地铁工程混凝土多因素耦合作用下抗腐蚀性能研究*

卢霄，艾洪祥，岳彩虹，陈旭

（中建西部建设新疆有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

地铁工程由于其环境特殊性，混凝土所遭受的侵蚀要比普通工程混凝土更复杂也更严酷[1-3]。一方面，地铁工程普遍存在着杂散电流腐蚀现象，会对轨道沿线的埋地金属和混凝土结构内的钢筋产生严重的腐蚀作用，从而对混凝土结构安全性构成极大的威胁；另一方面，地铁工程的主体混凝土结构往往处于地下水丰富、透水性强的地层中，而我国地下水特别是浅层地下水受污染比较严重，富含氯离子、硫酸根离子等侵蚀介质[4-6]，因此地铁混凝土作为长期处于地下水渗透的结构，遭受着地下压力水的溶蚀，酸性地下水的侵蚀，地下水中含有硫酸盐、氯离子的侵蚀等等；同时，地铁工程混凝土还承受着地铁运行时所带来的交变疲劳荷载作用。故地铁工程混凝土主要受杂散电流、氯盐溶液及疲劳荷载三因素耦合侵蚀作用[7-8]。

1 试验用原材料

（1）水泥：青松水泥厂生产的 P·O42.5 水泥，比表面积 375m2/kg，3d 抗压强度均值 27.6MPa，28d 抗压强度均值 50.8MPa，初凝时间 180min，终凝时间220min，氯离子含量 0.02%。

（2）粉煤灰：红二电生产的Ⅱ级粉煤灰，细度21.0%，烧失量 2.5%，含水量 0.4%，三氧化硫含量1.1%，游离氧化钙含量 0.3%。

（3）矿粉：宝鑫盛源 S95 级磨细粒化高炉矿渣粉，比表面积 410m2/kg，流动度比 99%，28d 活性指数81%。

（4）硅灰：甘肃三远硅材料有限公司生产，二氧化硅含量 91%。

（5）骨料：采用新疆和砼源生产的河砂，细度模数 2.8；5～20mm 卵石。

（6）减水剂：西部卓越建材有限责任公司生产的聚羧酸系高性能减水剂，减水率 29%。

2 方案设计

表 1 混凝土配合比设计方案 kg/m3

2.1 混凝土配合比方案

参考标准 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、通过粉煤灰、矿粉双掺，外掺硅灰，调整水胶比，优化设计 C40 混凝土配合比[9]，进行对比试验，具体配合比设计方案见表 1。

2.2 试验方案

依据 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》控制混凝土出机状态（坍落度 180～210mm）批量成型混凝土试件（图 1）。自行设计开发三因素模拟仪器（图 2），分别控制变量进行了氯盐溶液—杂散电流—疲劳荷载三因素耦合试验。依据 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》及GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试不同龄期试件动弹模量、抗折强度及钢筋锈蚀率来评判试验效果并进行分析[10]。图 3 为混凝土分项测试照片。

图 1 钢筋混凝土二次成型试件图

图 2 试块成型照片及试验原理图

图 3 钢筋混凝土分项测试照片

本研究氯盐溶液采取 2%、5% 质量浓度，疲劳荷载应力水平采取 0.20、0.50，杂散电流通电电压采取 50V、100V，混凝土试块采用 100mm×100mm×400mm 尺寸，试块内部预埋钢筋，钢筋一端连接导线，通过电解池原理进行通电试验。整体试验方案见表2。本次研究主要选取试验 1、2、3、5 进行测试分析。

表 2 整体试验方案

3 试验结果和分析

3.1 混凝土三因素耦合作用试验——固定三变量

表 3 和图 4 分别为三因素耦合条件下（杂散电流通电电压 50V、氯盐溶液质量浓度 2%、疲劳荷载应力水平 0.20）钢筋混凝土的动弹模量、钢筋锈蚀率及抗折强度随试验龄期变化结果。分析可知，横向比较，在三因素共同作用下，钢筋混凝土动弹模量、钢筋锈蚀率及抗折强度随龄期增长，即随耦合作用时间增长而呈现规则性变化，因为钢筋混凝土被持续腐蚀，故钢筋发生锈蚀现象[11]，混凝土结构受到一定破坏，动弹模量降低、钢筋锈蚀率增加、抗折强度降低，同时，比较 6 组配合比混凝土相关数据变化情况，可知同一强度混凝土，硅灰的掺入及水胶比的调整均对其抗腐蚀性能有显著影响，硅灰掺入与水胶比的降低均对钢筋混凝土抗三因素腐蚀作用有利。

表 3 动弹模量钢筋锈蚀率及抗折强度随龄期变化

图 4 三因素耦合条件下混凝土性能变化曲线

3.2 混凝土三因素耦合作用试验——钢筋锈蚀率（控制变量）

基于 3.1 小节三因素固定值（电压 50V、氯盐浓度2%、应力水平 0.20），改变单一因素（分别调整杂散电流通电电压至 100V、氯盐溶液质量浓度至 5%、疲劳荷载应力水平至 0.50），通过控制变量法进行钢筋锈蚀率影响因素的测试，结果见表 4。

对比表 3 和表 4 数据可知，通电电压增大、氯盐溶液浓度增加、疲劳荷载应力水平增大均会使混凝土钢筋锈蚀率有较明显增加，其中影响因素作用由大到小分别为：电压增大＞氯盐浓度增加＞疲劳荷载增加；同时，比较表 4 中 6 组配比锈蚀率变化情况，整体趋势基本保持一致，故硅灰的掺入及宏观水胶比的降低，对电压增大、氯盐溶液浓度增加及疲劳荷载水平增高导致的腐蚀威胁均有良好抑制作用。

3.3 混凝土三因素耦合作用试验——抗折强度（控制变量）

基于 3.1 小节三因素固定值（电压 50V、氯盐浓度2%、应力水平 0.20），改变单一因素（分别调整杂散电流通电电压至 100V、氯盐溶液质量浓度至 5%、疲劳荷载应力水平至 0.50），通过控制变量法进行抗折强度影响因素的测试，结果见表 5。

表 4 钢筋锈蚀率随龄期变化数据 %

表 5 抗折强度随龄期变化数据 MPa

对比表 3 和表 5 数据可知，通电电压增大、氯盐溶液浓度增加、疲劳荷载应力水平增大均会使混凝土抗折强度有一定程度的损失，整体趋势与钢筋锈蚀率试验基本一致，但是变化相比于钢筋锈蚀率较小，是由于从钢筋锈蚀率的增加反映到混凝土抗折强度的减小，还有混凝土中钢筋抗弯强度作为中间变量，即从内到外的一个因素传导过程，故宏观数据趋势上会有一定变化，这从侧面说明，钢筋混凝土钢筋锈蚀率与抗折强度存在着固定比例关系，随着钢筋锈蚀率的增大，混凝土的抗折强度在减小。

3.4 扫描电镜（SEM）微观试验

为明确在不同耦合条件腐蚀下，混凝土内部结构内部微观形貌变化，选取试验配比中具有代表性的两组（PH-2、PH-5）试验试件内部预埋钢筋端点附近取样，进行扫描电镜（SEM）试验分析，以空白对照组（PH-5）、双因素耦合对比试验组（杂散电流通电电压 100V、氯盐溶液浓度 2%、PH-5）、三因素耦合对比试验组（杂散电流通电电压 100V、氯盐溶液浓度2%、疲劳荷载 0.20、PH-5）、三因素耦合对比试验组（杂散电流通电电压 100V、氯盐溶液浓度 2%、疲劳荷载 0.20、PH-2）作为 4 个对比分析组。

3.4.1 不同对比组密实度微观形貌特征分析

密实度微观形貌特征详见图 5。

观察分析：空白对照组未受耦合因素影响，试件表面平整，结构排列紧密；施加双因素耦合条件后，由于杂散电流与氯盐溶液对混凝土腐蚀作用，试件表面粗糙、致密性差，结构排列散乱，微小孔洞多，混凝土结构受到破坏[12]；三因素耦合条件下，试件微观形貌中有明显裂缝，且缝宽大、数量多、分布广；针对三因素腐蚀机理，进行配合比优化（包括水胶比调整，硅灰引入，高性能抗腐蚀剂内掺等），三因素耦合后，试件微观形貌中可观察到虽存在裂缝，但缝宽较小，且数量少，致密性得到显著改善，反映到宏观中表现为混凝土抗腐蚀性得到明显增强，内部钢筋可得到有效保护。

图 5 微观形貌照片对比（密实度-1.0k 倍）

3.4.2 不同对比组水化产物微观形貌特征分析

水化产物微观形貌详见图 6。

观察分析：空白对照组表面水化产物钙矾石较为密集，呈层状、片状排列，可一定程度提升试块内部密实度；双因素对比组表面水化产物多为簇拥团聚、针尖状钙矾石结晶，钙矾石生长相对密实；三因素对比组（PH-5）水化产物钙矾石排列不整齐、较为分散，对混凝土结构强度贡献有限，三因素对比组（PH-2）水化产物结晶生长密集，且形成“钙矾石网结构”，对混凝土整体强度及致密性有利。

4 结论

（1）钢筋混凝土动弹模量、钢筋锈蚀率及抗折强度可有效反映其抗腐蚀性能，动弹模量降低、钢筋锈蚀率增加、抗折强度降低均说明钢筋混凝土结构受到了不利腐蚀影响[13]。

（2）杂散电流通电电压、氯盐溶液浓度及疲劳荷载应力水平等因素的变化，均会对钢筋混凝土各项性能产生影响，随着通电电压、氯盐溶液浓度、疲劳荷载应力水平的增大，混凝土内钢筋锈蚀逐渐增大，同时随着龄期的增长，锈蚀率也在逐渐增大，同时，混凝土钢筋锈蚀率与抗折强度存在一定比例关系。

图 6 微观形貌照片对比（水化产物-10.0～25.0k 倍）

（3）通过微观试验（SEM）对试件密实度及水化产物进行形貌分析可知，试件进行标准养护龄期后，水化已基本完成，水化产物受外界耦合因素侵蚀影响有限，但不同配比水化产物形成致密性有较大差异；同配比混凝土试件随着侵蚀性耦合因素的增多，表面结构形貌有明显劣性变化，通过优化配合比，可显著提高微观结构致密性，从而整体提升混凝土抗腐蚀性能。

（4）通过对钢筋混凝土配比进行调整，即硅灰的掺入及宏观水胶比的降低均对其抗腐蚀性能产生有利影响。