地鐵工程混凝土多因素耦合作用下抗腐蝕性能研究*

盧霄，艾洪祥，岳彩虹，陳旭

（中建西部建設新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

地鐵工程由于其環境特殊性，混凝土所遭受的侵蝕要比普通工程混凝土更復雜也更嚴酷[1-3]。一方面，地鐵工程普遍存在著雜散電流腐蝕現象，會對軌道沿線的埋地金屬和混凝土結構內的鋼筋產生嚴重的腐蝕作用，從而對混凝土結構安全性構成極大的威脅；另一方面，地鐵工程的主體混凝土結構往往處于地下水豐富、透水性強的地層中，而我國地下水特別是淺層地下水受污染比較嚴重，富含氯離子、硫酸根離子等侵蝕介質[4-6]，因此地鐵混凝土作為長期處于地下水滲透的結構，遭受著地下壓力水的溶蝕，酸性地下水的侵蝕，地下水中含有硫酸鹽、氯離子的侵蝕等等；同時，地鐵工程混凝土還承受著地鐵運行時所帶來的交變疲勞荷載作用。故地鐵工程混凝土主要受雜散電流、氯鹽溶液及疲勞荷載三因素耦合侵蝕作用[7-8]。

1 試驗用原材料

（1）水泥：青松水泥廠生產的 P·O42.5 水泥，比表面積 375m2/kg，3d 抗壓強度均值 27.6MPa，28d 抗壓強度均值 50.8MPa，初凝時間 180min，終凝時間220min，氯離子含量 0.02%。

（2）粉煤灰：紅二電生產的Ⅱ級粉煤灰，細度21.0%，燒失量 2.5%，含水量 0.4%，三氧化硫含量1.1%，游離氧化鈣含量 0.3%。

（3）礦粉：寶鑫盛源 S95 級磨細?；郀t礦渣粉，比表面積 410m2/kg，流動度比 99%，28d 活性指數81%。

（4）硅灰：甘肅三遠硅材料有限公司生產，二氧化硅含量 91%。

（5）骨料：采用新疆和砼源生產的河砂，細度模數 2.8；5～20mm 卵石。

（6）減水劑：西部卓越建材有限責任公司生產的聚羧酸系高性能減水劑，減水率 29%。

2 方案設計

表 1 混凝土配合比設計方案 kg/m3

2.1 混凝土配合比方案

參考標準 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》、通過粉煤灰、礦粉雙摻，外摻硅灰，調整水膠比，優化設計 C40 混凝土配合比[9]，進行對比試驗，具體配合比設計方案見表 1。

2.2 試驗方案

依據 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》控制混凝土出機狀態（坍落度 180～210mm）批量成型混凝土試件（圖 1）。自行設計開發三因素模擬儀器（圖 2），分別控制變量進行了氯鹽溶液—雜散電流—疲勞荷載三因素耦合試驗。依據 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》及GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試不同齡期試件動彈模量、抗折強度及鋼筋銹蝕率來評判試驗效果并進行分析[10]。圖 3 為混凝土分項測試照片。

圖 1 鋼筋混凝土二次成型試件圖

圖 2 試塊成型照片及試驗原理圖

圖 3 鋼筋混凝土分項測試照片

本研究氯鹽溶液采取 2%、5% 質量濃度，疲勞荷載應力水平采取 0.20、0.50，雜散電流通電電壓采取 50V、100V，混凝土試塊采用 100mm×100mm×400mm 尺寸，試塊內部預埋鋼筋，鋼筋一端連接導線，通過電解池原理進行通電試驗。整體試驗方案見表2。本次研究主要選取試驗 1、2、3、5 進行測試分析。

表 2 整體試驗方案

3 試驗結果和分析

3.1 混凝土三因素耦合作用試驗——固定三變量

表 3 和圖 4 分別為三因素耦合條件下（雜散電流通電電壓 50V、氯鹽溶液質量濃度 2%、疲勞荷載應力水平 0.20）鋼筋混凝土的動彈模量、鋼筋銹蝕率及抗折強度隨試驗齡期變化結果。分析可知，橫向比較，在三因素共同作用下，鋼筋混凝土動彈模量、鋼筋銹蝕率及抗折強度隨齡期增長，即隨耦合作用時間增長而呈現規則性變化，因為鋼筋混凝土被持續腐蝕，故鋼筋發生銹蝕現象[11]，混凝土結構受到一定破壞，動彈模量降低、鋼筋銹蝕率增加、抗折強度降低，同時，比較 6 組配合比混凝土相關數據變化情況，可知同一強度混凝土，硅灰的摻入及水膠比的調整均對其抗腐蝕性能有顯著影響，硅灰摻入與水膠比的降低均對鋼筋混凝土抗三因素腐蝕作用有利。

表 3 動彈模量鋼筋銹蝕率及抗折強度隨齡期變化

圖 4 三因素耦合條件下混凝土性能變化曲線

3.2 混凝土三因素耦合作用試驗——鋼筋銹蝕率（控制變量）

基于 3.1 小節三因素固定值（電壓 50V、氯鹽濃度2%、應力水平 0.20），改變單一因素（分別調整雜散電流通電電壓至 100V、氯鹽溶液質量濃度至 5%、疲勞荷載應力水平至 0.50），通過控制變量法進行鋼筋銹蝕率影響因素的測試，結果見表 4。

對比表 3 和表 4 數據可知，通電電壓增大、氯鹽溶液濃度增加、疲勞荷載應力水平增大均會使混凝土鋼筋銹蝕率有較明顯增加，其中影響因素作用由大到小分別為：電壓增大＞氯鹽濃度增加＞疲勞荷載增加；同時，比較表 4 中 6 組配比銹蝕率變化情況，整體趨勢基本保持一致，故硅灰的摻入及宏觀水膠比的降低，對電壓增大、氯鹽溶液濃度增加及疲勞荷載水平增高導致的腐蝕威脅均有良好抑制作用。

3.3 混凝土三因素耦合作用試驗——抗折強度（控制變量）

基于 3.1 小節三因素固定值（電壓 50V、氯鹽濃度2%、應力水平 0.20），改變單一因素（分別調整雜散電流通電電壓至 100V、氯鹽溶液質量濃度至 5%、疲勞荷載應力水平至 0.50），通過控制變量法進行抗折強度影響因素的測試，結果見表 5。

表 4 鋼筋銹蝕率隨齡期變化數據 %

表 5 抗折強度隨齡期變化數據 MPa

對比表 3 和表 5 數據可知，通電電壓增大、氯鹽溶液濃度增加、疲勞荷載應力水平增大均會使混凝土抗折強度有一定程度的損失，整體趨勢與鋼筋銹蝕率試驗基本一致，但是變化相比于鋼筋銹蝕率較小，是由于從鋼筋銹蝕率的增加反映到混凝土抗折強度的減小，還有混凝土中鋼筋抗彎強度作為中間變量，即從內到外的一個因素傳導過程，故宏觀數據趨勢上會有一定變化，這從側面說明，鋼筋混凝土鋼筋銹蝕率與抗折強度存在著固定比例關系，隨著鋼筋銹蝕率的增大，混凝土的抗折強度在減小。

3.4 掃描電鏡（SEM）微觀試驗

為明確在不同耦合條件腐蝕下，混凝土內部結構內部微觀形貌變化，選取試驗配比中具有代表性的兩組（PH-2、PH-5）試驗試件內部預埋鋼筋端點附近取樣，進行掃描電鏡（SEM）試驗分析，以空白對照組（PH-5）、雙因素耦合對比試驗組（雜散電流通電電壓 100V、氯鹽溶液濃度 2%、PH-5）、三因素耦合對比試驗組（雜散電流通電電壓 100V、氯鹽溶液濃度2%、疲勞荷載 0.20、PH-5）、三因素耦合對比試驗組（雜散電流通電電壓 100V、氯鹽溶液濃度 2%、疲勞荷載 0.20、PH-2）作為 4 個對比分析組。

3.4.1 不同對比組密實度微觀形貌特征分析

密實度微觀形貌特征詳見圖 5。

觀察分析：空白對照組未受耦合因素影響，試件表面平整，結構排列緊密；施加雙因素耦合條件后，由于雜散電流與氯鹽溶液對混凝土腐蝕作用，試件表面粗糙、致密性差，結構排列散亂，微小孔洞多，混凝土結構受到破壞[12]；三因素耦合條件下，試件微觀形貌中有明顯裂縫，且縫寬大、數量多、分布廣；針對三因素腐蝕機理，進行配合比優化（包括水膠比調整，硅灰引入，高性能抗腐蝕劑內摻等），三因素耦合后，試件微觀形貌中可觀察到雖存在裂縫，但縫寬較小，且數量少，致密性得到顯著改善，反映到宏觀中表現為混凝土抗腐蝕性得到明顯增強，內部鋼筋可得到有效保護。

圖 5 微觀形貌照片對比（密實度-1.0k 倍）

3.4.2 不同對比組水化產物微觀形貌特征分析

水化產物微觀形貌詳見圖 6。

觀察分析：空白對照組表面水化產物鈣礬石較為密集，呈層狀、片狀排列，可一定程度提升試塊內部密實度；雙因素對比組表面水化產物多為簇擁團聚、針尖狀鈣礬石結晶，鈣礬石生長相對密實；三因素對比組（PH-5）水化產物鈣礬石排列不整齊、較為分散，對混凝土結構強度貢獻有限，三因素對比組（PH-2）水化產物結晶生長密集，且形成“鈣礬石網結構”，對混凝土整體強度及致密性有利。

4 結論

（1）鋼筋混凝土動彈模量、鋼筋銹蝕率及抗折強度可有效反映其抗腐蝕性能，動彈模量降低、鋼筋銹蝕率增加、抗折強度降低均說明鋼筋混凝土結構受到了不利腐蝕影響[13]。

（2）雜散電流通電電壓、氯鹽溶液濃度及疲勞荷載應力水平等因素的變化，均會對鋼筋混凝土各項性能產生影響，隨著通電電壓、氯鹽溶液濃度、疲勞荷載應力水平的增大，混凝土內鋼筋銹蝕逐漸增大，同時隨著齡期的增長，銹蝕率也在逐漸增大，同時，混凝土鋼筋銹蝕率與抗折強度存在一定比例關系。

圖 6 微觀形貌照片對比（水化產物-10.0～25.0k 倍）

（3）通過微觀試驗（SEM）對試件密實度及水化產物進行形貌分析可知，試件進行標準養護齡期后，水化已基本完成，水化產物受外界耦合因素侵蝕影響有限，但不同配比水化產物形成致密性有較大差異；同配比混凝土試件隨著侵蝕性耦合因素的增多，表面結構形貌有明顯劣性變化，通過優化配合比，可顯著提高微觀結構致密性，從而整體提升混凝土抗腐蝕性能。

（4）通過對鋼筋混凝土配比進行調整，即硅灰的摻入及宏觀水膠比的降低均對其抗腐蝕性能產生有利影響。