钢纤维混凝土隧道的耐久性能研究

摘　要: 大型土木工程结构中,材料的腐蚀对其结构耐久性具有很大的影响,因而正确分析和认识材料腐蚀的原因至关重要。尤其对于地铁隧道这种特殊地下工程的耐久性能更为重要,针对地铁隧道的杂散电流腐蚀问题,对钢纤维混凝土结构进行了杂散电流腐蚀试验,根据钢筋混凝土腐蚀破坏和钢纤维混凝土腐蚀破坏的等效原理,建立了钢纤维混凝土结构在杂散电流腐蚀作用下结构破坏的预测模型。

关键词: 耐久性　钢纤维混凝土　杂散电流　腐蚀

　　地铁项目工程复杂,建设成本高,主体结构在施工完成后就已经定型,在地铁运营后,对主体结构进行维修和更换都十分困难,而且容易造成严重的经济损失和影响人们的生活秩序。近年来,有许多关于地铁隧道项目因为杂散电流腐蚀而需维修甚至造成严重事故的报道[1 - 4 ] ,所以研究结构材料在杂散电流腐蚀环境中的耐久性能有重要的意义。目前国内外关于地铁杂散电流的研究进展,主要是在地铁杂散电流的形成机理、对钢筋混凝土中钢筋腐蚀的模拟试验、杂散电流的监测和防治措施等方面,取得较多的研究成果。但是,对于杂散电流对钢纤维混凝土材料的腐蚀研究尚少。杂散电流的模拟试验证明,在相同腐蚀条件下,素混凝土的耐久性能远比钢纤维混凝土的耐久性能强,两种材料的破坏形式也不相同[5 ] 。钢纤维混凝土因其独特的优点被国内外广泛地应用于隧道的支护工程中,在地铁杂散电流腐蚀的环境中,钢纤维混凝土能否继续发挥优点,充分保证地铁结构的耐久性能和在服务年限内正常工作还需要进一步研究。

1 　杂散电流腐蚀模拟试验

　　本文试验采用低电压和小电流的方式对钢纤维混凝土进行了杂散电流的模拟试验。试验电源采用北京大华仪器厂生产的DH - 1718 直流双路稳压电源,试验电压60V。电流的测量采用优利德公司生产的型号为UT33C 万用表,精度0．01mA。混凝土试件采用10cm ×10cm ×40cm 长方体试件。试验装置见图1 ,依据地铁杂散电流腐蚀主体结构钢筋的基本原理,分别把混凝土试件和10cm ×10cm 的铜板放置于塑料容器中,腐蚀介质为自来水。采用塑料容器可以防止电流外泄。将事先放置在钢纤维混凝土内的导线与直流电源的正极相接,铜板与直流电源的负极相接。这样就构成了一个类似地铁杂散电流腐蚀的模拟环境。

　　试件制作材料为强度等级C20 钢纤维混凝土,

1 　杂散电流腐蚀模拟试验

　　本文试验采用低电压和小电流的方式对钢纤维混凝土进行了杂散电流的模拟试验。试验电源采用北京大华仪器厂生产的DH - 1718 直流双路稳压电源,试验电压60V。电流的测量采用优利德公司生产的型号为UT33C 万用表,精度0101mA。混凝土试件采用10cm ×10cm ×40cm 长方体试件。试验装置见图1 ,依据地铁杂散电流腐蚀主体结构钢筋的基本原理,分别把混凝土试件和10cm ×10cm 的铜板放置于塑料容器中,腐蚀介质为自来水。采用塑料容器可以防止电流外泄。将事先放置在钢纤维混凝土内的导线与直流电源的正极相接,铜板与直流电源的负极相接。这样就构成了一个类似地铁杂散电流腐蚀的模拟环境。试件制作材料为强度等级C20 钢纤维混凝土,

1 　杂散电流腐蚀模拟试验

　　本文试验采用低电压和小电流的方式对钢纤维混凝土进行了杂散电流的模拟试验。试验电源采用北京大华仪器厂生产的DH - 1718 直流双路稳压电源,试验电压60V。电流的测量采用优利德公司生产的型号为UT33C 万用表,精度0．01mA。混凝土试件采用10cm ×10cm ×40cm 长方体试件。试验装置见图1 ,依据地铁杂散电流腐蚀主体结构钢筋的基本原理,分别把混凝土试件和10cm ×10cm 的铜板放置于塑料容器中,腐蚀介质为自来水。采用塑料容器可以防止电流外泄。将事先放置在钢纤维混凝土内的导线与直流电源的正极相接,铜板与直流电源的负极相接。这样就构成了一个类似地铁杂散电流腐蚀的模拟环境。

　　试件制作材料为强度等级C20 钢纤维混凝土,

配合比采用广州地铁三号线现场的混凝土配合比,据原设计图纸要求掺入的钢纤维量为40kgPm3 ,见表1。钢纤维采用嘉兴市经纬钢纤维有限公司生产的“经纬牌”钢纤维,规格为D30剪切端钩形钢纤维。试验共制作了3 组,同组试件制作时间相同,试件由同一次搅拌的钢纤维混凝土制得。不同组试件配合比相同,但是制作时间不同。混凝土的制作过程参考《钢纤维混凝土试验方法》(CECS 13 - 89) ,试件制作完成后放置于养护池中静水养护28d ,之后放于露天自然养护等待腐蚀试验,试件制作形式见图2。表2 为试件表面出现贯通裂缝时刻与试件破坏时间。

　　试验测量得到的杂散电流值变化范围为0～100mA ,这与北京市地下铁道设计研究所在北京地铁试验段中测量得到的杂散电流值最小为20mA、最大为130mA[6 ] 在数量级上是相同的,模拟试验和实际工程中的杂散电流腐蚀有一定相似性[5 ] 。

2 　钢纤维混凝土破坏预测模型

　　在杂散电流腐蚀的腐蚀环境下,钢纤维混凝土腐蚀破坏和钢筋混凝土的腐蚀破坏的本质原因是相同的,都是因为金属锈蚀体积膨胀对混凝土产生挤压作用,使得混凝土发生开裂破坏。国内外学者通过试验统计法、模拟试验法和力学分析法(包括弹性分析和有限元方法) 3 种主要研究手段,在钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂方面做了大量的试验和理论研究,不少学者直接给出了胀裂时钢筋截面锈蚀率的计算公式,形式各异,各有优缺点[7 ] 。本文通过钢纤维混凝土锈蚀破坏和钢筋混凝土锈蚀破坏的等效原理,利用钢筋混凝土锈蚀量的预测理论模型和钢纤维混凝土的增强理论、法拉第定律结合,建立钢纤维混凝土锈胀的锈蚀量和破坏时间的预测模型。

2．1 　模型推导[5 ]

　　钢纤维混凝土的锈蚀破坏过程和钢筋混凝土类似,大致分为钢纤维锈蚀的初始阶段、自由膨胀阶段、应力产生阶段和混凝土开裂及裂缝发展阶段4个过程[8 ] 。混凝土开裂破坏时的锈蚀产物质量Wcrit为自由膨胀阶段和应力产生阶段金属锈蚀量的总和,可以用下面的公式计算得到:

　　式中,ρrust为锈蚀产物的密度;ρst 为金属密度; d0 为钢纤维周边孔隙厚度; ds 为产生混凝土附加应力时锈蚀产物的厚度; D 为钢纤维等效直径; Wst 为锈蚀的金属质量。

锈蚀钢纤维的质量为:

Wst = αWcrit (2)

　　式中,α是锈蚀金属质量与金属锈蚀后产物质量的比值,等于金属和锈蚀产物的摩尔质量比值。在金属锈蚀过程中,锈蚀物对混凝土挤压力的大小主要取决于生成物Fe (OH) 2 、Fe (OH) 3 的体积大小。当锈蚀产物为Fe (OH) 2 时,α值为0．622 ;当锈蚀产物为Fe (OH) 3 时,α的值为0．523。所以α 值在0．523～0．622 之间。

　　将混凝土看作各向同性的弹性材料,假设锈蚀产物的体积膨胀作用在钢纤维周围产生径向均布压力qr ,试验表明,钢纤维混凝土试件在腐蚀破坏后,钢纤维丧失了对混凝土的阻裂效应,在开裂面上钢纤维的阻裂拉力为0 ,钢纤维的破坏形态如图3 所示,由静力平衡关系获得胀裂破坏时的体积膨胀力为qr 。

qr = f t [ s - ( D + 2 d0 ) ]P( D + 2 d0 ) (3)

　　式中, f t 为混凝土抗拉强度; s 为钢纤维间距; D 为钢纤维等效直径; d0 为钢纤维与混凝土的接触面孔隙间距。

　　据钢纤维混凝土增强理论,纤维的间距s 为[10] :

　　式中,D 为纤维直径;ηθ 为方向有效系数(纤维为一维乱向分布时取1 ,二维乱向分布时取0．64 ,三维乱向分布时取0．5 和0．41) ; P 为纤维体积百分数。

　　如图4 所示,取内径为D + 2 d0 的孔洞,周边为弹性无限体的孔洞模型代替实际构件,采用弹性力学理论可求得均布压力qr 和孔边混凝土的径向变形ds 之间的关系式:

　　式中,μ为混凝土泊松比; Eef 为混凝土有效弹性模量。其中, Eef = EcP(1 +φcr ) ,φcr为徐变系数。根据式(3) 、式(5) 可以得到混凝土胀裂时,孔边混凝土的径向变形:

　　根据式(1) 、式(6) 可以求得混凝土胀裂时锈蚀产物的总质量:

　　从式(7) 可以看出,决定钢纤维混凝土胀裂的锈蚀量的因素有:混凝土的有效弹性模量、混凝土的抗拉强度、纤维周围混凝土的孔隙大小。在大气和海潮等自然环境中,纤维的锈蚀物有足够的时间向周围渗透,随着时间的增长d0 逐渐变大,模型的假设条件d0n D 不再满足,计算误差太大。根据式(2) 、式(7) 求得锈蚀钢纤维的质量:

　　法拉第定律ΔW = kIt ,已知腐蚀电流可以估计钢纤维混凝土开裂破坏的时间:

2．2 　模型应用

　　根据钢纤维混凝土的实际配比情况和混凝土强度等级,取以下模型参数: df = 0．355mm; P = 0151 ;ηθ =0．5 ; Ec = 2．55 ×10．0 Pa ;φcr = 2．0 ; f t = 1．54 ×106 Pa ;μ= 0．2 ;ρrust = 3 600kgPm3 ;ρst = 7 840kgPm3 ; d0 = 50 ×10 - 6m; k = 0．075gP(A·h) ,即2．0 ×10 - 7 kgP(A·s) ;α= 0．523～0．622 ; D = df 。应用上面计算模型可以得到I 和tcrit的关系曲线(图5) 。图5 中的离散点是试验数据(见表2) ,试验数据I 是试件腐蚀试验开始至开裂破坏时刻全过程的电流平均值,破坏时间是试件腐蚀致开裂破坏的累计试验时间。

　　钢纤维锈蚀破坏的理论模型能够反应腐蚀电流和试件破坏时间的变化趋势,从图5 中可以看出,理论曲线和试验曲线较好地吻合,当电流小到一定程度时,试件开裂的破坏时间将趋于无穷大,解释了为什么大气和海潮环境中钢纤维混凝土受到腐蚀,

但是混凝土本身并不会发生开裂破坏,钢纤维锈蚀的腐蚀电流只由金属上微电池产生,外界没有外加电流,腐蚀电流值较小,腐蚀速度也远小于有外加电流时金属的腐蚀速度。

3 　结　论

　　本文对钢纤维混凝土结构的杂散电流腐蚀进行了模拟试验,建立钢纤维混凝土结构在杂散电流腐蚀的特殊环境中的腐蚀破坏的预测模型,得到下面一些结论:

　　1) 杂散电流对钢纤维混凝土结构有腐蚀破坏作用,钢纤维混凝土不再表现出较好的耐久性能,内部的钢纤维锈蚀后,阻裂效应减小,并且因为对混凝土产生的挤压力使得混凝土发生开裂破坏。

　　2) 影响钢纤维混凝土结构破坏的原因有:混凝土自身因素,例如:混凝土的有效弹性模量、抗拉强度、纤维周围混凝土的孔隙大小。外界的影响因素,如腐蚀电流的大小。其中腐蚀电流的影响最为显著,很大程度上决定了结构的破坏时间。

　　3) 破坏预测模型揭示了钢纤维混凝土开裂破坏时间和腐蚀电流大小的关系,结构耐久年限随腐蚀电流的增大呈现递减变化,当腐蚀电流小于一定值时,钢纤维混凝土不易因为钢纤维的锈蚀而发生开裂破坏。模型预测的结果和试验结果吻合较好。

参考文献

　　1 　高敬宇, 易　凡. 地铁及轻轨杂散电流腐蚀的防护. 天津理工学院学报, 1996 ,12(1) : 32 - 36

　　2 　马洪儒. 北京地下铁道的杂散电流腐蚀与防护. 城市轨道交通, 1990 (1) : 11 - 19

　　3 　易友祥. 一种积极有效的地铁杂散电流防护方案. 天津理工学院学报, 1995 , 11 (2) : 1 - 5

　　4 　黄可信, 吴兴祖. 钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀与保护. 北京:中国建筑工业出版社, 1983 : 1 - 13

　　5 　林龙镔. 地铁杂散电流对钢纤维混凝土腐蚀效应的研究: [ 硕士学位论文] . 北京:中国矿业大学, 2005

　　6 　北京市地下铁道设计研究院. 地铁暗挖法施工复一西区段杂散电流腐蚀防护对策研究(科研报告) . 1994

　　7 　张　益, 蒋利学, 张伟平, 等. 混凝土结构耐久性概论. 上海:科学技术出版社, 2003

　　8 　Youping Liu. Modeling the Time2to2Corrosion Cracking of the CoverConcrete in Chloride Contaminated Reinforced Concrete Structures :[Doctoral Thesis] . Virginia :The Virginia Polytechnic Institute and StateUniversity ,1996

　　9 　林小松, 杨果林. 钢纤维高强与超高强混凝土. 北京: 科学出版社, 2002