杂散电流和氯离子耦合作用下钢纤维混凝土腐蚀试验研究

林龙镔

(厦门大学嘉庚学院土木工程学院，福建漳州 363105)

钢纤维混凝土作为一种新型的复合材料，具有良好的力学性能，较普通混凝土而言，抗拉、抗弯、还是抗剪强度等均有显著提高，且抗疲劳、抗冲击和耐久性能等亦有较大的改善。该材料被广泛地运用于道路、桥梁、隧道、建筑等工程应用领域。钢纤维混凝土还具有良好的耐火性能，可作为替代隧道结构材料的理想材料。将该材料应用于地铁新型盾构管片的制作，正成为一个重要的应用方向。它能够较好地解决盾构管片制作和搬运过程中遇见的掉角、开裂等问题，为隧道火灾抢险争取更多的时间，减少生命财产的损失。

因顾虑在地铁环境中，钢纤维混凝土耐久性能受到影响，应用项目不多，文献显示仅有国外丹麦[1]，国内武汉[2]、西安[3]和南京[4]等城市地铁项目。地铁机车采用直流电源驱动，机车在运行过程中会产生杂散电流泄漏，杂散电流会导致地铁沿途的金属管道和结构钢筋发生电化学腐蚀[5]，导致管道泄漏和结构寿命缩短。近年来，许多沿海城市修建地铁工程的项目增多。沿海城市存在海水入侵的风险，导致地下水氯离子含量增高[6]，氯离子会破坏金属钝化膜，使得结构钢筋锈蚀[7-8]。研究杂散电流和氯离子耦合作用下，钢纤维混凝土的耐久性能，推动在沿海发达城市的地铁项目中使用该复合材料具有一定的工程意义。

有关钢纤维混凝土耐久性能的研究成果，更多关注其在生活污水[9]、工业费废水[10]、沿海地区[11]和海洋[12]等环境中的腐蚀行为，而在沿海地铁环境中腐蚀行为研究成果甚少。A.O.S.Solgaard研究发现，钢纤维混凝土存在明显的“尺度效应”，阴阳两极间的电位梯度将随着增强材料长度的减小而增大[13]；Kangkang通过一系列试验，研究了单根钢纤维在杂散电流环境中的腐蚀行为，及杂散电流与氯离子共同作用下的腐蚀行为[14-16]。现有的研究，并不足以解开工程技术人员对该问题的困惑。

本文模拟了杂散电流腐蚀环境，以氯化钠为导电溶液，研究在两种不利因素耦合作用下，钢纤维混凝土的腐蚀行为。试验揭示了，钢纤维混凝土锈蚀后强度损失率与氯化钠溶液浓度间的关系，有助于增加工程人员对材料耐久性能的客观认识，促进材料的推广应用。

1 试验准备

1.1 原材料

钢纤维混凝土制作原材料：水泥为海螺牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰等级为Ⅱ级；砂为河砂，细度模数2.57；碎石粒径级配为10～20 mm；减水剂为垒知集团生产的pohnt-ys型引气减水剂；阻锈剂为厦门凯景实业有限公司生产的KJ-R钢筋阻锈剂；钢纤维为宜兴市华源金属纤维有限公司生产的剪切型钢纤维，长度为30 mm，长径比为60.2，抗拉强度为620 MPa。

1.2 配合比设计

根据一般地铁工程结构强度需要，混凝土设计强度为C40，水胶比为0.41，试件的钢纤维体积率为1.5 %，粉煤灰掺量为15 %，详细配合比信息如表1所示，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。混凝土拌制及试件制作遵循JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》和JGJ T221-2010《纤维混凝土应用技术规程》规范条文的要求。试件的制作数量为4组(12块)，其中1组用于测量材料强度标准值，另3组分别用于不同条件下的腐蚀试验，测量材料强度的损失率。

2 试验设计

2.1 杂散电流腐蚀试验装置

腐蚀试验装置为自制，如图1所示。试验装置采用导电绝缘材料(塑料)与试件两端表面拼接形成容器空间，塑料与试件接缝处内外均采用中性硅胶进行密封，该容器空间用于存放导电溶液。直流电源采用香港龙威仪器仪表有限公司生产的型号为TPR-12002直流稳压电源，可高精度输出0～110 V之间的稳定直流电压。电极分别采用石墨板和钛网片，其中与电源正极相连的为石墨板，与电源负极相连的为钛网片，电极安置于容器内的导电溶液中，分别平行安置于试件的两侧面。电流由正极输出至石墨板，经导电溶液到达试件阴极面，穿过试件内部至阳极面，经导电溶液和钛网片回流回电源负极。

表1 混凝土设计配合比

注：1.直流电源；2.石墨板；3.钛网片；4.钢纤维混凝土试件；5.防腐箱；6.导电溶液图1 腐蚀试验装置

2.2 腐蚀试验方案

郭占荣学者研究了厦门市海水入侵后，厦门岛内地下水氯离子的含量分布。参考其成果，本次试验采用氯化钠溶液模拟地铁结构的外部环境，浓度范围设定为1 %～3 %。采用直流电源模拟杂散电流，容器内的氯化钠溶液则是腐蚀介质，通过该装置实现对钢纤维混凝土材料施加杂散电流和氯离子的耦合作用。

腐蚀电压为60 V，腐蚀时间为3 d，共进行了三种不同腐蚀条件下的腐蚀试验，分别对应1 %、2 %和3 %的氯化钠导电溶液，每种腐蚀条件下腐蚀的试块数量为1组(3块)，试件试件龄期为330 d。根据导电溶液的不同对试验进行编号，如表2所示，其中D3表示导电溶液为溶度的3 %氯化钠溶液。

表2 试验方案

3 腐蚀试验结果及分析

根据GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法》，分别对腐蚀后试件的抗压强度进行测试，得到腐蚀后钢纤维混凝土的强度值。将强度测量值代入下式(1)计算腐蚀后材料的强度损失率。各组腐蚀后强度测试结果及强度损失率计算结果，如图2所示。

(1)

图1 氯化钠浓度对材料强度损失率的影响

图2显示，在同等的电压强度和腐蚀时间下，钢纤维混凝土材料强度值和氯离子浓度成负相关关系，腐蚀后材料强度随着氯离子浓度的提高而降低；强度损失率Kc与氯离子浓度成正相关关系，随着氯化钠浓度的提高而提高。在混凝土种掺入钢纤维，由于钢纤维的阻裂作用，较好地改善了混凝土的各项力学性能，提升了材料对腐蚀介质的入侵的防御能力。但是，锈蚀后钢纤维的阻裂作用减弱，锈蚀生成物体积膨胀，取而代之对混凝土产生了涨裂作用，锈涨作用使得混凝土内部生成裂缝，材料强度降低，抵御腐蚀介质入侵的能力下降，材料的耐久性能减弱。当钢纤维严重锈蚀后，纤维的涨裂作用将大于阻裂作用，材料内部的涨裂缝扩展，直至与相邻的涨裂缝贯通，形成严重危害材料强度的贯通裂缝，是材料强度损失严重的根本原因。

腐蚀后的试件阳极面生成了大量锈蚀物，如图3所示。阳极表面的锈蚀生成物，主要为混凝土内部的钢纤维发生锈蚀后，生成物沿着纤维周边混凝土涨裂缝外渗，到达试件表面堆积而成。试验结果显示，氯离子和杂散电流耦合作用下，对钢纤维混凝土具有强大的锈蚀能力，材料强度在锈蚀后显著下降。比较不同腐蚀条件下试件阳极面的锈蚀物，结果显示随着氯离子浓度提高，试件阳极面的锈蚀生成物增多，材料受到的腐蚀影响加重，如图3所示。氯离子对钢纤维钝化膜的破坏是导致锈蚀的重要原因。

图3 腐蚀后试件阳极面锈蚀照片对比

4 结论

本文研究钢纤维混凝土在杂散电流和不同氯化钠导电溶液叠加作用下，对材料耐久性能的影响。通过模拟试验及结果分析，得到以下主要结论：

(1)在杂散电流和氯离子两种不利因素的共同作用下，对钢纤维混凝土的强度有显著影响。钢纤维的锈涨作用逐渐增大至主导作用，材料内部裂缝生成和扩展，是材料强度损失的原因。

(2)导电溶液中氯离子浓度的提高，将加剧了对钢纤维混凝土的腐蚀影响。氯离子数量的增加，在电流的作用下，对钢纤维钝化膜的破坏作用加剧，导致材料发生严重锈蚀。

综上所述，在地铁环境中使用钢纤维混凝土，如果结构周边的地下水中含有氯离子时，应对该材料的耐久性能进行审慎评估，以减少地铁运营后结构材料发生锈蚀的维修费用。