鋼纖維混凝土隧道的耐久性能研究

摘　要: 大型土木工程結(jié)構(gòu)中,材料的腐蝕對其結(jié)構(gòu)耐久性具有很大的影響,因而正確分析和認(rèn)識材料腐蝕的原因至關(guān)重要。尤其對于地鐵隧道這種特殊地下工程的耐久性能更為重要,針對地鐵隧道的雜散電流腐蝕問題,對鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了雜散電流腐蝕試驗(yàn),根據(jù)鋼筋混凝土腐蝕破壞和鋼纖維混凝土腐蝕破壞的等效原理,建立了鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)在雜散電流腐蝕作用下結(jié)構(gòu)破壞的預(yù)測模型。

關(guān)鍵詞: 耐久性　鋼纖維混凝土　雜散電流　腐蝕

　　地鐵項(xiàng)目工程復(fù)雜,建設(shè)成本高,主體結(jié)構(gòu)在施工完成后就已經(jīng)定型,在地鐵運(yùn)營后,對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修和更換都十分困難,而且容易造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和影響人們的生活秩序。近年來,有許多關(guān)于地鐵隧道項(xiàng)目因?yàn)殡s散電流腐蝕而需維修甚至造成嚴(yán)重事故的報道[1 - 4 ] ,所以研究結(jié)構(gòu)材料在雜散電流腐蝕環(huán)境中的耐久性能有重要的意義。目前國內(nèi)外關(guān)于地鐵雜散電流的研究進(jìn)展,主要是在地鐵雜散電流的形成機(jī)理、對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的模擬試驗(yàn)、雜散電流的監(jiān)測和防治措施等方面,取得較多的研究成果。但是,對于雜散電流對鋼纖維混凝土材料的腐蝕研究尚少。雜散電流的模擬試驗(yàn)證明,在相同腐蝕條件下,素混凝土的耐久性能遠(yuǎn)比鋼纖維混凝土的耐久性能強(qiáng),兩種材料的破壞形式也不相同[5 ] 。鋼纖維混凝土因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被國內(nèi)外廣泛地應(yīng)用于隧道的支護(hù)工程中,在地鐵雜散電流腐蝕的環(huán)境中,鋼纖維混凝土能否繼續(xù)發(fā)揮優(yōu)點(diǎn),充分保證地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性能和在服務(wù)年限內(nèi)正常工作還需要進(jìn)一步研究。

1 　雜散電流腐蝕模擬試驗(yàn)

　　本文試驗(yàn)采用低電壓和小電流的方式對鋼纖維混凝土進(jìn)行了雜散電流的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)電源采用北京大華儀器廠生產(chǎn)的DH - 1718 直流雙路穩(wěn)壓電源,試驗(yàn)電壓60V。電流的測量采用優(yōu)利德公司生產(chǎn)的型號為UT33C 萬用表,精度0．01mA?；炷猎嚰捎?0cm ×10cm ×40cm 長方體試件。試驗(yàn)裝置見圖1 ,依據(jù)地鐵雜散電流腐蝕主體結(jié)構(gòu)鋼筋的基本原理,分別把混凝土試件和10cm ×10cm 的銅板放置于塑料容器中,腐蝕介質(zhì)為自來水。采用塑料容器可以防止電流外泄。將事先放置在鋼纖維混凝土內(nèi)的導(dǎo)線與直流電源的正極相接,銅板與直流電源的負(fù)極相接。這樣就構(gòu)成了一個類似地鐵雜散電流腐蝕的模擬環(huán)境。

　　試件制作材料為強(qiáng)度等級C20 鋼纖維混凝土,

1 　雜散電流腐蝕模擬試驗(yàn)

　　本文試驗(yàn)采用低電壓和小電流的方式對鋼纖維混凝土進(jìn)行了雜散電流的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)電源采用北京大華儀器廠生產(chǎn)的DH - 1718 直流雙路穩(wěn)壓電源,試驗(yàn)電壓60V。電流的測量采用優(yōu)利德公司生產(chǎn)的型號為UT33C 萬用表,精度0101mA。混凝土試件采用10cm ×10cm ×40cm 長方體試件。試驗(yàn)裝置見圖1 ,依據(jù)地鐵雜散電流腐蝕主體結(jié)構(gòu)鋼筋的基本原理,分別把混凝土試件和10cm ×10cm 的銅板放置于塑料容器中,腐蝕介質(zhì)為自來水。采用塑料容器可以防止電流外泄。將事先放置在鋼纖維混凝土內(nèi)的導(dǎo)線與直流電源的正極相接,銅板與直流電源的負(fù)極相接。這樣就構(gòu)成了一個類似地鐵雜散電流腐蝕的模擬環(huán)境。試件制作材料為強(qiáng)度等級C20 鋼纖維混凝土,

1 　雜散電流腐蝕模擬試驗(yàn)

　　本文試驗(yàn)采用低電壓和小電流的方式對鋼纖維混凝土進(jìn)行了雜散電流的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)電源采用北京大華儀器廠生產(chǎn)的DH - 1718 直流雙路穩(wěn)壓電源,試驗(yàn)電壓60V。電流的測量采用優(yōu)利德公司生產(chǎn)的型號為UT33C 萬用表,精度0．01mA。混凝土試件采用10cm ×10cm ×40cm 長方體試件。試驗(yàn)裝置見圖1 ,依據(jù)地鐵雜散電流腐蝕主體結(jié)構(gòu)鋼筋的基本原理,分別把混凝土試件和10cm ×10cm 的銅板放置于塑料容器中,腐蝕介質(zhì)為自來水。采用塑料容器可以防止電流外泄。將事先放置在鋼纖維混凝土內(nèi)的導(dǎo)線與直流電源的正極相接,銅板與直流電源的負(fù)極相接。這樣就構(gòu)成了一個類似地鐵雜散電流腐蝕的模擬環(huán)境。

　　試件制作材料為強(qiáng)度等級C20 鋼纖維混凝土,

配合比采用廣州地鐵三號線現(xiàn)場的混凝土配合比,據(jù)原設(shè)計圖紙要求摻入的鋼纖維量為40kgPm3 ,見表1。鋼纖維采用嘉興市經(jīng)緯鋼纖維有限公司生產(chǎn)的“經(jīng)緯牌”鋼纖維,規(guī)格為D30剪切端鉤形鋼纖維。試驗(yàn)共制作了3 組,同組試件制作時間相同,試件由同一次攪拌的鋼纖維混凝土制得。不同組試件配合比相同,但是制作時間不同?；炷恋闹谱鬟^程參考《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS 13 - 89) ,試件制作完成后放置于養(yǎng)護(hù)池中靜水養(yǎng)護(hù)28d ,之后放于露天自然養(yǎng)護(hù)等待腐蝕試驗(yàn),試件制作形式見圖2。表2 為試件表面出現(xiàn)貫通裂縫時刻與試件破壞時間。

　　試驗(yàn)測量得到的雜散電流值變化范圍為0～100mA ,這與北京市地下鐵道設(shè)計研究所在北京地鐵試驗(yàn)段中測量得到的雜散電流值最小為20mA、最大為130mA[6 ] 在數(shù)量級上是相同的,模擬試驗(yàn)和實(shí)際工程中的雜散電流腐蝕有一定相似性[5 ] 。

2 　鋼纖維混凝土破壞預(yù)測模型

　　在雜散電流腐蝕的腐蝕環(huán)境下,鋼纖維混凝土腐蝕破壞和鋼筋混凝土的腐蝕破壞的本質(zhì)原因是相同的,都是因?yàn)榻饘黉P蝕體積膨脹對混凝土產(chǎn)生擠壓作用,使得混凝土發(fā)生開裂破壞。國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)統(tǒng)計法、模擬試驗(yàn)法和力學(xué)分析法(包括彈性分析和有限元方法) 3 種主要研究手段,在鋼筋銹蝕引起混凝土保護(hù)層脹裂方面做了大量的試驗(yàn)和理論研究,不少學(xué)者直接給出了脹裂時鋼筋截面銹蝕率的計算公式,形式各異,各有優(yōu)缺點(diǎn)[7 ] 。本文通過鋼纖維混凝土銹蝕破壞和鋼筋混凝土銹蝕破壞的等效原理,利用鋼筋混凝土銹蝕量的預(yù)測理論模型和鋼纖維混凝土的增強(qiáng)理論、法拉第定律結(jié)合,建立鋼纖維混凝土銹脹的銹蝕量和破壞時間的預(yù)測模型。

2．1 　模型推導(dǎo)[5 ]

　　鋼纖維混凝土的銹蝕破壞過程和鋼筋混凝土類似,大致分為鋼纖維銹蝕的初始階段、自由膨脹階段、應(yīng)力產(chǎn)生階段和混凝土開裂及裂縫發(fā)展階段4個過程[8 ] ?；炷灵_裂破壞時的銹蝕產(chǎn)物質(zhì)量Wcrit為自由膨脹階段和應(yīng)力產(chǎn)生階段金屬銹蝕量的總和,可以用下面的公式計算得到:

　　式中,ρrust為銹蝕產(chǎn)物的密度;ρst 為金屬密度; d0 為鋼纖維周邊孔隙厚度; ds 為產(chǎn)生混凝土附加應(yīng)力時銹蝕產(chǎn)物的厚度; D 為鋼纖維等效直徑; Wst 為銹蝕的金屬質(zhì)量。

銹蝕鋼纖維的質(zhì)量為:

Wst = αWcrit (2)

　　式中,α是銹蝕金屬質(zhì)量與金屬銹蝕后產(chǎn)物質(zhì)量的比值,等于金屬和銹蝕產(chǎn)物的摩爾質(zhì)量比值。在金屬銹蝕過程中,銹蝕物對混凝土擠壓力的大小主要取決于生成物Fe (OH) 2 、Fe (OH) 3 的體積大小。當(dāng)銹蝕產(chǎn)物為Fe (OH) 2 時,α值為0．622 ;當(dāng)銹蝕產(chǎn)物為Fe (OH) 3 時,α的值為0．523。所以α 值在0．523～0．622 之間。

　　將混凝土看作各向同性的彈性材料,假設(shè)銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹作用在鋼纖維周圍產(chǎn)生徑向均布壓力qr ,試驗(yàn)表明,鋼纖維混凝土試件在腐蝕破壞后,鋼纖維喪失了對混凝土的阻裂效應(yīng),在開裂面上鋼纖維的阻裂拉力為0 ,鋼纖維的破壞形態(tài)如圖3 所示,由靜力平衡關(guān)系獲得脹裂破壞時的體積膨脹力為qr 。

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

　　式中, f t 為混凝土抗拉強(qiáng)度; s 為鋼纖維間距; D 為鋼纖維等效直徑; d0 為鋼纖維與混凝土的接觸面孔隙間距。

　　據(jù)鋼纖維混凝土增強(qiáng)理論,纖維的間距s 為[10] :

　　式中,D 為纖維直徑;ηθ 為方向有效系數(shù)(纖維為一維亂向分布時取1 ,二維亂向分布時取0．64 ,三維亂向分布時取0．5 和0．41) ; P 為纖維體積百分?jǐn)?shù)。

　　如圖4 所示,取內(nèi)徑為D + 2 d0 的孔洞,周邊為彈性無限體的孔洞模型代替實(shí)際構(gòu)件,采用彈性力學(xué)理論可求得均布壓力qr 和孔邊混凝土的徑向變形ds 之間的關(guān)系式:

　　式中,μ為混凝土泊松比; Eef 為混凝土有效彈性模量。其中, Eef = EcP(1 +φcr ) ,φcr為徐變系數(shù)。根據(jù)式(3) 、式(5) 可以得到混凝土脹裂時,孔邊混凝土的徑向變形:

　　根據(jù)式(1) 、式(6) 可以求得混凝土脹裂時銹蝕產(chǎn)物的總質(zhì)量:

　　從式(7) 可以看出,決定鋼纖維混凝土脹裂的銹蝕量的因素有:混凝土的有效彈性模量、混凝土的抗拉強(qiáng)度、纖維周圍混凝土的孔隙大小。在大氣和海潮等自然環(huán)境中,纖維的銹蝕物有足夠的時間向周圍滲透,隨著時間的增長d0 逐漸變大,模型的假設(shè)條件d0n D 不再滿足,計算誤差太大。根據(jù)式(2) 、式(7) 求得銹蝕鋼纖維的質(zhì)量:

　　法拉第定律ΔW = kIt ,已知腐蝕電流可以估計鋼纖維混凝土開裂破壞的時間:

2．2 　模型應(yīng)用

　　根據(jù)鋼纖維混凝土的實(shí)際配比情況和混凝土強(qiáng)度等級,取以下模型參數(shù): 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 。應(yīng)用上面計算模型可以得到I 和tcrit的關(guān)系曲線(圖5) 。圖5 中的離散點(diǎn)是試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表2) ,試驗(yàn)數(shù)據(jù)I 是試件腐蝕試驗(yàn)開始至開裂破壞時刻全過程的電流平均值,破壞時間是試件腐蝕致開裂破壞的累計試驗(yàn)時間。

　　鋼纖維銹蝕破壞的理論模型能夠反應(yīng)腐蝕電流和試件破壞時間的變化趨勢,從圖5 中可以看出,理論曲線和試驗(yàn)曲線較好地吻合,當(dāng)電流小到一定程度時,試件開裂的破壞時間將趨于無窮大,解釋了為什么大氣和海潮環(huán)境中鋼纖維混凝土受到腐蝕,

但是混凝土本身并不會發(fā)生開裂破壞,鋼纖維銹蝕的腐蝕電流只由金屬上微電池產(chǎn)生,外界沒有外加電流,腐蝕電流值較小,腐蝕速度也遠(yuǎn)小于有外加電流時金屬的腐蝕速度。

3 　結(jié)　論

　　本文對鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的雜散電流腐蝕進(jìn)行了模擬試驗(yàn),建立鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)在雜散電流腐蝕的特殊環(huán)境中的腐蝕破壞的預(yù)測模型,得到下面一些結(jié)論:

　　1) 雜散電流對鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)有腐蝕破壞作用,鋼纖維混凝土不再表現(xiàn)出較好的耐久性能,內(nèi)部的鋼纖維銹蝕后,阻裂效應(yīng)減小,并且因?yàn)閷炷廉a(chǎn)生的擠壓力使得混凝土發(fā)生開裂破壞。

　　2) 影響鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)破壞的原因有:混凝土自身因素,例如:混凝土的有效彈性模量、抗拉強(qiáng)度、纖維周圍混凝土的孔隙大小。外界的影響因素,如腐蝕電流的大小。其中腐蝕電流的影響最為顯著,很大程度上決定了結(jié)構(gòu)的破壞時間。

　　3) 破壞預(yù)測模型揭示了鋼纖維混凝土開裂破壞時間和腐蝕電流大小的關(guān)系,結(jié)構(gòu)耐久年限隨腐蝕電流的增大呈現(xiàn)遞減變化,當(dāng)腐蝕電流小于一定值時,鋼纖維混凝土不易因?yàn)殇摾w維的銹蝕而發(fā)生開裂破壞。模型預(yù)測的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

參考文獻(xiàn)

　　1 　高敬宇, 易　凡. 地鐵及輕軌雜散電流腐蝕的防護(hù). 天津理工學(xué)院學(xué)報, 1996 ,12(1) : 32 - 36

　　2 　馬洪儒. 北京地下鐵道的雜散電流腐蝕與防護(hù). 城市軌道交通, 1990 (1) : 11 - 19

　　3 　易友祥. 一種積極有效的地鐵雜散電流防護(hù)方案. 天津理工學(xué)院學(xué)報, 1995 , 11 (2) : 1 - 5

　　4 　黃可信, 吳興祖. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕與保護(hù). 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1983 : 1 - 13

　　5 　林龍鑌. 地鐵雜散電流對鋼纖維混凝土腐蝕效應(yīng)的研究: [ 碩士學(xué)位論文] . 北京:中國礦業(yè)大學(xué), 2005

　　6 　北京市地下鐵道設(shè)計研究院. 地鐵暗挖法施工復(fù)一西區(qū)段雜散電流腐蝕防護(hù)對策研究(科研報告) . 1994

　　7 　張　益, 蔣利學(xué), 張偉平, 等. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論. 上海:科學(xué)技術(shù)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, 楊果林. 鋼纖維高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土. 北京: 科學(xué)出版社, 2002