矿物掺合料对混凝土抗杂散电流性能的影响.pdf

2 0 1 1 年第 7期 7月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NC RE T E AND C EME NT P R0D UCT S 2 01l No 7 J u l y 矿物掺合料对混凝土抗杂散电流性能的影响 程 飞 ， 高祥彪 一 ， 钱春香 。 ， 钱桂枫 ， 何智海 2 ,3 ( 1 沪杭客运专线股份有限公司 ， 上海 2 0 0 0 1 0 ； 2 东南大学材料学院， 南京 2 1 】 1 8 9 ； 3 江苏省土木工程材料重点实验室 ， 南京 2 1 1 1 8 9 ； 4 河海大学 ， 南京 2 1 1 1 8 9 ) 摘要 ： 研 究 了矿物掺合料对混凝土抗杂散 电流性能的影响。结果发现 ： 粉煤灰 和矿渣微粉均可 以改善混凝 土 的抗杂散 电流性 能， 并且随着掺 量的增加 ， 改善效果逐 渐增 强。 粉煤灰和矿渣微粉复掺后 ， 改善混凝土抗 杂散 电流的 效果最为显著 ， 尤其是 复掺 总量为 2 O 时 ， 混凝 土杂散 电流腐蚀 开裂时间比基 准混凝土延长了 2 8 6 7 。通过对各 配 合比混凝土试样进行 S i r i o n场发射扫描 电镜 实验观察混凝土表 面形貌特征发现 ，粉煤灰 与矿渣微粉 的复掺使得胶 凝材料 水化完全 ， 混凝土表 面较为致 密， 大大提 高 了混凝土的抗杂散 电流性能。 关键宇 ： 混凝土 ； 粉煤灰 ； 矿 渣微粉 ； 复掺 ； 杂散 电流 ； 扫描 电镜 Ab s t r a c t ： T h e e f f e c t o f t h e mi n e r a l a d mi x t u r e s o n t h e s t r a y c u r r e n t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i s s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t ： a d d i n g fl y a s h o r s l a g p o wd e r t o t h e c o n c r e t e c o u l d i mp r o v e t h e s t r a y c u r r e n t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e ， a n d w i t h t h e c o n t e n t i n c r e a s i n g ，t h e i mp r o v i n g e f f e c t e n h a n c e s s t r a i g h t l y Do u b l e - mi x t u r e fl y a s h a n d s l a g c o u l d e ff e c t i v e l y i mp r o v e t h e s t r a y c u r r e n t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e ，e s p e c i a l l y wh e n t h e o p t i ma l d o s a g e i s 2 0 ， t h e c r a c k i n g t i me o f s t r a y c u rre n t e o rro s i o n f o r c o n c r e t e c a n p r o l o n g 2 8 6 7 c o mp a r e d w i t h t h e n o r ma l c o n c r e t e T h r o u g h o b s e r v i n g t h e s u r f a c e s h a p e c h a r a c t e r i s t i c o f c o n c r e t e b y t h e S i r i o n s c a n n i n g e l e c t r o n i c mi c r o s c o p e ， d o u b l e mi x t u r e f l y a s h a n d s l a g c o u l d ma k e t h e h y d r a t i o n o f t h e e e me n t i t i o u s ma t e r i a l b e i n g c o mp l e t e wh i c h c a n e n h a n c e t h e s t r a y c u r r e n t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e g r e a t l y Ke y wo r d s ： Co n c r e t e ； F l y a s h ； S l a g p o wd e r ； Do u b l e mi x t u r e ； S t r a y c u r r e n t ； S EM 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 0 7 1 3 0 4 0前 言 地铁及轻轨是利用直流供 电牵引驱动机车 的 轨道交通 系统 ，列车走行的钢轨是做直流 回流用 的， 由于钢轨 与大地之问难 以完全绝缘 ， 因此 ， 会有 部分直流 回流经钢轨 泄漏 到隧道 地下埋设 的各 类 金属管线和隧道本体结构钢筋上 ， 这类 电流称为杂 散电流( S t r a y c u r r e n t ) ， 简称迷流【 I J 。除直流电泄漏会 产生的杂散电流外 ，交流 电也会产生杂散 电流 ， 但 只有前者才会造成隧道本体结构钢筋 以及地下埋 设金属管线的腐蚀 ， 而后者则无影响( 文 中的杂散 电 流均指直流杂散电流) 。 地铁及轻轨特有 的杂散电流 对混凝土结构耐久性的破坏应引起足够的重视2 1 。 1 研 究现状 混凝土结构 中的钢筋在高 电压和较大 的杂散 电流作用下 ， 所发生的腐蚀与其在电解质 中 自发进 行 的腐蚀有较大的区别 ， 主要表现在钢筋 的腐蚀速 率与周 围介质的电阻率 、混凝土的水胶 比等有关 ， 实际的电化学当量 、 腐蚀速率远远小于电解质溶液 基金项 目： 沪枋客运专线特大桥主梁泓凝土 收缩徐变控制与 耐久性提升技 研究 。 中的腐蚀速率3 1 。 近年来 ， 对于地铁杂散 电流的研究取得了一些 进展 ， 主要研究成果有地铁杂散 电流的形成机理 研究和对钢筋混凝土中钢筋腐蚀的模拟试验研究 ， 初步得 出了混凝土杂散 电流的电化学 当量 、 腐蚀速 率等参数。另外 ， 采用高阻抗混凝土等方法来抑制 杂散电流也取得了一定进展同 。但是 ， 国内对于地铁 混凝土抗杂散电流的研究不够深入 ， 迫切需要进行 地铁混凝 土杂散 电流形成机理 和抑制方法 的系统 研究 。 2 试验原材料与试验方案 2 1 试验 原材 料 2 1 1 胶凝材料 水泥 ： 采用 P 1 5 2 5级水泥 ， 具体性能指标如表 1所示 。 粉煤灰 ： 采用 I级粉煤灰 ， 具体性能指标如表 2 所示 。 矿粉 ：试验采用 $ 9 5级粒化高炉矿渣超细粉 ， 具体性能指标如表 3所示。 2 1 2 其它试验材料 一 】 3一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 7期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 3期 细度 比 ( 表 m 面 k g 积 ) 烧 失 量 ， 生 塑 墼 w ( TK ) w (s 。 3) w (N a z。 ) 细骨料采用河砂 ， 细度模 数 2 5 0 ， 属于 级 区 中砂 ， 表观 密度 2 6 4 g e ra ， 堆 积密度 1 5 3 0 k g m ， 空 隙率 4 2 0 ， 含泥量 0 6 0 ； 粗骨料采用 5 2 5 ram石 灰石碎石 ，压碎指标 为 9 8 6 ，堆积密度 1 4 7 8 k g n l ； 外加剂采用聚羧酸高效减水剂 ， 减水率 2 5 2 ， 固含量 2 1 1 ， p H值 7 4； 自来水。 2 2 试 验 方案 2 - 2 1 试验配合 比 为了探讨复掺矿物掺合料对 高强 混凝土力学 性能的影响 ， 试验 中配制混凝土保持胶凝 材料 总量 4 7 0 k g m 、 水胶 比 0 3 2不变 。在基准混凝土配合 比 的基础上 只改变粉煤灰 、 矿粉以及粉煤灰与矿粉复 掺的掺入量 ， 掺量变化为 1 0 、 2 0 、 3 0 ， 粉煤灰和 矿粉复掺时保持粉煤灰与矿粉 比例为 2 ： 1 不变。为 保证泵送要求， 通过外加剂的掺量调整混凝土坍落 度 ， 使之保持在 1 8 0 2 0 0 m m。基准混凝土的配比见 表 4 。 表 4 基准混凝土配合 比 k m 混凝 土的搅拌 、 成型 、 养护 以及力学性 能均按 照 客运专线高性能混凝土暂行技术条件科技 基 2 0 0 5 1 1 0 1号 。 2 2 2 试验 方法 杂散 电流腐蚀的对 比试验 ， 采用混凝土试件尺 寸 为1 0 0 mm x l 0 0 mm x 3 O O mm ，中 间 埋 设 两 根 q 9 mmx 2 8 0 mm的钢筋 ，并在钢筋 的端部用石蜡密 封。钢筋间距为 6 e m， 事先经过除锈和脱脂处理 ， 并 焊上直径为 l mm的导线 。试件经潮湿养护 5 6 d后， 将试件分别在 自然湿度条件下及浸水饱 和状态下 一 1 4 一 进行观察及测试。 电源设备采用 了可调电压 、 电流量的硅整流稳 压设备 ，控制 电压是按地下铁道 回路的实际 电压 5 0 7 5 V， 电流量控制在 2 0 0 mA以内， 线路采用并联 方式 ， 使 电流从钢筋流向混凝 土 ， 再经过 6 c m 的混 凝土流向钢筋 ， 组成 闭合线路 ， 定 时测量电压 、 电流 并观察混凝土试件裂缝的出现。通过试验对比进一 步验证混凝土对杂散电流的抵抗效果。试验方法如 图 1所示 图 1 混凝土杂散电流试验原理图 3 试 验结 果 与讨 论 记录钢筋混凝土开裂的时间 ， 比较各配合 比试 件开裂时间的长短 ， 进而反映该混凝土配合 比抗杂 散电流性能 的大小 ， 试验结果如图 2所示。 F 0 F l F2 F3 S L1 S L 2 S L3 F CI F C2 F C3 组别 图 2 不同矿物掺合 料掺量对混凝土抗杂散 龟流性 能的影 响 0 O 0 O 0 O)， 掀愀 加o I ， 匿苦 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 7期 昆 凝土与水泥制品 总第 1 8 3期 龄期观察时可以发现 ， S L 2组已经生成 了大量的 C S H凝胶 ， 使混凝土结构致密从而改善 了混凝土杂 散电流性能。 粉煤灰与矿渣微粉复掺后 ，由于微集料效应 、 填充效应 ， 使得混凝土表面 比较密实 ， 水化 比较完 全 ， 生成的水化产物较为致密。无论是 局部大面积 还是小空隙中，都布满了大量的 C S H凝胶结构 。 这种类 型的凝胶 体相互 分叉 搭接形 成空间网状结 构 ， 并填充于硬化体表面 、 孑 L 坑 、 缝 隙中 ， 使混合胶 凝体系密度增加 ， 保证混合胶凝材料具有一定 的强 度 ， 这就造成 矿物掺合料 复掺后 ， 在混凝土抗杂散 电流性能上具有最佳的效果 。 5结 论 ( 1 ) 粉煤灰与矿渣微粉 的单掺均可 以提高混凝 土的抗杂散电流腐蚀性能 ，并且随着掺量的增加 ， 改善效果逐渐提高。 F 3与 S L 3组混凝土的开裂时间 分别比基准混凝土延长了 2 0 和 9 3 3 。 ( 2 ) 粉煤灰 与矿渣微粉的复掺可以显著改善混 凝土 的抗杂散 电流腐蚀性能 ，尤其 当复掺 总量 为 2 O 时 ，混凝土 的开裂时间 比基准 混凝土延长 了 2 8 6 7 ， 提高效果非常明显 。 ( 3 ) 对不同矿物掺合料的混凝土试件进行 S k i o n场发射扫描电镜试验考察其表面形貌特征 ， 结果 发现 ：粉煤灰与矿渣微粉复掺 的胶凝材料水 化完 全 ， 胶凝体相互分叉连接成空 间网状结构 ， 使得混 凝土表面较为致密 ，并且提高了 昆凝土的阻抗值 ， 因而大大改善了混凝土的抗杂散电流性能。 参考 文献 ： f 1 1 AHMAD S R e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s i t s m o n i t o ri n g a n d s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n a r e v i e w f J C e m e n t &C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 4 5 ) ： 4 5 9 4 7 1 2 贺鸿珠， 史美伦 粉煤 灰对地 铁杂 散 电流的抑 制作用 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 1( 1 ) ： 2 1 2 3 3 高敬字， 易友祥 地铁杂散 电流的分析【 J 天津 理工学 院 学报， 1 9 9 6， 1 2( 3 ) ： 5 2 5 5 【 4 】 T A R A F D E R N ， B A N E R J E E S A r c h i t e c t u r a l a n d c o n s t ruc t i o n f a b ri c s A r e v i e w J Ma n ma d e T e x t i l e s i n I n d i a ， 2 0 0 6 ， 4 9 ( 1 】 )： 4 2 9 - 4 3 3 5 王勇 深圳 地铁 杂散电 流防护措施 分析 【 J 】 铁 道机车 车 辆， 2 0 0 1 f 5 ) ： 3 2 3 4 【 6 】 林江， 唐华 地铁 工程用 高阻抗 混凝 土的研 制【 J 】 建筑 材 料学 报， 2 0 0 1 ， 4 ( 4 ) ： 3 7 3 3 7 7 7 T h o m a s J B， A l a n D Z S t r a y c u r r e n t c o r r o s i o n i n e l e c t ri f i e d r a i l s y s t e m s： I T I p r o j e c t s【 R 】 U S A： N o r t h w e s t e r n U n i v e r s i t y o f Ame r i c a ，1 9 9 8 8 】 杜应吉， 李元婷 活性掺合料对地铁杂散 电流 的抑制作用 J 混凝土， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 7 7 7 9 9 陈志 源， 刘 国飞， 史美伦 等 混凝 土中掺加粉煤灰 对杂散 电流的抑制f J 粉煤灰， 1 9 9 9 ( 6 ) ： 2 1 - 2 2 【 1 0 Z H O U X i a o - j u n ， G A O B o ， G U O J i a n - g u o S t u d y o n m e c h a n i s m o f e o n c r e t e f a i l u r e i n d u c e d b y s t e e l c o rro s i o n u n d e r e x t e ma l l y a p p l i e d d i r e c t c u rr e n t J 1 J o u rna l o f S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， 2 0 0 1 ， 9 ( 1 ) ： 2 5 3 4 【 1 1 】 杜应吉， 马少 军， 蔡跃波等 地铁工程混凝土抗 杂散电流 耐久寿命 预测 f J J 水利与建筑工程学报， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 7 - 9 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 5 2 9 作者简介 ： 程飞( 1 9 6 7 一 ) ， 女 ， 高级工程师。 联 系电话 ： 1 5 0 7 7 8 6 1 7 7 1 E - ma i l ： x i a n g b ia o 31 2 3 1 2 6 c o m 坐 妇 妇坐始逝船船逝始啦 出业妇 妇妇 妇嵌妇始些妇逝船龆逝 啦逝船 逝蛊 始业船出嵌 ( 上接第 l 2页) 水率的增加趋势变缓 。 ( 2 ) 掺加聚羧酸系减水剂 和萘系减水剂均有利 于提高混凝土不 同龄期的抗压强度值。 ( 3 ) 聚羧酸系减水剂和萘 系减水剂均能提高混 凝土 的抗渗性 、 抗冻性和抗碳化性能 ， 其 中提高抗 冻性方 面两者效果相当 ； 对于抗渗性和抗碳化性的 改善， 聚羧酸系减水剂效果更为显著。 ( 4 ) 聚羧酸系减水剂有利于减小混凝土 的收缩 值 ， 对体积稳定性能够起到很好的改善作用 ， 而掺 加萘系减水剂 的混凝土后期收缩值大于基准混凝 土 ， 不能起到减少收缩的作用。 一 1 6一 参考文献 ： 1 陈建 奎 混凝土 外加剂 原理 与应用【 M】 北京 ： 中国计划 出 版 社 。 2 0 0 4 【 2 马保 国， 谭洪波， 等 不 同减水剂对 水泥水化 的作用机理 研 究 J J 混凝土 与水 泥制 品， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 6 - 8 【 3 沙峰， 李杰， 等 聚羧 酸系高效减 水剂在 中低强度等级混 凝 土 中的研究与应用 J 0 昆 凝 土， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 7 3 7 5 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 4 2 8 作者简介： 张海亚( 1 9 7 7 一 ) ， 女， 讲师。 通讯地址 ： 南 京市 江东北路 3 9 9号 联 系电话 ： 1 3 8 5 1 5 7 3 2 1 5 E- r n a i l ： h a i y a _z1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m