基于自然電位法的錨桿銹蝕規(guī)律及耐久性研究

崔學(xué)忠

摘要：我國當(dāng)前擁有大量的既有運營隧道，作為初期支護中重要構(gòu)件的錨桿面臨著巨大的耐久性考驗。本文通過對錨桿的實際狀態(tài)的分析，將錨桿所處的環(huán)境劃分為4類、化學(xué)環(huán)境分為3類，同時考慮不同的施工情況，采用自然電位法對銹蝕規(guī)律展開研究，結(jié)果表明：錨桿銹蝕速度表現(xiàn)為氯鹽——氯鹽+硫酸——浸泡——硫酸鹽的規(guī)律遞減，施工條件對錨桿劣化的影響起重要作用，經(jīng)過分析表明當(dāng)前的施工條件無法滿足錨桿100年的使用壽命。

Abstract： China currently has a large number of existing operating tunnels， and the anchors， which are important components in the initial support， face enormous durability tests. Based on the analysis of the actual state of the anchors， the environment in which the anchor is located is divided into four categories， and the chemical environment is divided into three categories. At the same time， different construction conditions are considered， and the corrosion law is studied by the natural potential method. The results show that： The corrosion rate of anchor is characterized by the decreasing law of chloride salt - chloride salt + sulfuric acid - soaking - sulfate， and the construction conditions play an important role in the impact of anchor deterioration. After analysis， the current construction conditions can not meet the demand of the 100 years service life of anchor.

關(guān)鍵詞：自然電位法;錨桿;銹蝕規(guī)律;耐久性

Key words： natural potential method;anchor;corrosion law;durability

中圖分類號：TD350 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）11-0161-05

0 ?引言

我國當(dāng)前是世界上隧道數(shù)量及隧道延長最多的國家[1]，復(fù)合式襯砌已經(jīng)成為當(dāng)前山嶺隧道的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式，其中錨噴支護是初期支護中必要的構(gòu)件。當(dāng)前施做的錨桿大多是砂漿錨桿，一般是采用水泥砂漿包裹其外表面，其作用主要體現(xiàn)在兩個方面：其一是可以很好的握裹鋼筋，增加錨桿和圍巖體之間的摩阻力;其二是水泥砂漿具有一定的防水功效，錨桿表面包裹水泥砂漿可有效阻止地下水對錨桿的腐蝕作用。但是由于錨桿施作時很難做到水泥砂漿完全包裹桿體，砂漿質(zhì)量難于控制，若圍巖中富含地下水時，錨桿易腐蝕。

對于錨桿的銹蝕問題，在煤礦領(lǐng)域很早就有關(guān)注[2]，調(diào)查發(fā)現(xiàn)90%的巷道都有錨桿銹蝕現(xiàn)象，其中有60%的巷道受到錨桿銹蝕較大影響，有40%的巷道隨著支護年限的增加，錨桿銹蝕已造成重大影響，甚至造成銹斷破壞，直接影響錨噴支護的效果。范建海等[3]發(fā)現(xiàn)以砂漿錨桿為主體的錨噴支護安全能滿足永久支護的要求，且錨桿支護與噴射混凝土支護作用是相輔相成的，但錨噴支護不當(dāng)?shù)氖┕た赡芤疱^噴支護的永久性受到很大影響。趙健等[4]從已建工程中取出的早期使用3-28年不同齡期的錨桿和17年期現(xiàn)場縮尺試驗錨桿的腐蝕現(xiàn)狀，對其銹蝕狀況和使用環(huán)境因素做了宏觀觀察和分析，對其點蝕、坑蝕、失重、腐蝕速度和強度等力學(xué)性能進行了較全面的測試和分析，取得了不同令期的錨桿銹蝕狀況和影響其耐久性及使用壽命的第一手資料。夏寧等[5]用有限元軟件ANSYS8.0中基于彌散固定裂縫模型的具有開裂功能的Solid65單元對砂漿錨桿錨固段保護層的銹蝕脹裂過程進行數(shù)值模擬。應(yīng)用算例說明，在銹蝕量相等的情況下，桿體發(fā)生均勻銹蝕和不均勻銹蝕時，砂漿保護層的開裂程度是明顯不同的，銹蝕對砂漿保護層的破壞程度是不一樣的，由此提出在進行銹脹預(yù)測時均勻銹蝕假定應(yīng)慎用的觀點。胡江春等[6]研究了錨桿表面銹蝕過程中的電化學(xué)交流阻抗譜的變化，分析了錨桿在不同土體環(huán)境、不同頻段中的總阻抗均值的變化規(guī)律。

當(dāng)前的研究對于環(huán)境和施工的影響并沒有太多的滲入，同時對于耐久性的研究來看，為了減少鋼材銹蝕對結(jié)構(gòu)造成危害，需即時了解結(jié)構(gòu)中的鋼材銹蝕狀態(tài)，據(jù)此對錨桿和鋼架采取必要措施，減少錨桿和鋼架銹蝕。

1 ?錨桿銹蝕機理及銹蝕評價標(biāo)準(zhǔn)

砂漿或噴混凝土中水泥水化后，生成大量的氫氧化鈣，使砂漿中含有大量的氫氧根離子，pH值一般可達到12～14，鋼材在這樣的高堿環(huán)境中，其表面會生成一層鈍化膜，這種鈍化膜能阻止錨桿或鋼架的銹蝕。若隧道地下水中含有氯鹽時，氯離子通常通過錨桿或鋼架保護層的宏觀、微觀缺陷，滲透到保護層內(nèi)部并達到錨桿或鋼架表面，直接或間接破壞錨桿或鋼架表面的鈍化膜，使鋼材加速銹蝕繼而銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，使錨桿或鋼架的保護層開裂與脫落。

本文錨桿銹蝕測試方法采用自然電位法，自然電位通過測定鋼筋電極電位差來定性判定錨桿和鋼架銹蝕狀況，其基本原理是：混凝土中的鋼筋與周圍介質(zhì)在交界面上相互作用形成雙電層，并與介質(zhì)兩側(cè)產(chǎn)生電位差，通過測試電位差判定鋼筋所處的狀態(tài)。

砂漿或混凝土中鋼筋銹蝕是在多相介質(zhì)中的電化學(xué)銹蝕過程，這一過程包括兩個相互獨立又相互依存的陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)，其作用結(jié)果是在鋼筋上建立起一個穩(wěn)定的混合電位，即鋼筋的自銹蝕電位。當(dāng)所處的環(huán)境不同時，鋼筋表面的銹蝕狀態(tài)也不同，相應(yīng)的電位就不同，且一般可分為以下四種情況：

1.1 鈍化狀態(tài)

在完好或被輕微侵蝕、且碳化深度很小的混凝土中，鋼筋處于鈍化狀態(tài)，鋼筋銹蝕速率很低，可認(rèn)為鋼筋無銹蝕，鋼筋的電位表現(xiàn)為正。

1.2 局部銹蝕

在具有較好導(dǎo)電性、pH值較大的混凝土中，當(dāng)氯離子只到達鋼筋表面部分區(qū)域時，表現(xiàn)為活化一鈍化銹蝕電池的局部銹蝕。銹蝕區(qū)電位為負(fù)，鈍化區(qū)電位為正，且電位梯度較高，通常為-100～-200mV。

1.3 均勻銹蝕

即鋼筋處于全面銹蝕狀態(tài)。均勻銹蝕是由碳化銹蝕（pH值低于鈍化范圍）或大量的氯離子使鈍化膜全面破壞所致，此時銹蝕電位很低，通常為-350mV以下。

1.4 低氧銹蝕

當(dāng)混凝土中的氧氣不能維持鈍化電流時，鋼筋表面的鈍化膜將溶解為FeO2，銹蝕電位很低，只要混凝土中的氧氣不足以進行陰極反應(yīng)，鋼筋就基本不銹蝕。這種情況一般發(fā)生在長期飽水的混凝土結(jié)構(gòu)物上，這種情況下的銹蝕電位也在-350mV以下。

銹蝕電位在-200～-230mV的情況下，銹蝕的概率為5%;在-230～-280mV的情況下，銹蝕的概率為50%，在

-280～-350mV的情況下，銹蝕的概率為95%。

混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)也可用電流進行評價，銹蝕電流在一定的程度上可以反映鋼筋銹蝕速度的快慢，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2 ?錨桿劣化規(guī)律試驗研究

2.1 錨桿劣化試驗方案設(shè)計

通過室內(nèi)錨桿劣化規(guī)律試驗，定性說明錨桿在各種環(huán)境條件及施工條件下的銹蝕速度，定量說明錨桿的銹蝕量，揭示砂漿錨桿的劣化規(guī)律，為錨桿設(shè)計和施工提供理論指導(dǎo)。

2.1.1 一般環(huán)境中錨桿試驗工況設(shè)計

根據(jù)環(huán)境條件的不同，將錨桿所處一般環(huán)境分別設(shè)置為：

①基本干燥環(huán)境（濕度<40%）;

②潮濕環(huán)境（濕度處在60～90%之間）;

③完全濕潤環(huán)境（濕度>90%）;

④干濕交替環(huán)境。

2.1.2 銹蝕環(huán)境中錨桿試驗工況設(shè)計

錨桿在銹蝕環(huán)境中的試驗都采用干濕交替方式進行，銹蝕環(huán)境包含三種情況：

①氯鹽銹蝕環(huán)境;

②硫酸鹽銹蝕環(huán)境;

③氯鹽+硫酸鹽復(fù)合銹蝕環(huán)境。

2.1.3 施工不良時錨桿試驗工況設(shè)計

錨桿施工不良是指其保護層厚度不足或者沒有完全被砂漿包裹。錨桿施工缺陷設(shè)計分別設(shè)置為：

①錨桿對中不良所造成的某一側(cè)砂漿厚度不夠或者錨桿直接接觸圍巖;

②錨桿注漿后，漿液隨裂隙流失，造成錨桿的砂漿厚度不夠;

③錨桿注漿量不夠，砂漿沒有完全包裹錨桿。

以上施工缺陷試驗都設(shè)定在氯鹽環(huán)境或者氯鹽+硫酸鹽復(fù)合環(huán)境中，且處于干濕交替情況下。錨桿類別按施工質(zhì)量主要分為三種：

其一施工良好（保護層足夠）錨桿;

其二施工不良（保護層不夠或沒有完全包裹）錨桿;

其三裸露錨桿。

錨桿的具體試驗工況見表2。

2.2 試件制作和腐蝕溶液配制

錨桿采用φ10的RHB335鋼筋進行模擬，每根長45cm。砂漿采用拉法基32.5水泥及河砂配制而成，水泥和河砂的重量比為1：1.5，水灰比為0.45。試驗錨桿按裸錨桿、施工良好和施工不良三種制作，如圖1所示。

氯鹽環(huán)境采用5%氯化鈉溶液進行模擬，硫酸鹽環(huán)境采用5%硫酸鈉溶液進行模擬，氯鹽+硫酸鹽復(fù)合環(huán)境采用2.5%氯化鈉和2.5%硫酸鈉溶液進行模擬，如圖2所示。

2.3 錨桿劣化試驗結(jié)果與分析

采用德國CHAIN LTM陽極測試儀對不同試驗工況下錨桿的腐蝕程度進行測試，分別測試銹蝕電壓和銹蝕電流密度，并繪制銹蝕電壓和銹蝕電流密度隨時間變化曲線圖見圖3、4。

2.3.1 施工條件對錨桿劣化的影響

將不同施工條件錨桿以及裸露錨桿分別放置在硫酸鹽銹蝕環(huán)境、氯鹽銹蝕環(huán)境和硫酸鹽+氯鹽的雙重銹蝕環(huán)境中劣化，測試銹蝕電壓和銹蝕電流密度隨時間變化，測試所得數(shù)據(jù)及隨時間變化規(guī)律如圖5～7所示。

由圖5～7可知，裸錨桿的銹蝕電壓和銹蝕電流密度較高，施工不良的銹蝕電壓和銹蝕電流密度次之，施工良好的銹蝕電壓和銹蝕電流密度較低?？傮w上來講，施工良好的銹蝕電壓和銹蝕電流密度普遍較低，對錨桿的防銹蝕是有利的。

2.3.2 環(huán)境條件對裸露錨桿劣化的影響

裸露錨桿在不同的環(huán)境中銹蝕電壓和電流密度測試結(jié)果見圖8。

從圖8中測試數(shù)據(jù)看出：

①裸錨桿的銹蝕電壓和銹蝕電流密度在各種環(huán)境中的值有較大的變化，銹蝕電壓的值表現(xiàn)為干濕交替—硫酸鹽—氯鹽—硫酸鹽+氯鹽—浸泡的規(guī)律遞增;

②銹蝕電流密度的值表現(xiàn)為干濕交替—硫酸鹽—硫酸鹽+氯鹽—氯鹽—浸泡的規(guī)律遞增，可見銹蝕電流密度和銹蝕電壓的相關(guān)性較強;

③從數(shù)據(jù)和表觀上都可以看出，氯鹽對裸錨桿的銹蝕速度較快，硫酸鹽+氯鹽環(huán)境其次，硫酸鹽環(huán)境的銹蝕速度最慢，可見氯鹽對鋼筋的銹蝕有較大的影響。

2.3.3 施工質(zhì)量對錨桿劣化的影響

將施工良好和施工不良錨桿分別放置于不同腐蝕環(huán)境下進行劣化試驗，每隔一定時間測試銹蝕電壓和銹蝕電流密度，測試結(jié)果及變化規(guī)律見圖9、圖10。

從圖9、圖10中測試數(shù)據(jù)可以看出：

①從銹蝕電壓和銹蝕電流密度都可以說明氯鹽的銹蝕速度較快，硫酸鹽+氯鹽的次之，硫酸鹽的銹蝕速度最慢;

②處于硫酸鹽中的銹蝕電壓跳動較大，氯鹽和硫酸鹽+氯鹽的數(shù)據(jù)相對較為平穩(wěn)，且有逐漸增大的趨勢，可見銹蝕的速度是在加快的;

③施工不良錨桿較施工良好錨桿腐蝕電壓要低很多，而腐蝕電流略低一些，說明施工條件對錨桿劣化影響較為顯著。

3 ?結(jié)論

通過以上不同類型的錨桿在不同環(huán)境中劣化試驗數(shù)據(jù)以及試驗觀察可以得到以下幾點結(jié)論：

①不同環(huán)境下，錨桿的腐蝕速度也不同，具體腐蝕速度表現(xiàn)為氯鹽—氯鹽+硫酸—浸泡—硫酸鹽的規(guī)律遞減;

②施工條件對錨桿劣化的影響起重要作用，裸錨桿劣化程度最高，施工不良條件下劣化程度其次，施工條件良好條件下劣化程度較低;

③按照當(dāng)前的腐蝕速度不降低推算，即使施工良好的錨桿，其使用壽命也就80年左右，不能保證100年的使用壽命，若要保證100年的使用壽命，需要進行特殊處理。

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