摘要 通過加速試驗(yàn)方法研究了電流作用下砂漿的溶蝕性能，并建立了其與廣州地鐵工程混凝土在雜散電流下的溶蝕性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)罔F雜散電流為100mA/m2時(shí)，廣州地鐵工程混凝土抗雜散電流作用下溶蝕能力至少可以滿足50年的安全運(yùn)行。采用SEM和EDS對電流加速溶蝕試驗(yàn)后的砂漿進(jìn)行分析，越靠近陰極部位的砂漿，其凝膠產(chǎn)物越松散，水化硅酸鈣產(chǎn)物的Ca/Si比越為下降；砂漿微觀結(jié)構(gòu)越不密實(shí)，孔隙越多。溶蝕后的砂漿強(qiáng)度比基準(zhǔn)砂漿降低了17.2％。
關(guān)鍵詞 地鐵工程混凝土，雜散電流，溶蝕，加速試驗(yàn)，耐久性
中圖分類號(hào)：TU 528 571
0 前言
與普通工程混凝土相比，地鐵工程混凝土由于所處環(huán)境的特殊性，影響其耐久性的因素更為復(fù)雜，其中雜散電流就為特有因素之一。地鐵雜散電流[1]， 主要是指由采用直流供電牽引方式的地鐵列車在地鐵運(yùn)行時(shí)，由于走行軌與大地之間的絕緣不良或不是完全絕緣，流經(jīng)走行軌的電流不能全部流回牽引變電所的負(fù)極，有一部分電流會(huì)泄漏進(jìn)入大地，就成為雜散電流。一般而言，鋼筋在雜散電流的作用下會(huì)加快其電化學(xué)腐蝕速度，不僅會(huì)縮短鋼筋的抗拉和抗剪性能，而且其產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物所帶來的體積膨脹會(huì)在混凝土中產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞【2,3】。目前對地鐵雜散電流的研究國內(nèi)多集中在對鋼筋電化學(xué)腐蝕，鋼筋腐蝕產(chǎn)物對混凝土所產(chǎn)生破壞，及如何提高混凝土本身的電阻和抗雜散電流耐久性等方面【4，5，6】，對混凝土在雜散電流作用下的溶蝕性能研究未見報(bào)道。
實(shí)際上，地鐵道床與二襯混凝土仰拱形成的施工縫中往往為地下水飽和，地鐵道床混凝土長期處于地下水環(huán)境中。地下水流經(jīng)對混凝土有溶蝕作用；地下水中含有的腐蝕介質(zhì)還會(huì)對混凝土產(chǎn)生侵蝕作用，與普通工程混凝土相比，地鐵道床混凝土所處腐蝕環(huán)境更為嚴(yán)酷。而道床處的雜散電流最大，地鐵鋼軌與施工縫中的水就形成一個(gè)電解池，在這個(gè)電解池中道床混凝土孔溶液中的離子在電場作用下向外遷移，Ca2+不斷被溶出帶走，溶蝕速率將比一般地下水流經(jīng)的溶蝕速率顯著加快。Ca2+的不斷溶出使混凝土中水化產(chǎn)物Ca(OH)2、C-S-H發(fā)生分解，孔隙率增加，強(qiáng)度下降，最終會(huì)導(dǎo)致混凝土破壞。前蘇聯(lián)的研究表明【7】，當(dāng)混凝土中CaO溶出量達(dá)10％之后，混凝土的強(qiáng)度迅速下降，而且水泥石在混凝土中的狀況也不穩(wěn)定，此時(shí)就認(rèn)為混凝土已不在安全使用時(shí)限；李金玉研究認(rèn)為【8】，當(dāng)混凝土中CaO溶出量達(dá)25％時(shí)，混凝土強(qiáng)度將降低35％～50％，他以此作為一種極限指標(biāo)來估算塑性防滲墻混凝土的安全運(yùn)行壽命。
本文通過加速試驗(yàn)方法，研究了雜散電流對廣州地鐵混凝土溶蝕性能的影響。
1試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法
1.1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)用混凝土原材料與廣州市地鐵某線某區(qū)間實(shí)際工程混凝土一致，由廣州派安混凝土公司提供，水泥為廣東廣信青洲水泥公司生產(chǎn)的P.II42.5R水泥，其物理性能見表1。摻合料為II級(jí)粉煤灰，其品質(zhì)見表2。細(xì)集料為廣東西江河砂，表觀密度2630kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.6；粗集料為珠?；◢弾r碎石，表觀密度2640 kg/m3，粒徑分布5-25mm；外加劑是由廣州市昌特公司生產(chǎn)的FDN-2緩凝高效減水劑，減水率為21.2％?；炷僚浜媳热绫?所示。
1.2試驗(yàn)方法
依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》在實(shí)驗(yàn)室配制混凝土，用方5mm孔篩篩除混凝土拌合物中的粗骨料，得到的砂漿攪拌均勻后成型直徑100mm，高50mm的圓柱型膠砂試件。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60d后進(jìn)行試驗(yàn)。
模擬混凝土在雜散電流作用下的溶蝕裝置如圖1 所示。采用惰性鈦網(wǎng)做兩電極，在電流作用下兩電極本身不發(fā)生反應(yīng)，從而不會(huì)在溶液中引入其它離子。將試件安裝于試驗(yàn)槽內(nèi)，用密封膠密封，以確保不會(huì)滲漏。在裝置的陽極和陰極空間注入蒸餾水，兩極之間加上1.25A/m2的恒電流，將整個(gè)裝置放入20℃ 的水槽中保持恒溫。試驗(yàn)進(jìn)行后，每6天換一次水，并量得陰極水體積，抽取陰極的水樣用美國DIONEX公司生產(chǎn)的ICS-90/DX-80離子色譜測定其中的Ca2+濃度。取1組5個(gè)試件的Ca2+濃度平均值為最終結(jié)果，通過溶出的Ca2+濃度來研究混凝土試件在電流作用下的溶蝕狀況。
64天齡期時(shí)取出試件，將試件沿從陽極到陰極的方向切割為4層，樣品真空干燥后表面鍍金膜，用Philips XL30型掃描電子顯微鏡觀察砂漿試件各層水化產(chǎn)物形貌和微觀結(jié)構(gòu)，并用X射線光電子能譜測定砂漿各層水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)物的鈣硅比，每層選5個(gè)部位的水化產(chǎn)物進(jìn)行微區(qū)分析，取其平均值作為該層水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)物的鈣硅比。
通電后混凝土及水溶液中的離子遷移如圖2所示。
2．試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 不同齡期下砂漿中溶出的Ca2+離子濃度不同齡期下砂漿中溶出的Ca2+離子濃度C1的測試結(jié)果見表4。
將不同齡期時(shí)測得的Ca2+離子濃度與時(shí)間的關(guān)系作圖如圖3，反映砂漿的Ca2+離子溶出速
率?？梢钥闯觯皾{中Ca2+離子溶出速率在28d齡期前較大，隨齡期延長，Ca2+離子溶出速率減慢，并趨于平緩；但一直有Ca2+離子溶出，使得從砂漿中溶出的Ca2+離子總量隨齡期延長不斷增加。
2.2 混凝土在同等試驗(yàn)條件下溶出的CaO質(zhì)量的計(jì)算步驟及結(jié)果
通常水泥熟料中CaO含量為62％～67%，P.Ⅱ型水泥中混合材摻量小于5%，設(shè)其中CaO含量為60%。
由表3混凝土配合比可知，1m3混凝土中的氧化鈣的含量M3為：
M3=280×0.6=168kg/m3
1m3混凝土中石子體積為：1082÷2650=0.408 m3，則砂漿占59.2％的體積，那么1m3砂漿中CaO的含量M2為：
M2＝M3÷0.592=283.78kg/m3
本試驗(yàn)采用直徑100mm，高50mm的圓柱體膠砂試件，其體積V1為3.925×10-4m3，其中含有的CaO質(zhì)量M1為：
M1=V1×M2=111.38g
設(shè)單個(gè)砂漿試件累計(jì)溶出Ca2+離子濃度為C2（mg/L），單個(gè)砂漿試件的累計(jì)溶出CaO質(zhì)量為m1（g），1m3砂漿試件在同等試驗(yàn)條件下溶出的CaO質(zhì)量 為m2(kg)，1m3混凝土試件在同等試驗(yàn)條件下溶出的CaO質(zhì)量為 m3(kg)，則它們之間的計(jì)算關(guān)系為：
m1=C2×V2×56/40
其中V2為所測陰極浸泡液體積，為189.6ml。
m2=m1/V1，m3=m2×0.592，t=m1/M1= m2/M2= m3/M3
計(jì)算結(jié)果示于表5中。
2.3雜散電流加速溶蝕作用下地鐵混凝土安全使用壽命預(yù)測
將表5中1m3砂漿在同等試驗(yàn)條件下CaO溶出質(zhì)量 m2(kg)及1m3混凝土在同等試驗(yàn)條件下CaO溶出質(zhì)量 m3(kg)與通電時(shí)間的關(guān)系繪于
圖4和圖5中，并分別對其進(jìn)行擬合。
由圖4和圖5可知，CaO的溶出質(zhì)量與通電時(shí)間呈明顯線性關(guān)系。
砂漿中CaO溶出質(zhì)量與通電時(shí)間的擬合方程為：
Y=0.18481+0.01978X
推算出砂漿中CaO溶出量達(dá)到10％（28.38kg）在通電后第1425天（3.9年），達(dá)到25%(70.95kg)在通電后第3578天（9.8年）。
混凝土中CaO溶出質(zhì)量與通電時(shí)間的擬合方程為：
Y=0.10906+0.01167X
推算出混凝土中CaO溶出量達(dá)到10％（16.8kg）在通電后第1430天（3.92年），達(dá)到25%(42kg)在通電后第3590天（9.83年）。
根據(jù)電化學(xué)的一般原理，通電加速的過程實(shí)際是一個(gè)以砂漿試件為電解池的電解過程。通電時(shí)，陽離子向陰極流動(dòng)，陰離子向陽極流動(dòng)。在電解池中，導(dǎo)電的主要載流子就是離子，就是溶液中通過的電量與遷移離子所帶的電量是相等的，單位時(shí)刻電解池內(nèi)流動(dòng)的離子數(shù)與電流相同。即在t時(shí)刻，流動(dòng)的Ca2++H++Na++K+=I，由于Na+與K+是相對較容易電離的離子，在開始的時(shí)候就富集到了陰極，故后來流動(dòng)的Ca2++H+=I。
假定溶蝕速度與通電庫侖量成正比，也就是對相同的混凝土鈣離子的溶蝕速度與電流的相對密度成正比。一般地鐵的雜散電流在10mA/m2～100 mA/m2范圍，取較大值100 mA/m2。那么在地鐵雜散電流條件下混凝土CaO溶蝕速度與試驗(yàn)條件下的比值為0.08，那么地鐵工程的混凝土需要17875天（49年）CaO溶出量達(dá)到10％，需要44875天（122.9年）CaO溶出量達(dá)到25％。一般地鐵工程混凝土的設(shè)計(jì)使用年限是100年，那么也就是說在雜散電流較大（100 mA/m2）時(shí)，廣州地鐵工程所使用的混凝土單純的抗雜散電流引起的溶蝕能力至少可以滿足50年的安全運(yùn)行。
2.4電流加速溶蝕試驗(yàn)后混凝土水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)的變化
通電64d后取出試件，其中3個(gè)試件測定其抗壓強(qiáng)度，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相同齡期的同尺寸試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的強(qiáng)度是55.1MPa，通電試件的強(qiáng)度是45.6MPa，強(qiáng)度下降了約10MPa，降低了17.2％，表明電流加速溶蝕后，在CaO溶出量僅為0.52％時(shí)，就已造成砂漿強(qiáng)度較大幅度下降，這不僅與CaO溶出導(dǎo)致Ca(OH)2、C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物分解有關(guān)，更重要的是在電流作用下砂漿孔溶液中離子的定向遷移導(dǎo)致孔隙率增大且形成連通孔，從而使強(qiáng)度下降。這從掃描電鏡觀察砂漿試件各層水化產(chǎn)物形貌和微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)果可以得到證實(shí)。
由圖6可見，靠近陽極第一層的砂漿（圖6a）凝膠產(chǎn)物數(shù)量多，本身堆積緊密，與砂粒之間的粘結(jié)完好，界面區(qū)可見Ca(OH)2晶體，砂漿整體微觀結(jié)構(gòu)較密實(shí)。 靠近陽極第二層的砂漿（圖6b）凝膠產(chǎn)物本身堆積變得不夠緊密，砂漿整體微觀結(jié)構(gòu)有所疏松?？拷枠O第三層的砂漿（圖6c）凝膠產(chǎn)物尺寸變小，本身堆積變得疏松，砂漿整體微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度下降，孔隙增多?？拷枠O第四層的砂漿（圖6d）凝膠產(chǎn)物自身為松散狀，砂漿整體微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度進(jìn)一步下降。
在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相同齡期的基準(zhǔn)砂漿和通電64d后的砂漿各層中選5個(gè)部位的水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)物用X射線光電子能譜進(jìn)行微區(qū)分析，然后計(jì)算其鈣硅比，取5個(gè)微區(qū)水化產(chǎn)物鈣硅比的平均值作為該層水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)物的鈣硅比，結(jié)果見圖7。
基準(zhǔn)砂漿中水化硅酸鈣凝膠的Ca/Si比是1.47，通電64d后靠近陽極第一層砂漿中水化硅酸鈣凝膠的Ca/Si比是1.38，第二層是1.07，第三層是0.80，第四層是0.76，均比基準(zhǔn)砂漿的下降，其中靠近陽極第一層的下降得少，靠近陽極第四層（靠近陰極第一層）的下降得多。因?yàn)樵娇拷帢O，電場強(qiáng)度越大，Ca2+離子越容易電離，水化硅酸鈣凝膠越容易分解。與上述掃描電鏡觀察的越靠近陰極，砂漿的凝膠產(chǎn)物自身越呈松散狀、微觀結(jié)構(gòu)越疏松的結(jié)果相一致。
3．結(jié)論
?。?）假定混凝土中CaO溶出量與電流密度成正比，當(dāng)?shù)罔F雜散電流為100mA/m2時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)所得的混凝土中CaO溶出量與通電時(shí)間的擬合方程計(jì)算得出：廣州地鐵工程在雜散電流加速地下水對混凝土溶蝕作用下，混凝土中CaO溶出量達(dá)到10％需要17875天（49年），CaO溶出量達(dá)到25％需要44875天（122.9年），即廣州地鐵工程所使用的混凝土單純的抗雜散電流引起的溶蝕能力至少可以滿足50年的安全運(yùn)行。
?。?）與基準(zhǔn)砂漿相比，電流加速溶蝕試驗(yàn)后，越靠近陰極部位的砂漿，其凝膠產(chǎn)物自身越呈松散狀，水化硅酸鈣產(chǎn)物的Ca/Si比越為下降，砂漿微觀結(jié)構(gòu)越為疏松，孔隙越多，導(dǎo)致電流加速溶蝕試驗(yàn)后的砂漿強(qiáng)度比基準(zhǔn)砂漿的強(qiáng)度降低了17.2％。
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