張開宇，孫齊磊，種溪，英魯軍，南洪友

（山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟南 250101）

隨著人們生活節(jié)奏的加快，對快速城市交通也提出了更高的要求，因此大量輕軌、高鐵投入建設(shè)。它們大多采用直流電供應(yīng)系統(tǒng)，而在列車的運行過程中，因為載荷、速度的不同，流經(jīng)軌道的電流差異有所改變。雖然大部分電流都會經(jīng)過行走軌回到變電站的負極，但還是有一小部分電流會泄漏到土壤中去，這部分電流被稱為雜散電流[1]。氯離子的存在是造成鋼筋腐蝕的重要原因，它會到達鋼筋表面，對鋼筋造成銹蝕。然而當(dāng)雜散電流流經(jīng)的區(qū)域存在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑或者設(shè)施時，在鋼筋混凝土內(nèi)就會形成一個強電場，它會加速氯離子通過混凝土向鋼筋表面?zhèn)鬏數(shù)乃俣?，破壞鋼筋表面保護膜，并加速鋼筋的腐蝕過程，使混凝土結(jié)構(gòu)性能受損嚴重，從而減少混凝土結(jié)構(gòu)的服役年限[2]。

混凝土本身是一種多相復(fù)合的堿性材料，在混凝土養(yǎng)護過程中，混凝土孔隙中不斷發(fā)生水化反應(yīng)，生成的Ca(OH)2溶液會使混凝土鋼筋周圍的pH值達到12.5以上，此時鋼筋處于鈍化狀態(tài)。在雜散電流達到一定強度時，定向移動的電流會導(dǎo)致鋼筋陰、陽極電位發(fā)生偏移，破壞鈍化膜，產(chǎn)生腐蝕[3]。鋼筋開始腐蝕時，生成的氫氧化亞鐵會在鋼筋表面堆積，使得鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生壓應(yīng)力，長期以往，會造成混凝土內(nèi)部開裂[4]。除此之外，雜散電流還會對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成嚴重影響，使得氯離子更加容易通過混凝土孔隙，到達鋼筋表面[5]。近年來，人們對阻銹劑也開展了不少研究。張大利、王元等人[6]制備了一種遷移型阻銹劑，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這種遷移型阻銹劑可以改善混凝土結(jié)構(gòu)性能，提高它的抗?jié)B、抗凍、抗碳化性。王曉彤等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，氨基醇類阻銹劑可以通過在鋼筋表面成膜和增加混凝土的密實度來阻止或減緩鋼筋的腐蝕，但對碳化的鋼筋混凝土的阻銹效果較差。蔣林華等人[8]利用X射線光電子能譜分析了核酸類阻銹劑在鋼筋表面的成膜特性，并確定了這種阻銹劑在混凝土模擬液中的最佳摻量。郭星星等人[9]針對有機型阻銹劑的作用效果進行了探究，研究發(fā)現(xiàn)，含氮基酮分子的阻銹劑不僅可以在鋼筋表面形成完整而又穩(wěn)定的保護膜，而且可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

目前針對雜散電流的防治，關(guān)于阻銹劑方面展開的研究較少，人們大多利用“排流法”疏散土壤中的雜散電流，以起到防止鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的效果。評價混凝土抗氯離子滲透性的方法有很多，常使用電通量法和RCM法來進行試驗研究[10]。文中主要根據(jù)現(xiàn)階段混凝土結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境，通過設(shè)計對照實驗，研究雜散電流下新型阻銹劑對混凝土抵抗氯離子滲透擴散性的影響。

1 試驗

1.1 材料

混凝土采用C40標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，混凝土成分配合比見表1，混凝土模具采用φ100 mm×100 mm試模。待澆注、振搗成形24 h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護28 d進行試驗。為避免浮漿層及試樣部分脫落給試驗結(jié)果帶來的影響，混凝土試件在試驗前7 d加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試件。上下分別切割 25 mm的混凝土，截取長度為(50±5) mm 的圓柱體試樣。試驗前采用 CABRBSY型混凝土智能真空飽水儀進行真空飽水處理，氯離子抗?jié)B性實驗采用中國建科院研制生產(chǎn)的 CABRRCM6混凝土氯離子擴散系數(shù)＆電通量聯(lián)合測定儀。

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of concrete

阻銹劑采用十二烷基磺酸鈉、二乙醇胺、四硼酸鈉，將三種成分復(fù)配后使用，摻量為水泥質(zhì)量的4%，具體配比見表2。

表2 阻銹劑配合比Tab.2 Mix proportion of rust inhibitor

雜散電流模擬采用MS-3010D直流穩(wěn)壓電源，輸出電流范圍為0～10 A，輸出電壓為0～30 V。電通量法試驗溶液采用質(zhì)量分數(shù)為 3.0%NaCl溶液和0.3 mol/L的NaOH溶液。RCM法試驗陰極溶液采用質(zhì)量分數(shù)為10%的NaCl溶液，陽極溶液為0.3 mol/L的NaOH溶液，顯色指示劑為0.1 mol/L的AgNO3溶液。應(yīng)提前配置好溶液，并在室溫下密封保存[11]。

1.2 方案

混凝土在制作過程中摻入 4%的阻銹劑成分，待28 d養(yǎng)護完成后，進行飽水處理，并放置于有機玻璃試驗箱內(nèi)進行雜散電流試驗。試驗溶液為含有3%NaCl的飽和Ca(OH)2溶液，雜散電流選用30 V的直流電，三組試驗通電時間分別為12、24、48 h，并設(shè)置空白組試驗進行比對分析。試驗結(jié)束后，將混凝土試塊沿軸向劈開，并噴涂硝酸銀溶液，按圖1所示計算擴散深度。

圖1 顯色分界線位置編號Fig.1 Number of color line location

1.3 氯離子滲透性評價指標(biāo)

依據(jù)JGJ/T 193―2009《混凝土耐久性檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》，按照表3進行滲透性評定。

表3 混凝土試塊氯離子滲透性評價指標(biāo)Tab.3 Evaluation index for chloride ion permeability in concrete block

2 結(jié)果與分析

2.1 電通量法測定氯離子滲透試驗

添加和未添加阻銹劑的混凝土試塊在不同通電時間的實時電流如圖2所示。

圖2 添加和未添加阻銹劑混凝土試塊的電流值Fig.2 Current of concrete block with (a) and without(b) rust inhibitor

混凝土試件的總庫倫電通量計算公式為：

式（1）中：Q為通過混凝土試件的總庫倫值，C；I0為初始電流，精確到0.001A；It為在t時間的電流，精確到0.001A。

計算所得的總庫倫值應(yīng)換算為通過試件直徑為95 mm的電通量值，換算公式為：

式（2）中：Qs為通過直徑為95 mm試件的電通量，C；Qx為通過直徑為x mm試件的電通量，C。

從圖4可以看出，在通電12、24、48 h后，與未添加阻銹劑的混凝土試塊相比，添加阻銹劑混凝土試塊的電通量比分別減小了30.1%、62%、68.77%。隨著通電時間的增長，阻銹劑作用效果更加明顯，說明添加 4%阻銹劑的混凝土試塊抵抗氯離子滲透的能力較好。對照氯離子滲透判定指標(biāo)來看，添加了阻銹劑的混凝土試塊在通電 12、24 h時，電通量分別為677.84、1078.80 C。對照表3可以看出，此時混凝土中氯離子的滲透擴散性一直處于較低的狀態(tài)。未添加阻銹劑的混凝土試塊在通電 24 h后，其氯離子的滲透性已經(jīng)達到中等程度。在通電 48 h后，電通量已經(jīng)達到 5778.67 C。此時氯離子可以迅速通過混凝土孔隙，到達鋼筋表面，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重的腐蝕。由于氯離子具有離子電導(dǎo)性，導(dǎo)致混凝土試塊的電阻率大大下降，加速了腐蝕反應(yīng)的進行[12]。

圖4 電通量試驗結(jié)果Fig.4 Electric flux test results

由圖5可以看出，在雜散電流作用下，未添加阻銹劑的混凝土試塊在通電12 h后，表面出現(xiàn)部分泛白區(qū)域。這是因為在雜散電流電場作用下，會促使混凝土中的Ca2+向外遷移，致使水化產(chǎn)物Ca(OH)2分解。在和空氣的接觸下，與H2O和CO2生成CaCO3沉淀，并附著在混凝土表面?；炷羶?nèi)的pH值也隨著Ca2+的流失而下降，造成混凝土內(nèi)部疏松。隨著通電時間的增長，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕。在通電時間達到48 h后，混凝土表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯的裂痕。這是因為在雜散電流的作用下，氯離子的滲透能力變得更強，隨著氯離子含量的增加，會對混凝土材料造成嚴重的腐蝕。除此之外，腐蝕產(chǎn)物在混凝土內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，隨著時間的增長，混凝土試塊表面脫落嚴重，最終導(dǎo)致混凝土開裂[13]。添加阻銹劑的混凝土試塊，在0～24 h內(nèi)無腐蝕情況發(fā)生。這是因為阻銹劑中的氨基醇類物質(zhì)會與Ca2+反應(yīng)，生成膠狀物質(zhì)，填充混凝土孔隙，使得氯離子難以通過滲透或毛細吸收作用滲透到混凝土內(nèi)部，阻止氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)造成腐蝕[14]。

圖5 不同條件下混凝土的腐蝕情況對比Fig.5 Concrete corrosion in contrast under different conditions: a) without rust inhibitor and electrified for 12 h;b) without rust inhibitor and electrified for 24 h; c) without rust inhibitor and electrified for 48 h; d) with rust inhibitor and electrified for 12 h; e) with rust inhibitor and electrified for 24 h; f) with rust inhibitor and electrified for 48 h

2.2 氯離子電遷移試驗

內(nèi)摻阻銹劑的混凝土試塊，養(yǎng)護28 d后，在20 V雜散電流下作用24 h，然后進行氯離子電遷移試驗，并設(shè)置對照組。依據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，在同一條件下取3個平行試塊進行試驗，最后取其算術(shù)平均值作為測定值，試驗參數(shù)見表4。

表4 RCM試驗參數(shù)Tab.4 RCM test parameters

混凝土氯離子遷移系數(shù)計算公式為：

式（3）中：DRCM為混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子擴散系數(shù)，精確到0.1×10-12m2/s；U為所用電壓的絕對值，V；θ為陽極溶液的初始溫度和結(jié)束溫度的平均值，℃；L為試件厚度，精確到0.1 mm；Xd為氯離子滲透深度的平均值，精確到0.1 mm；t為試驗持續(xù)時間，h。

根據(jù)RCM試驗結(jié)果，并對照混凝土試塊氯離子滲透性評價指標(biāo)可以看出，添加阻銹劑的混凝土試塊的氯離子擴散系數(shù)為2.48×10-12m2/s，未添加阻銹劑的混凝土試塊的氯離子擴散系數(shù)為4.56×10-12m2/s。這說明在雜散電流的作用下，添加阻銹劑后的混凝土試塊抵抗氯離子滲透的性能較好，其抑制氯離子侵蝕的效率高達 45.62%。這是因為阻銹劑中的有效成分具有疏水性，并且氨基醇類物質(zhì)可以進一步促進水化作用，生成 Ca(OH)2阻塞混凝土內(nèi)孔隙，從而使氯離子向混凝土內(nèi)的擴散受到抑制，所以新型阻銹劑在一定程度上抑制了氯離子的傳輸，降低了氯離子遷移系數(shù)。

依據(jù) JGJ/T 193―2009《混凝土耐久性檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》，試驗測得的添加阻銹劑混凝土試塊的氯離子擴散系數(shù) DRCM在 1.5×10-12～2.5×10-12m2/s范圍內(nèi)，說明此時氯離子在混凝土內(nèi)的擴散滲透性很弱。

3 結(jié)論

1）雜散電流和氯離子的共同作用會加速腐蝕反應(yīng)的進行。雜散電流作用48 h后，未添加阻銹劑混凝土試塊的電通量高達5778.67 C，氯離子擴散系數(shù)為4.56×10-12m2/s，此時氯離子在混凝土中的滲透擴散性很強。

2）在雜散電流作用12、24、48 h后，與未添加阻銹劑的試驗數(shù)據(jù)相比，添加阻銹劑混凝土試塊的電通量分別減小了30.1%、62%、68.77%，隨著通電時間的增長，阻銹劑作用效果更加明顯。在雜散電流作用24 h后，與未添加阻銹劑的試驗數(shù)據(jù)相比，添加阻銹劑混凝土試塊的氯離子擴散系數(shù)下降 45.62%，說明添加 4%阻銹劑的混凝土試塊抵抗氯離子滲透的能力較好。這是因為阻銹劑中的氨基醇類物質(zhì)會與Ca2+反應(yīng)，生成膠狀物質(zhì)，填充混凝土孔隙，使得氯離子難以通過滲透或者毛細吸收作用滲透到混凝土內(nèi)部，阻止氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)造成腐蝕。