腐蝕性水環(huán)境下開裂地鐵側(cè)墻環(huán)氧灌漿效果試驗(yàn)研究

鄭博宇 董宏波 毛江鴻

摘? 要：沿海地區(qū)地下水環(huán)境中腐蝕性介質(zhì)含量高，地鐵側(cè)墻開裂后存在高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)氧樹脂灌漿法是修復(fù)地鐵側(cè)墻裂縫的主要方法，然而修復(fù)后結(jié)構(gòu)在腐蝕地下水環(huán)境中的長期服役性能尚不明確。文章利用干濕循環(huán)模擬腐蝕性水環(huán)境中環(huán)氧樹脂灌漿修復(fù)后的混凝土長期劣化過程，結(jié)合電化學(xué)評估方法評價(jià)內(nèi)部鋼筋的腐蝕過程。結(jié)果表明，有效的環(huán)氧樹脂灌漿修復(fù)將提升結(jié)構(gòu)壽命至未開裂水平，但需要保障鋼筋周圍包裹環(huán)氧樹脂材料。

關(guān)鍵詞：地鐵側(cè)墻;耐久性;環(huán)氧灌漿;鋼筋銹蝕

中圖分類號：U231.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0077-03

Abstract： The groundwater environment in coastal areas has a high content of corrosive media， and there is a high risk of corrosion after the side walls of the subway crack. Epoxy resin grouting method is the main method for repairing cracks in the side walls of subways. However， the long-term service performance of the structure in the corroded groundwater environment after repair is not clear. In this paper， the dry-wet cycle is used to simulate the long-term deterioration process of concrete after epoxy resin grouting repair in corrosive water environment， and the electrochemical corrosion assessment method is used to evaluate the internal steel bar corrosion process. The results show that effective epoxy grouting repair will increase the life of the structure， but it is necessary to ensure that epoxy material is wrapped around the reinforcement.

Keywords： subway side wall; durability; epoxy grouting; steel corrosion

引言

近年來，城市軌道交通發(fā)展迅速，方便了人們的日常出行，成為不可缺少的交通方式。但地鐵混凝土受材料強(qiáng)度、地基沉降及水化熱等因素影響，普遍存在開裂問題[1]。軌道交通工程設(shè)計(jì)使用年限為100年，對于混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有很高的要求，但沿海地區(qū)土質(zhì)多為軟土，工程地質(zhì)條件較差且地下水位高，給施工建設(shè)造成了很大的困難，容易產(chǎn)生開裂滲水的問題。在潮濕和地下水[2，3]流經(jīng)的環(huán)境中，裂縫的產(chǎn)生不僅會加快銹蝕速率。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，浙江寧波部分區(qū)域的地下水中氯離子含量超過3500mg/L，同時(shí)結(jié)構(gòu)還受荷載、雜散電流[4，5]等影響，在很大程度上加劇了對結(jié)構(gòu)的侵蝕作用，會顯著降低結(jié)構(gòu)的耐久性，因此必須及時(shí)修復(fù)裂縫。常見的地鐵混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修復(fù)方法有表面修補(bǔ)法、灌漿法及嵌縫封堵法，采用灌漿法及嵌縫封堵法相較于表面修補(bǔ)法，能有效修補(bǔ)混凝土中裂縫，且擁有良好的抗?jié)B性，適用于對抗?jié)B有要求工程中的裂縫修補(bǔ)[6]，但灌漿法修復(fù)后的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性存疑。為此本文開展了腐蝕性水環(huán)境下開裂地鐵側(cè)墻環(huán)氧灌漿后的耐久性試驗(yàn)，采用電化學(xué)手段評價(jià)了灌漿法在長期服役過程中對鋼筋的保護(hù)效果。

1 不同修復(fù)效果下的鋼筋腐蝕行為

1.1 試件制備

試件尺寸為300mm×150mm×100mm，內(nèi)部設(shè)置兩根直徑10mm，長330mm的HRB400鋼筋，分別在試件兩端各露出15mm用以連接導(dǎo)線，露出的鋼筋用環(huán)氧樹脂灌封膠封閉，鋼筋保護(hù)層厚度30mm，試件設(shè)計(jì)如圖1（a）所示?；炷翉?qiáng)度為C35，配合比為水：水泥：沙：石子等于158：398：810：1031。混凝土裂縫采用萬能試驗(yàn)機(jī)三點(diǎn)加載使試件中部受彎制作。在試件側(cè)面依據(jù)灌漿法進(jìn)行鉆孔，直達(dá)裂縫面并埋入灌漿止水針頭形成灌漿通道，最后使用灌漿機(jī)完成灌漿。根據(jù)調(diào)研，高滲透改性環(huán)氧樹脂在地鐵混凝土裂縫修復(fù)中廣泛使用，本文采用該類型材料作為灌漿法的修復(fù)材料，灌漿后效果如圖1（b）所示。

1.2 耐久性加速劣化及監(jiān)測

將修復(fù)后的試件置于ZXC型潮汐模擬池中，該裝置工作時(shí)可通過在兩個(gè)水池中來回抽水模擬海洋環(huán)境中的潮汐進(jìn)行干濕循環(huán)，類似也可模擬地下結(jié)構(gòu)隨地下水位漲落的干濕交替情況。干濕循環(huán)試驗(yàn)周期設(shè)計(jì)為3天一個(gè)周期，每個(gè)周期干濕比為3：1，即干54h，濕18h，水溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液，共進(jìn)行40個(gè)干濕循環(huán)周期。每兩個(gè)周期后取出試件測量弱極化曲線。弱極化曲線測試采用電化學(xué)工作站Reference600采用三電極系統(tǒng)，鋼筋混凝土試件中的一根鋼筋作為工作電極，另一個(gè)不銹鋼棒作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極。試驗(yàn)設(shè)置電化學(xué)工作站從相對于開路電位開始掃描，掃描區(qū)間為-70mV到+70mV，為弱極化區(qū);為保證獲得穩(wěn)態(tài)弱極化曲線，取掃描速率為0.15mV/s。

1.3 鋼筋的腐蝕電化學(xué)參數(shù)特征

使用電化學(xué)工作站Gamry Echem Analyst分析軟件計(jì)算得到所有弱極化曲線中的腐蝕電位Ecorr與腐蝕電流密度icorr，將兩者在干濕循環(huán)全周期中的變化過程繪制于圖2。

混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋進(jìn)行電化學(xué)腐蝕的過程時(shí)，其陰極反應(yīng)與陽極反應(yīng)是在同一點(diǎn)位下進(jìn)行的，這兩個(gè)反應(yīng)的電位耦合而成的混合電位即為鋼筋的腐蝕電位。它可一定程度上表征鋼筋的銹蝕概率，美國ASTM規(guī)范[7]中提供判斷標(biāo)準(zhǔn)為電位>-200mV時(shí)有5%腐蝕概率;-200～-350mV范圍中為50%概率;電位<-350mV時(shí)有95%腐蝕概率。

對比圖2（a）和圖2（b）可知，W試件在干濕循環(huán)進(jìn)行59天時(shí)腐蝕電位降低至-200mV以下，腐蝕概率達(dá)到50%。K試件在41天時(shí)達(dá)到50%的腐蝕概率，相比W試件提早了17天，此后的干濕循環(huán)過程中K試件的腐蝕電位快速降低，僅19天后達(dá)到-350mV，進(jìn)入95%腐蝕概率，其腐蝕電位降幅遠(yuǎn)大于W試件。由此可知，混凝土開裂后內(nèi)部鋼筋暴露在腐蝕環(huán)境中銹蝕風(fēng)險(xiǎn)極高，將極大縮短結(jié)構(gòu)壽命。

對比圖2（a）和圖2（c）可知，G試件干濕循環(huán)61天后存在50%腐蝕概率，且后續(xù)循環(huán)中電位下降過程平緩，至120天時(shí)仍大于-350mV，其電位變化過程與W試件近似，說明如果灌漿修復(fù)時(shí)鋼筋周圍完全包裹環(huán)氧樹脂時(shí)，灌漿料對混凝土內(nèi)部鋼筋起到非常好的保護(hù)作用，保障了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命。

腐蝕電流密度icorr是腐蝕進(jìn)程中反應(yīng)速度最直觀的電化學(xué)參數(shù)，體現(xiàn)了陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的交換電流密度，平衡電位及Tafel斜率。我國規(guī)范[9]中提供判斷標(biāo)準(zhǔn)為icorr≤0.1μA/cm2時(shí)不腐蝕，0.1μA/cm2

對比圖2（a）和圖2（c）可知，G試件在干濕循環(huán)72天后進(jìn)入中等腐蝕速率，相比完整試件W推遲14天進(jìn)入中等腐蝕速率。說明有效的環(huán)氧樹脂修復(fù)可提升耐久性能至未開裂前水平，甚至優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。原因?yàn)楦邼B透改性環(huán)氧樹脂是環(huán)氧樹脂系膠黏劑為方便裂縫壓力注漿的改良分支，其亦有環(huán)氧樹脂系膠黏劑的良好粘結(jié)強(qiáng)度，抗?jié)B性等，當(dāng)通過注漿方式填滿裂縫，漿液包裹裂縫內(nèi)的鋼筋后將有效減少外界有害離子侵蝕，即使結(jié)構(gòu)長期服役后修補(bǔ)位置再次新生裂隙，只要環(huán)氧仍包裹縫內(nèi)鋼筋，依然可形成有效的保護(hù)。

2 結(jié)論

本文利用干濕循環(huán)模擬腐蝕性水環(huán)境中環(huán)氧樹脂灌漿修復(fù)后的混凝土長期劣化試驗(yàn)。結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂灌漿修復(fù)后將有效保護(hù)裂縫內(nèi)部鋼筋，大幅提升混凝土結(jié)構(gòu)耐壽命，甚至恢復(fù)至無裂縫情況下的耐久性能，而未修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕風(fēng)險(xiǎn)將顯著增加，服役壽命大幅縮短。從耐久性角度出發(fā)，建議灌漿修復(fù)須保證環(huán)氧樹脂包裹結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋以保障腐蝕環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。

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