地铁混凝土耐久性影响因素的研究现状

徐 健,杨 洋,陈梦成,王 凯

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,江西 南昌330013)

0 前 言

当今世界混凝土结构破坏的主要原因为钢筋腐蚀,寒冷气候下的冻害,侵入环境下的物理化学作用[1]。而地铁结构因其所处位置不同而与地面建筑的环境、施工工艺、使用功能等不同,钢筋混凝土的耐久性除要经受环境介质腐蚀侵害外,地铁杂散电流对其腐蚀破坏作用也相当严重[2]。近几年来,国内外研究人员陆续开展钢筋混凝土抗腐蚀研究,但在地铁工程中采用高性能混凝土抗杂散电流和盐腐蚀的研究相对滞后。

1 研究现状

1.1 杂散电流影响的研究现状

地铁杂散电流,主要是指由采用直流供电牵引方式的地铁列车在地铁运行时,由于行走轨与大地之间的绝缘不良或不是完全绝缘,流经行走轨的电流不能全部流回牵引变电所的负极,有一部分电流会泄漏进入大地,就成为杂散电流[3],又称迷流,如图1所示。北京地铁运营数年后,其主体结构钢筋发现严重腐蚀,隧道内水管腐蚀穿孔,天津地铁也存在着水管被迷流迅速蚀穿的情况[4]。日本等发达国家的地铁也存在地铁迷流腐蚀的问题。

图1 地铁杂散电流形成示意图[2]

就国外而言,1998年埃及的Emad S.Ibrahim[5]提出杂散电流比土壤对地下结构腐蚀更严重,强调应考虑项目设计或结合技术最有效和最经济控制腐蚀。2003年印度国家冶金实验室马德拉斯中心的Srikanth S,Sankaranarayanan T S N[6]等通过对地下管道的取样试验,提出杂散电流会加速其腐蚀影响,对杂散电流对地下结构影响有重要的参考的价值。2005年意大利的Luca Bertolini[7]等做了直流电和交流电对钢筋在水泥石和混凝土中的腐蚀对比试验,并且指出有氯化物环境下会促进杂散电流的腐蚀影响。2008年Robles Hernández F C[8]等认为直流杂散电流比疲劳和盐腐蚀对缩短铁轨的寿命更加厉害,并通过有限元分析了腐蚀造成的应力集中破坏铁路,指出适当的绝缘加上杂散直流电流控制,将在很大程度上减小对地铁基础腐蚀。

近年来,国内对杂散电流的研究也越来越多,大致从三个方面来讲。第一,通过建立模型,分析试验数据。周晓军[9,10]等通过电腐蚀的模拟试验和试件的强度试验,对混凝土结构中钢筋在电位作用下结构强度的影响进行了比较全面的分析研究,并模拟了钢筋混凝土试件处于水和土壤中的两种腐蚀介质中,并进行了试验,测定钢筋发生电化学腐蚀的电化学当量和腐蚀速率。丁庆军[11]等分别对有杂散、无杂散电流影响下掺粉煤灰水泥石氯离子固化能力进行了研究,提出杂散电流对固化氯离子的稳定性有一定的影响。杜应吉等[12]磨细矿渣和粉煤灰等活性掺合料,对地铁混凝土抗杂散电流性能进行对比试验研究。杨向东等[13]依据地下铁道杂散电流引起金属电化学腐蚀的基本原理,给出了钢筋混凝土中钢筋在外加直流电腐蚀下,其腐蚀产物的计算表达式。黄文新等[3]通过加速试验方法研究了直流电流作用下混凝土筛余砂浆的溶蚀性能,并建立了其与广州地铁工程混凝土在杂散电流下的溶蚀性能之间的关系。庞原冰等[14]提出了基于电场的杂散电流模型,采用了腐蚀量这一直观标准来评价杂散电流对埋地金属的危害程度。第二,通过理论分析,建立预测模型。杜应吉等[15]通过模糊综合评判法对其进行耐久寿命预测和多因素模糊综合评价,初步建立了电化学当量与钢筋混凝土的耐久寿命关系的近似模型,据此进行了地铁混凝土抗杂散电流耐久寿命的初步预测。周晓军等[16]给出了区间隧道内杂散电流的近似计算方法,探讨了产生杂散电流的原因和影响因素,利用等效电路分析法和解析法分析了地铁区间隧道中杂散电流的分布,探讨了轨道过渡电阻值以及走行轨阻抗对杂散电流变化的影响。陈志源等[17]阐述了地铁轨枕等杂散电流能破坏钢筋的表面钝化膜,促进钢筋的锈蚀,以及在混凝土中掺加粉煤灰对地铁等杂散电流腐蚀的抑制作用、机理。第三,提出维护,监测和防护措施。李威等[18]模拟地铁的实际工况,使用长效铜/硫酸铜电极作为测量混凝土钢筋极化电位的参考电极,用于测量埋地金属结构的杂散电流腐蚀。胡曙光等[19]通过比较有杂散电流和无杂散电流两种情况掺粉煤灰和矿渣微粉水泥石中固化态氯离子含量变化的差异,研究了杂散电流干扰下掺矿物掺合料水泥石固化氯离子的特点。周晓军初步分析了杂散电流腐蚀对隧道衬砌混凝土结构耐久性的影响以及地下铁道杂散电流的防护措施[9]。杜应吉等[12]提出掺加活性掺合料使混凝土钢筋钝化膜电阻和累积电量得到提高,使地铁混凝土的抗杂散电流能力显著增强。根据国内外经验,钢筋中的杂散电流钢筋的腐蚀可基本上被防止,当然,目前这些措施还是不够完善的。因而当前如何在对原有设施加强维护、监测的同时,研究、开发更为完善和有效的迷流防护措施也是十分必要的。

1.2 氯离子影响的研究现状

早在20世纪30年代,美国就有大桥就因氯离子侵蚀,不得不拆除,更换,而日本,澳大利亚,印度等也有海港码头混凝土被腐蚀而造成破坏的情况,到了80年代,许多国家不同程度的出现有氯离子破坏混凝土报道。我国也同样出现大量因氯离子破坏混凝土结构报道。其腐蚀机理,游离的氯离子进入到钢筋混凝土中,达到钢筋表面,破坏钢筋钝化膜,从而使钢筋发生锈蚀,从而破坏混凝土结构,如图2[20]所示。

图2 氯离子锈蚀钢筋示意图

自20世纪80年代以来,国内外关于混凝土在氯离子环境下的使用,主要集中于使用寿命的研究中,尽管第二扩散定律可以用来预测使用寿命,但是至今仍没有建立完整的理论体系。由于FICK第二扩散定律考虑的条件过于理想化,对混凝土并没有普遍适用意义,实际混凝土的氯离子扩散过程难以用理想化模型描述,它并不满足第二扩散定律的理论条件[21]。1996年Maage基于Fick第二扩散定律、现有工程结构和实验结果,考虑扩散系数的时间依赖性,提出了一个预测现有混凝土结构服役寿命的实际模型,同年,欧洲Duragrete项目的Mejlbro提出Mejlbro理论模型,该模型考虑了氯离子扩散的时间依赖性和环境等因素对氯离子扩散性能的影响,1998年Amey等改变了方程的边界条件,考虑到混凝土表面的氯离子浓度是时间的函数,提出考虑线性函数和幂函数边界条件的Amey理论模型,1999年Mangat等在氯离子扩散方程中考虑到氯离子扩散系数与时间的关系,提出考虑扩散系数的时间依赖性的Mangat理论模型,2002年Kassir根据实验得到混凝土暴露表面的氯离子浓度与时间之间指数关系,提出考虑指数函数边界条件的Kassir理论模型。

国内,近几年,余红发、孙伟等[21～23]基于 Fick第二扩散定律,推导出综合考虑混凝土的氯离子结合能力、氯离子扩散系数的时间依赖性和混凝土结构微缺陷影响的新扩散方程,得到了混凝土的氯离子扩散理论基准模型,建立了考虑多种耐久性因素作用下的混凝土表面剥落氯离子扩散理论模型、混凝土冻融循环氯离子扩散理论模型和混凝土损伤氯离子扩散理论模型。经过严密的理论推导,建立了考虑多种因素作用下的混凝土氯离子扩散理论模型。余红发等[21～23]借助损伤力学的原理,通过系统实验,研究了混凝土在冻融与腐蚀条件下损伤失效过程的规律与特点,建立了具有普适意义的混凝土损伤演化方程,提出了损伤速度和损伤加速度的新概念,并提出了一套预测混凝土结构使用寿命的基本方法与理论体系,用等温吸附法测定了混凝土在系列氯化钠溶液中的平衡氯离子浓度,计算了矿渣对混凝土的总结合能力、物理结合能力和化学结合能力,研究了矿渣掺量对混凝土结合能力影响的规律。关宇刚等[24]结合了可靠度与损伤理论,首次提出了能适用于不同边界条件以及包括单因素和多因素复合作用下的更加符合实际的有关混凝土寿命预测方面的普适多元Weibull分布模型。袁承斌等[25]通过混凝土试件在不同应力状态下氯离子侵蚀试验的方法,建立了混凝土在应力状态下氯离子侵蚀速度预测的数学模型,推断出预应力混凝土抗氯离子侵蚀能力强于普通混凝土的结论。

2 研究的发展方向

人们分析出对地铁其混凝土结构腐蚀因素有杂散电流、氯离子侵入、疲劳荷载,混凝土碳化,冻融,硫酸盐侵蚀等因素,对这些因素如何耦合产生的对混凝土的影响研究的极少,今后社会的迅速发展,对混凝土的要求,朝着高性能方向发展,所以,对高性能混凝土的应用和研究,是今后的必然趋势,另外,由于环境的不同,其他影响因素也会起到重要影响,所以,高性能混凝土结构的应用和发展,必然面临着这种多因素耦合下破坏。研究这种多因素耦合,需要考虑以下几个问题。

(1)杂散电流和腐蚀离子耦合对混凝土结构的影响,考虑到两因素对地铁混凝土结构协同劣化。由杂散电流对其钢筋腐蚀和离子由混凝土表面侵入内部,然后再对钢筋腐蚀,从而降低钢筋的承载力,直接引起结构极限承载力和抗剪强度降低,其损伤规律和耦合机理值得着重研究,以及在双重腐蚀下钢筋锈蚀后的力学性能随这两因素的变化规律和钢筋—混凝土粘结性能变化规律。能否通过同一种腐蚀当量,联系两种腐蚀因素对结构的影响,从而推广到各种腐蚀因素只是由一种腐蚀当量对混凝土结构的影响。

(2)杂散电流,腐蚀离子和疲劳三因素作用下,疲劳损伤对两腐蚀因素耦合的影响的研究算是具有真正意义上考虑到了地铁实际工程情况。在疲劳荷载影响下,两因素引起结构损伤的变化规律,耦合机理和各种力学性能变化趋势又是怎样的?能否通过建立考虑到各种腐蚀因素的腐蚀疲劳损伤方程预测其疲劳寿命,及时采取防止措施。

(3)能否通过改进混凝土配置方法,如掺合料,碱激发剂的使用,系统研究其对腐蚀疲劳的抑制作用。

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[4] 王永东.氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀对地下结构耐久性影响的研究[D].上海:同济大学,2008.

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