腐蝕性水環境下開裂地鐵側墻環氧灌漿效果試驗研究

鄭博宇 董宏波 毛江鴻

摘? 要：沿海地區地下水環境中腐蝕性介質含量高，地鐵側墻開裂后存在高腐蝕風險。環氧樹脂灌漿法是修復地鐵側墻裂縫的主要方法，然而修復后結構在腐蝕地下水環境中的長期服役性能尚不明確。文章利用干濕循環模擬腐蝕性水環境中環氧樹脂灌漿修復后的混凝土長期劣化過程，結合電化學評估方法評價內部鋼筋的腐蝕過程。結果表明，有效的環氧樹脂灌漿修復將提升結構壽命至未開裂水平，但需要保障鋼筋周圍包裹環氧樹脂材料。

關鍵詞：地鐵側墻;耐久性;環氧灌漿;鋼筋銹蝕

中圖分類號：U231.4? ? ? ? ?文獻標志碼：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]。軌道交通工程設計使用年限為100年，對于混凝土結構的質量有很高的要求，但沿海地區土質多為軟土，工程地質條件較差且地下水位高，給施工建設造成了很大的困難，容易產生開裂滲水的問題。在潮濕和地下水[2，3]流經的環境中，裂縫的產生不僅會加快銹蝕速率。根據調研結果，浙江寧波部分區域的地下水中氯離子含量超過3500mg/L，同時結構還受荷載、雜散電流[4，5]等影響，在很大程度上加劇了對結構的侵蝕作用，會顯著降低結構的耐久性，因此必須及時修復裂縫。常見的地鐵混凝土結構裂縫修復方法有表面修補法、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法，能有效修補混凝土中裂縫，且擁有良好的抗滲性，適用于對抗滲有要求工程中的裂縫修補[6]，但灌漿法修復后的混凝土結構耐久性存疑。為此本文開展了腐蝕性水環境下開裂地鐵側墻環氧灌漿后的耐久性試驗，采用電化學手段評價了灌漿法在長期服役過程中對鋼筋的保護效果。

1 不同修復效果下的鋼筋腐蝕行為

1.1 試件制備

試件尺寸為300mm×150mm×100mm，內部設置兩根直徑10mm，長330mm的HRB400鋼筋，分別在試件兩端各露出15mm用以連接導線，露出的鋼筋用環氧樹脂灌封膠封閉，鋼筋保護層厚度30mm，試件設計如圖1（a）所示。混凝土強度為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機三點加載使試件中部受彎制作。在試件側面依據灌漿法進行鉆孔，直達裂縫面并埋入灌漿止水針頭形成灌漿通道，最后使用灌漿機完成灌漿。根據調研，高滲透改性環氧樹脂在地鐵混凝土裂縫修復中廣泛使用，本文采用該類型材料作為灌漿法的修復材料，灌漿后效果如圖1（b）所示。

1.2 耐久性加速劣化及監測

將修復后的試件置于ZXC型潮汐模擬池中，該裝置工作時可通過在兩個水池中來回抽水模擬海洋環境中的潮汐進行干濕循環，類似也可模擬地下結構隨地下水位漲落的干濕交替情況。干濕循環試驗周期設計為3天一個周期，每個周期干濕比為3：1，即干54h，濕18h，水溶液為質量分數3.5%的NaCl溶液，共進行40個干濕循環周期。每兩個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工作站Reference600采用三電極系統，鋼筋混凝土試件中的一根鋼筋作為工作電極，另一個不銹鋼棒作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極。試驗設置電化學工作站從相對于開路電位開始掃描，掃描區間為-70mV到+70mV，為弱極化區;為保證獲得穩態弱極化曲線，取掃描速率為0.15mV/s。

1.3 鋼筋的腐蝕電化學參數特征

使用電化學工作站Gamry Echem Analyst分析軟件計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，將兩者在干濕循環全周期中的變化過程繪制于圖2。

混凝土結構中的鋼筋進行電化學腐蝕的過程時，其陰極反應與陽極反應是在同一點位下進行的，這兩個反應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規范[7]中提供判斷標準為電位>-200mV時有5%腐蝕概率;-200～-350mV范圍中為50%概率;電位<-350mV時有95%腐蝕概率。

對比圖2（a）和圖2（b）可知，W試件在干濕循環進行59天時腐蝕電位降低至-200mV以下，腐蝕概率達到50%。K試件在41天時達到50%的腐蝕概率，相比W試件提早了17天，此后的干濕循環過程中K試件的腐蝕電位快速降低，僅19天后達到-350mV，進入95%腐蝕概率，其腐蝕電位降幅遠大于W試件。由此可知，混凝土開裂后內部鋼筋暴露在腐蝕環境中銹蝕風險極高，將極大縮短結構壽命。

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

腐蝕電流密度icorr是腐蝕進程中反應速度最直觀的電化學參數，體現了陽極反應和陰極反應的交換電流密度，平衡電位及Tafel斜率。我國規范[9]中提供判斷標準為icorr≤0.1μA/cm2時不腐蝕，0.1μA/cm2

對比圖2（a）和圖2（c）可知，G試件在干濕循環72天后進入中等腐蝕速率，相比完整試件W推遲14天進入中等腐蝕速率。說明有效的環氧樹脂修復可提升耐久性能至未開裂前水平，甚至優于原結構。原因為高滲透改性環氧樹脂是環氧樹脂系膠黏劑為方便裂縫壓力注漿的改良分支，其亦有環氧樹脂系膠黏劑的良好粘結強度，抗滲性等，當通過注漿方式填滿裂縫，漿液包裹裂縫內的鋼筋后將有效減少外界有害離子侵蝕，即使結構長期服役后修補位置再次新生裂隙，只要環氧仍包裹縫內鋼筋，依然可形成有效的保護。

2 結論

本文利用干濕循環模擬腐蝕性水環境中環氧樹脂灌漿修復后的混凝土長期劣化試驗。結果表明，環氧樹脂灌漿修復后將有效保護裂縫內部鋼筋，大幅提升混凝土結構耐壽命，甚至恢復至無裂縫情況下的耐久性能，而未修復的混凝土結構鋼筋銹蝕風險將顯著增加，服役壽命大幅縮短。從耐久性角度出發，建議灌漿修復須保證環氧樹脂包裹結構內鋼筋以保障腐蝕環境下的混凝土結構耐久性。

參考文獻：

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[7]ASTM C876-2015.Standard test method for corrosion potentials of uncoated reinforcing steel in concrete[S].

[8]DB33-T1128.混凝土結構耐久性技術規程[S].北京，2017.