雜散電流和氯離子耦合作用下鋼纖維混凝土腐蝕試驗研究

林龍鑌

(廈門大學嘉庚學院土木工程學院，福建漳州 363105)

鋼纖維混凝土作為一種新型的復合材料，具有良好的力學性能，較普通混凝土而言，抗拉、抗彎、還是抗剪強度等均有顯著提高，且抗疲勞、抗沖擊和耐久性能等亦有較大的改善。該材料被廣泛地運用于道路、橋梁、隧道、建筑等工程應用領域。鋼纖維混凝土還具有良好的耐火性能，可作為替代隧道結構材料的理想材料。將該材料應用于地鐵新型盾構管片的制作，正成為一個重要的應用方向。它能夠較好地解決盾構管片制作和搬運過程中遇見的掉角、開裂等問題，為隧道火災搶險爭取更多的時間，減少生命財產的損失。

因顧慮在地鐵環境中，鋼纖維混凝土耐久性能受到影響，應用項目不多，文獻顯示僅有國外丹麥[1]，國內武漢[2]、西安[3]和南京[4]等城市地鐵項目。地鐵機車采用直流電源驅動，機車在運行過程中會產生雜散電流泄漏，雜散電流會導致地鐵沿途的金屬管道和結構鋼筋發生電化學腐蝕[5]，導致管道泄漏和結構壽命縮短。近年來，許多沿海城市修建地鐵工程的項目增多。沿海城市存在海水入侵的風險，導致地下水氯離子含量增高[6]，氯離子會破壞金屬鈍化膜，使得結構鋼筋銹蝕[7-8]。研究雜散電流和氯離子耦合作用下，鋼纖維混凝土的耐久性能，推動在沿海發達城市的地鐵項目中使用該復合材料具有一定的工程意義。

有關鋼纖維混凝土耐久性能的研究成果，更多關注其在生活污水[9]、工業費廢水[10]、沿海地區[11]和海洋[12]等環境中的腐蝕行為，而在沿海地鐵環境中腐蝕行為研究成果甚少。A.O.S.Solgaard研究發現，鋼纖維混凝土存在明顯的“尺度效應”，陰陽兩極間的電位梯度將隨著增強材料長度的減小而增大[13]；Kangkang通過一系列試驗，研究了單根鋼纖維在雜散電流環境中的腐蝕行為，及雜散電流與氯離子共同作用下的腐蝕行為[14-16]。現有的研究，并不足以解開工程技術人員對該問題的困惑。

本文模擬了雜散電流腐蝕環境，以氯化鈉為導電溶液，研究在兩種不利因素耦合作用下，鋼纖維混凝土的腐蝕行為。試驗揭示了，鋼纖維混凝土銹蝕后強度損失率與氯化鈉溶液濃度間的關系，有助于增加工程人員對材料耐久性能的客觀認識，促進材料的推廣應用。

1 試驗準備

1.1 原材料

鋼纖維混凝土制作原材料：水泥為海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰等級為Ⅱ級；砂為河砂，細度模數2.57；碎石粒徑級配為10～20 mm；減水劑為壘知集團生產的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，長徑比為60.2，抗拉強度為620 MPa。

1.2 配合比設計

根據一般地鐵工程結構強度需要，混凝土設計強度為C40，水膠比為0.41，試件的鋼纖維體積率為1.5 %，粉煤灰摻量為15 %，詳細配合比信息如表1所示，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。混凝土拌制及試件制作遵循JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》和JGJ T221-2010《纖維混凝土應用技術規程》規范條文的要求。試件的制作數量為4組(12塊)，其中1組用于測量材料強度標準值，另3組分別用于不同條件下的腐蝕試驗，測量材料強度的損失率。

2 試驗設計

2.1 雜散電流腐蝕試驗裝置

腐蝕試驗裝置為自制，如圖1所示。試驗裝置采用導電絕緣材料(塑料)與試件兩端表面拼接形成容器空間，塑料與試件接縫處內外均采用中性硅膠進行密封，該容器空間用于存放導電溶液。直流電源采用香港龍威儀器儀表有限公司生產的型號為TPR-12002直流穩壓電源，可高精度輸出0～110 V之間的穩定直流電壓。電極分別采用石墨板和鈦網片，其中與電源正極相連的為石墨板，與電源負極相連的為鈦網片，電極安置于容器內的導電溶液中，分別平行安置于試件的兩側面。電流由正極輸出至石墨板，經導電溶液到達試件陰極面，穿過試件內部至陽極面，經導電溶液和鈦網片回流回電源負極。

表1 混凝土設計配合比

注：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

2.2 腐蝕試驗方案

郭占榮學者研究了廈門市海水入侵后，廈門島內地下水氯離子的含量分布。參考其成果，本次試驗采用氯化鈉溶液模擬地鐵結構的外部環境，濃度范圍設定為1 %～3 %。采用直流電源模擬雜散電流，容器內的氯化鈉溶液則是腐蝕介質，通過該裝置實現對鋼纖維混凝土材料施加雜散電流和氯離子的耦合作用。

腐蝕電壓為60 V，腐蝕時間為3 d，共進行了三種不同腐蝕條件下的腐蝕試驗，分別對應1 %、2 %和3 %的氯化鈉導電溶液，每種腐蝕條件下腐蝕的試塊數量為1組(3塊)，試件試件齡期為330 d。根據導電溶液的不同對試驗進行編號，如表2所示，其中D3表示導電溶液為溶度的3 %氯化鈉溶液。

表2 試驗方案

3 腐蝕試驗結果及分析

根據GB/T 50081-2016《普通混凝土力學性能試驗方法》，分別對腐蝕后試件的抗壓強度進行測試，得到腐蝕后鋼纖維混凝土的強度值。將強度測量值代入下式(1)計算腐蝕后材料的強度損失率。各組腐蝕后強度測試結果及強度損失率計算結果，如圖2所示。

(1)

圖1 氯化鈉濃度對材料強度損失率的影響

圖2顯示，在同等的電壓強度和腐蝕時間下，鋼纖維混凝土材料強度值和氯離子濃度成負相關關系，腐蝕后材料強度隨著氯離子濃度的提高而降低；強度損失率Kc與氯離子濃度成正相關關系，隨著氯化鈉濃度的提高而提高。在混凝土種摻入鋼纖維，由于鋼纖維的阻裂作用，較好地改善了混凝土的各項力學性能，提升了材料對腐蝕介質的入侵的防御能力。但是，銹蝕后鋼纖維的阻裂作用減弱，銹蝕生成物體積膨脹，取而代之對混凝土產生了漲裂作用，銹漲作用使得混凝土內部生成裂縫，材料強度降低，抵御腐蝕介質入侵的能力下降，材料的耐久性能減弱。當鋼纖維嚴重銹蝕后，纖維的漲裂作用將大于阻裂作用，材料內部的漲裂縫擴展，直至與相鄰的漲裂縫貫通，形成嚴重危害材料強度的貫通裂縫，是材料強度損失嚴重的根本原因。

腐蝕后的試件陽極面生成了大量銹蝕物，如圖3所示。陽極表面的銹蝕生成物，主要為混凝土內部的鋼纖維發生銹蝕后，生成物沿著纖維周邊混凝土漲裂縫外滲，到達試件表面堆積而成。試驗結果顯示，氯離子和雜散電流耦合作用下，對鋼纖維混凝土具有強大的銹蝕能力，材料強度在銹蝕后顯著下降。比較不同腐蝕條件下試件陽極面的銹蝕物，結果顯示隨著氯離子濃度提高，試件陽極面的銹蝕生成物增多，材料受到的腐蝕影響加重，如圖3所示。氯離子對鋼纖維鈍化膜的破壞是導致銹蝕的重要原因。

圖3 腐蝕后試件陽極面銹蝕照片對比

4 結論

本文研究鋼纖維混凝土在雜散電流和不同氯化鈉導電溶液疊加作用下，對材料耐久性能的影響。通過模擬試驗及結果分析，得到以下主要結論：

(1)在雜散電流和氯離子兩種不利因素的共同作用下，對鋼纖維混凝土的強度有顯著影響。鋼纖維的銹漲作用逐漸增大至主導作用，材料內部裂縫生成和擴展，是材料強度損失的原因。

(2)導電溶液中氯離子濃度的提高，將加劇了對鋼纖維混凝土的腐蝕影響。氯離子數量的增加，在電流的作用下，對鋼纖維鈍化膜的破壞作用加劇，導致材料發生嚴重銹蝕。

綜上所述，在地鐵環境中使用鋼纖維混凝土，如果結構周邊的地下水中含有氯離子時，應對該材料的耐久性能進行審慎評估，以減少地鐵運營后結構材料發生銹蝕的維修費用。