葉瑞豐，雅 菁，尚靜媛，劉曉錚，陳 倩

（1.天津城建大學(xué)，天津300384；2.天津津貝爾建筑工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津300170）

近年來，城市軌道交通建設(shè)成為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，其中地鐵作為現(xiàn)代出行的重要方式，已成為各大城市建設(shè)的重點(diǎn).因此地鐵環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題逐漸成為人們的研究熱點(diǎn).雜散電流的泄漏對(duì)地鐵工程混凝土的耐久性影響十分嚴(yán)重[1]. 雜散電流單獨(dú)作用會(huì)造成混凝土強(qiáng)度的下降，并引發(fā)混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕[2-3].此外，天津位于濱海地區(qū)，由于地區(qū)差異性，地下水中富含大量的氯鹽也是引起混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的主要原因之一[4-6].因此，雜散電流和氯鹽雙重作用下鋼筋混凝土腐蝕會(huì)更加劇烈[7-9].雜散電流和氯離子對(duì)鋼筋混凝土腐蝕的過程可大致分為三個(gè)階段：①雜散電流誘導(dǎo)混凝土內(nèi)部氯離子向鋼筋表面遷移；②氯離子聚集在鋼筋表面，與雜散電流共同破壞鋼筋鈍化層；③造成鋼筋電化學(xué)腐蝕，鋼筋的銹蝕膨脹最終引起混凝土強(qiáng)度的下降.根據(jù)這三個(gè)腐蝕階段，本文首先研究雜散電流對(duì)混凝土中氯離子遷移特性的影響，分析影響雜散電流誘導(dǎo)氯離子遷移的因素；通過內(nèi)摻氯化鈉的方式制作試塊，研究雜散電流和氯離子共同作用下，混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕程度以及對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料及配合比

試驗(yàn)采用天津地鐵某工段混凝土原材料及配合比，水泥、粉煤灰、礦粉、砂、石、水、減水劑配合比分別為334，58，53，693，1083，150，8.75 kg/m3. 水泥為P.I 42.5普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度15.3；S95 級(jí)礦粉；河沙為二區(qū)中沙；碎石為5～25 連續(xù)級(jí)配碎石；減水劑為高和牌高性能聚羧酸減水劑.

1.2 試驗(yàn)方法

為研究雜散電流環(huán)境下Cl-在混凝土內(nèi)部遷移過程，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵唬弘s散電流環(huán)境下氯離子遷移試驗(yàn)?zāi)Ｐ?試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，中央垂直埋入Φ14×100 mm 鋼筋.標(biāo)養(yǎng)28 d 后，取一個(gè)平行于鋼筋的表面為工作面，其余各面用環(huán)氧樹脂封涂. 將試件放置在3%的NaCl 溶液中，在距工作面50 mm 處平行放置一塊電極板.模型示意圖如圖1.用硝酸銀顯色法[10-11]測(cè)量Cl-的侵入深度.采用硝酸銀電位滴定法測(cè)定混凝土中游離態(tài)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cf，硫氰酸銨滴定法測(cè)定總的Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ct[12].以Cl-固化率R表征混凝土對(duì)游離態(tài)Cl-的固化能力[13]，公式如下

式中：R 為混凝土Cl-固化率，%；Ct為混凝土中總Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Cf為混凝土中游離態(tài)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.

圖1 雜散電流環(huán)境下氯離子遷移試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為研究雜散電流和Cl-共同作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的劣化，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)?zāi)Ｐ投夯炷羶?nèi)摻氯離子試驗(yàn)?zāi)Ｐ?試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，配制混凝土?xí)r水中先溶解一定量的NaCl，使混凝土內(nèi)部Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%，0.1%，0.2%，試塊中央埋置Φ14×100 mm 鋼筋.鋼筋一端焊接導(dǎo)線，另一端上方混凝土表層埋置一片鐵質(zhì)電極網(wǎng).標(biāo)養(yǎng)28 d 后，埋在土介質(zhì)（土壤含水率22%）中，放入絕緣箱.模型示意圖如圖2.

圖2 混凝土內(nèi)摻氯離子試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

對(duì)通電一定時(shí)間后的試樣用LK2005A 型電化學(xué)工作站測(cè)量鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕電位，以混凝土內(nèi)部的螺紋鋼為工作電極，鉑電極為輔助電極，飽和氯化銀電極為參比電極，電解質(zhì)溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaCl 溶液.根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]檢測(cè)試塊抗折強(qiáng)度.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雜散電流環(huán)境下氯離子在混凝土內(nèi)部的遷移特性

首先對(duì)混凝土材料中Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測(cè)定（見表1）.從表1 可見，原材料中水泥是Cl-的主要來源.標(biāo)養(yǎng)28 d 后的混凝土中游離態(tài)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cf較新拌混凝土漿料中的有所下降，這說明在混凝土水化硬化的過程中固化了一部分游離態(tài)Cl-.

表1 原材料及混凝土試塊中游離態(tài)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cf %

圖3a 為根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵唬煌饧与妷簭?qiáng)度下外界Cl-向混凝土試塊內(nèi)部侵入的深度.無外加電壓時(shí)，Cl-的傳輸主要以質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度作為推動(dòng)力，即依靠自由擴(kuò)散作用，故因混凝土內(nèi)部物質(zhì)傳輸通道狹小使得Cl-向混凝土內(nèi)部的遷移十分緩慢，浸泡15 d 后試塊中Cl-侵入深度僅為11 mm.在外加電壓的作用下，隨通電時(shí)間延長混凝土內(nèi)部Cl-擴(kuò)散深度不斷加大.20，40，60 V 電壓通電15 d 時(shí)Cl-擴(kuò)散深度分別是自由擴(kuò)散15 d 時(shí)的6.0，6.7，6.8 倍. 可以看出在外加電壓作用下電場(chǎng)形成的電勢(shì)差對(duì)Cl-運(yùn)輸?shù)耐苿?dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于濃度梯度的推動(dòng)力.因此表明在雜散電流環(huán)境下，Cl-在混凝土內(nèi)部的傳輸是以電場(chǎng)作用的電遷移為主導(dǎo).圖3b-3d 為試塊各深度Cf隨通電時(shí)間的變化.無外加電壓作用下混凝土試塊內(nèi)部Cf增加緩慢.而在雜散電流的作用下，試塊內(nèi)部Cf明顯升高.隨著外加電壓的提高，Cf增加越快.不同電壓強(qiáng)度下通電15 d 后，混凝土試塊表面10 mm 處，Cf均增加約4.8 倍，距混凝土試塊表面50 mm 處，Cf均增加約3.2 倍.

圖3 混凝土內(nèi)部氯離子遷移深度和氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cf

圖4 混凝土不同深度氯離子固化率R

圖4 所示為根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?，Cl-遷移試驗(yàn)條件下試塊Cl-固化率R 的變化.在各深度下不通電的混凝土試塊R 值均維持在25%左右，表明無電壓時(shí)混凝土的Cl-固化能力穩(wěn)定且不受外界及混凝土內(nèi)部Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響.再結(jié)合圖3 不同外加電壓條件下外界Cl-的侵入深度，可以看出不同電壓通電5 d 時(shí)Cl-的侵入深度均未超過25 mm.但從圖4b-4c 顯示，在外加電壓作用下混凝土試塊內(nèi)部未有外界Cl-侵入的部位其Cl-固化率R 明顯降低，說明雜散電流明顯減弱了混凝土的Cl-固化能力，促進(jìn)了混凝土內(nèi)部游離態(tài)Cl-遷移.20，40，60 V 電壓作用下30 mm 深度附近的Cl-固化率R 分別較自然條件時(shí)的R 降低了4%，8%，12%.

2.2 雜散電流與氯離子共同作用下鋼筋混凝土的劣化

圖5 為根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ投?，?nèi)摻Cl-試驗(yàn)各條件下試塊鋼筋的腐蝕電位.0.05%Cl-的試塊鋼筋銹蝕電位變化較平緩，隨著混凝土內(nèi)摻Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，在通電條件下鋼筋的腐蝕電位迅速下降.其中0.2%Cl-的試塊鋼筋在通電3 d 時(shí)其腐蝕電位已下降到-492 mV.根據(jù)以往研究，腐蝕電位在-350 mV 以下時(shí)，鋼筋銹蝕的概率在90%以上，在-700～-500 mV 之間時(shí)，鋼筋鈍化膜已完全破壞[1].通電15 d 后，0.05%，0.1%，0.2%Cl-的試塊內(nèi)鋼筋腐蝕電位分別為-344，-467，-687 mV.

圖5 混凝土試塊內(nèi)鋼筋腐蝕電位

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ投?，在研究雜散電流強(qiáng)度對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響過程中，測(cè)定了內(nèi)摻0.05%和0.2%Cl-的混凝土試件在通電前后的抗折強(qiáng)度變化，結(jié)果如圖6a 所示.通電15 d 后內(nèi)摻0.05%Cl-的鋼筋混凝土試件，不超過30 V 的電壓強(qiáng)度均未對(duì)其造成損傷，但在外加電壓達(dá)到40 V 或更高時(shí)抗折強(qiáng)度出現(xiàn)下降.當(dāng)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，在15 V 的電壓作用下混凝土試件抗折強(qiáng)度已經(jīng)下降了18.5%.說明在相同電壓作用下，Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，鋼筋混凝土越容易被破壞.

圖6b 所示為在0 V 和30 V 電壓條件下，不同Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混凝土在雜散電流作用下的腐蝕特征.無雜散電流作用下的試件，抗折強(qiáng)度在15 d 內(nèi)仍有良好的增長趨勢(shì)，說明單獨(dú)Cl-在短時(shí)間作用內(nèi)對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的危害較小.而內(nèi)摻0.1%和0.2%Cl-的試塊在通電3 d 時(shí)的強(qiáng)度損失就分別達(dá)到了22%和29%，說明在雜散電流和Cl-的雙重作用下鋼筋混凝土試塊的強(qiáng)度劣化十分迅速，且Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，劣化越快.通電15 d 后，各Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的試塊強(qiáng)度損失分別為23%，42%，51%.結(jié)合2.1 節(jié)試驗(yàn)結(jié)果，由于雜散電流促進(jìn)了游離態(tài)Cl-在混凝土內(nèi)部的遷移，并且激活了混凝土固化的一部分Cl-，使得混凝土內(nèi)部的Cl-具有更高的活性，從而加劇其對(duì)鋼筋的腐蝕.同時(shí)雜散電流的存在使得鋼筋的電化學(xué)腐蝕過程中的電子交換更加迅速，二者共同作用，進(jìn)一步加劇了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞.

圖6 內(nèi)摻氯離子試塊抗折強(qiáng)度

3 結(jié) 論

（1）在外界Cl-向混凝土內(nèi)部遷移的過程中，外加電壓加速了Cl-的遷移速率.20，40，60 V 電壓通電15 d時(shí)的Cl-擴(kuò)散深度分別是自由擴(kuò)散15 d 的6.0，6.7，6.8倍.在雜散電流環(huán)境下，Cl-在混凝土內(nèi)部的傳輸以電場(chǎng)作用的電遷移為主導(dǎo).

（2）外加電壓減弱了混凝土對(duì)Cl-的固化能力，20，40，60 V 電壓通電15 d 時(shí)，較不通電的混凝土試件的Cl-固化率R（25%）分別下降到了21.7%，17.5%，15.6%.

（3）外加電壓和Cl-共同作用下，混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕速度和腐蝕程度都有顯著增加. 通電15 d后，0.05%，0.1%，0.2%Cl-的試塊內(nèi)鋼筋腐蝕電位分別為-344，-467，-687 mV，鋼筋的銹蝕最終造成混凝土試件的強(qiáng)度損失，試塊抗折強(qiáng)度損失分別為23%，42%，51%.