粉煤灰和礦粉對地鐵用混凝土抗雜散電流腐蝕性能的影響

1、文章編號：1007-046X(2011)03-0004-03Influence of Fly Ash/Ground Slag on Stray Current Corrosion Resistance Performance of Concrete for Subway巫昊峰1 ，何慧蘭1，李寶枝2（1.廣東建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510470；2.中交集團(tuán)第三航務(wù)工程局南京分公司，南京 210015）摘 要： 地鐵雜散電流腐蝕是影響地鐵用混凝土耐久性很重要的因素之一。通過對膠凝材料中摻加粉煤灰和礦粉提高混 凝土電阻的方式，來優(yōu)化地鐵用混凝土的配合比設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，粉煤灰和礦粉能有效地提高混凝

2、土的密實(shí)程度，減 小混凝土的孔溶液離子濃度，從而提高混凝土的電阻。同時(shí)，粉煤灰和礦粉的摻入減小了混凝土的電阻壓敏性，為地 鐵用混凝土配合比設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞： 混凝土電阻值；粉煤灰；礦粉；電阻壓敏性中圖分類號：TU528.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AAbstract: Stray current corrosion is one of the most important factors affecting the durability of concrete for subway. Mix proportion design of concrete for subway was optimized

3、 by admixing fly ash/ground slag into cementitous material to increase resistance of concrete. The results showed that fly ash and slag could effectively improve the density of concrete and reduce the ion concentration of pore solution in concrete to enhance the resistance of concrete. Meanwhile, ad

4、mixture of fly ash and slag would reduce the pressure sensitivity of the resistance of concrete for subway. The paper provides a reference for mix proportion design of concrete for subway.Key words: resistance value of concrete, fly ash, ground slag, pressure sensitivity粉煤灰和礦粉對地鐵用混凝土抗雜散電流腐蝕性能的影響0 前

5、言目前，我國城市軌道交通和城際鐵路的建設(shè)進(jìn)入一個空前的密集階段，然而不論是地鐵還是高鐵，都是通過直流電進(jìn)行牽引的，因此，混凝土雜散電流腐蝕成為一個很重要的研究領(lǐng)域。研究表明1，在混凝土中以部分粉煤灰和礦粉取代水泥可在一定程度上提高混凝土的電阻，但相關(guān)文獻(xiàn)對粉煤灰和礦粉的具體摻量沒有深入的討論。1 實(shí)驗(yàn)原材料及實(shí)驗(yàn)方法1.1 實(shí)驗(yàn)原材料采用 PO.42.5 普通硅酸鹽水泥， 粉煤灰為二級灰，同時(shí)本實(shí)驗(yàn)中部分組試件選用了磨細(xì)礦渣，其物理特性及化學(xué)組分分析見表 1、表 2。本實(shí)驗(yàn)中的砂石分別為河砂和卵石，砂子的細(xì)度模數(shù)為 2.8，卵石最大粒徑為 25 mm，經(jīng)測定卵石的級配較好。減水劑使用聚羧酸高性

6、能減水劑。表 1 水泥和粉煤灰的化學(xué)組分材料 水泥 粉煤灰SiO2 22.53 50.44Al2O3 4.42 30.51Fe2O3 2.06 5.46CaO 61.71 4.02MgO 4.55 1.02SO32.23 0.43燒失量 2.86 1.541.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)1.2.1 單位立方混凝土中膠凝材料用量及水灰比的確定 考慮到地鐵運(yùn)行中，雜散電流主要影響部位為地鐵運(yùn)行軌道，而此部位的混凝土通常的設(shè)計(jì)標(biāo)號為 C30C35。本文中采用 C35 混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。膠凝材料用量采用 JGJ 55-2000普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范中的方法，并結(jié)合材料的性質(zhì)，經(jīng)計(jì)算得到每立方混凝土的膠凝材料用

7、量為 360，水灰比為 0.4。1.2.2 砂率的確定本實(shí)驗(yàn)中，砂率的確定采用最大塌落度法，即在固定其他因素的條件下分別測定不同砂率下混凝土的塌落度，得出各砂率下的塌落度值，對其進(jìn)行分析，從而得到最大塌落度時(shí)砂子、卵石比例。實(shí)測下的塌落度和砂率的關(guān)系見圖 1，由此可確定砂率為 41%。180塌落度/mm175170165160表 2 PO.42.5 水泥性能指標(biāo)細(xì)度/%4.6凝結(jié)時(shí)間/min初凝 145終凝 355安定性 合格標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 27.3%強(qiáng)度/MPa3 d 25.528 d 44.6砂率/%圖 1 不同砂率下混凝土所對應(yīng)的塌落度4COAL ASH 3/20111.2.3 實(shí)驗(yàn)用混

8、凝土配合比經(jīng)過計(jì)算和實(shí)測，在確定混凝土膠凝材料用量、水灰比以及砂率的情況下，采用等量取代的方式，在混凝土中引入粉煤灰和礦粉，本實(shí)驗(yàn)中所用的混凝土配合比和膠凝材料組成見表 3。表 3 混凝土配合比 kg/m編號1 2 3 4 5 6水泥360 324 324 242 234 216粉煤灰0 36 0 0 72 72礦粉0 0 36 72 54 72水144 144 144 144 144 144砂子754754754754754754卵石1 068 1 068 1 068 1 068 1 068 1 068減水劑0.18 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18有較大的差別，3 號強(qiáng)度高

9、于 2 號的主要原因是礦粉和粉煤灰在水化早期的不同水化速度和水化率。表 4 混凝土 3 d、28 d 強(qiáng)度 MPa編號3d 強(qiáng)度 28d 強(qiáng)度119.2 45.5216.5 38.3317.1 43.7418.5 45.7516.4 42.8616.9 43.72.2 混凝土電阻值分別在不同齡期測定混凝土的電阻值，分析得到各齡期不同組分下混凝土電阻值的差異，以及其隨齡期的發(fā)展變化。具體測試結(jié)果見表 5。表 5 混凝土不同齡期電阻值 ohm編號 7d 電阻值28d 電阻值1 21 235 76 5492 21 343 79 0853 25 451 78 9534 28 768 87 764 26

10、5 7385 28 997 98 567 254 5896 32 335 105 431 309 8431.3 實(shí)驗(yàn)方法1.3.1 強(qiáng)度測試依據(jù)表 3 中的混凝土配合比成型 150 mm150 mm150 mm的混凝土立方體試件，成型 1 d 后拆模，并在溫度（202），濕度 100% 的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，在達(dá)到 3 d 和 28 d 齡期時(shí)，對其進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)。1.3.2 混凝土電阻值測試采用與強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)相同的混凝土配合比，成型 150mm150mm400 mm 的混凝土試件，并在兩端埋入不銹鋼網(wǎng)，作為測定混凝土電阻值時(shí)使用的電極，兩電極之間的距離為 300 mm。試件及電極位置示意圖見圖 2 所示。

11、試件成型后 1 d 拆模，并在溫度（202），濕度 100% 的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，在達(dá)到 7 d、28 d 和 56 d 齡期時(shí)，對其進(jìn)行電阻值測定，使用的儀器為數(shù)字電流表及穩(wěn)壓電源。56d 電阻值25 4327 287 841 298 765分析所測得電阻值發(fā)現(xiàn)，在混凝土成型早期（7 d），由于混凝土膠凝材料組成不同而導(dǎo)致的混凝土電阻值差異較小，摻和礦物摻合料的比純水泥組電阻值略高，但粉煤灰對電阻值的影響作用不明顯。比較 1 號試件和 2 號試件可知，粉煤灰的加入對混凝土早期的電阻值影響較小，這是因?yàn)榉勖夯以谠缙诘乃枯^小，其水化產(chǎn)物不足以填堵混凝土中水泥漿體的空隙，造成混凝土中聯(lián)通孔隙較多5。

12、而摻加礦粉的試件中，混凝土電阻值增大較為明顯，而且隨著礦粉摻量的增加，電阻值有增大的趨勢。但 7 d 齡期時(shí)，整體的電阻率都偏低，這是由于膠凝材料水化不充分，內(nèi)部存在大量的聯(lián)通孔隙，而且此時(shí)的水含量較大。 分析混凝土試件 28 d 時(shí)的電阻值，可以看到，摻和粉煤灰的試件電阻值增加較大，但雙摻粉煤灰和礦粉沒有起到明顯的增大電阻的作用，電阻值依然隨礦粉摻量的圖 2 混凝土電阻測試電極位置示意圖增加而增大。同時(shí)，在所有的試件中，沒有摻粉煤灰和礦粉的一組電阻值最小，由此，不難得出結(jié)論，以部分礦物摻和料取代水泥，可增大混凝土電阻。從微觀的角度上講，摻加礦物摻合料可優(yōu)化膠凝材料的級配，使得混凝土膠凝材料硬

13、化漿體更為密實(shí)。部分粉煤灰的水化產(chǎn)物可有效地填充水泥水化后形成的聯(lián)通孔隙，一方面減少了混凝土的孔隙，另一方面減少了混凝土中聯(lián)通孔隙的數(shù)量，而礦粉也起到同樣的作用3。同時(shí)，礦粉的水化使得混凝土中孔溶液的離子濃度降低，這也是造成混凝土電阻值增大的重要原因。根據(jù)已有研究，粉煤灰在 28 d 時(shí)并不能夠完全地水化，分析所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，56 d 時(shí)混凝土電阻值較 28 d 時(shí)有很大程度的增加，因此仍需分析 56 d 結(jié)3/2011粉煤灰52 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論2.1 混凝土強(qiáng)度分別測定混凝土的 3 d 和 28 d 強(qiáng)度，測定結(jié)果如表 4所示。由 3 d 強(qiáng)度測定結(jié)果可明顯發(fā)現(xiàn)，粉煤灰水化程度處在一個很

14、低的狀態(tài)，編號為 6 的組摻加粉煤灰的量為20%，其強(qiáng)度明顯低于其他組別。比較摻加粉煤灰的不同摻量對強(qiáng)度的影響，可發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的早期強(qiáng)度有所降低，而礦粉的早期水化程度明顯高于粉煤灰，編號為 46 的三組中，礦粉的摻量是固定的，其強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而明顯地降低。同時(shí)，編號為 2和 3 的兩組中，礦物摻合料的取代量是相同的，但強(qiáng)度也果來最終確定粉煤灰和礦粉對混凝土電阻值的影響。 在 56 d 齡期時(shí)，混凝土的電阻率有了較大的變化，摻加粉煤灰對提高混凝土電阻有很明顯的效果，尤其是在雙摻粉煤灰和礦粉的情況下，效果更為顯著。對比幾組試件，尤其是 5 號和 6 號試件，發(fā)現(xiàn)礦粉的摻

15、量也并非越多對混凝土電阻的提高也越大，由此可得，礦物摻和料的參合比例需控制在一定的范圍內(nèi)。由上述結(jié)果可知，用部分粉煤灰和礦粉取代水泥，可有效地改變混凝土的密實(shí)程度，降低其孔隙率，在很大程度上提高混凝土的電阻。同時(shí)雙摻粉煤灰和礦粉能有效地提高混凝土抗雜散電流腐蝕耐久性。同時(shí)摻加粉煤灰和礦粉提高混凝土密實(shí)程度也會使得混凝土抗?jié)B性能得到很大程度的提高，對混凝土耐久性的其他方面的表現(xiàn)也更為優(yōu)異4。2.3 混凝土電阻壓敏性在混凝土試件達(dá)到 56 d 齡期時(shí)，連接混凝土試件中兩電極，對混凝土試件進(jìn)行電阻壓敏性測試。在混凝土試件彈性變形范圍內(nèi)，對其進(jìn)行 4 個加載循環(huán)，在此過程中,隨時(shí)監(jiān)測混凝土試塊所受的壓

16、力值和其對應(yīng)的電阻值，測試結(jié)果如圖 3 所示。當(dāng)壓力增大時(shí)，混凝土電阻值減小，當(dāng)卸載以后，混凝土電阻值又恢復(fù)到未加壓前的水平，由此可見，在混凝土彈性范圍內(nèi)，當(dāng)給混凝土加載時(shí)，混凝土各相之間的接觸會更緊密，而在未加壓情況下，由于混凝土內(nèi)部水分較小，部分孔溶液不能夠很好地接觸，使混凝土的電阻值在一個相對較高的范圍內(nèi)，而加壓以后，混凝土孔溶液部分融合，離子傳遞的路徑很通暢，使混凝土電阻減小。因此，在混凝土結(jié)構(gòu)使用過程中，在構(gòu)建上的荷載可以使混凝土電阻有所降低。土試件內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)微裂縫，微裂縫的增加使得混凝土的電阻增大，但同時(shí)，混凝土試件中部分孔溶液在壓力的作用下，仍然會增大接觸范圍，這使得混凝土電阻

17、值減小，而在此階段，這兩個因素對混凝土電阻值的影響在一個基本平衡的范圍內(nèi)，因此混凝土電阻值基本不變。二是混凝土電阻值急劇增大的階段；在此階段，混凝土試件中裂縫不斷增多增大，這一方面對混凝土電阻值的影響起主導(dǎo)作用，因此，混凝土電阻值急劇增大。綜上所述，混凝土電阻值與其所受壓力有很大的關(guān)系，在地鐵運(yùn)行過程中，一方面，來自雜散電流的影響會造成混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕，從而使結(jié)構(gòu)的承載能力降低；另一方面，壓力的作用又會使混凝土的電阻值不斷地變化，影響混凝土抗雜散電流腐蝕。因此，合理設(shè)計(jì)混凝土的配合比，使得混凝土電阻值最大，同時(shí)在荷載作用下，電阻值變化不是很大，即混凝土的電阻壓敏性小，是一個很重要的研究課

18、題。3 結(jié) 論（1）以部分粉煤灰取代水泥，會使混凝土早期強(qiáng)度有所降低，但在中后期，強(qiáng)度會繼續(xù)發(fā)展，最終不會對混凝土強(qiáng)度造成很大影響。而摻加礦粉對混凝土早期強(qiáng)度有所增加，兩者配合使用，能夠取得很好的工程和經(jīng)濟(jì)效益。 （2）地鐵用混凝土摻加粉煤灰和礦粉對提高混凝土電阻有顯著作用，尤其在雙摻的情況下，效果更明顯。粉煤灰主要在后期起到相對重要的作用，能有效地提高混凝土抗雜散電流耐久性。（3）混凝土電阻值存在對壓力的敏感性，即在混凝土彈性變形范圍內(nèi)，電阻值隨壓力的增大而減小，但是以部分礦物摻和料取代水泥，會有效地降低混凝土電阻對壓力的敏感性。參考文獻(xiàn)1 陳志源，劉國飛，史美倫，等，混凝土中摻加粉煤灰對地鐵雜散電循環(huán)荷載流的抑制J.粉煤灰，