钢筋混凝土结构轨道交通杂散电流腐蚀损伤机理

摘要

快速发展轨道交通是我国的重大战略需求。轨道交通具有运量大、速度快、环保节能等显著优点，可以有效缓解交通运输压力。较于普通钢混结构，轨道交通对于下部基础结构有更高的要求。现代电气化列车普遍使用钢轨作为供电回流线路，随着钢轨与下部基础结构的绝缘性能变差，部分供电回流从钢轨发生泄露形成杂散电流（Stray Current，SC），进而引起下部钢筋混凝土材料与结构性能的劣化。因此，杂散电流腐蚀损伤（SC Corrosion Damage，SCCD）是轨道交通安全的潜在威胁。鉴于此，本文采用理论分析与试验验证相结合，针对轨道交通下部钢混结构SC腐蚀展开研究，揭示杂散电流对钢筋与混凝土材料的损伤机理。
　　针对SC与氯盐耦合作用下钢筋在模拟混凝土孔隙液中的损伤过程进行了试验研究。并基于腐蚀电化学动力学对SC腐蚀作用的机理进行了分析。采用动电位扫描（Potentiodynamic scan，PDS）测得钢筋阴阳极区极化曲线，发现阳极区在强阳极极化过程中钢筋表面的腐蚀会经过“钝化-活化”阶段。氯离子与SC耦合作用下，钢筋电极的脱钝电位降低，使得钢筋提早进入腐蚀状态。在阴极区，钢筋电极表面先发生吸氧反应，随着电极电位的增加，进而发生析氢反应，氢气的生成可引起钢筋的氢脆失效，严重威胁结构的安全性。
　　针对杂散电场作用下混凝土多孔介质内粒子群的发展演化规律及SC腐蚀与环境粒子群演化的相互作用机制进行了试验研究。通过等离子体发射光谱（Inductive Coupled Plasma，ICP）对混凝土孔隙液中粒子群的发展演化进行了定量测试，发现电场作用下，混凝土孔隙液中阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动。杂散电流阳极电场作用下，氯离子向阳极即钢筋移动，氯离子浓度达到临界值时，破坏钢筋表面原本存在的钝化膜，使得钢筋提早进入活化状态。阴极电场作用下，凝土孔隙液中的钠离子和钾离子向阴极即钢筋移动，SC会导致钢筋与混凝土界面产生具有可溶性的碱式硅酸盐或铝酸盐，降低混凝土与钢筋的界面粘结力，进一步引起混凝土内部孔结构的劣化。
　　通过热重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA）、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）对混凝土中相成分进行研究，发现目前试验阶段电场作用下，混凝土中氢氧化钙（Calcium Hydroxide，CH）的含量尚未发生显著变化；通过氮气等温吸附（Brunauer、Emmett和Teller，BET）对杂散电场作用下混凝土孔结构的微观变化进行了研究，发现强电场作用下，混凝土孔隙率会有增大。

目录

第1章 绪论

1.1课题的来源

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.4本文主要研究内容

第2章 原材料及试验方法

2.1 引言

2.2 试验方案

2.3混凝土试件的制备

2.4混凝土试件试验条件的控制

2.5钢筋阴阳极区极化曲线测试方法

2.6杂散电流幅值大小的确定

2.7 微观测试研究方法

2.8本章小结

第3章 钢筋混凝土结构杂散电流阳极极化损伤机理

3.1引言

3.2 阳极极化曲线测试

3.3 杂散电场作用下粒子群迁移ICP分析结果

3.4 钢筋锈蚀后质量损失测试结果

3.5杂散电场作用对混凝土孔结构的影响分析

3.6杂散电场作用对混凝土中CH的影响分析

3.7 本章小结

第4章 钢筋混凝土结构杂散电流阴极极化损伤机理

4.1引言

4.2 阴极极化曲线测试

4.3 杂散电场作用下粒子群迁移ICP分析结果

4.4杂散电场作用对混凝土孔结构的影响分析

4.5 杂散电场作用对混凝土中CH 的影响分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢