基于銹蝕電位的復合式襯砌鋼架銹蝕規律研究

崔學忠

摘 要：我國當前擁有大量的既有運營隧道，作為初期支護中重要構件的鋼架面臨著巨大的耐久性考驗。本文采用自然電位法對鋼架的銹蝕規律進行評價，對室內縮尺復合式襯砌模型進行試驗研究。得到如下的結論：初支中的鋼架和二襯中的鋼筋均有不同程度的腐蝕，腐蝕速度和程度為靠圍巖側初支中鋼架——靠防水板側初支中鋼架——靠防水板側二襯鋼筋的規律遞減，施工質量對鋼架的銹蝕劣化有較強的影響，地下環境中完全依賴增加保護層厚度提高耐久性是有限的。

關鍵詞：銹蝕電位；鋼架；銹蝕規律；模型試驗

中圖分類號：TG171 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0150-05

0 引言

我國當前是世界上隧道數量及隧道延長最多的國家[1]，復合式襯砌已經成為當前山嶺隧道的標準結構形式，IV、V級圍巖中，鋼架作為初期支護中重要的支護構件，起著不可替代的作用。然而長期使用過程中，鋼架的銹蝕會引起初期支護承載能力的降低，承擔的荷載會向二次襯砌轉移，當前的設計中二次襯砌作為安全儲備，然而長期使用過程中也會出現一系列的病害影響其承載能力，因此初期支護具備長期承載能力是當前隧道設計的共識。

隧道施工時鋼架往往最先架設的，由于內側鋼架的遮擋，噴混凝土很難完全包裹靠圍巖一側的鋼架，所以緊貼圍巖一側的鋼架混凝土保護層厚度難以得到保證，在地下水作用下鋼架易被腐蝕，同時噴混凝土施工存在缺陷，鋼架架設處噴混凝土很難施作密實，抗滲性能差，鋼架易被地下水腐蝕。

噴混凝土中水泥水化后，生成大量的氫氧化鈣，使砂漿中含有大量的氫氧根離子，PH值一般可達到12～14，鋼材在這樣的高堿環境中，其表面會生成一層鈍化膜，這種鈍化膜能阻止錨桿或鋼架的銹蝕。若隧道地下水中含有氯鹽時，氯離子通常通過鋼架保護層的宏觀、微觀缺陷，滲透到保護層內部并達到鋼架表面，直接或間接破壞鋼架表面的鈍化膜，使鋼材加速銹蝕繼而銹蝕產物體積膨脹，使鋼架的保護層開裂與脫落。

為了減少鋼材銹蝕對結構造成危害，需即時了解結構中的鋼材銹蝕狀態，據此對鋼架采取必要措施，減少鋼架銹蝕。本文鋼架銹蝕測試方法采用自然電位法，自然電位通過測定鋼筋電極電位差來定性判定鋼架銹蝕狀況，其基本原理是：混凝土中的鋼筋與周圍介質在交界面上相互作用形成雙電層，并與介質兩側產生電位差，通過測試電位差判定鋼筋所處的狀態。

1 錨桿銹蝕機理及銹蝕評價標準

混凝土中鋼筋銹蝕是在多相介質中的電化學銹蝕過程，這一過程包括兩個相互獨立又相互依存的陰極反應和陽極反應，其作用結果是在鋼架上建立起一個穩定的混合電位，即鋼筋的自銹蝕電位。當所處的環境不同時，鋼筋表面的銹蝕狀態也不同，相應的電位就不同，且一般可分為以下四種情況：

1.1 鈍化狀態

在完好或被輕微侵蝕、且碳化深度很小的混凝土中，鋼架處于鈍化狀態，鋼架銹蝕速率很低，可認為鋼架無銹蝕，鋼架的電位表現為正。

1.2 局部銹蝕

在具有較好導電性、pH值較大的混凝土中，當氯離子只到達鋼架表面部分區域時，表現為活化一鈍化銹蝕電池的局部銹蝕。銹蝕區電位為負，鈍化區電位為正，且電位梯度較高，通常為-100～-200mV。

1.3 均勻銹蝕

即鋼架處于全面銹蝕狀態。均勻銹蝕是由碳化銹蝕（pH值低于鈍化范圍）或大量的氯離子使鈍化膜全面破壞所致，此時銹蝕電位很低，通常為-350mV以下。

1.4 低氧銹蝕

當混凝土中的氧氣不能維持鈍化電流時，鋼架表面的鈍化膜將溶解為FeO2，銹蝕電位很低，只要混凝土中的氧氣不足以進行陰極反應，鋼架就基本不銹蝕。這種情況一般發生在長期飽水的混凝土結構物上，這種情況下的銹蝕電位也在-350mV以下。

銹蝕電位在-200mV～-230mV的情況下，銹蝕的概率為5%；在-230～-280mV的情況下，銹蝕的概率為50%，在 -280mV～-350mV的情況下，銹蝕的概率為95%。

混凝土中鋼架銹蝕狀態也可用電流進行評價，銹蝕電流在一定的程度上可以反映鋼架銹蝕速度的快慢，評價標準見表1。

2 鋼架劣化規律試驗研究

2.1 鋼架劣化試驗方案設計

若隧道結構耐久壽命按設計100年考慮，《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中規定了混凝土鋼筋保護層最小厚度35mm（即使是T1環境），對于模筑混凝土內側臨大氣環境的一面，這個最小厚度是合理的，但是靠防水板一側二襯中鋼筋以及初支中鋼架的混凝土保護層厚度若仍按照《耐久性規范》中規定來執行，不僅需要加大開挖斷面，同時還要增加混凝土的用量。作為不直接接觸大氣環境的這些結構部位，是否需要按照《耐久性規范》的要求施作，現在沒有足夠的證據及研究表明這些確切的信息。

通過試驗研究，在保證鋼筋不發生影響結構安全及穩定的銹蝕的前提下，盡可能減少混凝土保護層厚度，可以降低二襯及初支剛度，減少隧道脆性破壞，減少隧道開挖斷面及材料用量，是結構實現安全性和經濟性的有力支撐。

2.1.1 試驗模型制作

針對隧道環境特點，模仿初支中鋼架和二襯中鋼筋不同保護層厚度制作試驗模型如圖1所示。將隧道支護體系模型置于2.5%氯化鈉和2.5%硫酸鈉的混合溶液中，模擬圍巖中含有腐蝕離子的地下水環境，隧道結構中鋼筋和鋼架受地下水的影響，易產生腐蝕劣化。

模型模擬地下水在緩慢滲透作用下，不同部位及不同保護層厚度的鋼筋和鋼架的銹蝕情況，進而計算在特定的壽命期內，不同保護層厚度鋼筋的銹蝕，據此合理設計鋼筋和鋼架保護層厚度。

針對隧道施工良好和施工不良的原因，制作同樣尺寸的兩個模型，一個是高品質噴混凝土模型，另一個是低品質噴混凝土模型。通過兩種情況的對比分析，確定鋼筋和鋼架銹蝕的最不利情況。

2.1.2 試驗工況設計

試驗模型的初期支護采用C20噴射混凝土，二次襯砌采用C30混凝土，噴混凝土中埋設9根鋼筋，其中靠圍巖側埋設6根（編號為3-1～6），靠二襯一側埋設3根（編號為2-1～3），靠初支一側的二襯中埋設6根鋼筋（編號為1-1～6），鋼筋保護層厚度隨編號增大逐漸增大，鋼筋和鋼架具體設置位置和保護層厚度見表1。

根據試驗工況，試驗模型一共制作兩個如圖2～5所示，分別為施工良好的模型（以下簡稱A模型）和施工不良的模型（以下簡稱B模型），兩模型主要差別在于初期支護C20噴混凝土的品質。C30模筑混凝土和C20噴混凝土的配比選取如表2所示。

2.1.3 試驗所用原材料

在模型制作的過程中，主要采用模筑混凝土、噴混凝土以及鋼筋等主要材料，試驗原材料主要有水泥、砂、碎石和鋼筋。

水泥：水泥采用拉法基P.O42.5水泥，其性能指標如表3所示。

砂：選用級配合理Ⅱ區河砂，其主要性能指標如表4所示。

石：選用5～20mm碎石，含泥量小于0.3%，針片狀顆粒小于15%，碎石主要性能指標如表5所示。

鋼筋：采用φ10的RHB335鋼筋進行模擬，每根長10cm。

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 靠圍巖側初支中鋼架銹蝕測試

采用CHAIN LTM陽極測試儀對初期支護內靠圍巖側鋼架的銹蝕狀態進行電壓及電流測試，測試結果見圖6和圖7。

從圖6-7可以看出：

（1）所有鋼筋的初始電壓都為負，這是因為施工時混凝土中的化學成分和水分對鋼筋的侵蝕作用而造成的；

（2）隨著混凝土逐漸硬化，對于保護層厚度較小的鋼架（5～25mm），受地下水的滲透侵入作用，電壓不斷降低，集中在-100mv～-250mv之間，說明此類鋼筋已處于銹蝕狀態；

（3）施工良好A模型的鋼筋銹蝕電壓值（最大值為 -200mv左右）明顯低于施工不良B模型（最大值為-250mv 左右）；

（4）銹蝕電流密度的規律與銹蝕電壓規律基本一致。

2.2.2 靠防水板側初支中鋼架銹蝕測試

采用CHAIN LTM陽極測試儀對初期支護內靠防水板側鋼筋的銹蝕狀態進行電壓及電流測試，測試結果見圖8-9。

從圖8-9可以看出：

（1）所有鋼筋的初始電壓都為負，這是因為施工時混凝土中的化學成分和水分對鋼筋的侵蝕作用而造成的；

（2）此處鋼筋的銹蝕規律與靠圍巖側鋼筋類似，這是由于水分從模型邊界處滲入到防水板上，保護層薄的鋼筋接觸水分更多，因此電壓值集中在-100mv左右，但峰值比靠圍巖側鋼筋的銹蝕電壓要小；

（3）電流密度變化規律與電壓值基本一致；

（4）施工質量對此處鋼筋銹蝕影響不十分明顯，因為造成此處銹蝕的水分大部分來自于模型邊界的滲漏。

2.2.3 靠防水板側二襯中鋼筋銹蝕測試

采用CHAIN LTM陽極測試儀對靠防水板側二襯中鋼筋的銹蝕狀態進行電壓及電流測試，測試結果見圖10-11。

從圖10-11可以看出：

（1）所有鋼筋的初始電壓都為負，這是因為施工時混凝土中的化學成分和水分對鋼筋的侵蝕作用而造成的；

（2）此處鋼筋的銹蝕電壓基本隨著保護層厚度增大而減小，說明了一定厚度的保護層對減少鋼筋銹蝕是有必要的；

（3）盡管二次模筑混凝土的施工質量是一樣的，但由于初期支護和防水板的施工質量差異，對二次襯砌內的鋼筋腐蝕也造成了不同影響，表現為：初期支護施工不良的B模型的鋼筋銹蝕電壓和電流密度較大。

3 結語

通過模型試驗數據以及試驗觀察可以得到以下幾點結論：

（1）初支中的鋼架和二襯中的鋼筋均有不同程度的腐蝕，但其腐蝕速度和程度有所不同，具體表現為靠圍巖側初支中鋼架—靠防水板側初支中鋼架—靠防水板側二襯鋼筋的規律遞減，其中初支中鋼架和二襯中鋼筋的腐蝕速度差別不大；

（2）施工條件對初支中鋼架和二襯中鋼筋腐蝕劣化程度有較強影響，施工條件良好有利于鋼材的防腐。因此，隧道結構施工時，應重視對初期支護施作質量的控制；

（3）混凝土保護層對防止鋼架和鋼筋的劣化有一定的作用，但在實際隧道施工中不能完全依賴增加保護層厚度來提高其耐久性能，還應充分考慮環境和經濟效益。

參考文獻

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