莊華夏，徐 菲，錢(qián)文勛，何 旸

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241003；2.南京水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所，江蘇 南京 210029)

我國(guó)北方沿海和西北鹽堿地區(qū)修建了大量的地鐵、高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高鐵”)等軌道交通工程，如青島地鐵8號(hào)線、大連地鐵4號(hào)線、哈大高鐵、蘭新高鐵等。上述工程在服役過(guò)程中均需供電工作，由于接觸或絕緣問(wèn)題造成的泄漏電流將成為雜散電流，對(duì)沿線的埋地金屬和鋼筋混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用[1-2]。軌道交通工程中的雜散電流難以測(cè)量，可通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)鋼極化電位、軌構(gòu)(軌地)電壓、軌道縱向電阻、軌地過(guò)渡電阻等參數(shù)間接反映雜散電流的腐蝕情況。除雜散電流外，上述軌道交通工程在冬季運(yùn)營(yíng)階段還將遭受到鹽凍的破壞，其鋼筋混凝土構(gòu)筑物在雜散電流與鹽凍耦合作用下的耐久性問(wèn)題顯得十分突出。

現(xiàn)階段有關(guān)雜散電流腐蝕混凝土的研究主要集中在雜散電流引起的鋼筋銹蝕及氯離子侵蝕。Bertolini等[3]、張?jiān)粕萚4]的研究結(jié)果表明雜散電流會(huì)加速鋼筋銹蝕。耿健等[5]、陳夢(mèng)成等[6]、徐港等[7]采用外加電場(chǎng)模擬了雜散電流對(duì)氯離子侵蝕的影響，其結(jié)果均表明氯鹽環(huán)境下雜散電流會(huì)加速氯離子向混凝土內(nèi)部遷移，引起更嚴(yán)重的鋼筋銹蝕。此外，眾多研究結(jié)果[8-11]表明雜散電流會(huì)引起水泥水化產(chǎn)物的分解，尤其是Ca(OH)2(CH)的分解，導(dǎo)致Ca2+的溶出，顯著劣化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。有關(guān)混凝土鹽凍破壞方面，已有研究[12-13]表明鹽侵入混凝土后會(huì)增加混凝土飽水程度，增加混凝土的凍融破壞。楊全兵等[14]研究結(jié)果表明中低濃度鹽溶液產(chǎn)生的結(jié)冰壓最大，因鹽濃度梯度引起的結(jié)冰應(yīng)力差將導(dǎo)致更大的凍融破壞。此外，鹽凍條件下混凝土內(nèi)也會(huì)因鹽的過(guò)飽和而產(chǎn)生結(jié)晶破壞[15]，進(jìn)一步劣化混凝土的耐久性能。如上所述，目前有關(guān)雜散電流、鹽凍單因素作用下的混凝土劣化研究已取得一定進(jìn)展，而對(duì)于雜散電流-鹽凍耦合作用下的混凝土劣化研究卻鮮有報(bào)道，此條件下雜散電流作用影響混凝土劣化的機(jī)理尚未明確。

本文設(shè)計(jì)了雜散電流-鹽凍耦合條件下混凝土抗凍性能試驗(yàn)及氯離子侵蝕試驗(yàn)，通過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的混凝土質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量、水溶性氯離子含量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和鹽濃度梯度表征了此條件下混凝土劣化的基本特征，并通過(guò)微觀分析進(jìn)一步得到了此條件下雜散電流作用影響混凝土劣化的機(jī)理，為此條件下軌道交通工程中鋼筋混凝土構(gòu)筑物的耐久性提高提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

水泥采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，礦渣粉采用S95級(jí)礦渣粉。細(xì)集料為中粗江砂，細(xì)度模數(shù)2.80。粗集料為5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配的砂巖碎石。減水劑采用FDN高效減水劑，減水率為18%。引氣劑采用松香類(lèi)引氣劑。膠凝材料的化學(xué)成分和主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1，按照GB 8076—2008《混凝土外加劑》[16]測(cè)得的化學(xué)外加劑主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。試驗(yàn)選用抗凍等級(jí)分別為F100、F200、F300的混凝土，配合比見(jiàn)表3。不同混凝土的基本性能見(jiàn)表4，包括混凝土拌和物的含氣量、坍落度、混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cc及軸向抗拉強(qiáng)度f(wàn)t。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分和主要物理性能指標(biāo)

表2 化學(xué)外加劑的主要性能指標(biāo)

表3 混凝土試驗(yàn)配合比

表4 混凝土基本性能

1.2 雜散電流-鹽凍耦合條件下混凝土抗凍性能試驗(yàn)

按表3中配合比成型多組混凝土試件，每組3個(gè)試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm(長(zhǎng)×寬×高)，在試件中心位置埋設(shè)一根φ6 mm×200 mm的光圓鋼筋。采用GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]中的快凍法對(duì)混凝土抗凍性能進(jìn)行測(cè)試，凍融介質(zhì)為NaCl溶液，濃度分別為0%、3%、5%，對(duì)應(yīng)的氯離子含量分別為0、18 768、31 939 mg/L。凍融設(shè)備為CDR-5型凍融試驗(yàn)箱，試件中心最低和最高溫度設(shè)定為-18、5 ℃。

試驗(yàn)過(guò)程中采用外加電場(chǎng)的方法對(duì)試件加載雜散電流，見(jiàn)圖1。其中電源正極連接鋼筋，負(fù)極連接銅網(wǎng)電極，電流通過(guò)鋼筋、局部混凝土及溶液形成回路。

圖1 加載雜散電流的方法

文獻(xiàn)[18]對(duì)北京、上海等地地鐵在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的雜散電流泄露現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明雜散電流在1 km走行軌上的最大電壓降約為30 V，泄露到主體混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋中的雜散電流強(qiáng)度為20～100 mA。因此，本文將加載雜散電流所用的電源電壓設(shè)為30 V，同時(shí)保留部分試件不加載雜散電流，電源電壓為0 V，抗凍性能試驗(yàn)的具體工況見(jiàn)表5。

表5 混凝土抗凍性能試驗(yàn)工況

每50次凍融循環(huán)后將試件取出，測(cè)量試件的質(zhì)量W和橫向基頻f，參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]中方法計(jì)算其質(zhì)量損失率ΔW和相對(duì)動(dòng)彈性模量P。試件測(cè)量完畢后重新放入凍融試驗(yàn)箱內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，直至300次凍融循環(huán)或試件破壞，試件破壞的標(biāo)準(zhǔn)為質(zhì)量損失率超過(guò)5%或相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至60%?？箖鲈囼?yàn)結(jié)束后，將F300混凝土試件中的鋼筋取出，觀察其銹蝕情況。

1.3 雜散電流-鹽凍耦合條件下氯離子侵蝕試驗(yàn)

按1.2節(jié)方法成型8組F300混凝土試件，每組3個(gè)試件。所有試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至24 d后取出，試件除成型面供外界氯離子侵蝕外，其余5個(gè)表面均用環(huán)氧樹(shù)脂封閉。待試件成型28 d后，將試件放入凍融試驗(yàn)箱中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融設(shè)備及試驗(yàn)溫度同1.2節(jié)，凍融介質(zhì)采用3%NaCl溶液。凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，4組試件采用圖1方法加載雜散電流，電源電壓為30 V，另4組試件不加載雜散電流，電源電壓為0 V。

每50次凍融循環(huán)后將1組30 V試件和1組0 V試件取出，直至200次凍融循環(huán)。試件取出后，采用取芯機(jī)對(duì)試件進(jìn)行取樣，取樣位置為試件中心位置，見(jiàn)圖2，芯樣直徑為30 mm。對(duì)所取芯樣以10 mm為間隔收集混凝土粉末樣品，直至試件表面以下50 mm處結(jié)束。參照J(rèn)GJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》[19]測(cè)試樣品中水溶性氯離子含量，每組測(cè)試結(jié)果取3個(gè)試件的平均值。

圖2 取樣位置(單位：mm)

1.4 微觀分析

混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)束后，選取F300混凝土3%NaCl溶液凍融循環(huán)的試件砂漿樣品進(jìn)行微觀分析，取樣位置為試件表面處和鋼筋表面處，微觀分析主要包括壓汞MIP、電鏡掃描SEM-能譜分析EDS。MIP分析的樣品為不超過(guò)8 mm的顆粒樣品，抽真空干燥后，采用AutoPore Iv 9510型壓汞儀對(duì)樣品孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，壓力范圍為3.65～241.4×103kPa。SEM-EDS分析的樣品為薄片樣品，噴金后，采用JEOL JSM-6510型掃描電鏡觀察樣品的微觀形貌。

2 混凝土抗凍性能

2.1 混凝土試件外觀及鋼筋銹蝕情況

F300混凝土試件經(jīng)3%NaCl溶液凍融循環(huán)300次后的外觀見(jiàn)圖3，其內(nèi)部鋼筋銹蝕情況見(jiàn)圖4。

圖3 混凝土試件的外觀

圖4 混凝土中鋼筋銹蝕情況

由圖3可知，電壓30 V的混凝土試件剝蝕破壞十分嚴(yán)重，表層砂漿已剝蝕殆盡，能明顯看到內(nèi)部的骨料，電壓0 V的混凝土試件表層砂漿尚未完全剝蝕，未見(jiàn)內(nèi)部骨料。由圖4可知，電壓0 V的鋼筋表面未發(fā)生明顯銹蝕，而電壓30 V的鋼筋表面棕色銹蝕產(chǎn)物眾多，整段鋼筋出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕，部分位置處的銹蝕產(chǎn)物已經(jīng)剝落，鋼筋橫截面明顯減小，雜散電流作用加劇了陽(yáng)極鋼筋的銹蝕。

2.2 混凝土質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈性模量

不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土質(zhì)量損失率ΔW和相對(duì)動(dòng)彈性模量P見(jiàn)圖5，“F100-3%-0 V”代表的工況為F100混凝土-3%NaCl溶液-0 V電源電壓。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)后質(zhì)量損失率ΔW與相對(duì)動(dòng)彈模P

由圖5可知，在30 V雜散電流作用下，F(xiàn)100、F200、F300混凝土在3%NaCl溶液中分別經(jīng)50、150、250次凍融循環(huán)已破壞，雜散電流-鹽凍耦合條件下混凝土的抗凍性能顯著降低。相同NaCl溶液，電壓30 V的質(zhì)量損失率明顯高于0 V的，而電壓30 V的相對(duì)動(dòng)彈性模量則明顯低于0 V的。F300混凝土經(jīng)3%NaCl溶液凍融循環(huán)250次后，30 V的質(zhì)量損失率是0 V的1.51倍，相對(duì)動(dòng)彈性模量是0 V的85.8%。上述結(jié)果共同表明雜散電流作用顯著增大了鹽凍對(duì)混凝土的破壞。

圖5中F300混凝土的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)大致呈線性關(guān)系，其表達(dá)式分別為

ΔW=a·n

(1)

P=100-b·n

(2)

式中：ΔW為質(zhì)量損失率，%；P為相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；n為凍融循環(huán)次數(shù)，次；a為質(zhì)量損失率的增加速率；b為相對(duì)動(dòng)彈性模量的降低速率。

采用式(1)、式(2)對(duì)其進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，F(xiàn)300混凝土各工況條件下的擬合優(yōu)度R2較高，尤其是3%、5%NaCl溶液30 V的R2均高于0.97，雜散電流-鹽凍耦合條件下F300混凝土抗凍性能的劣化規(guī)律可以用式(1)、式(2)進(jìn)行表述。同時(shí)，相同NaCl濃度，30 V的a、b值明顯大于0 V的，進(jìn)一步表明雜散電流作用增大了鹽凍對(duì)混凝土的破壞。相同電源電壓，a值按氯鹽濃度由大到小依次排列均為：a3%>a5%>a0%。上述結(jié)果表明，氯鹽溶液引起的剝蝕破壞并非隨氯鹽濃度的增大而增大，相比5%NaCl溶液，3%NaCl溶液引起的剝蝕破壞更為嚴(yán)重。

此外，0 V的b值按氯鹽濃度由大到小依次排列為：b0%>b5%>b3%，30 V的b值按氯鹽濃度由大到小依次排列為：b3%>b5%>b0%。上述結(jié)果表明，無(wú)雜散電流作用下，氯鹽濃度對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響并不明顯。在雜散電流作用下，氯鹽濃度對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響與質(zhì)量損失率相同，3%NaCl溶液引起的相對(duì)動(dòng)彈性模量劣化更為嚴(yán)重。

表6 質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量線性擬合結(jié)果

2.3 雜散電流對(duì)混凝土鹽凍破壞的影響

由表6可知，相同濃度的NaCl溶液，經(jīng)雜散電流作用后，a、b值顯著增加。假設(shè)雜散電流對(duì)a、b的增加值與雜散電流電壓成正比關(guān)系，則雜散電流作用后，F(xiàn)300混凝土的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系式表示為

ΔW=(a0+αU)·n

(3)

P=100-(b+βU)·n

(4)

式中：U為雜散電流電壓，V；a0為電壓0 V時(shí)的質(zhì)量損失率的增加速率；b0為電壓0 V時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈性模量的降低速率；α為雜散電流對(duì)質(zhì)量損失率的增加速率a的影響系數(shù)，V-1；β為雜散電流對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的降低速率b的影響系數(shù)，V-1。

將表6中數(shù)據(jù)代入式(3)、式(4)中，并取U=30 V，求得雜散電流-鹽凍耦合條件下F300混凝土的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量與雜散電流電壓、凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系式，見(jiàn)表7。

表7 雜散電流-鹽凍耦合條件下混凝土質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量

由表7可知，雜散電流電壓越大，混凝土質(zhì)量損失率越大，相對(duì)動(dòng)彈性模量越低。表7中關(guān)系式可作為雜散電流加速混凝土鹽凍劣化的數(shù)學(xué)表達(dá)，反映出雜散電流強(qiáng)度對(duì)混凝土鹽凍劣化的影響。

3 混凝土氯離子侵蝕

3.1 水溶性氯離子含量

F300混凝土中不同深度處的水溶性氯離子含量見(jiàn)圖6。圖6中,深度為每段混凝土樣品的中點(diǎn)深度，“0V-50”代表0 V電壓50次凍融循環(huán)。

圖6 混凝土中水溶性氯離子含量

由圖6可知，F(xiàn)300混凝土表層0～10 mm內(nèi)的水溶性氯離子含量最高，隨著深度的增加，水溶性氯離子含量不斷降低。相同凍融循環(huán)次數(shù)，30 V的水溶性氯離子含量明顯高于0 V的水溶性氯離子含量，表明雜散電流作用增大了混凝土中水溶性氯離子含量，加劇了氯離子對(duì)混凝土的侵蝕。30 V電壓200次凍融循環(huán)后，0～10 mm內(nèi)的水溶性氯離子含量為0.094%是0 V的2.68倍，40～50 mm內(nèi)的水溶性氯離子含量為0.024%是0 V的12倍。

3.2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

凍融試驗(yàn)時(shí)，混凝土試件浸沒(méi)在試件盒中，外界氯離子在混凝土內(nèi)部的遷移仍以擴(kuò)散作用為主，其擴(kuò)散過(guò)程可用Fick第二定律進(jìn)行表述?；炷谅入x子擴(kuò)散系數(shù)可依據(jù)t時(shí)刻混凝土試件中x深度處測(cè)得的水溶性氯離子含量Cx,t，由Fick第二定律反算求得[20]

(5)

試驗(yàn)過(guò)程中，每50次凍融循環(huán)的時(shí)間約為8 d。假定C0為0 %，根據(jù)測(cè)得的水溶性氯離子含量，可用式(5)計(jì)算出各試驗(yàn)條件下混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)D，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)D

由表8可知，相同凍融循環(huán)次數(shù)，30 V的氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯高于0 V的，表明雜散電流作用增大了氯離子擴(kuò)散系數(shù)，印證了雜散電流作用加速氯離子向混凝土內(nèi)部遷移的事實(shí)。200次凍融循環(huán)后，30 V的氯離子擴(kuò)散系數(shù)可達(dá)14.78×10-11m2/s是0 V的2.65倍。氯離子的快速遷移將使鋼筋表面氯離子濃度迅速達(dá)到鋼筋銹蝕的臨界濃度，縮短鋼筋初始銹蝕的時(shí)間，加快鋼筋銹蝕的進(jìn)程。

3.3 混凝土中鹽濃度梯度

混凝土中鹽濃度梯度是影響鹽凍破壞的重要因素，鹽濃度梯度越大，結(jié)冰時(shí)引起的滲透壓力越大，鹽凍破壞也更加嚴(yán)重。以圖6中水溶性氯離子含量近似計(jì)算混凝土中鹽濃度梯度，計(jì)算式為

(6)

表9 混凝土中最大鹽濃度梯度及其所在范圍

由表9可知，相同凍融循環(huán)次數(shù)，30 V的最大鹽濃度梯度均不小于0 V的，200次凍融循環(huán)后的最大鹽濃度梯度約為0 V的1.60倍，表明雜散電流作用增大了混凝土中鹽溶液梯度。此結(jié)果與圖5中抗凍性能劣化的規(guī)律一致，共同表明雜散電流作用增大了鹽凍對(duì)混凝土破壞。

4 微觀分析

4.1 MIP分析

F300混凝土試件經(jīng)3%NaCl溶液凍融循環(huán)300次后，試件表面處及鋼筋表面處砂漿樣品的孔徑分布見(jiàn)圖7。

圖7 砂漿樣品的孔徑分布

由圖7可知，相同取樣位置，30 V的樣品中凝膠孔(<10 nm)和過(guò)渡孔(10～100 nm)的數(shù)量明顯低于0 V的，而毛細(xì)孔(100～1 000 nm)和大孔(>1 000 nm)的數(shù)量明顯多于0 V的，表明雜散電流作用劣化了砂漿孔隙結(jié)構(gòu)。吳中偉等[21]將混凝土中孔按是否有害分為：無(wú)害孔(<20 nm)、少害孔(20～100 nm)、有害孔(100～200 nm)和多害孔(>200 nm)。按照此標(biāo)準(zhǔn)，砂漿樣品在不同孔徑范圍內(nèi)的孔體積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 不同孔徑范圍內(nèi)的孔體積

由圖8可知，在試件表面處，30 V的樣品中無(wú)害孔、少害孔數(shù)量均少于0 V的，而有害孔、多害孔的數(shù)量明顯多于0 V的，多害孔數(shù)量約為0 V的1.77倍。在鋼筋表面處，30 V樣品中無(wú)害孔、少害孔、有害孔數(shù)量較少，而多害孔數(shù)量明顯增多，多害孔數(shù)量約為0 V的1.60倍。上述結(jié)果表明，雜散電流-鹽凍耦合條件下雜散電流作用加劇了砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的劣化。

此外，相比于鋼筋表面處樣品，試件表面處樣品的無(wú)害孔、少害孔的數(shù)量較少，而多害孔的數(shù)量更多，表明此耦合條件下試件表面處孔隙結(jié)構(gòu)的劣化更為嚴(yán)重。

4.2 SEM-EDS分析

F300混凝土試件經(jīng)3%NaCl溶液凍融循環(huán)300次后，采用SEM對(duì)試件表面處和鋼筋表面處砂漿樣品的微觀形貌進(jìn)行分析，600倍下的分析結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 砂漿樣品的微觀形貌(20 μm)

由圖9(a)、圖9(c)可知，試件表面處樣品中孤立的顆粒較多，水化產(chǎn)物十分松散，內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的微裂縫和缺陷。相比0 V樣品，30 V樣品中裂縫寬度較大，最大裂縫寬度可達(dá)10 μm。由圖9(b)、圖9(d)可知，鋼筋表面處樣品中水化產(chǎn)物也十分松散，與試件表面處樣品相比，樣品中未見(jiàn)明顯裂縫，由此可知雜散電流-鹽凍耦合條件下試件表面處樣品的劣化更為嚴(yán)重。

在圖9(d)中發(fā)現(xiàn)有花瓣?duì)钗镔|(zhì)，對(duì)其進(jìn)行放大觀察，并進(jìn)行EDS分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 花瓣?duì)钗镔|(zhì)的SEM-EDS分析

圖10(a)中標(biāo)識(shí)為“1”的花瓣?duì)钗镔|(zhì)尺寸為3～5 μm，組成元素主要為Ca、O、Fe，推斷其為鋼筋銹蝕產(chǎn)物。此結(jié)果表明，30 V雜散電流作用下混凝土中鋼筋發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕，其銹蝕產(chǎn)物已經(jīng)侵入到周?chē)皾{中，此結(jié)果與圖4中鋼筋銹蝕情況吻合。

除30 V鋼筋表面處樣品外，其余樣品中均未發(fā)現(xiàn)明顯的鋼筋銹蝕產(chǎn)物。在圖9(c)中還發(fā)現(xiàn)了NaCl晶體，NaCl晶體的SEM-EDS分析結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 NaCl晶體的SEM-EDS分析

圖11(a)中標(biāo)識(shí)為“1”的立方晶體尺寸為2～5 μm，組成元素主要為Na、Cl，推斷其N(xiāo)aCl晶體。NaCl晶體將引起結(jié)晶膨脹破壞，會(huì)進(jìn)一步劣化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，在30 V試件表面處樣品中發(fā)現(xiàn)了分解的CH晶體，見(jiàn)圖12。

圖12 已分解CH晶體的SEM-EDS分析

圖12(a)中的六方片狀晶體為CH晶體，其表面孔洞較多，周?chē)奂姸鄻?biāo)識(shí)為“1”的短棒狀物質(zhì)，尺寸為0.5～1 μm，經(jīng)EDS分析后，其組成元素主要為Ca、O，n(Ca)/n(O)=2，推斷其為分解的CH晶體。

5 雜散電流作用影響混凝土劣化的機(jī)理

由前文研究結(jié)果可知，相比鹽凍條件，雜散電流-鹽凍耦合條件下混凝土的劣化更為嚴(yán)重。根據(jù)所得混凝土劣化特征及微觀分析結(jié)果，推斷雜散電流作用加劇混凝土劣化的機(jī)理主要在于以下三個(gè)方面：

(1)加速氯離子遷移

當(dāng)混凝土內(nèi)部鋼筋有雜散電流通過(guò)時(shí)，鋼筋可認(rèn)為是由無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)電荷構(gòu)成的正極，混凝土外側(cè)的土壤或者埋地的金屬管線可以看成是平板電極[22]，雜散電流作用在混凝土內(nèi)部形成的電場(chǎng)見(jiàn)圖13。

圖13 雜散電流作用形成的電場(chǎng)

由于氯離子攜帶負(fù)電荷，將在電場(chǎng)力作用下加速向混凝土內(nèi)部遷移，增大氯離子對(duì)混凝土的侵蝕。氯離子的侵入將增加混凝土飽水程度，增大混凝土內(nèi)鹽濃度梯度，引起更嚴(yán)重的鹽凍破壞。同時(shí)，氯鹽的大量侵入也會(huì)使得混凝土中鹽溶液因過(guò)飽和而結(jié)晶，產(chǎn)生結(jié)晶膨脹，導(dǎo)致混凝土膨脹開(kāi)裂。

(2)誘導(dǎo)水化產(chǎn)物分解

MIP分析結(jié)果表明，雜散電流作用后砂漿中凝膠孔和過(guò)渡孔的數(shù)量明顯降低，而毛細(xì)孔和大孔的數(shù)量明顯增多，雜散電流作用劣化了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，究其原因與水化產(chǎn)物CH及C-S-H凝膠的分解有關(guān)。與氯離子相反，混凝土中Ca2+將在電場(chǎng)力作用下加速向外界溶出。雜散電流作用加速了CH和C-S-H凝膠的脫鈣，誘導(dǎo)了水化產(chǎn)物的分解，相關(guān)反應(yīng)式為

Ca(OH)2→ Ca2++ 2OH-

(7)

3CaO·2SiO2·3H2O → 3Ca2++ 6OH-+ 2SiO2

(8)

(3)加速鋼筋銹蝕

雜散電流作用會(huì)增大混凝土中鋼筋陽(yáng)極的電化學(xué)腐蝕，鋼筋中雜散電流密度越大，鋼筋銹蝕的速度越快。同時(shí)，雜散電流作用引起的氯離子侵蝕、混凝土孔隙結(jié)構(gòu)劣化，又將進(jìn)一步加速鋼筋銹蝕。隨著鋼筋銹蝕產(chǎn)物的不斷增多，其產(chǎn)生的銹脹力將破壞混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混凝土銹脹開(kāi)裂，加速混凝土的劣化。

6 結(jié)論

(1)相比鹽凍條件，雜散電流-鹽凍耦合條件下混凝土質(zhì)量損失率明顯增大，相對(duì)動(dòng)彈性模量明顯降低，雜散電流作用增大了鹽凍對(duì)混凝土的破壞。雜散電流作用下，F(xiàn)300混凝土經(jīng)3%NaCl溶液凍融循環(huán)250次后就已破壞，其質(zhì)量損失率是無(wú)雜散電流作用的1.51倍，相對(duì)動(dòng)彈性模量是無(wú)雜散電流作用的85.8%。

(2)雜散電流-鹽凍耦合條件下，F(xiàn)300混凝土抗凍性能的劣化與凍融循環(huán)次數(shù)呈線性關(guān)系。此條件下的鹽凍破壞并非隨氯鹽濃度的增大而增大，3%NaCl溶液引起的鹽凍破壞更為嚴(yán)重。表7中的關(guān)系式可作為雜散電流加速混凝土鹽凍劣化的數(shù)學(xué)表達(dá)，反映出雜散電流強(qiáng)度對(duì)混凝土鹽凍劣化的影響。

(3)相比鹽凍條件，雜散電流-鹽凍耦合條件下混凝土中水溶性氯離子含量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯增大，雜散電流作用增大了氯離子對(duì)混凝土的侵蝕及混凝土中鹽濃度梯度。雜散電流作用下，F(xiàn)300混凝土經(jīng)3%NaCl溶液凍融循環(huán)200次后，表層(0～10 mm)水溶性氯離子含量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、最大鹽濃度梯度分別為無(wú)雜散電流作用的2.68、2.65、1.60倍。

(4)雜散電流-鹽凍耦合條件下，雜散電流作用加劇了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的劣化，并使得混凝土中CH晶體發(fā)生分解，鋼筋表面產(chǎn)生嚴(yán)重的銹蝕。相比鋼筋表面處，混凝土表面處的劣化更為嚴(yán)重。此條件下雜散電流作用加劇混凝土劣化的機(jī)理主要在于加速氯離子遷移、誘導(dǎo)水化產(chǎn)物分解、加速鋼筋銹蝕三個(gè)方面。