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杂散电流与氯盐作用下埋地混凝土中钢筋锈蚀研究.pdf
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1、第55卷第4期2023年8 月DO1:10.15986/j.1006-7930.2023.04.002西安建筑科技大学学报(自然科学版)J.Xian Univ.of Arch.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.55No.4Aug.2023杂散电流与氯盐作用下埋地混凝土中钢筋锈蚀研究鹿婷,金祖权,陈兆毅,李祥翔,胡(1.青岛理工大学土木工程学院,山东青岛2 6 6 52 0;2.中国铁路设计集团有限公司,天津30 0 0 0 0)摘要:沿海地铁轨道钢筋混凝土结构因电流渗漏会处于杂散电流和氯离子共存环境中,导致轨道混凝土结构快速失效本文在真实土壤中掺加1.5%氯
2、盐构建盐渍土环境,采用10 30 V恒压直流电模拟杂散电流,研究钢筋混凝土在杂散电流与氯盐复合下的腐蚀损伤、锈蚀产物特性及其锈胀应力等结果表明:混凝土中近保护层钢筋首先锈蚀、锈蚀面钢筋呈现部分点蚀并伴随有非均匀锈蚀现象,但随着腐蚀进行、钢筋上表面发生大面积锈蚀并向远保护层发展;钢筋锈蚀产物主要以亚铁氧化物为主、并伴随有氯化亚铁存在;钢筋锈蚀产生的膨胀应力大约在2 3MPa;土壤氯离子含量增加、杂散电流密度增大会加速钢筋锈蚀和混凝土开裂,锈胀应力提高50%左右;杂散电流和氯离子共同作用下钢筋锈蚀程度远大于单一因素的影响。关键词:钢筋混凝土;杂散电流;氯离子;盐渍土;腐蚀中图分类号:TU528St
3、udy on corrosion of reinforcement in buried concrete underthe action of stray current and chlorine saltLU Ting,JIN Zuquan,CHEN Zhaoyi?,LI Xiangziang,HUYuan,DU Zhantaol(1.School of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266520,China;Abstract:The reinforced concrete structure of co
4、astal subway track will be in the coexistence environment of straycurrent and chloride ions due to current leakage,which leads to the rapid failure of track concrete structure.In thispaper,1.5%chloride salt is mixed with real soil to construct saline soil environment,and 10-30 V constant voltageDCis
5、 used to simulate stray currents to study the corrosion damage,corrosion product characteristics and itscorrosion-induced expansive pressure of reinforced concrete under the compound of stray currents and chloride salt.The results indicate that the reinforcement near the protective layer in concrete
6、 first rusts,and the reinforcement onthe rusted surface shows partial pitting corrosion accompanied by non-uniform corrosion.However,as thecorrosion progresses,a large area of corrosion occurs on the upper surface of the reinforcement and developstowards the far protective layer.The corrosion produc
7、ts of reinforcement are mainly ferrous oxides,accompaniedby ferrous chloride,and the expansion stress generated by the corrosion of reinforcement is about 2-3 MPa.Theincrease of soil chloride ion content and stray current density will accelerate the corrosion of reinforcement andconcrete cracking,an
8、d the corrosion expansion stress will increase by about 5o%.The corrosion degree ofreinforcement under the combined action of stray current and chloride ions is much greater than that of a single fac-tor.Key words:reinforced concrete;stray current;chloride ions;salt soil;corrosion随着沿海城市人口增长与建设高速发展,地
9、铁工程正在加速推进沿海地铁部分途经区域不可避免与海水形成地下水连通,造成地铁车站和区间钢筋混凝土衬砌、地下室底板、轨枕等与含收稿日期:2 0 2 2-11-11修回日期:2 0 2 3-0 7-14基金项目:国家铁路集团有限公司科技研究开发计划基金项目(N2020G055)和交通运输行业重点科技基金项目(2 0 2 1-ZD1-012)第一作者:鹿婷(1997 一),女,硕士,主要从事海洋环境混凝土耐久性研究E-mail:l t 151942 7 0 7 0 0 16 3.c o m通信作者:金祖权(197 7 一),男,教授,博士生导师,主要从事海洋环境混凝土耐久性研究E-mail:j i
10、n z u q u a n 12 6.c o m源,杜占涛1文献标志码:A文章编号:10 0 6-7 930(2 0 2 3)0 4-0 48 4-0 82.National Railway Design Group Co.Ltd.,Tianjin 300000,China)有海水的盐渍土接触,盐渍土中的氯离子将通过扩散、毛细吸附等传输至混凝土内部钢筋表面,导致钢筋锈蚀、膨胀、混凝土保护层剥落破坏1。地铁在运行过程中行走轨的电阻一般在5第4期100km范围内;但随着运营年代的增加以及恶劣的外界环境影响,将不可避免地出现绝缘老化、轨道接缝受损等问题,从而出现回流行走轨对道床的绝缘下降,行走轨电阻
11、增大导致钢轨泄露电阻减小和列车处走行轨电位升高,从而向道床及车站、隧道结构泄漏电流,形成杂散电流2 。杂散电流的存在将直接导致混凝土中钢筋产生电化学腐蚀,并加快盐渍土中氯离子向混凝土中快速迁移,使得地铁钢筋混凝土受到杂散电流与氯盐复合作用,耐久性能受到严重威胁3 此外,杂散电流对钢筋的腐蚀往往集中于某些局部位置,如保护层相对薄弱的地方,这些部位的钢筋将很快锈断4 Luca Bertolini51讨论了直流/交流电流与氯离子耦合作用对混凝土中钢筋腐蚀的影响,指出直流杂散电流对钢筋腐蚀要远远大于交流杂散电流。耿健6 利用直流电场模拟杂散电流,并分析了杂散电流下氯离子向混凝土内部的传输规律。张二猛7
12、 研究发现杂散电流产生的电场能使更多氯离子以自由态存在并快速迁移,对混凝土的耐久性能产生不利影响吴泉水8 发现杂散电流会加快氯离子向混凝土内部迁移的速率,导致钢筋锈蚀速度加快、混凝土保护层提前开裂王凯9 研究了杂散电流对氯离子向混凝土内传输速度影响,建立了考虑杂散电流密度、氯离子浓度的混凝土中氯离子传输模型陈梦成10 采用直流电模拟杂散电流,并利用电化学测试技术分析了混凝土中钢筋锈蚀演变周晓军11 对埋置在水和土壤两种腐蚀介质中的钢筋混凝土试块施加不同的电压值,测定钢筋发生电化学腐蚀时的电化学当量和腐蚀速率张威12 研究发现,杂散电流与氯离子耦合作用下混凝土中钢筋破钝电位降低,钢筋提早进入腐蚀
13、状态郭振华13 采用现场收集的随时间变化的杂散电流信号和等电荷量的直流电进行钢筋锈蚀试验,采用XCT无损检测获得混凝土中钢筋锈蚀时变规律陈迅捷14 研究了在一般环境、氯化物环境、冻融-氯化物环境中,杂散电流对普通钢筋混凝土和高性能混凝土的腐蚀程度影响陆晨浩15水泥矿粉33745鹿婷,等:杂散电流与氯盐作用下埋地混凝土中钢筋锈蚀研究混凝土原材料与配合比中国建筑材料科学研究总院生产的PI42.5基准水泥、S95级矿粉、I级粉煤灰作为胶凝材料,主要化学成分如表1所示细度模数为2.7、含泥量1.7%的青岛大沽河河沙为细骨料,52 5mm花岗岩碎石为粗骨料,减水率为30%的江苏苏博特JM-PCA(I)型
14、聚羧酸减水剂用于调节混凝土的工作性,混凝土配合比及2 8 d抗压强度如表2所示.表1胶凝材料的主要化学组成/%Tab.1Main chemical composition ofcementitious materials/%类型SiO2 Al,O CaO Fe2 O;水泥20.604.5763.273.29矿粉32.5813.2741.061.34粉煤灰50.8025.208.50表2 混凝土配合比/kgm-3Tab.2 Mix proportion of concrete/kg m-3配合比/(kgm-3)粉煤灰砂子68650485通过模拟腐蚀试验,探讨了掺合料种类、含量等对混凝土中钢筋杂散
15、电流腐蚀的影响规律丁庆军16 对有无杂散电流环境下水泥石的氯离子固化能力进行研究,结果表明杂散电流能够将水泥石中钝化的氯离子转化成活泼的氯离子杜应吉17 研究发现活性掺合料可以通过提升混凝土中钢筋的钝化膜电阻和累积电量来提高混凝土阻抗,从而增强地铁工程中钢筋混凝土的抗杂散电流能力.综上所述,研究者大多通过直流/交流电模拟杂散电流并与氯盐耦合,开展了钢筋混凝土腐蚀加速试验但由于杂散电流泄漏程度不同、盐渍土受海水污染程度不同,钢筋混凝土受到的杂散电流密度、腐蚀离子浓度存在显著差异本文采用青岛沿海土壤中掺加氯盐构建盐渍土环境、利用10 30 V直流恒压电流模拟杂散电流,分析混凝土中钢筋腐蚀电化学参数
16、、钢筋锈胀应力演变,探究杂散电流密度、盐渍土中氯离子浓度对混凝土中钢筋锈蚀的影响.1试验1.1水胶比W/C石子水减水剂1130162SO:MgOeq-Na2 O2.112.592.685.626.801.501.4028d抗压强度/MPa3.40.361.400.451.1065.24861.2直流恒压电流模拟杂散电流加速腐蚀试验按表2 所示成型10 0 mmX100mmX300mm的钢筋混凝土试件,混凝土中预埋直径为2 5mm的HRB400型螺纹钢筋,保护层厚度为2 5mm;钢筋混凝土标准养护2 8 d后取出并埋置于装满土壤(含水率为10%)的塑料箱中,土壤氯离子含量设为0、1.5%,试验方
17、案如表3所示采用直流电模拟杂散电流,恒电压设置为10 V、2 0 V、30V电源正极连接试件中的钢筋,碳棒作为负极并直接插入土壤.表3试验方案Tab.3Experimental programme编号电场强度/VDC110DC220DC330DC4201.3钟钢筋锈胀应变测试及应力计算采用直径为2 5mm的HRB400型螺纹钢筋,沿钢筋长度方向水平切开挖出直径为15mm的半圆形凹槽对钢筋进行酸洗除锈后放入饱和氢氧化钙溶液中和,随后用清水冲洗并放入烘箱烘干水分待钢筋完全干燥后取出,在钢筋内壁中部环贴应变片作为测试片,在内壁端部纵贴应变片作为温度补偿片,试验采用12 0-5AA混凝土应变片,贴片位
18、置如图1(a)所示.(a)应变片粘贴位置图显示器DH3816碳棒试块图1直流电模拟杂散电流对钢筋腐蚀试验Fig.1 Corrosion experiment of reinforced concrete byDC simulate stray current西安建筑科技大学学报(自然科学版)中一端绑扎导线后,两端均用环氧树脂密封,防止水分进入钢筋内部通过测量钢筋内壁环向应变可以计算钢筋外壁锈蚀产生的锈胀力,根据作用力与反作用力理论,作用于钢筋外壁的压力与钢筋的锈胀力大小相同方向相反故可求得钢筋锈胀力为18 q=(1-V1-em)式中:q为钢筋外壁压力,MPa;hs为钢筋内壁环向应变;E,为钢筋
19、弹性模量,GPa;为钢筋泊松比;r为钢筋外半径,mm;r i为钢筋内半径,mm.土壤氯离子含量/%1.4混凝土中钢筋腐蚀电化学测试0本试验使用PARSTAT4000A电化学工作站001.534补偿直流电源土壤钢筋(b)试件连接示意图第55卷将两部分钢筋用环氧树脂粘贴在一起,在其E,(r2-ri)(1)2ur2测试混凝土中钢筋的电化学阻抗谱(EIS)电化学测试采用三电极法,饱和甘汞电极作参比电极,碳棒作辅助电极,混凝土中的钢筋作工作电极.在电化学测试中,扫描频率为10 mHz1M H z,施加的交流电压为10 mV,恒电位加速腐蚀过程中每隔12 小时测试一次.1.5锈蚀产物形貌及成分观测对杂散电
20、流腐蚀7 d的钢筋混凝土试件破型,宏观观察钢筋锈蚀状态和溢锈状况采用扫描电镜观测混凝土中钢筋锈蚀产物的形貌,使用X射线衍射仪对锈蚀产物进行物相分析对钢筋酸洗除锈,观察钢筋形貌变化.2丝结果与讨论2.1清混凝土中钢筋锈蚀形貌分析随着腐蚀持续进行,混凝土出现贯穿上保护层的顺筋裂缝,且随着模拟杂散电流密度和土壤氯离子含量增大,裂缝越宽、溢锈现象更加明显.对混凝土试件破型取出钢筋,如图2(a)和(c)所示钢筋近、远保护层面均发生锈蚀,但锈蚀最先发生在近保护层面,逐步向远保护层面延伸。对锈蚀钢筋酸洗,由图2(b)和(d)可看出,钢筋近保护层面均出现明显的点蚀、坑蚀及难以洗掉的大块锈蚀产物;远保护层面均出
21、现点蚀现象采用超景深显微镜对钢筋锈坑进行定量测试,如图3所示.10 30 V电压作用下混凝土中锈蚀钢筋最大锈坑深度分别为437、10 8 3、1592 m,锈蚀面积分别为40 6 52 2 9,9440 315和98 2 456 3m;含有0 和1.5%氯离子浓度的土壤里腐蚀混凝土中钢筋的最大锈坑深度和面积分别为10 8 3m、第4期9440315m,12 6 7 m、97 6 550 1m.因此,杂散电流和氯离子导致混凝土中近保护层和远保护层钢筋表面均发生锈蚀,但近保护层钢筋腐蚀更为严重;混凝土中钢筋表面呈现出明显的点蚀现象杂散电压由10 V增加到30 V,锈坑深度和锈蚀面积分别增加了2 6
22、 4.3%和141.2%;土壤中含有氯离子使得钢筋锈蚀更加严重,锈坑深度和锈蚀面积分别增加了17%和3.4%.DC1DC2DC2DC3DC3DC4DC4(a)近保护层面未酸洗(b)近保护层面已酸洗DC1DC2DC3DC4(c)远保护层面未酸洗图2 钢筋酸洗前后形貌图Fig.2 Morphology of reinforcement before and after pickling鹿婷,等:杂散电流与氯盐作用下埋地混凝土中钢筋锈蚀研究DC2DC3DC4(d)远保护层面已酸洗487磁铁矿(Fe:O4),也存在少量的纤铁矿(-FeO(OH)这是由于钢筋混凝土试块埋置在土壤中,土壤中氧气含量较低,在
23、杂散电流加速腐蚀下,氧气消耗速度更快,钢筋锈蚀产物氧含量明显降低,锈蚀产物以二价铁离子为主对比DC1、DC2、D C 3和DC2、D C 4作用下钢筋锈蚀产物的O/Fe值,随杂散电流密度增加以及氯盐作用下,锈蚀产物的O/Fe值变大,这是由于增大模拟杂散电流密度和土壤氯离子含量使混凝土锈蚀裂缝变宽,空气能够沿裂缝快速渗透至锈蚀产物处,使得钢筋锈蚀产物从FeO4转变为Fe2O3:除此之外,XRD还检测出锈蚀产物中存在氯化物,这是由于土壤中Cl-渗透至钢筋表面生成FeCl2所致.表4锈蚀产物的原子比(%)Tab.4Atomic ratio of rust products(%)编号FeDC154.3
24、06DC257.727DC360.730DC463.480045.69442.27339.27036.520(a)DC1微观形貌(a)DC1锈坑测试图(b)DC2微观形貌(b)DC2锈坑测试图(c)DC3微观形貌(c)DC3锈坑测试图(d)DC4锈坑测试图图3钢筋锈坑测试图Fig.3Rust pit of reinforced bar in concrete钢筋锈斑电镜图如图4(a)(d)所示,随着模拟杂散电流密度增大、土壤氯离子含量增加,钢筋锈蚀速度加快、相同时间内产生的锈蚀产物增多,这些锈蚀产物相互挤压、堆积致使锈斑越来越密实观察钢筋锈蚀产物微观形貌有块状、粒状、片层状、密实针状,根据ED
25、S测试获得锈蚀产物中的0/Fe值在1.19 1.7 4之间,结果如表4所示XRD测试结果表明锈蚀产物中主要存在针铁矿(-FeO(OH))、四方纤铁矿(-FeO(OH)和(d)DC4微观形貌:-FeO(OH)B:-FeO(OH)M:Fe,O.H:Fe.0,aM山人1020图4钢筋锈蚀产物主要形貌及XRD衍射图谱Fig.4Main morphology and XRD diffraction pattern ofcorrosion products2:-FeO(OH)L:Fe.C,304020/()(e)XRD衍射图谱DC1DC2DC3DC4506070804882.2混凝土中钢筋锈胀应力演变2.
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