（材料学专业论文）地铁用高阻抗高抗渗混凝土的研究.pdf

武汉理工人学硕 ：学位论文 摘要 摘要 地铁工程混凝土往往处于杂散电流与氯离子共存的腐蚀环境下，由于杂散 电流和氯离子对混凝土的破坏具有相互促进作用，因此该条件下的混凝土比一 般条件下面临更为严重的耐久性问题，提高混凝土电阻率及抗渗性是解决该问 题的关键技术，本文依托国家自然科学基金( 5 0 7 7 2 0 8 4 ) 项目，围绕该问题开展 了系统的研究，获得了以下成果： 1 ) 提出杂散电流与氯离子共存环境下高阻抗高抗渗混凝土的设计方法；利 用矿物掺合料对混凝土的抗渗性、固化氯离子能力的提高作用，以及轻集料的 界面增强、内养护作用和聚合物的界面成膜阻碍导电离子的迁移作用，复合使 用三种材料，优化混凝土的配合比，实现其高阻抗高抗渗特性； 2 ) 研究了掺合料对混凝土电阻率及抗渗性的影响规律，粉煤灰、矿渣微粉、 页岩陶砂和聚合物能显著提高混凝土电阻率及抗渗性，与粉煤灰及矿渣微粉相 比，页岩陶砂和聚合物对混凝土电阻率的提高作用更为明显，页岩陶砂掺量为 河砂体积掺量的1 0 3 0 时，提高混凝土电阻率及氯离子抗渗性最为显著； 3 ) 探明了掺合料对电阻率及抗渗性的影响机理。粉煤灰、矿渣微粉和页 岩陶砂对c l 离子有较强的吸附作用，对孔隙液中的o h 、c a 2 + 及n a + 的浓度有 影响，粉煤灰及矿渣微粉能降低孔隙液中o h 、c a 2 + 的浓度，而n a + 浓度变化较 小；页岩陶砂开口孔腔早期吸附o h 一、 c a 2 + 和n a + ，后期水泥石对开口孔腔的 封闭作用，降低混凝土孔隙液导电离子浓度，从而提高混凝土电阻率； 4 ) 采用本文提出的高阻抗高渗性设计方法，制备出能够满足杂散电流与氯 离子共存环境下耐久性要求的高阻抗高抗渗混凝土，其5 6 d 电阻率大于1 0 0 k q c m ，2 8 d 电通量小于3 5 0 c ，与相同强度混凝土相比，自然扩散条件下，1 8 0 d 氯离子平均扩散深度下降7 3 5 ；加载2 0 v 杂散电流1 6 8 h 时，氯离子平均扩散 深度下降4 1 6 ；在2 0 v 杂散电流和 c i 。 o i - i 。】= 0 5 环境下作用6 d 时，腐蚀速 率降低6 8 3 ，强度损失降低4 8 ，其剩余强度仍满足c 5 0 混凝土强度设计要。 关键词：混凝土，杂散电流，氯离子，掺合料，电阻率，抗渗性 武汉理t 大学硕上学位论文 摘要 a b s t r a c t n ec o n c r e t ef o rs u b w a yp r o j e c ti si nc o e x i s t e n c ec o r r o s i o ne n v i r o n m e n to ft r a yc u r r e n t sa n d t h ec h l o r i d ei o n ，b e c a u s eo ft h em u t u a lp r o m o t e ra c t i o no ft r a yc u r r e n t sa n dt h ec h l o r i d ei o nt ot h e c o n c r e t ed e s t r u c t i o n ，t h e r e f o r eu n d e rt h i sc o n d i t i o nt h ed u r a l b l ep r o b l e mo fc o n c r e t ei sm o r e s e r i o u st h a ng e n e r a lc o n d i t i o n s ，t h ek e ys k i l l so fs o l v i n gt h i sp r o b l e mi sp r o m o t i n gi t sr e s i s t i v i t y a n di t si m p e r m e a b i l i t y , b a c k i n gs t a t en a t u r a ls c i e n c e sf o u n d a t i o np r o j e c t ( 5 0 7 7 2 0 8 4 ) ，t h i s a r t i c l eh a v ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t ： 1 ) a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lc o r r o s i o ne n v i r o n m e n tw h i c ht h ec o n c r e t ef o rs u b w a yp r o j e c ti n ， p r o p o s e dt h ed e s i g np r i n c i p l ea n dm e t h o do fc o n c r e t ef o rs u b w a yp r o j e c tw i t hh i 【g hr e s i s i t i v i t y a n di m p e r m e a b i l i t y ，p r o v i d e st h et h e o r yb a s i sf o rt h es u b w a yp r o j e c tc o n c r e t ep r e p a r a t i o n 2 ) s t u d i e dt h ei n f l u e n c el a wo ft h ea d m i x t u r et o t h ec o n c r e t e r e s i s t i v i t ya n dt h e i m p e r m e a b i l i t y , s e l e c t so u tt h ea d m i x t u r e st h a t c o u l de n h a n c et h ec o n c r e t er e s i s t i v i t ya n d i m p e r m e a b i l i t yo b v i o u s l y ；t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，t h ef l ya s h 、s l a gp o w d e r 、s h a l ep o t t e r ya n d p o l y m e rh a v et h eo b v i o u sf u n c t i o nt ot h ea n t i - e l e c t r i cc o n d u c t i v i t ya n dt h ea n t i - c h l o r i d ei o n p e n e t r a t i n gq u a l i t y c o m p a r i n gw i m t h en o r m a lc o n c r e t ew h e ns h a l ep o t t e r yr e p l a c e s3 0 o ft h e r i v e rs a n dv o l u m e ，i t s a n t i - s t r a yc u r r e n t s c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea n t i - c h l o r i d ei o ns e e p a g e c h a r a c t e r i s t i ci sb e r e t 3 ) s t u d yo n t h e i m p r o v em e c h a n i s mo ft h ea d m i x t u r e s t ot h e r e s i s t i v i t ya n d t e i m p e r m e a b i l i t y ，p r o v i d i n gt h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h es u b w a yp r o j e c tc o n c r e t ep r e p a r a t i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，t h ef l ya s h 、s l a gp o w d e r 、s h a l ep o t t e r ya n dp o l y m e rh a v es t r o n g a d s o r p t i o nt ot h ec h l o r i d ei o n ，a n do b v i o u si n f l u n c et ot h eo f f ，c a + a n dn a + i o n sd e n s i t yi np o r e f l u i d ，t h ef l ya s ha n dt h es l a gp o w d e rc a nr e d u c eo f f ，t h ec a 2 + i o n sd e n s i t yi np o r ef l u i d ，b u tt h e n a + i o n sd e n s i t yi n c r e s es l i g h t l y ；t h r o u g ht h eg e l a t i ns e a lt oa f f e c te m p t i l yt oo h c a pa n dn a + i o n sd e n s i t yi np o r ef l u i d ，t h es h a l ep o t t e r yr e d u c e st h ei o nc o n c e n t r a t i o n ； 4 ) p r o p o s et h ep r i n c i p l eo fd e s i g na n dt h ep r e p a r a t i o nm e t h o do fh i g hi m p e d a n c ea n dh i g h i m p e r v i o u sc o n c r e t e ，a n dt e s t st h ep r o d u c tp e r f o m a n c eo fa n t i - s t r a yc u r r e n t sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e a n t i c h l o r i d ei o n ，a n dm a k e st h em i c r o s c o p i ca n a l y s i s t h er e s u l t si n d i c a t e ：t h e5 6 dr e s i s t i v i t yo f c o n c r e t ei sa l lh i g h e rt h a n10 0l q c m ；a n dt h e2 8 de l e c t r i cf l u xi sl o w e rt h a n3 5 0 c c o m p a r e d w i t ht h es a m es t r e n g t hc o n c r e t ei t s18 0 dc h l o r i d ei o np e r m e a b i l i t yd e p t hr e d u c em o r e t h a n 7 3 5 i nn a t u r a le n v i r o n m e n t a n dm o r et h a n4 1 6 w i t ht h es t r a yc u r r e n t se f f e c t i n g16 8 h i i 武汉理工人学硕十学位论文 摘要 u n d e rt h el o a ds t r a yc u r r e r i t sc o n d i t i o n ，t h ec o r r o s i o nr a t er e d u c e6 8 3 ，s t r e n g t hl o s sr e d u c e 4 8 a n di t ss u r p l u ss t r e n g t hi sa l t h o u g hs a t i s f y e dt h er e q u e s to fc 5 0c o n c r e t e k e y w o r d s ：c o n c r e t e ，s t a yc u r r e n t ，c h l o r i d ei o n ，a d m i x t u r e ，r e s i s t i v i t y , i m p e r m e a b i l i t y 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表获撰写过的研究成果，也 不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：班姿日期：巡! 二三! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生躲耻导师躲牲吼蚍 武汉理t 人学硕上学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义及背景 当前，我国正处于城镇化进程快速发展时期，城市人口快速增长，交通压 力同趋加大，一些特大型城市交通拥挤、阻塞的矛盾非常突出。发展地铁等城 市轨道交通对缓解特大型城市公共交通压力，促进城市经济和社会健康发展都 具有重要作用。地铁建设己成为我国城市化发展战略的重要策略和措施，是当 前我国城市基础设施建设领域的一个热点，对改善城市环境、构建和谐交通有 着重要意义。地铁具有运输量大、占地量少、能耗低、污染小、速度快、舒适、 安全、便捷等诸多优点，能较好地缓解大城市存在的人口密集、交通阻塞、环 境污染、能源消耗等问题，符合城市交通运输可持续发展的要求，是解决大城 市公共交通问题的根本途径。近年来，随着我国国民经济的飞速发展，城市化 进程加快，面对日益严重的城市交通问题，北京、上海、广州、深圳、天津、 南京、武汉、重庆、城都、杭州等国内诸多大城市都突出了轨道交通在城市总 体规划中的地位，把大力发展轨道交通作为解决城市交通问题、提升国际竞争 力和城市品牌的重要策略和手段，轨道交通在国内已呈现蓬勃发展的态势。自 1 9 世纪6 0 年代伦敦第一条地铁建成以来，经过一百多年的时间，各国的城市轨 道交通得到了蓬勃发展。我国的城市轨道交通建设从上世纪中期修建北京地铁 开始起步，随着国民经济的持续增长和城市规模的不断扩大，也逐步发展起来。 在城市建设中，人口密集、交通紧张等问题日益突出。而发展城市轨道交通则 是解决大中型城市公共交通问题和促进城市可持续性发展的重要途径。在国内 至今己有北京、上海、天津、广州、南京、重庆等地的地铁或轻轨实现正常运 营并继续规划扩建，另外大连、青岛、武汉、成都等地的轨道交通工程也在筹 备或完成了立项。可以说，轨道交通建设是中心城市发展不可或缺的重要项目， 是名副其实的生命线工程之一。 一方面，由于国内外城市地铁交通普遍采用了走行轨回流的供电方式，而 轨道很难做到完全对地绝缘，从而有部分电流从轨道泄漏到道床及周围土壤中， 这部分电流即为杂散电流。杂散电流普遍存在于地铁交通工程中，其危害主要 武汉理工人学硕一i j 学位论文 第1 章绪论 是对桥梁和隧道的结构钢筋、附近建筑物基础部分的结构钢筋以及附近埋设的 金属管道、电缆产生电化学腐蚀等。根据f a r a d a y 电解第一定律可推导出： a w = 缸 式( 1 1 ) 式中，a w 为金属在出内的腐蚀量，k g ；k 为金属的化学当量，k g ( a s ) ， 通常k 铁= 2 8 9x1 0 7k g ( a s ) ，k 铅= 1 0 6 3x1 0 7k g ( a s ) ；i 为流出阳极 的电流，a 。利用式( 1 。1 ) 可以对杂散电流的腐蚀危害作一估计。在自然条件 下，大小为1 a 的电流可以在一年内腐蚀掉9 1 3 k g 钢铁或3 3 5 k g 铅。现在，对 北京地铁的实测结果表明，列车在启动和运行时流入地下的杂散电流值一般要 大于1 0 0 a ；而深圳地铁采用额定电压为d c l 5 0 0 v 的直流供电系统，额定牵引 电流可高达3 0 0 0 a ，按5 计算，流入地下的杂散电流值可达1 5 0 a 1 1 。如此大的 杂散电流对周围的管线设施和建筑基础结构的使用寿命产生了严重威胁。由于 构成管道的金属中含有杂质( 主要是碳) ，两种不同的导体在土壤中的电解质作 用下形成一个个微小的原电池。在杂散电流和原电池的共同作用下，阳极电流 集中于管道表面某些点上，在这些点处形成微小的凹坑。随着时间的推移，这 些凹坑不断变深，当发展成贯穿性小孔时，管道就会发生泄漏，缩短管道的使 用寿命；香港曾因地铁杂散电流引起煤气管道的腐蚀穿孔，造成煤气泄漏的事 故。北京地铁第一期工程投入运营数年后，其主体结构钢筋发现严重腐蚀，隧 道内水管腐蚀穿孔，仅东段部分区段更换穿孔水管5 4 处【2 】。日本、美国、法国、 意大利、英国、加拿大和俄罗斯等国的地铁也存在杂散电流腐蚀的问题。 另一方面，地铁工程的主体结构往往处于距地表较深、地下水丰富、透水 性强的地层中，且多数地下水又富含氯离子等侵蚀性介质，进入混凝土后与钢 筋直接发生电化学腐蚀，促使钢筋钝化膜破坏，使钢筋严重锈蚀。钢筋锈蚀产 生体积膨胀，造成混凝土保护层沿纵筋出现顺筋脱落乃至完全脱落。美国1 9 8 4 年报道【3 】，仅就桥梁而言，5 7 5 万座钢筋混凝土桥，有一半以上出现钢筋腐蚀 破坏，4 0 承载力不足和必须修复与加固处理，当年的修复费为5 4 亿美元：1 9 9 8 年报道，钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费，一年达2 5 0 0 亿美元，其中桥梁修复费 为1 5 5 0 亿美元( 是这些桥初建费用的4 倍) ；比如，我国大多数海港码头往往使 用不到十年就会出现较严重的钢筋锈蚀现象；北京的西直门立交桥因撤除冰盐， 使用不到2 0 年，混凝土保护层内钢筋腐蚀已十分严重。造成钢筋锈蚀破坏的主 要原因是氯离子的侵蚀作用。 2 武汉理t 大学硕十学位论文 第1 章绪论 此外，地铁工程混凝土往往处在杂散电流与氯离子共同腐蚀环境下，氯离子 及其它有害离子在杂散电流形成的电场加速作用下，更容易进入混凝土中，到 达钢筋表面；氯离子及有害离子的入侵，强化了混凝土的离子通道，增强了混 凝土中杂散电流强度，加快了钢筋电化学腐蚀速度，进一步缩短地铁工程的服 役年限。 再者，地铁工程是一项复杂的地下工程，经若干年运营后，要对主体结构 更换或翻修十分困难，因此，降低地铁杂散电流及氯离子渗透速率，提高混凝 土的绝缘性、屏蔽性以及混凝土的抗渗性，研究和制备符合地铁工程结构的高 阻抗高抗渗性混凝土显得尤为重要。 本论文在国家自然科学基金( 5 0 7 7 2 0 8 4 ) 及湖北省科学基金计划创新群体 项目( 2 0 0 7 a b c 0 0 6 ) 资助下，以杂散电流与氯离子共存环境下地铁工程高阻抗 高抗渗混凝土的研制为研究背景，用掺合料来提高混凝土的阻抗及抗渗性以达 到降低杂散电流与氯离子共存的腐蚀的目的，围绕该问题进行了大量的实验研 究。本文的研究成果，不仅对地铁工程钢筋混凝土材料的耐久性设计及地下矿 井钢筋混凝土的耐久性具有重要的指导意义，而且对我国的水泥建材行业的健 康发展也将起到很好的促进作用。 1 2 研究现状及存在的问题 电阻率是用来描述各种物质导电性能的物理量。用某种材料制成的长为1 米、横截面积为1 姗2 米的导体的电阻，在数值上等于这种材料的电阻率。电阻 率p 不仅和导体的材料有关，还和导体的温度有关。在温度变化不大的范围内， 几乎所有金属的电阻率随温度作线性变化，即p = p0 ( 1 + a t ) 。式中t 是摄氏温 度，po 是o c 时的电阻率，a 是电阻率温度系数【4 j 。 普通混凝土的电阻率一般在1 0 、1 0 8kq a m 范围内，它既不属于绝缘体， 也不属于良导体，于绝缘体和良导体之间。水泥与天然石材组成的混凝土完全 干燥后，具有极高的电阻率，因此往往把它归结为绝缘体材料。然而在潮湿状 态下，混凝土中含有一种从水泥中溶出的水溶性导电化合物，这种化合物是一 种容许电流通过的电解质，存在于拌和水或被吸收的潮气中，从而使混凝土具 有一定的导电性，通常认为潮湿的混凝土是一种半导体，其电阻率约为l o k q c m t 5 1 。而地铁的车站及行车区间隧道往往修建在地下的岩层或土壤中，在潮 气及地下水的作用下而使钢筋混凝土具有导电性，这种环境下的混凝土就是人 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 们通常认为的半导体。m s u n 6 】等通过对混凝土的导电性能的试验研究认为，在 混凝土中，存在三种导电方式：1 离子导电，通过孔溶液中c a 2 + ，n a + ，k + ，o h 和s 0 4 2 - 等离子运动形成；2 电子导电，通过自由电子的迁移形成；3 空穴导电， 通过空穴的迁移形成。因此导电混凝土的电阻率p 由下式决定：p = pl + p2 + p3 ，式中p 为混凝土电阻率，pl 为离子电阻率，p2 为电子电阻率，p3 为 空穴电阻率。三者的作用随着混凝土内部各种组成材料的变化而变化。当混凝 土中未掺导电材料时，浆体中离子导电为主，即材料的电阻率p = pl 。洪定海混 凝土中钢筋的腐蚀与保护一书中认为：混凝土导电是混凝土孔溶液中n a + 、k + 及0 h 一离子在电场作用下的电解过程。水泥颗粒、掺合料、水化产物以及集料的 电阻很大，可以认为是不导电的。混凝土的电阻率首先取决于混凝土的饱水率， 其次取决于孔结构、孔隙液电解质含量和温度【7 】【引，饱水混凝土电阻率是孔隙率、 孔隙连通性、温度、孔溶液化学成分等的函数。陈杰在基于电阻率测井资料 研究致密砂岩孔隙结构特征一文中利用岩石简化导电模型推导得出砂岩的电 阻率： 一2 几= 几。了衰 tyr 、 式中 屏一一砂岩的电阻率 f 一一毛细管迂曲度( 指毛细孔道的弯曲复杂程度) s 矿一一含水饱和度( 意指砂岩的相对湿度) p 缈一一孔隙液的电阻率 一一一连通毛细孔的半径。 文章指出，砂岩的电阻率与孔结构和孔隙液有直接关系，即与孔隙液的电阻 率成正比，与连通孔隙半径的平方成反比与毛细孔的迂曲程度成正比，即表明 汽、液、固三相组成的材料的导电特性与其孔结构和孔隙液的电阻率相关。 近些年来，利用高阻抗混凝土等方法来抑制杂散电流也取得了一定进展，杜 应吉等【9 1 研究表明，混凝上中掺加5 6 6 5 的磨细矿渣和粉煤灰可比同水胶比 基准混凝上的电阻士增大1 4 倍一4 7 倍。陈志远等【m 1 研究认为，抑制城市轨道 交通中的杂散电流腐蚀，提高混凝土的阻抗( 尤其是湿电阻) 是一种有效的途径。 4 武汉理工大学硕1 二学位论文 第1 章绪论 混凝土的湿电阻与其孔隙率和密实度有密切关系，通过在混凝上中掺加一定要 求的粉煤灰，可以有效地改善内部微观结构，有利于提高其湿电阻，并降低其 孔隙率，提高其密实性，以抑制城市轨道交通中的杂散电流腐蚀，同时为合理 选择粉煤灰用于地铁工程获得了可靠依据。林江等利用阻抗剂制各地铁用高阻 抗混凝土，实验结果表明：采用机械搅拌并掺加利用矿粉加胶乳合成的特殊高 效阻抗剂的技术路线，可使混凝上的阻抗值提高3 倍；而采用特殊搅拌工艺并掺 加高效阻抗剂的技术路线，则可使混凝上的阻抗值提高7 倍 氯化物的侵入是引起混凝土中钢筋腐蚀的最主要原因之一，氯离子能破坏 钢筋表面钝化膜而引起钢筋局部腐蚀，对腐蚀过程具有催化作用地铁工程的主 体结构往往处于距地表较深、地下水丰富、透水性强的地层中，多数地下水又 富含氯离子等侵蚀性介质，因此地铁工程要提高混凝土抗氯离子渗透能力，降 低混凝土中游离氯离子的含量。随着人们对混凝土材料耐久性问题的r 益关注， 近十几年来，包括混凝土的抗渗性及抗氯离子渗透性在内的混凝土耐久性研究 取得了很大的进展。有研究表明】，降低氯离子对混凝土钢筋锈蚀的危害时， 必须弄清两个基本参数之间的区别。一是混凝土对氯离子渗透的扩散阻碍性能， 这种扩散阻碍性能取决于混凝土的孔隙率、平均孔径、最小孔径分布、孔的形 状、贯穿性等孔结构特征参数；二是混凝土对氯离子的物理或化学吸附固化能力， 这种吸附固化能力既影响氯离子的渗透速率，又影响水中自由氯离子的固化率。 钢筋锈蚀主要由孔隙液中的自由氯离子决定，固化态氯离子基本上不引起钢筋 锈蚀。 掺合料混凝土的孔结构与普通混凝土相比有较大差别。分别对掺矿渣混凝 土和掺粉煤灰混凝土湿筛砂浆的孔结构研究表明【1 2 】，与普通混凝土相比，掺合 料混凝土不仅总孔隙率较低，而且孔径大于5 0 n m 的孔的数量也较低，这在养护 龄期较长时更加明显。b y f o r s t s 1 3 】研究表明，磨细矿渣可以细化混凝土内部的孔 结构，提高混凝土抗氯离子渗透的能力。s h i q u a nl i t l 4 】研究表明分别掺有粉煤灰、 矿渣和硅粉的水泥净浆与不掺的比较，细孔数量增加，大孔数量降低，孔结构 得到改善。c o n ge t a l t l 5 】发现由于硅粉的超细粒径，它比矿渣更具活性，可以改善 水泥浆体和粗骨料界面的孔分布。以上研究表明，加入掺合料可以改善混凝土 内部的孔结构，提高混凝土抗氯离子侵蚀的能力，但也改变了混凝土孔隙液的 化学成分。t u t t i 发现【l6 1 ，如果水泥用量以单位体积砂浆的用量计算，则固化氯 离子与游离氯离子之比与砂浆的水灰比无关。p a g e 等人的研究结果表明【1 7 1 ：在普 通波特兰水泥浆体系列中，固化氯离子含量约占体系中总氯离子含量的4 0 武汉理t 大学硕十学位论文 第1 章绪论 6 0 。最近唐吕平等人【1 8 1 对普通波特兰水泥净浆和砂浆的氯离子固化能力和等温 固化吸附进行了研究，结果表明：氯离子在普通波特兰水泥净浆与砂浆中的固化 能力主要取决于c s h 凝胶，而与水灰比和骨料特性无关；马保国、胡红梅【l 9 】 针对矿物功能材料对混凝土氯离子渗透方面的影响作了大量的实验研究，结果 表明矿物功能材料对混凝土的氯离子渗透性普遍有改善作用。单掺硅灰、粉煤 灰、矿渣超细粉均明显改善了混凝土的抗氯离子渗透性，改善顺序：硅灰 矿渣 粉煤灰，且随掺量增加，效果更加明显，单掺上述矿物掺合料的最佳掺量分别 为硅粉1 5 、矿渣6 0 、粉煤灰4 0 。此外，不同矿物功能材料的组合叠加效 果更加优于它们的单掺效果。在上述试验研究中，以5 的硅灰与2 5 的偏高岭 土、5 硅灰与2 5 粉煤灰复合叠加效果为最佳。 地铁杂散电流对混凝土主体结构中钢筋的腐蚀和氯离子对混凝土主体结构 中钢筋的腐蚀在本质上是电化学腐蚀，都具有阳极过程和阴极过程的氧化还原 反应。但混凝土结构中的钢筋在较大的杂散电流和氯离子共同作用下，所发生 的腐蚀与其在单一条件下进行的腐蚀有较大的区别，主要表现在钢筋的腐蚀速 率与周围介质的电阻率以及混凝土的抗氯离子的渗透性有关。在杂散电流与氯 离子共存的腐蚀环境中，杂散电流的存在加快了氯离子及其它有害离子向混凝 土中钢筋表面的扩散速度，降低了钢筋腐蚀的临界浓度值；如此同时，氯离子 及其它有害离子的入侵，强化了混凝土的离子通道，降低了混凝土抗杂散电流 的腐蚀能力，使其与普通环境下的混凝土相比更容易被破坏。在实际研究过程 中，科学家只注重提高混凝土的阻抗或增强混凝土的抗氯离子渗透性能是不够 的，只有将两方面的工作结合起来开展，才能有效的提高地铁工程混凝土的耐 久性。 本文在提出地铁高阻抗高抗渗混凝土的设计理论及方法基础上，研究掺合 料对混凝土电阻率及氯离子抗渗性的影响规律以及对c 1 、n 矿、c a 2 + 及o h 浓 度的影响规律，提出地铁高阻抗高抗渗混凝土的制备方法并对其进行抗杂散电 流与氯离子共存腐蚀环境下的评价。 1 3 本文研的主要内容及创新点 地铁工程结构因处于杂散电流与氯离子共存的环境中，其混凝土电阻率及 抗渗性研究也有其特殊性。因为钢筋混凝土结构处于杂散电流与氯离子共同腐 蚀条件下工作，又因地下环境的限制，结构施工及维修困难，要求工程高质量 6 武汉理1 二大学硕上学位论文 第1 章绪论 的难度大而不易保证，而且隧道运营环境恶劣且复杂多变，使结构耐久性问题 愈显突出。为保证服役寿命，必须进行混凝土电阻率及抗渗性研究，综合考虑 削弱杂散电流与氯离子共同破坏能力的方法。 1 3 1 本文的主要内容 本文综合考虑地铁工程所处的环境及在此环境下钢筋的锈蚀特点，从以下 几个方面进行地铁用高阻抗高抗渗混凝土研究，并对制备的混凝土成品进行杂 散电流与氯离子共存腐蚀环境下的评价。 ( 1 ) 提出地铁用高阻抗高抗渗混凝土的设计原理及设计方法； ( 2 ) 研究混凝土材料的组成对混凝土电阻率及抗渗性的影响规律； ( 3 ) 研究粉煤灰及矿渣微粉对混凝土电阻率及抗渗性的影响规律； ( 4 ) 研究轻集料及聚合物对混凝土电阻率及抗渗性的影响规律：轻集料的种类、 粒径、预湿处理时间、掺量对混凝土电阻率及抗渗性的影响规律；研究聚合物 种类和掺量对混凝土电阻率及抗渗性的影响规律； ( 5 ) 研究了粉煤灰、矿渣微粉、轻集料对c 1 。、n a + 、c a 2 + 和o h 。浓度的影响规 律； ( 6 ) 通过正交设计确定地铁用高阻抗高抗渗混凝土的配合比，并对制备成品进 行电学分析、抗渗性分析、力学性能分析以及进行杂散电流与氯离子共存腐蚀 环境下的性能评价。 1 3 2 本文创新点 本文在综合考虑地铁工程混凝土所处的特殊环境，提出了地铁工程混凝土 的设计理论及设计方法。 7 武汉理t 大学硕士学位论文第2 章原材料及实验方法 2 1 实验原材料 2 1 1 水泥 第2 章原材料及实验方法 1 水泥：亚东5 2 5 级普通硅酸盐水泥，其原村料的化学成份见表2 - 1 ，力学 性能见表2 2 ： 表2 - 1 水泥的化学成份 2 1 2 骨料 1 骨料粗集料为5 3 1 5i n n l 的连续级配的碎石，原料来自中建三局，其粒径分 布如表2 - 3 ：细集料：来自中建三局，普通砂，细度模数为2 6 的中砂，粒径分 布如表2 4 ；砂石的累计筛余率的测定按照建筑用卵石、碎石) ) ( g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 1 ) 进行； 武汉理工大学硕上学位论文第2 章原材料及实验方泫 表2 4 砂子的粒径分布 其细度模数x：01836+03393+052255+08298+095435-5*00471：26 1 一o 0 4 7 1 2 1 3 掺合料 本实验选用的掺合料有粉煤灰、矿渣微粉、轻集料及聚合物四类，下面是掺 合料的一些技术参数。 2 1 3 1 粉煤灰 粉煤灰( f a ) ：汉川二级灰；比表面积：4 5 0 m 2 k g 其化学成分见表2 - 5 9 武汉理工人学硕士学位论文第2 章原材料及实验方法 活性系数m 粉煤灰= 4 0 4 2 1 3 2 矿渣微粉 矿渣微粉( s l ) ：鄂钢磨细高炉矿渣微粉，比表面积：5 0 0 m 2 k g 其化学成分见 表2 - 6 2 - 6 矿渣微粉的化学成份 活性系数m 矿渣微粉= 4 6 5 2 1 3 3 轻集料 页岩陶粒和粘土陶料都取自湖北宜昌宝珠破碎形8 0 0 级陶粒。页岩陶砂：湖 北宜昌宝珠破碎形8 0 0 级页岩陶粒破碎而得，陶砂吸水率的测定以轻集料试 验方法( g b , r r l 7 4 3 1 2 1 9 9 8 ) 为基础进行了部分修改( 原方法适用于轻集料1h 的 吸水率测定) 。取试样4 l ，用筛孔为5 0 0m i l l 的筛子过筛，取筛余物烘至恒重。将 烘干试样拌和均匀，分成3 等份，称取每份质量m o ，然后将各份试样放入容器中浸 泡，达到所需的浸水时间后，取出试样，倒在5 0 0 m m 的筛子上，滤水，再倒在拧干的 湿毛巾上，上面再盖一层拧干的湿毛巾，挤压，使轻集料表面面干，称量试样质量 m l 。陶粒及陶砂的吸水率按式( 1 ) 计算：吸= ( m l - m o ) m o x l 0 0 。主要性能指标 见表2 7 、表2 8 、表2 9 和表2 1 0 。 表2 7 两种轻集料的饱水率 1 0 武汉理t 大学硕+ i ：学位论文 第2 章原材料及实验方法 表2 1 0 页岩陶砂的各项性能指标 2 1 3 4 聚合物 1 p v a 可再分散乳胶粉，外观：白色粉末状，固体含量：9 8 士1 ( ) ，密度：0 5 5 0 7 5 ， 细度：8 0 目士1 0 ，粘度：1 0 0 - 2 5 0 ( 1 ，m p a s ) ，最低成膜温度：5 ( ) ； 2 废旧微粒橡胶粉未：尺寸范围为o 0 7 5 m m 至4 7 5 m m ； 3 聚乙烯醇分散剂 2 1 4 其它实验材料 1 减水剂：花王迈地1 5 0 奈系高效减水剂； 2 铜网：规格8 0 目寸： 3 采用7 0 m m x 7 0 m m x 2 1 0 m m 规格的试模； 4 氯化钠：分析纯a r 国药集团化学试剂有限公司； 5 硫氰酸铵：天津市福晨化学试剂厂； 6 硝酸银：天津市天感化工技术开发有限公司子； 7 铁铵矾：分析纯a r 国药集团化学试剂有限公司。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章原材料及实验方法 2 2 实验设备及其作用 1 单卧式强制式混凝土搅拌机，h j w 2 0 型，沈阳建工实验仪器厂，用于混凝土 实验搅拌； 2 台称，最大称量1 0 k g ，最小称量2 5 0 9 ，检定分度值2 5 9 ，用于称量物料； 【3 万用电表，d t 9 2 5 a 用于测定混凝土试块的两电极问的电压； 4 】电热干燥箱，最高温度3 0 0 ，用于砂、混凝土等材料的烘干及干燥； 5 】j w y - 3 0 f 直流稳压电源为试件提供稳定电压； 6 c 6 5 型电流计 测定闭合回路的电流； 7 混凝土氯离子电通量测定仪，测定混凝土试块的电通量； 8 交流阻抗仪，用于测定钢筋混凝土试件的交流阻抗图谱。 2 3 电极的制备 一般地，测试电阻值主要由试件电阻、电极电阻、电极与试件间的接触电 阻以及电极与外引导线间的接触电阻四部分组成。而实验所需的真实电阻值是 试件电阻，因此良好电极的制作是相当重要的。电极作为有电极法测量的必备 部件，这里介绍一下电极应用研究现状【2 眦2 1 。 目前在研究水泥基复合材料导电特性时比较常用的电极有钢丝网电极、不锈 钢网电极、铜片电极、铜网电极、碳纤维布电极、石墨布电极、不锈钢板电极 和导电胶外贴导线电极。各种电极的布设方式分为外贴和预埋两种形式。试验 表明外贴电极碳纤维水泥基复合材料导电特性及其应用研究由于其很难保证在 粘贴时电极与材料之间的良好接触，人为的增大了接触电阻并且该电阻在测得 材料的电阻中占有较大的比例，所以在试验中不建议使用粘贴电极的方法。在 埋设电极中为了不影响水泥基复合材料本身的强度，建议使用网状电极。在不 同的网状电极中以不锈钢和铜质电极的导电效果好，而且可以明显的减小接触 电阻的影响，考虑到材料的电导特性和实验的可行性，本文实验采用铜网作为 电极，因为铜电极本身电阻极小且能较好的降低接触电阻，能真实的反应被测 试件的电阻值。另外，电极的添加方法有外粘式和内埋式，考虑到外粘式电极 比较容易脱落、电阻率的变异系数较大、时效性差且粘贴质量波动大的缺点【2 3 1 ， 所以本实验采用内埋式电极，在混凝土成型过程中将制成的铜网电极均匀的埋 入混凝土中。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章原材料及实验方法 表2 - 1 1 材料电导率 2 4 实验方法 2 4 1 试件的测试项目 本试验最主要的是测试所成型试件的电阻率及电通量，除了测试一般情况 下，如：掺合料掺量变化、龄期变化以及水灰比变化下混凝土试件的电阻率之 外，考虑到地铁工程的实际工作环境，因此这样就有必要在分析的掺合料掺量 的变化对混凝土的导电性的影响的同时兼顾混凝土孔结构分布的变化对混凝土 的导电性地影响，此外，混凝土的电阻率与混凝土孔溶液中的离子浓度有着密 不可分的联系，对确定混凝土电阻率的确定有着重要的帮助。 2 4 2 四电极电阻率实验方法 电阻率表征了导体的导电性能，是材料的特征参数，与电荷载体的浓度及 其移动能力成反比。一般的材料，尤其是导电性能较好的材料，电荷的载体主 要存在于材料内部，电流通过材料内部流动。而对于导电性能较差的材料来说， 其表面电荷载体移动所形成的电流已不能忽略，为了区别材料内部和表面电流， 分别将其称为体积电流和表面电流，相应部分的导电能力分别以体积电阻率和 表面电阻率表征。能反应混凝土内部结构组成、应力、应变及裂纹变化情况的 电阻率是体积电阻率而不是表面电阻率。 本文采用四电极法来研究掺合料对混凝土电阻率的影响规律；四电极测试 方法是在需要在检测的材料内部均匀插入四个电极，外侧两个电极充当电流极， 内侧的两个电极充当电压极。在外侧的两电极间施加恒定的电流，通过测量中 间两电极间因电流而产生的电压，按照欧姆定律求得中间两电极间的电阻。 四电极测试方法与两电极测试方法之间有着区别也有着相同点。在直流电 流下四极法和两极法测得的电阻值相差很大。测试过程中如果直接用万用表测 试四极法中间两电极间的电阻，其阻值和单独两极法测得的基本相同，经分析 认为四极法可以消除两极法测量电阻时所存在的电极的非欧姆接触电阻。同样 武汉理工人学硕士学位论文第2 章原材料及实验方法 d d l c h u n g 认为两极法比四极法更容易产生极化影响【2 4 】。但是国内学者研究表 明在施加直流电压的情况下可以用四电极法对混凝土材料进行电阻的测量，并 且可以得到较好的结果。本实验测试方法如图2 1 所示 图2 1四电极电阻率测试方法 实验室测量电压值直接关系到混凝土电阻率的大小，根据地铁实际应用的 情况，电场强度为3 v c m 因此测试在试件两端所加的外界直流电压应为3 v c m x 试件的长度( c m ) ，对于本实验的试件，两端所加的直流电压为6 3 v 2 5 1 ，出于 安全用电考虑，实验测量电压值选择在d c 5 1 5 v 之间，通常采用1 0 v ；测量时 间的长短对混凝土电阻率也有直接的关系，时间过长易引起混凝土电极极化， 从高电压介质理论分析来看，加压时间越长，则流过试件的电流越接近于电导电 流，测量的绝缘电阻越准。对一般小电容或湿润状态下的混凝土这种无电容的试 件，加压1 2m i n 后，电子的吸收过程已基本完成，因而把1 2 m i n 的试验计数作为 实验测试值。 2 4 3 电阻率测试条件的确定 混凝土是一个液、固、气三相共存的多组分复合材料，在干燥状态下，混 凝土试件毛细结构中的水分很少，毛细管道不连通；在半干燥状态下，毛细结 构形成局部连通网络；在湿润状态下整个混凝土试件的毛细网络连通。因此， 选择合适的测试条件是反应混凝土电阻率数值真实有效的先决条件。表2 1 2 给 出的是胶凝材料用量为4 8 0 k g c m 3 ，w c = 0 3 3 ，s p = 4 0 的混凝土试件在不同养 护条件下不同龄期的电阻率。 1 4 武汉理t 大学硕。卜学位论文 第2 章原材料及实验方法 标养一一标准条件下养护水养一一试块成型1 天后脱模，在恒温室内浸泡于水中干养一试块成型 1 天后脱模，在恒温室内自然养护所有试块电阻牢测试都足在表面风干后进行 表2 - 1 3 不同养护条件测得混凝土5 6 天电阻率数据有效性分析 当试件处在干养状态时六次电阻率测试数据离散性较大，当试件处于标养 及水养状态时，六次测试数据相关性较好，准确性要高于干养。结合地铁工程 混凝土多处于半封闭的潮湿环境的特点，因此，本文选择水养作为混凝土电阻 率最终测试环境，同时为了便于测试的准确性，所有测试均在2 0 5 进行。 在本课题研究中在进行每一组试验结果的测试时，都成型了相同环境下的3 个试件，即在试验分析中采集使用的每个数据都是3 个试验测试结果的合理平 均值。根据试验标准规定的一般数据取舍方法为单个数据与整体数据的平均值 的偏差必须在1 5 ，否则视为无效数据。考虑到电阻率数值的测试结果的精确 性要求，由于混凝上自身的复杂多变以及测试手段的限制，在木课题研究中所 测得的电阻率数值与平均值的偏差范围可以适当的放宽，根据考察了数据的合 理性及可信性之后，将偏差范围制定为2 5 ，经过这样的数据处理之后，发现 基木上所有采集的数据都是有效的，保证了在最终进行试验结果分析中采用的 每一个数据平均值的有效性。 表2 1 4 给出的是w c = o 3 3 混凝土试件，在1 d 、7 d 、1 4 d 、2 8 d 和5 6 d 时每 组3 个试件所测得的电阻率数值，以及其相应的平均值，2 5 的偏差值和相应数 武汉理工大学硕上学位论文 第2 章原材料及实验方法 据的取舍情况。 表2 - 1 4测试所得水养条件下混凝土电阻数据有效性分析 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 本实验试件数据采集流程如下： 将成型试件放在标准养护箱中泡水2 4 小时； 取出放在阴凉通风处将试块表面风干； 氯离子渗透仪的电压接在混凝土试块的两端，其电压固定为d c l 0 v ； 万用表接在中间的两片铜网上； 静候1 2 分钟左右，待万用表读数稳定后读出的电流值及电压值； 计算试块的l d 、7 d 、1 4 d 、2 8 d 、5 6 d 、9 0 d 的电阻率。 2 4 4c 1 渗透测试