活性摻合料對地鐵混凝土雜散電流的抑制作用[摘 要] 采用磨細礦渣和粉煤灰等活性摻合料,對地鐵混凝土抗雜散電流性能進行對比試驗研究,結果表明,摻加活性摻合料使混凝土鋼筋鈍化膜電阻Ｒｃ和累積電量得到提高,從而使地鐵混凝土的抗雜散電流能力顯著增強。[關鍵詞] 摻合料; 地鐵; 混凝土; 雜散電流0 引言 雜散電流,是指由采用直流供電牽引方式的地鐵列車在地鐵長期運行后其受到污染、滲漏和高地應力破壞等原因而泄露到道床及其周圍土壤中的電流。它可能使地鐵列車周圍的埋地金屬管道、通訊電纜外皮以及車站和隧道主體工程中的鋼筋發生電化學腐蝕,由陽極反應產生的腐蝕產物鐵銹等在鋼筋或鋼管表面沉積形成銹層而產生膨脹,從而導致鋼筋混凝土結構破壞[1]。 鐵工程的主體結構為鋼筋混凝土結構,在相對封閉的環境下,地鐵工程特有的雜散電流對鋼筋混凝土結構的腐蝕破壞是影響其耐久壽命和結構安全的重要因素,必須引起足夠的重視[2]。1地鐵雜散電流的研究進展 雜散電流對埋地金屬管線和混凝土主體結構中鋼筋的腐蝕在本質上是電化學腐蝕,這種腐蝕屬于局部腐蝕,其原理與金屬在大氣條件下或在水溶液及土壤電解質中發生的自然腐蝕一樣,都是具有陽極過程和陰極過程的氧化還原反應。但混凝土結構中的鋼筋在高電壓和較大的雜散電流作用下,所發生的腐蝕與其在電解質中自發進行的腐蝕有較大的區別, 主要表現在鋼筋的腐蝕速率與周圍介質的電阻率、混凝土的水膠比等有關,實際的電化學當量、腐蝕速率遠遠小于電解質溶液中的腐蝕速率[3]。 來對于地鐵雜散電流的研究取得了一些進展[4～8],主要研究成果有地鐵雜散電流的形成機理研究和對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的模擬試驗研究,初步得出了混凝土雜散電流的電化學當量、腐蝕速率等參數,另外,采用高阻抗混凝土等方法來抑制雜散電流也取得了一定進展,但是,國內對于地鐵混凝土抗雜散電流研究不夠深入,迫切需要進行地鐵混凝土雜散電流形成機理和抑制方法的系統研究。結合某地鐵工程混凝土耐久性研究,本文對活性摻合料對地鐵雜散電流的抑制作用進行了試驗分析。2 地鐵混凝土抗雜散電流腐蝕耐久性的試驗研究2.1試驗原材料 水泥:“天寶”Ｐ·Ｏ32.5級,堿含量0.49%,28ｄ抗壓強度47.9ＭＰａ;粉煤灰:南熱Ｉ級,堿含量1.34%,需水量比91.8%;磨細礦渣:比表面積420ｍ2/ｋｇ,堿含量1.34%,需水量比91.8%;砂:宏田江砂,視密度2.68ｇ/ｍ3,細度模數2.64;碎石:泉水碎石,視密度2.70ｇ/ｍ3,粒徑5ｍｍ～40ｍｍ;外加劑: ＨＬＣ型防滲抗裂劑,減水率22%。2.2 地鐵混凝土配合比 設計基準混凝土配合比Ｄ0,根據粉煤灰和磨細礦渣的不同摻量選取單摻粉煤灰的混凝土配合比Ｄｆ1—Ｄｆ2,單摻磨細礦渣的混凝土配合比Ｄｋ1—Ｄｋ2,雙摻磨細礦渣和粉煤灰的混凝土配合比Ｄｆｋ1—Ｄｆｋ2。該地鐵Ｃ30泵送混凝土的配合比見表1。
2.3 地鐵混凝土抗雜散電流試驗結果分析 按以上配合比成型尺寸為10ｃｍ×10ｃｍ×10ｃｍ的混凝土試件,成型時在向上一面的中心垂直插入直徑8ｍｍ、長8ｃｍ的鋼筋,鋼筋的兩端都埋入試件內,在鋼筋的一端焊有絕緣銅線,絕緣銅線露在試件外的長度約為25ｃｍ。試件養護28ｄ后在上下面和三個側面涂環氧樹脂封閉,保留一個側面不涂。 模擬地鐵現場的工況,將混凝土試件和電極板放入盛有液體的容器內,試件的開放面與電極板平行,距離1ｃｍ。試驗時接直流電,鋼筋接正極,電極板接負極,測量基準配合比與摻合料配合比在直流條件下的電阻和累積電量。將混凝土試件分部分浸泡于3.5%ＮａＣｌ溶液和飽和Ｃａ(ＯＨ)2溶液中,液面距試件頂面保留5ｍｍ距離,進行長時間通電,直至混凝土試件開裂或導線與鋼筋的連接被腐蝕中斷為止。 研究表明[9],混凝土試件在液體中導電是離子導電。經測試,混凝土試件在開裂前的電流不大于100ｍＡ,功率最大是5ｗ,不會造成很大的溫差,因此通電后溫度上升不是造成混凝土試件脹裂的主要原因,而鋼筋銹蝕體積膨脹則是混凝土試件脹裂破壞的決定因素。本試驗研究測得的直流電阻和累積電量見表2。 從表2可以看出,摻加活性摻合料(單摻粉煤灰、單摻礦渣和雙摻粉煤灰礦渣)的混凝土試件,無論在3 .5%ＮａＣｌ溶液中還是飽和Ｃａ(ＯＨ)2溶液中,其混凝土試件電阻和混凝土試件開裂時的累積電量均得到較大增加。在單摻粉煤灰和單摻礦渣的混凝土試件中,單摻磨細礦渣的混凝土試件電阻最大,直到其他各組混凝土試件開裂,而單摻磨細礦渣的混凝土試件仍完好無損,這表明單摻磨細礦渣對地鐵混凝土抗雜散電流效果最明顯。2.4 活性摻合料對地鐵混凝土雜散電流的抑制機理 雜散電流對埋地金屬管線和混凝土主體結構中鋼筋的腐蝕是一種電化學腐蝕,其發生的機理是混凝土中鋼筋鈍化膜由于雜散電流的長期作用,其鈍化膜電阻Ｒｃ顯著下降,使電極電位較低的金屬Ｆｅ失去電子被氧化成Ｆｅ2+,同時金屬周圍介質中電極電位較高的非金屬Ｈ+或Ｏ2得到電子而被還原,形成電池反應,導致鋼筋產生銹蝕而體積膨脹,其膨脹壓力超過混凝土極限拉應力時就會使混凝土結構開裂。摻加活性摻合料(磨細礦渣和粉煤灰)后,其鋼筋鈍化膜電阻Ｒｃ得到較大提高,從而使地鐵混凝土的抗雜散電流能力顯著增強[10,11]。3 結論 通過摻加磨細礦渣和粉煤灰的Ｃ30混凝土與基準混凝土的對比試驗,可得出以下結論: 1 要提高混凝土的抗雜散電流能力,抵御鋼筋銹蝕體積膨脹從而提高混凝土的抗裂能力,就需要提高混凝土的阻抗,增加其開裂時的累積電量,因此混凝土電阻就成為衡量混凝土抗雜散電流腐蝕的重要參數。 2 磨細礦渣和粉煤灰對地鐵雜散電流腐蝕有明顯的抑制作用。在本次試驗中,混凝土中摻加56%～65%的磨細礦渣和粉煤灰可比同水膠比基準混凝土的電阻增大1 4倍～4 7倍,其中摻加磨細礦渣的Ｄｋ2混凝土試件電阻為基準混凝土試件Ｄ0的4 7倍,能大大降低雜散電流,減小電化學腐蝕的速率。 3 地鐵工程所采用的水膠比0 38的Ｃ30泵送混凝土是一種“長壽”混凝土[12],優化其礦渣微粉、粉煤灰的摻量,可使混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕能力比同水膠比基準混凝土提高6倍～8倍。 4 由雜散電流腐蝕導致的混凝土開裂,主要原因不是電流導致發熱造成的溫度差,混凝土開裂的主要原因是鋼筋腐蝕產物膨脹。混凝土開裂與雜散電流的累積電量有關,在本次試驗中,摻加活性摻合料的混凝土試件開裂時的腐蝕電量在2856ｍＡｈ～952ｍＡｈ范圍以內,均比同水膠比的基準混凝土試件Ｄ0開裂時的累積電量增加1.1倍～2.0倍。地鐵工程所外泄的雜散電流具有不均勻性,間斷性,以及地鐵設備質量的不穩定性,因此該地鐵工程采用的抗雜散電流腐蝕性強的雙摻(磨細礦渣和粉煤灰)技術,以及選用了經理論和試驗證實的“長壽混凝土”(水膠比0.38)這兩項材料措施,結合地鐵雜散電流的防護技術等工藝措施,提高混凝土阻抗和耐腐蝕累積電量,可極大提高該地鐵工程的鋼筋混凝土抗雜散電流的耐久性。[參考文獻][1]藺安林,周曉軍.地鐵迷流對混凝土中鋼筋的腐蝕及混凝土強度影響的試驗研究[Ｊ].世界隧道,1999,(6):1-7.[2]賀鴻珠,史美倫.粉煤灰對地鐵雜散電流的抑制作用[Ｊ].混凝土與水泥制品,2001,(1):21-23.[3]高敬宇,易友祥.地鐵雜散電流的分析[Ｊ].天津理工學院學報,1996,12(3):52-55.[4]陳志源,劉國飛.混凝土中摻加粉煤灰對地鐵雜散電流的抑制[Ｊ].科學研究,1999,(3):24-25[5]林江,唐華.地鐵混凝土用高阻抗混凝土的研制[Ｊ].建筑材料學報,200ｌ,4(4):373-377.[6]周曉軍,高波.地鐵雜散電流分布及其對混凝土襯砌耐久性的影響[Ｊ].西部探礦工程,1999,11(6):31-39.[7]耿飛,錢春香.南京地鐵用模筑聚丙烯纖維混凝土力學性能試驗研究[Ｊ].混凝土與水泥制品,2003,130(2):37-39.[8]王勇.深圳地鐵雜散電流防護措施分析[Ｊ].鐵道機車車輛,2001,(5):32-34.[9]張永健.地鐵迷流測量與典型數據分析[Ｊ].上海電力學院學報,1997,13(1):8-11.[10]ＴｈｏｍａｓＪＢ,ＡｌａｎＤＺ.Ｓｔｒａｙｃｕｒｒｅｎｔｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｎｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄｒａｉｌｓｙｓ ｔｅｍｓ:ＩＴＩｐｒｏｊｅｃｔｓ[Ｒ].ＵＳＡ:ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ,1998.[11]吳祥祖,張慶賀.地鐵雜散電流產生機理及其防護措施[Ｊ].建筑安全,2003,(4):28-30.[12]劉崇熙,汪在芹,壩工混凝土耐久壽命的現狀與問題[Ｊ].長江科學院院報,2000,17(1):17-20.
2.3 地鐵混凝土抗雜散電流試驗結果分析 按以上配合比成型尺寸為10ｃｍ×10ｃｍ×10ｃｍ的混凝土試件,成型時在向上一面的中心垂直插入直徑8ｍｍ、長8ｃｍ的鋼筋,鋼筋的兩端都埋入試件內,在鋼筋的一端焊有絕緣銅線,絕緣銅線露在試件外的長度約為25ｃｍ。試件養護28ｄ后在上下面和三個側面涂環氧樹脂封閉,保留一個側面不涂。 模擬地鐵現場的工況,將混凝土試件和電極板放入盛有液體的容器內,試件的開放面與電極板平行,距離1ｃｍ。試驗時接直流電,鋼筋接正極,電極板接負極,測量基準配合比與摻合料配合比在直流條件下的電阻和累積電量。將混凝土試件分部分浸泡于3.5%ＮａＣｌ溶液和飽和Ｃａ(ＯＨ)2溶液中,液面距試件頂面保留5ｍｍ距離,進行長時間通電,直至混凝土試件開裂或導線與鋼筋的連接被腐蝕中斷為止。 研究表明[9],混凝土試件在液體中導電是離子導電。經測試,混凝土試件在開裂前的電流不大于100ｍＡ,功率最大是5ｗ,不會造成很大的溫差,因此通電后溫度上升不是造成混凝土試件脹裂的主要原因,而鋼筋銹蝕體積膨脹則是混凝土試件脹裂破壞的決定因素。本試驗研究測得的直流電阻和累積電量見表2。 從表2可以看出,摻加活性摻合料(單摻粉煤灰、單摻礦渣和雙摻粉煤灰礦渣)的混凝土試件,無論在3 .5%ＮａＣｌ溶液中還是飽和Ｃａ(ＯＨ)2溶液中,其混凝土試件電阻和混凝土試件開裂時的累積電量均得到較大增加。在單摻粉煤灰和單摻礦渣的混凝土試件中,單摻磨細礦渣的混凝土試件電阻最大,直到其他各組混凝土試件開裂,而單摻磨細礦渣的混凝土試件仍完好無損,這表明單摻磨細礦渣對地鐵混凝土抗雜散電流效果最明顯。2.4 活性摻合料對地鐵混凝土雜散電流的抑制機理 雜散電流對埋地金屬管線和混凝土主體結構中鋼筋的腐蝕是一種電化學腐蝕,其發生的機理是混凝土中鋼筋鈍化膜由于雜散電流的長期作用,其鈍化膜電阻Ｒｃ顯著下降,使電極電位較低的金屬Ｆｅ失去電子被氧化成Ｆｅ2+,同時金屬周圍介質中電極電位較高的非金屬Ｈ+或Ｏ2得到電子而被還原,形成電池反應,導致鋼筋產生銹蝕而體積膨脹,其膨脹壓力超過混凝土極限拉應力時就會使混凝土結構開裂。摻加活性摻合料(磨細礦渣和粉煤灰)后,其鋼筋鈍化膜電阻Ｒｃ得到較大提高,從而使地鐵混凝土的抗雜散電流能力顯著增強[10,11]。3 結論 通過摻加磨細礦渣和粉煤灰的Ｃ30混凝土與基準混凝土的對比試驗,可得出以下結論: 1 要提高混凝土的抗雜散電流能力,抵御鋼筋銹蝕體積膨脹從而提高混凝土的抗裂能力,就需要提高混凝土的阻抗,增加其開裂時的累積電量,因此混凝土電阻就成為衡量混凝土抗雜散電流腐蝕的重要參數。 2 磨細礦渣和粉煤灰對地鐵雜散電流腐蝕有明顯的抑制作用。在本次試驗中,混凝土中摻加56%～65%的磨細礦渣和粉煤灰可比同水膠比基準混凝土的電阻增大1 4倍～4 7倍,其中摻加磨細礦渣的Ｄｋ2混凝土試件電阻為基準混凝土試件Ｄ0的4 7倍,能大大降低雜散電流,減小電化學腐蝕的速率。 3 地鐵工程所采用的水膠比0 38的Ｃ30泵送混凝土是一種“長壽”混凝土[12],優化其礦渣微粉、粉煤灰的摻量,可使混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕能力比同水膠比基準混凝土提高6倍～8倍。 4 由雜散電流腐蝕導致的混凝土開裂,主要原因不是電流導致發熱造成的溫度差,混凝土開裂的主要原因是鋼筋腐蝕產物膨脹。混凝土開裂與雜散電流的累積電量有關,在本次試驗中,摻加活性摻合料的混凝土試件開裂時的腐蝕電量在2856ｍＡｈ～952ｍＡｈ范圍以內,均比同水膠比的基準混凝土試件Ｄ0開裂時的累積電量增加1.1倍～2.0倍。地鐵工程所外泄的雜散電流具有不均勻性,間斷性,以及地鐵設備質量的不穩定性,因此該地鐵工程采用的抗雜散電流腐蝕性強的雙摻(磨細礦渣和粉煤灰)技術,以及選用了經理論和試驗證實的“長壽混凝土”(水膠比0.38)這兩項材料措施,結合地鐵雜散電流的防護技術等工藝措施,提高混凝土阻抗和耐腐蝕累積電量,可極大提高該地鐵工程的鋼筋混凝土抗雜散電流的耐久性。[參考文獻][1]藺安林,周曉軍.地鐵迷流對混凝土中鋼筋的腐蝕及混凝土強度影響的試驗研究[Ｊ].世界隧道,1999,(6):1-7.[2]賀鴻珠,史美倫.粉煤灰對地鐵雜散電流的抑制作用[Ｊ].混凝土與水泥制品,2001,(1):21-23.[3]高敬宇,易友祥.地鐵雜散電流的分析[Ｊ].天津理工學院學報,1996,12(3):52-55.[4]陳志源,劉國飛.混凝土中摻加粉煤灰對地鐵雜散電流的抑制[Ｊ].科學研究,1999,(3):24-25[5]林江,唐華.地鐵混凝土用高阻抗混凝土的研制[Ｊ].建筑材料學報,200ｌ,4(4):373-377.[6]周曉軍,高波.地鐵雜散電流分布及其對混凝土襯砌耐久性的影響[Ｊ].西部探礦工程,1999,11(6):31-39.[7]耿飛,錢春香.南京地鐵用模筑聚丙烯纖維混凝土力學性能試驗研究[Ｊ].混凝土與水泥制品,2003,130(2):37-39.[8]王勇.深圳地鐵雜散電流防護措施分析[Ｊ].鐵道機車車輛,2001,(5):32-34.[9]張永健.地鐵迷流測量與典型數據分析[Ｊ].上海電力學院學報,1997,13(1):8-11.[10]ＴｈｏｍａｓＪＢ,ＡｌａｎＤＺ.Ｓｔｒａｙｃｕｒｒｅｎｔｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｎｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄｒａｉｌｓｙｓ ｔｅｍｓ:ＩＴＩｐｒｏｊｅｃｔｓ[Ｒ].ＵＳＡ:ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ,1998.[11]吳祥祖,張慶賀.地鐵雜散電流產生機理及其防護措施[Ｊ].建筑安全,2003,(4):28-30.[12]劉崇熙,汪在芹,壩工混凝土耐久壽命的現狀與問題[Ｊ].長江科學院院報,2000,17(1):17-20.