氯鹽滲透下鋼拱架銹蝕與噴射混凝土間銹脹力研究

王明年，楊恒洪，張藝騰，劉軻瑞，于 麗，*

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與水下隧道建設(shè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，多條跨越海灣的交通隧道已于近期完成規(guī)劃或建設(shè)。相比于一般隧道，海域環(huán)境中服役的隧道將長(zhǎng)期暴露于氯離子等侵蝕環(huán)境中，環(huán)境中的氯離子通過(guò)對(duì)流彌散作用穿過(guò)管片保護(hù)層并到達(dá)鋼拱架表面。一旦鋼拱架表面氯離子濃度達(dá)到鋼拱架銹蝕的臨界濃度，且有足夠的水分和氧氣存在，鋼拱架表面鈍化膜將受到破壞，鋼拱架產(chǎn)生銹蝕[1]。

大量試驗(yàn)表明，埋在混凝土中的鋼拱架發(fā)生銹蝕以后，其產(chǎn)生的鐵銹的體積是原來(lái)體積的2～4倍，因而會(huì)向周?chē)蛎洠摴凹芩闹艿幕炷羷t限制其膨脹，產(chǎn)生交界面上的壓力，這種壓力被稱為銹脹力。鋼拱架銹脹力會(huì)影響鋼拱架與混凝土的黏結(jié)性能，且將導(dǎo)致混凝土保護(hù)層受拉而開(kāi)裂。型鋼混凝土構(gòu)件受銹脹力縱裂后，鋼拱架銹蝕速度加快，這對(duì)型鋼混凝土構(gòu)件(初期支護(hù))的耐久性十分不利。因而，研究銹脹力對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性分析具有十分重要的意義，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。例如：丁萬(wàn)濤等[2]采用FLAC3D數(shù)值分析軟件及有限元強(qiáng)度折減思想，探討加筋銹蝕對(duì)錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)體系承載作用的劣化影響；曲立清等[3]建立了海底隧道混凝土在雙重破壞因素作用下的壽命預(yù)測(cè)模型；王明年等[4]建立了銹蝕工字鋼與噴射混凝土的黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系數(shù)學(xué)模型；王學(xué)斌[5]采用相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行綜合分析，評(píng)價(jià)了海底隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)境腐蝕性等級(jí)并分析了二次襯砌混凝土抗腐蝕性能；童建軍等[6]利用有限元軟件，考慮初期支護(hù)與二次襯砌荷載分配比例，研究了鋼拱架銹蝕率對(duì)其自身承載力的影響規(guī)律；王永東等[7]基于氯鹽侵蝕將海底隧道的壽命周期分為3個(gè)階段，并對(duì)鋼筋銹蝕階段進(jìn)行了量化細(xì)分，從氯鹽腐蝕的3個(gè)階段分析了海底隧道的耐久性。

目前，關(guān)于銹蝕鋼筋與混凝土之間銹脹力的研究成果很多[8-14]，但工字鋼(鋼拱架)銹脹力與鋼筋銹脹力可能有較大的不同，因?yàn)楣ぷ咒撆c鋼筋具有不同的特性: 1)工字鋼與混凝土的接觸面積遠(yuǎn)大于鋼筋、錨桿；2)工字鋼的空間形態(tài)與錨桿、鋼筋的空間形態(tài)不同，導(dǎo)致其力學(xué)性能存在差異。因此，研究工字鋼與混凝土之間的銹脹力具有一定意義。

本文首先通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了工字鋼在不同混凝土保護(hù)層厚度下的銹脹力及銹脹力與銹蝕率之間的關(guān)系，然后通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了銹脹力作用下混凝土裂縫、混凝土應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律以及混凝土脹裂應(yīng)力變化情況。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

已有的研究結(jié)果顯示，鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度對(duì)銹脹力的影響很大。一方面，保護(hù)層厚度大的構(gòu)件能更好地阻止地下水與鋼筋接觸，從而使鋼筋銹蝕的初始時(shí)間要晚；另一方面，保護(hù)層厚度越大，混凝土抵抗鋼筋銹脹力的能力就越強(qiáng)，從而使構(gòu)件不容易開(kāi)裂，能更好地保護(hù)鋼筋。本次銹脹力試驗(yàn)的目的是研究保護(hù)層厚度對(duì)工字鋼銹脹力的影響以及保護(hù)層厚度對(duì)銹脹承載力(脹裂時(shí)的銹脹力)的影響，并觀察混凝土裂縫的分布和發(fā)展，從而能清楚地了解海底隧道初期支護(hù)工字鋼與混凝土之間的相互作用，為海底隧道初期支護(hù)的病害研究提供依據(jù)。

1.2 試驗(yàn)原理及步驟

銹脹力試驗(yàn)難點(diǎn)有：1)通電快速銹蝕時(shí)銹蝕率不好控制；2)對(duì)用于測(cè)銹脹力的試驗(yàn)儀器既有強(qiáng)度要求(不能被壓壞)，又有防銹蝕要求，且儀器體積不能太大以防改變鋼筋混凝土內(nèi)部黏結(jié)的真實(shí)情況。

針對(duì)第1個(gè)難點(diǎn)，本試驗(yàn)預(yù)先澆筑同等大小、規(guī)格的工字鋼混凝土構(gòu)件，然后采用電解液快速腐蝕法加速鋼拱架的腐蝕。具體做法是：1)把試件放在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液中浸泡7 d，然后將試件橫放入電解槽中并加入相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液；2)將試件中的工字鋼用導(dǎo)線與可調(diào)式穩(wěn)壓電源的陽(yáng)極相接,電源陰極與溶液中的銅板連接，通過(guò)NaCl溶液形成回路,使陽(yáng)極的鋼拱架發(fā)生腐蝕。通電完成銹蝕后采用酸洗實(shí)測(cè)[15]的方法測(cè)定銹蝕率，具體做法如下：1)將混凝土試件鑿開(kāi)，取出銹蝕工字鋼；2)切割未包裹在混凝土中的銹蝕工字鋼；3)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的鹽酸溶液去除包裹在混凝土中的銹蝕工字鋼的銹蝕產(chǎn)物，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的碳酸鈉溶液中和，最后用水洗滌，放入烘箱烘干；4)將除銹后的工字鋼稱重，可得到除銹后的工字鋼質(zhì)量，進(jìn)一步得到實(shí)際的銹蝕損失質(zhì)量。

經(jīng)快速電解銹蝕后的工字鋼如圖1所示。由圖可以看出，工字鋼表面銹蝕較為均勻。銹蝕質(zhì)量與通電時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。快速銹蝕試驗(yàn)完成后以相同的快速銹蝕條件和環(huán)境進(jìn)行銹脹力試驗(yàn)，得到具體時(shí)間相應(yīng)銹蝕率所對(duì)應(yīng)的銹脹力。

圖1 快速電解銹蝕后的工字鋼

圖2 銹蝕質(zhì)量與通電時(shí)間的關(guān)系

對(duì)于銹脹力試驗(yàn)的第2個(gè)難點(diǎn)，本文采用的方法是：將土壓力盒(其外面用薄絕緣膜包裹)固定在工字鋼上，翼緣中部和腹板中部各布置1個(gè)，然后澆筑混凝土并通電銹蝕，用靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)得頻率，并將其轉(zhuǎn)換成銹脹力。土壓力盒的安置、保護(hù)和固定分別如圖3和圖4所示。應(yīng)變讀數(shù)儀如圖5所示。

圖3 土壓力盒安置示意圖

圖4 土壓力盒的保護(hù)與固定

圖5 應(yīng)變讀數(shù)儀

土壓力盒能夠滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)被壓壞。絕緣膜要薄，并且防水，其沒(méi)有壓縮性，能很好地傳遞銹脹力，絕緣膜的選用是本試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。

對(duì)于銹脹力試驗(yàn)，本文采用如下方案：1)按不同的混凝土保護(hù)層厚度澆筑構(gòu)件，研究?jī)?nèi)容包括早期銹脹力、開(kāi)裂銹脹力和后期銹脹力的對(duì)比。本試驗(yàn)設(shè)置4種不同的保護(hù)層厚度，分別為22、24、26、28 mm。2)不同的通電銹蝕時(shí)間得到不同銹蝕率下的銹脹力。

本次試驗(yàn)步驟如下：1)將土壓力盒安裝到工字鋼上,要求絕緣保護(hù)膜與工字鋼之間無(wú)雜質(zhì)，貼緊效果好，然后記錄土壓力盒編號(hào)和對(duì)應(yīng)的位置；2)澆筑混凝土構(gòu)件并養(yǎng)護(hù)，混凝土質(zhì)量配合比m水∶m碎石∶m砂∶m水泥=1∶3.5∶2.7∶1.8；3)通電銹蝕，記錄銹蝕時(shí)間(見(jiàn)表1)，銹蝕的同時(shí)將土壓力盒數(shù)據(jù)線連接到應(yīng)變儀上，記錄頻率數(shù)據(jù)；4)將頻率數(shù)據(jù)換算成銹脹力；5)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 銹脹力試驗(yàn)記錄

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 銹脹力

通過(guò)應(yīng)變儀記錄的數(shù)據(jù)是頻率值，需要轉(zhuǎn)換為銹脹力。轉(zhuǎn)換公式見(jiàn)式(1)。

p=a×10-4×(L+b)。

(1)

式中：p為銹脹力，MPa；L為記錄頻率值；a、b為壓力盒標(biāo)定系數(shù)。

銹脹力試驗(yàn)的通電電流和快速銹蝕試驗(yàn)電流相同，都控制在5 A，這樣可以根據(jù)圖2的曲線得出銹脹力與銹蝕率的關(guān)系圖。銹蝕率ρ為銹蝕質(zhì)量mt與原質(zhì)量m之比，即

ρ=mt/m。

(2)

如此可以得到翼板和肋板處銹脹力與銹蝕率的關(guān)系曲線，分別如圖6和圖7所示。

根據(jù)圖6和圖7可知：1)銹脹力隨著銹蝕率的增加而增大；2)相同銹蝕率情況下，銹脹力隨著保護(hù)層厚度的增加而增大。這是因?yàn)榛炷恋谋Ｗo(hù)層厚度越大，外圍混凝土的約束剛性就越大，鐵銹膨脹受到的阻力就越大，因此銹脹力就越大。

圖6 翼板處銹脹力與銹蝕率關(guān)系曲線

圖7 肋板處銹脹力與銹蝕率關(guān)系曲線

2.2 銹脹發(fā)展過(guò)程

在通電銹蝕過(guò)程中，銹脹的形成、發(fā)展一般分為3個(gè)階段：自由銹蝕階段、銹脹力明顯增加階段和脹裂。

1)自由銹蝕階段。當(dāng)工字鋼表面的鈍化膜遭到破壞時(shí)，鋼材處于活化狀態(tài)，陽(yáng)極區(qū)的鐵原子轉(zhuǎn)化為亞鐵離子Fe2+，其與OH-反應(yīng)生成Fe(OH)2，再與水和氧氣反應(yīng)生成Fe(OH)3。這種反應(yīng)模式得以實(shí)現(xiàn)的前提是混凝土是一種多孔材料，且工字鋼與混凝土的界面存在空隙，否則陰、陽(yáng)離子很難遷移，很難產(chǎn)生反應(yīng)。所以，銹蝕初期生成的鐵銹將首先填充工字鋼與混凝土界面間的空隙，部分還會(huì)滲入界面周?chē)炷恋目紫吨校珜?duì)周?chē)炷廉a(chǎn)生的壓力很小。顯然，孔隙或空隙的總體積越大，產(chǎn)生銹脹力的時(shí)間就越晚。孔隙或空隙的體積與工字鋼的表面積、混凝土的水灰比、水化程度及固結(jié)程度有關(guān)。混凝土越不密實(shí)，工字鋼銹蝕產(chǎn)物越容易向混凝土中擴(kuò)散和外逸，銹蝕產(chǎn)物在鋼筋周?chē)亩逊e量越少，鐵銹所引起的膨脹壓力越小。

2)銹脹力明顯增加階段。當(dāng)銹蝕產(chǎn)物的總量超過(guò)工字鋼與混凝土界面附近的孔隙或空隙可容納的銹蝕產(chǎn)物總量時(shí)，銹脹力開(kāi)始明顯增加。

3)脹裂。當(dāng)銹蝕產(chǎn)物的總量達(dá)到混凝土保護(hù)層脹裂時(shí)所能承受的最大銹蝕物量時(shí)，構(gòu)件便出現(xiàn)裂縫。在通電銹蝕過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)通電時(shí)間達(dá)到90 h左右時(shí)，構(gòu)件表面會(huì)出現(xiàn)明顯的縱向裂縫，如圖8所示。

圖8 構(gòu)件銹蝕脹裂

3 銹脹力作用影響

通過(guò)土壓力盒測(cè)量工字鋼銹蝕時(shí)的銹脹力，只能看到試驗(yàn)構(gòu)件表面的裂縫，而對(duì)于混凝土內(nèi)部的銹脹問(wèn)題、混凝土不同部位受到銹脹力的應(yīng)力、應(yīng)變問(wèn)題以及內(nèi)部裂縫的分布均不清楚。為了解工字鋼銹脹力作用下混凝土的內(nèi)部情況，本文采用有限元軟件ANSYS三維實(shí)體模型進(jìn)行模擬分析。

3.1 銹脹模型的建立

根據(jù)銹脹力試驗(yàn)所得，按照實(shí)測(cè)翼板部位與肋板部位銹脹力的比例來(lái)設(shè)置數(shù)值模擬面荷載，研究混凝土開(kāi)裂區(qū)的裂縫、應(yīng)力、應(yīng)變及脹裂應(yīng)力。

混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Kent-Park模型，具體參數(shù)見(jiàn)表2。破壞準(zhǔn)則采用Willam & Warnke 5參數(shù)破壞準(zhǔn)則，裂縫為彌散固定裂縫模式。

表2 噴射混凝土材料參數(shù)

混凝土采用solid65單元模擬，模型采用三維實(shí)體分析。由于試驗(yàn)構(gòu)件是對(duì)稱的，模型建立時(shí)只取構(gòu)件一半的尺寸。銹脹力采用面荷載模擬(見(jiàn)圖9)，網(wǎng)格劃分為六面體單元(見(jiàn)圖10)。模型底面用LINK單元連接，只受拉。每1種保護(hù)層厚度建立1種模型，所加的面荷載從小逐步增大，直到混凝土出現(xiàn)裂縫為止。

圖9 面荷載示意圖

圖10 單元網(wǎng)格模型

3.2 銹脹力數(shù)值結(jié)果分析

3.2.1 裂縫

數(shù)值計(jì)算得到的混凝土銹脹裂縫如圖11所示。由圖可以看出，混凝土在銹脹力作用下的開(kāi)裂情況及裂縫的分布規(guī)律如下：

圖11 混凝土銹脹裂縫

1)工字鋼混凝土構(gòu)件銹脹開(kāi)裂，裂縫集中于混凝土與工字鋼翼緣接觸的位置，即翼緣中部和2個(gè)角點(diǎn)。腹板位置的混凝土不出現(xiàn)裂縫，原因在于腹板處混凝土的保護(hù)層很厚，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于翼緣位置處混凝土的保護(hù)層厚度，所以裂縫集中在翼緣位置。

2)翼緣中部的裂縫由外向內(nèi)發(fā)展，所以這個(gè)區(qū)域的裂縫首先出現(xiàn)在混凝土構(gòu)件的外表面，然后隨著銹脹力的增大逐漸向混凝土內(nèi)部發(fā)展。

3)2角點(diǎn)區(qū)域的混凝土裂縫由內(nèi)向外發(fā)展。裂縫產(chǎn)生于與工字鋼接觸的混凝土表面，然后逐步向外發(fā)展。原因是角點(diǎn)部位受到2個(gè)垂直方向(1個(gè)向上，另1個(gè)向兩側(cè))的銹脹力作用，導(dǎo)致角點(diǎn)部位混凝土內(nèi)部受拉而開(kāi)裂。角點(diǎn)裂縫在開(kāi)裂后不會(huì)馬上被觀察到。

3.2.2 混凝土應(yīng)力、應(yīng)變

混凝土開(kāi)裂區(qū)應(yīng)力如圖12所示。由圖12可知：1)在3個(gè)裂縫區(qū)，混凝土受到的應(yīng)力均為拉應(yīng)力，這也是裂縫發(fā)生的原因。2)翼緣中間部分拉應(yīng)力由外向內(nèi)依次減小，而2角點(diǎn)的拉應(yīng)力由內(nèi)向外依次減小。混凝土開(kāi)裂區(qū)應(yīng)變?nèi)鐖D13所示。由圖13可知：1)3個(gè)裂縫區(qū)均為拉應(yīng)變區(qū)。2)翼緣中部外側(cè)拉應(yīng)變大于內(nèi)側(cè)拉應(yīng)變，而角點(diǎn)內(nèi)側(cè)拉應(yīng)變大于角點(diǎn)外側(cè)拉應(yīng)變。混凝土拉應(yīng)力和拉應(yīng)變的發(fā)展方向代表著混凝土裂縫的發(fā)展趨勢(shì)。

圖12 混凝土開(kāi)裂區(qū)應(yīng)力(單位：kPa)

圖13 混凝土開(kāi)裂區(qū)應(yīng)變

3.2.3 脹裂應(yīng)力

混凝土脹裂應(yīng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖14所示。由圖可以看出，數(shù)值計(jì)算得到的混凝土脹裂應(yīng)力隨保護(hù)層厚度的變化規(guī)律與試驗(yàn)得到的規(guī)律是一樣的；但數(shù)值計(jì)算得出的混凝土脹裂應(yīng)力要大于試驗(yàn)得到的混凝土脹裂應(yīng)力，兩者比值約為1.25。其主要原因?yàn)樵囼?yàn)中工字鋼銹蝕時(shí)，混凝土與工字鋼接觸面存在空隙，銹蝕產(chǎn)物要先填滿這些空隙才能產(chǎn)生銹脹力；而數(shù)值計(jì)算時(shí)，混凝土單元是絕對(duì)密實(shí)的，只要存在面荷載作用，銹脹力就會(huì)充分體現(xiàn)。

圖14 混凝土脹裂應(yīng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論與建議

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬方法對(duì)工字鋼銹脹的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論與建議：

1)相同保護(hù)層厚度下，銹脹力隨著銹蝕率的增加而增大；相同銹蝕率時(shí)，銹脹力隨著保護(hù)層厚度的增加而增大。根據(jù)銹脹力試驗(yàn)可知，在保護(hù)層厚度為28 mm、銹蝕率為8%時(shí)，翼板處的最大銹脹力約為0.65 MPa，肋板處約為0.98 MPa。

2)工字鋼混凝土構(gòu)件銹脹開(kāi)裂，裂縫集中于翼緣中部和2個(gè)角點(diǎn)，翼緣中部的裂縫由外向內(nèi)發(fā)展，2角點(diǎn)區(qū)域的裂縫由內(nèi)向外發(fā)展。3個(gè)裂縫區(qū)的混凝土均受拉應(yīng)力，翼緣中間部分拉應(yīng)力由外向內(nèi)依次減小，而2角點(diǎn)的拉應(yīng)力由內(nèi)向外依次減小。

3)數(shù)值計(jì)算得到的混凝土脹裂應(yīng)力隨保護(hù)層厚度的變化規(guī)律與試驗(yàn)得到的規(guī)律相同，但數(shù)值計(jì)算得出的混凝土脹裂應(yīng)力大于試驗(yàn)得到的混凝土脹裂應(yīng)力，兩者比值約為1.25。

4)本文目前只考慮了氯鹽滲透下鋼拱架銹蝕與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的膨脹力，對(duì)于氯離子滲透規(guī)律目前尚未開(kāi)展試驗(yàn)研究。此外，采用的數(shù)值模擬方法主要獲得了不同保護(hù)層厚度下混凝土的脹裂應(yīng)力，但不能反映出鋼拱架銹蝕過(guò)程及銹脹力發(fā)展趨勢(shì)，建議后續(xù)在本文的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究。