第3章　有壓滲透下鋼筋混凝土抗腐蝕耐久性

3.1　無壓毛細滲透作用和有壓滲透作用腐蝕試驗研究

規(guī)范對“干濕交替環(huán)境”和“薄壁混凝土結(jié)構(gòu)”的定義不清。對于“干濕交替環(huán)境”，《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》（GB/T 50476—2008）第4.2.2條規(guī)定“配筋混凝土墻、板構(gòu)件的一側(cè)表面接觸室內(nèi)干燥空氣、另一側(cè)表面接觸水或濕潤土體時，接觸空氣一側(cè)的環(huán)境作用等級宜按干濕交替環(huán)境確定。”但在條文說明中說明：“如果混凝土密實性好、構(gòu)件厚度較大或臨水表面已作可靠防護層，臨水側(cè)的水分供給可以被有效隔斷，這時干燥空氣一側(cè)可不按Ⅰ-C級（干濕交替環(huán)境）考慮。”《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》（TB 10005—2010）4.3.4條注2中說明：“對于一面接觸含鹽環(huán)境水（土）而另一面臨空且處于大氣干燥或多風環(huán)境中的薄壁混凝土結(jié)構(gòu)（如隧道襯砌），臨空面的混凝土按遭受鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境作用考慮。”

也就是說，在構(gòu)件的一側(cè)表面接觸室內(nèi)干燥空氣或多風環(huán)境、另一側(cè)表面接觸含鹽環(huán)境水或濕潤土體的情況下，對于多厚構(gòu)件可不按Ⅰ-C級（干濕交替環(huán)境）考慮，或者不作為薄壁混凝土結(jié)構(gòu)。

為了解決上述疑惑，本書開展了無壓毛細滲透作用環(huán)境和有壓滲透環(huán)境下氯鹽腐蝕試驗研究。

3.1.1　無壓毛細滲透作用環(huán)境

制作兩組150mm×150mm×300mm的試件，四周用蠟密封，底端浸入5%MgSO4+3.5%NaCl溶液中，而頂端處于干燥多風的環(huán)境下。即采用不摻引氣劑的SD38和摻加引氣劑的YSD38兩組試件養(yǎng)護至28d后，放入恒溫（20℃）、恒濕（60%）的鼓風箱內(nèi)進行試驗。試驗至一定齡期后，劈開觀察滲水高度，并分層取樣分析腐蝕離子的滲透高度和濃度。

試驗至90d、180d和365d齡期時，劈開試件肉眼均未見任何滲水痕跡。由于氯離子在混凝土中的遷移速度比硫酸根離子快，因此本書主要以氯離子來表征腐蝕離子在此試驗條件下的滲透深度和濃度。毛細滲透作用下氯離子的滲透深度及其濃度試驗結(jié)果見表3.1。

由表3.1可知，對于厚度30cm的混凝土試件，一端處于腐蝕溶液中，另一端處于溫度20℃和濕度60%的多風環(huán)境下至90d后，混凝土中氯離子的滲透深度只有約4cm，危害深度不到1cm，且隨試驗齡期增長，20mm以后內(nèi)部混凝土中氯離子濃度無變化。

引氣混凝土較非引氣混凝土中的氯離子濃度小。

在干濕交替作用下，氯化物被帶進混凝土中的主要機理是混凝土毛細管張力下的吸收作用，其傳輸速度遠大于飽水混凝土里外氯離子濃差引起的離子擴散速度。然而，在毛細管張力作用下離子侵入混凝土內(nèi)部的高度是有限的。有調(diào)查表明，鹽湖地區(qū)混凝土構(gòu)件腐蝕最嚴重的位置在地面以上30cm以內(nèi)的鹵水干濕交替部位，在這種環(huán)境條件下，混凝土一年左右即發(fā)生侵蝕，腐蝕特征表現(xiàn)為混凝土從表面開始粉化剝落。鹽漬土地面以上30cm內(nèi)混凝土的破壞與蘇聯(lián)學者關(guān)于“普通混凝土吸收氯鹽的高度不超過30cm”的結(jié)論相符。也就是說，當鋼筋混凝土構(gòu)件厚度大于30cm時，一側(cè)表面接觸室內(nèi)干燥空氣或多風環(huán)境、另一側(cè)表面接觸含鹽環(huán)境水或濕潤土體的情況下可不考慮干濕交替結(jié)晶膨脹破壞。深圳地鐵工程現(xiàn)澆鋼筋混凝土壁厚通常為60～80cm，因此可認為不存在薄壁結(jié)構(gòu)干濕交替腐蝕危害狀況。

干濕交替的腐蝕環(huán)境存在于地鐵站等出地面的現(xiàn)澆混凝土工段，混凝土墻體外側(cè)處于干濕交替的腐蝕環(huán)境中。如其中紅樹灣站、福永站等工段處于非常嚴重氯鹽腐蝕環(huán)境（Ⅳ-E）；后海站、前海灣站處于氯鹽非常嚴重腐蝕環(huán)境加硫酸鹽嚴重腐蝕環(huán)境（Ⅳ-E、Ⅴ-D）。

3.1.2　有壓滲透作用環(huán)境

采用YSD38混凝土配合比，成型制作混凝土抗?jié)B試件，試件高150mm，在試件中間埋設?10鋼筋，即試件上下端鋼筋保護層厚度均為70mm。混凝土試件標準養(yǎng)護28d后，封入抗?jié)B試模，抗?jié)B試驗機采用氯離子15000mg/L+硫酸根離子3000mg/L+鎂離子1500mg/L溶液，在0.3MPa壓力下開展?jié)B透試驗。定期使用陽極電位儀測量預埋鋼筋的半電池電位，反映其鋼筋銹蝕情況。試驗至90d、180d和365d齡期時，劈開試件檢測滲透深度、不同深度氯離子含量。預埋鋼筋半電池電位檢測結(jié)果和劈裂試件后鋼筋狀況如圖3.1和圖3.2所示，混凝土滲透深度和氯離子含量試驗結(jié)果見表3.2。

根據(jù)《水運工程混凝土試驗規(guī)程》（JTJ 270—1998），當半電池負向電位大于-350m V時，鋼筋有90%的概率呈活化狀態(tài)，將被評定為銹蝕。本試驗結(jié)果滲透180d和365d的預埋鋼筋半電池電位檢測曲線基本在-350m V以上。滲透365d試件劈裂后鋼筋無銹蝕產(chǎn)生。

混凝土滲透深度和氯離子含量檢測結(jié)果可見，氯鹽危害深度僅20mm以內(nèi)，氯離子滲透深度僅達到40mm，均未達到鋼筋保護層厚度。且隨齡期增長基本無變化。

毛細滲透和壓力滲透下混凝土氯離子濃度檢測試驗結(jié)果如圖3.3所示。試驗結(jié)果可見，不管是毛細滲透或者是0.3MPa壓力滲透，混凝土內(nèi)部氯離子濃度均有一突變降低過程。在0.3MPa壓力滲透作用下，此突變過程深入混凝土內(nèi)部20mm，與混凝土滲透深度相當。

深圳地鐵平均深度20m，地下水滲透壓力約為0.2MPa。地鐵通道混凝土側(cè)墻厚度600mm。通過本次試驗研究表明，在深圳地鐵11號線最嚴酷腐蝕介質(zhì)濃度有壓滲透下，氯鹽腐蝕危害深度遠未達到混凝土側(cè)墻外層鋼筋保護層厚度，更加影響不到側(cè)墻內(nèi)層鋼筋，因此不存在薄壁結(jié)構(gòu)干濕交替破壞環(huán)境。氯離子的存在限制了硫酸鹽的滲透，硫酸鹽的滲透深度不可能超過氯離子滲透深度，因此也不存在硫酸鹽薄壁結(jié)構(gòu)干濕交替結(jié)晶腐蝕破壞環(huán)境。