性能.

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