摘　要: 大型土木工程結構中,材料的腐蝕對其結構耐久性具有很大的影響,因而正確分析和認識材料腐蝕的原因至關重要。尤其對于地鐵隧道這種特殊地下工程的耐久性能更為重要,針對地鐵隧道的雜散電流腐蝕問題,對鋼纖維混凝土結構進行了雜散電流腐蝕試驗,根據鋼筋混凝土腐蝕破壞和鋼纖維混凝土腐蝕破壞的等效原理,建立了鋼纖維混凝土結構在雜散電流腐蝕作用下結構破壞的預測模型。

關鍵詞: 耐久性　鋼纖維混凝土　雜散電流　腐蝕

　　地鐵項目工程復雜,建設成本高,主體結構在施工完成后就已經定型,在地鐵運營后,對主體結構進行維修和更換都十分困難,而且容易造成嚴重的經濟損失和影響人們的生活秩序。近年來,有許多關于地鐵隧道項目因為雜散電流腐蝕而需維修甚至造成嚴重事故的報道[1 - 4 ] ,所以研究結構材料在雜散電流腐蝕環境中的耐久性能有重要的意義。目前國內外關于地鐵雜散電流的研究進展,主要是在地鐵雜散電流的形成機理、對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的模擬試驗、雜散電流的監測和防治措施等方面,取得較多的研究成果。但是,對于雜散電流對鋼纖維混凝土材料的腐蝕研究尚少。雜散電流的模擬試驗證明,在相同腐蝕條件下,素混凝土的耐久性能遠比鋼纖維混凝土的耐久性能強,兩種材料的破壞形式也不相同[5 ] 。鋼纖維混凝土因其獨特的優點被國內外廣泛地應用于隧道的支護工程中,在地鐵雜散電流腐蝕的環境中,鋼纖維混凝土能否繼續發揮優點,充分保證地鐵結構的耐久性能和在服務年限內正常工作還需要進一步研究。

1 　雜散電流腐蝕模擬試驗

　　本文試驗采用低電壓和小電流的方式對鋼纖維混凝土進行了雜散電流的模擬試驗。試驗電源采用北京大華儀器廠生產的DH - 1718 直流雙路穩壓電源,試驗電壓60V。電流的測量采用優利德公司生產的型號為UT33C 萬用表,精度0．01mA。混凝土試件采用10cm ×10cm ×40cm 長方體試件。試驗裝置見圖1 ,依據地鐵雜散電流腐蝕主體結構鋼筋的基本原理,分別把混凝土試件和10cm ×10cm 的銅板放置于塑料容器中,腐蝕介質為自來水。采用塑料容器可以防止電流外泄。將事先放置在鋼纖維混凝土內的導線與直流電源的正極相接,銅板與直流電源的負極相接。這樣就構成了一個類似地鐵雜散電流腐蝕的模擬環境。

　　試件制作材料為強度等級C20 鋼纖維混凝土,

1 　雜散電流腐蝕模擬試驗

　　本文試驗采用低電壓和小電流的方式對鋼纖維混凝土進行了雜散電流的模擬試驗。試驗電源采用北京大華儀器廠生產的DH - 1718 直流雙路穩壓電源,試驗電壓60V。電流的測量采用優利德公司生產的型號為UT33C 萬用表,精度0101mA。混凝土試件采用10cm ×10cm ×40cm 長方體試件。試驗裝置見圖1 ,依據地鐵雜散電流腐蝕主體結構鋼筋的基本原理,分別把混凝土試件和10cm ×10cm 的銅板放置于塑料容器中,腐蝕介質為自來水。采用塑料容器可以防止電流外泄。將事先放置在鋼纖維混凝土內的導線與直流電源的正極相接,銅板與直流電源的負極相接。這樣就構成了一個類似地鐵雜散電流腐蝕的模擬環境。試件制作材料為強度等級C20 鋼纖維混凝土,

1 　雜散電流腐蝕模擬試驗

　　本文試驗采用低電壓和小電流的方式對鋼纖維混凝土進行了雜散電流的模擬試驗。試驗電源采用北京大華儀器廠生產的DH - 1718 直流雙路穩壓電源,試驗電壓60V。電流的測量采用優利德公司生產的型號為UT33C 萬用表,精度0．01mA。混凝土試件采用10cm ×10cm ×40cm 長方體試件。試驗裝置見圖1 ,依據地鐵雜散電流腐蝕主體結構鋼筋的基本原理,分別把混凝土試件和10cm ×10cm 的銅板放置于塑料容器中,腐蝕介質為自來水。采用塑料容器可以防止電流外泄。將事先放置在鋼纖維混凝土內的導線與直流電源的正極相接,銅板與直流電源的負極相接。這樣就構成了一個類似地鐵雜散電流腐蝕的模擬環境。

　　試件制作材料為強度等級C20 鋼纖維混凝土,

配合比采用廣州地鐵三號線現場的混凝土配合比,據原設計圖紙要求摻入的鋼纖維量為40kgPm3 ,見表1。鋼纖維采用嘉興市經緯鋼纖維有限公司生產的“經緯牌”鋼纖維,規格為D30剪切端鉤形鋼纖維。試驗共制作了3 組,同組試件制作時間相同,試件由同一次攪拌的鋼纖維混凝土制得。不同組試件配合比相同,但是制作時間不同。混凝土的制作過程參考《鋼纖維混凝土試驗方法》(CECS 13 - 89) ,試件制作完成后放置于養護池中靜水養護28d ,之后放于露天自然養護等待腐蝕試驗,試件制作形式見圖2。表2 為試件表面出現貫通裂縫時刻與試件破壞時間。

　　試驗測量得到的雜散電流值變化范圍為0～100mA ,這與北京市地下鐵道設計研究所在北京地鐵試驗段中測量得到的雜散電流值最小為20mA、最大為130mA[6 ] 在數量級上是相同的,模擬試驗和實際工程中的雜散電流腐蝕有一定相似性[5 ] 。

2 　鋼纖維混凝土破壞預測模型

　　在雜散電流腐蝕的腐蝕環境下,鋼纖維混凝土腐蝕破壞和鋼筋混凝土的腐蝕破壞的本質原因是相同的,都是因為金屬銹蝕體積膨脹對混凝土產生擠壓作用,使得混凝土發生開裂破壞。國內外學者通過試驗統計法、模擬試驗法和力學分析法(包括彈性分析和有限元方法) 3 種主要研究手段,在鋼筋銹蝕引起混凝土保護層脹裂方面做了大量的試驗和理論研究,不少學者直接給出了脹裂時鋼筋截面銹蝕率的計算公式,形式各異,各有優缺點[7 ] 。本文通過鋼纖維混凝土銹蝕破壞和鋼筋混凝土銹蝕破壞的等效原理,利用鋼筋混凝土銹蝕量的預測理論模型和鋼纖維混凝土的增強理論、法拉第定律結合,建立鋼纖維混凝土銹脹的銹蝕量和破壞時間的預測模型。

2．1 　模型推導[5 ]

　　鋼纖維混凝土的銹蝕破壞過程和鋼筋混凝土類似,大致分為鋼纖維銹蝕的初始階段、自由膨脹階段、應力產生階段和混凝土開裂及裂縫發展階段4個過程[8 ] 。混凝土開裂破壞時的銹蝕產物質量Wcrit為自由膨脹階段和應力產生階段金屬銹蝕量的總和,可以用下面的公式計算得到:

　　式中,ρrust為銹蝕產物的密度;ρst 為金屬密度; d0 為鋼纖維周邊孔隙厚度; ds 為產生混凝土附加應力時銹蝕產物的厚度; D 為鋼纖維等效直徑; Wst 為銹蝕的金屬質量。

銹蝕鋼纖維的質量為:

Wst = αWcrit (2)

　　式中,α是銹蝕金屬質量與金屬銹蝕后產物質量的比值,等于金屬和銹蝕產物的摩爾質量比值。在金屬銹蝕過程中,銹蝕物對混凝土擠壓力的大小主要取決于生成物Fe (OH) 2 、Fe (OH) 3 的體積大小。當銹蝕產物為Fe (OH) 2 時,α值為0．622 ;當銹蝕產物為Fe (OH) 3 時,α的值為0．523。所以α 值在0．523～0．622 之間。

　　將混凝土看作各向同性的彈性材料,假設銹蝕產物的體積膨脹作用在鋼纖維周圍產生徑向均布壓力qr ,試驗表明,鋼纖維混凝土試件在腐蝕破壞后,鋼纖維喪失了對混凝土的阻裂效應,在開裂面上鋼纖維的阻裂拉力為0 ,鋼纖維的破壞形態如圖3 所示,由靜力平衡關系獲得脹裂破壞時的體積膨脹力為qr 。

qr = f t [ s - ( D + 2 d0 ) ]P( D + 2 d0 ) (3)

　　式中, f t 為混凝土抗拉強度; s 為鋼纖維間距; D 為鋼纖維等效直徑; d0 為鋼纖維與混凝土的接觸面孔隙間距。

　　據鋼纖維混凝土增強理論,纖維的間距s 為[10] :

　　式中,D 為纖維直徑;ηθ 為方向有效系數(纖維為一維亂向分布時取1 ,二維亂向分布時取0．64 ,三維亂向分布時取0．5 和0．41) ; P 為纖維體積百分數。

　　如圖4 所示,取內徑為D + 2 d0 的孔洞,周邊為彈性無限體的孔洞模型代替實際構件,采用彈性力學理論可求得均布壓力qr 和孔邊混凝土的徑向變形ds 之間的關系式:

　　式中,μ為混凝土泊松比; Eef 為混凝土有效彈性模量。其中, Eef = EcP(1 +φcr ) ,φcr為徐變系數。根據式(3) 、式(5) 可以得到混凝土脹裂時,孔邊混凝土的徑向變形:

　　根據式(1) 、式(6) 可以求得混凝土脹裂時銹蝕產物的總質量:

　　從式(7) 可以看出,決定鋼纖維混凝土脹裂的銹蝕量的因素有:混凝土的有效彈性模量、混凝土的抗拉強度、纖維周圍混凝土的孔隙大小。在大氣和海潮等自然環境中,纖維的銹蝕物有足夠的時間向周圍滲透,隨著時間的增長d0 逐漸變大,模型的假設條件d0n D 不再滿足,計算誤差太大。根據式(2) 、式(7) 求得銹蝕鋼纖維的質量:

　　法拉第定律ΔW = kIt ,已知腐蝕電流可以估計鋼纖維混凝土開裂破壞的時間:

2．2 　模型應用

　　根據鋼纖維混凝土的實際配比情況和混凝土強度等級,取以下模型參數: df = 0．355mm; P = 0151 ;ηθ =0．5 ; Ec = 2．55 ×10．0 Pa ;φcr = 2．0 ; f t = 1．54 ×106 Pa ;μ= 0．2 ;ρrust = 3 600kgPm3 ;ρst = 7 840kgPm3 ; d0 = 50 ×10 - 6m; k = 0．075gP(A·h) ,即2．0 ×10 - 7 kgP(A·s) ;α= 0．523～0．622 ; D = df 。應用上面計算模型可以得到I 和tcrit的關系曲線(圖5) 。圖5 中的離散點是試驗數據(見表2) ,試驗數據I 是試件腐蝕試驗開始至開裂破壞時刻全過程的電流平均值,破壞時間是試件腐蝕致開裂破壞的累計試驗時間。

　　鋼纖維銹蝕破壞的理論模型能夠反應腐蝕電流和試件破壞時間的變化趨勢,從圖5 中可以看出,理論曲線和試驗曲線較好地吻合,當電流小到一定程度時,試件開裂的破壞時間將趨于無窮大,解釋了為什么大氣和海潮環境中鋼纖維混凝土受到腐蝕,

但是混凝土本身并不會發生開裂破壞,鋼纖維銹蝕的腐蝕電流只由金屬上微電池產生,外界沒有外加電流,腐蝕電流值較小,腐蝕速度也遠小于有外加電流時金屬的腐蝕速度。

3 　結　論

　　本文對鋼纖維混凝土結構的雜散電流腐蝕進行了模擬試驗,建立鋼纖維混凝土結構在雜散電流腐蝕的特殊環境中的腐蝕破壞的預測模型,得到下面一些結論:

　　1) 雜散電流對鋼纖維混凝土結構有腐蝕破壞作用,鋼纖維混凝土不再表現出較好的耐久性能,內部的鋼纖維銹蝕后,阻裂效應減小,并且因為對混凝土產生的擠壓力使得混凝土發生開裂破壞。

　　2) 影響鋼纖維混凝土結構破壞的原因有:混凝土自身因素,例如:混凝土的有效彈性模量、抗拉強度、纖維周圍混凝土的孔隙大小。外界的影響因素,如腐蝕電流的大小。其中腐蝕電流的影響最為顯著,很大程度上決定了結構的破壞時間。

　　3) 破壞預測模型揭示了鋼纖維混凝土開裂破壞時間和腐蝕電流大小的關系,結構耐久年限隨腐蝕電流的增大呈現遞減變化,當腐蝕電流小于一定值時,鋼纖維混凝土不易因為鋼纖維的銹蝕而發生開裂破壞。模型預測的結果和試驗結果吻合較好。

參考文獻

　　1 　高敬宇, 易　凡. 地鐵及輕軌雜散電流腐蝕的防護. 天津理工學院學報, 1996 ,12(1) : 32 - 36

　　2 　馬洪儒. 北京地下鐵道的雜散電流腐蝕與防護. 城市軌道交通, 1990 (1) : 11 - 19

　　3 　易友祥. 一種積極有效的地鐵雜散電流防護方案. 天津理工學院學報, 1995 , 11 (2) : 1 - 5

　　4 　黃可信, 吳興祖. 鋼筋混凝土結構中鋼筋腐蝕與保護. 北京:中國建筑工業出版社, 1983 : 1 - 13

　　5 　林龍鑌. 地鐵雜散電流對鋼纖維混凝土腐蝕效應的研究: [ 碩士學位論文] . 北京:中國礦業大學, 2005

　　6 　北京市地下鐵道設計研究院. 地鐵暗挖法施工復一西區段雜散電流腐蝕防護對策研究(科研報告) . 1994

　　7 　張　益, 蔣利學, 張偉平, 等. 混凝土結構耐久性概論. 上海:科學技術出版社, 2003

　　8 　Youping Liu. Modeling the Time2to2Corrosion Cracking of the CoverConcrete in Chloride Contaminated Reinforced Concrete Structures :[Doctoral Thesis] . Virginia :The Virginia Polytechnic Institute and StateUniversity ,1996

　　9 　林小松, 楊果林. 鋼纖維高強與超高強混凝土. 北京: 科學出版社, 2002