粉煤灰和矿粉对地铁用混凝土抗杂散电流腐蚀性能的影响

1、文章编号：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 ，何慧兰1，李宝枝2（1.广东建设职业技术学院，广州 510470；2.中交集团第三航务工程局南京分公司，南京 210015）摘 要： 地铁杂散电流腐蚀是影响地铁用混凝土耐久性很重要的因素之一。通过对胶凝材料中掺加粉煤灰和矿粉提高混 凝土电阻的方式，来优化地铁用混凝土的配合比设计。结果表明，粉煤灰和矿粉能有效地提高混凝

2、土的密实程度，减 小混凝土的孔溶液离子浓度，从而提高混凝土的电阻。同时，粉煤灰和矿粉的掺入减小了混凝土的电阻压敏性，为地 铁用混凝土配合比设计提供了依据。关键词： 混凝土电阻值；粉煤灰；矿粉；电阻压敏性中图分类号：TU528.2 文献标识码：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粉煤灰和矿粉对地铁用混凝土抗杂散电流腐蚀性能的影响0 前

5、言目前，我国城市轨道交通和城际铁路的建设进入一个空前的密集阶段，然而不论是地铁还是高铁，都是通过直流电进行牵引的，因此，混凝土杂散电流腐蚀成为一个很重要的研究领域。研究表明1，在混凝土中以部分粉煤灰和矿粉取代水泥可在一定程度上提高混凝土的电阻，但相关文献对粉煤灰和矿粉的具体掺量没有深入的讨论。1 实验原材料及实验方法1.1 实验原材料采用 PO.42.5 普通硅酸盐水泥， 粉煤灰为二级灰，同时本实验中部分组试件选用了磨细矿渣，其物理特性及化学组分分析见表 1、表 2。本实验中的砂石分别为河砂和卵石，砂子的细度模数为 2.8，卵石最大粒径为 25 mm，经测定卵石的级配较好。减水剂使用聚羧酸高性

6、能减水剂。表 1 水泥和粉煤灰的化学组分材料 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烧失量 2.86 1.541.2 混凝土配合比设计1.2.1 单位立方混凝土中胶凝材料用量及水灰比的确定 考虑到地铁运行中，杂散电流主要影响部位为地铁运行轨道，而此部位的混凝土通常的设计标号为 C30C35。本文中采用 C35 混凝土进行试验。胶凝材料用量采用 JGJ 55-2000普通混凝土配合比设计规范中的方法，并结合材料的性质，经计算得到每立方混凝土的胶凝材料用

7、量为 360，水灰比为 0.4。1.2.2 砂率的确定本实验中，砂率的确定采用最大塌落度法，即在固定其他因素的条件下分别测定不同砂率下混凝土的塌落度，得出各砂率下的塌落度值，对其进行分析，从而得到最大塌落度时砂子、卵石比例。实测下的塌落度和砂率的关系见图 1，由此可确定砂率为 41%。180塌落度/mm175170165160表 2 PO.42.5 水泥性能指标细度/%4.6凝结时间/min初凝 145终凝 355安定性 合格标准稠度用水量 27.3%强度/MPa3 d 25.528 d 44.6砂率/%图 1 不同砂率下混凝土所对应的塌落度4COAL ASH 3/20111.2.3 实验用混

8、凝土配合比经过计算和实测，在确定混凝土胶凝材料用量、水灰比以及砂率的情况下，采用等量取代的方式，在混凝土中引入粉煤灰和矿粉，本实验中所用的混凝土配合比和胶凝材料组成见表 3。表 3 混凝土配合比 kg/m³编号1 2 3 4 5 6水泥360 324 324 242 234 216粉煤灰0 36 0 0 72 72矿粉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减水剂0.18 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18有较大的差别，

9、3 号强度高于 2 号的主要原因是矿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 强度 MPa编号3d 强度 28d 强度119.2 45.5216.5 38.3317.1 43.7418.5 45.7516.4 42.8616.9 43.72.2 混凝土电阻值分别在不同龄期测定混凝土的电阻值，分析得到各龄期不同组分下混凝土电阻值的差异，以及其随龄期的发展变化。具体测试结果见表 5。表 5 混凝土不同龄期电阻值 ohm编号 7d 电阻值28d 电阻值1 21 235 76 5492 21 343 79 0853 25 451 78 9534 28 768 87

10、764 265 7385 28 997 98 567 254 5896 32 335 105 431 309 8431.3 实验方法1.3.1 强度测试依据表 3 中的混凝土配合比成型 150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方体试件，成型 1 d 后拆模，并在温度（20±2），湿度 100% 的环境中养护，在达到 3 d 和 28 d 龄期时，对其进行抗压实验。1.3.2 混凝土电阻值测试采用与强度实验相同的混凝土配合比，成型 150mm×150mm×400 mm 的混凝土试件，并在两端埋入不锈钢网，作为测定混凝土电阻值时使用的电极

11、，两电极之间的距离为 300 mm。试件及电极位置示意图见图 2 所示。试件成型后 1 d 拆模，并在温度（20±2），湿度 100% 的环境中养护，在达到 7 d、28 d 和 56 d 龄期时，对其进行电阻值测定，使用的仪器为数字电流表及稳压电源。56d 电阻值25 4327 287 841 298 765分析所测得电阻值发现，在混凝土成型早期（7 d），由于混凝土胶凝材料组成不同而导致的混凝土电阻值差异较小，掺和矿物掺合料的比纯水泥组电阻值略高，但粉煤灰对电阻值的影响作用不明显。比较 1 号试件和 2 号试件可知，粉煤灰的加入对混凝土早期的电阻值影响较小，这是因为粉煤灰在早期的

12、水化量较小，其水化产物不足以填堵混凝土中水泥浆体的空隙，造成混凝土中联通孔隙较多5。而掺加矿粉的试件中，混凝土电阻值增大较为明显，而且随着矿粉掺量的增加，电阻值有增大的趋势。但 7 d 龄期时，整体的电阻率都偏低，这是由于胶凝材料水化不充分，内部存在大量的联通孔隙，而且此时的水含量较大。 分析混凝土试件 28 d 时的电阻值，可以看到，掺和粉煤灰的试件电阻值增加较大，但双掺粉煤灰和矿粉没有起到明显的增大电阻的作用，电阻值依然随矿粉掺量的图 2 混凝土电阻测试电极位置示意图增加而增大。同时，在所有的试件中，没有掺粉煤灰和矿粉的一组电阻值最小，由此，不难得出结论，以部分矿物掺和料取代水泥，可增大混

13、凝土电阻。从微观的角度上讲，掺加矿物掺合料可优化胶凝材料的级配，使得混凝土胶凝材料硬化浆体更为密实。部分粉煤灰的水化产物可有效地填充水泥水化后形成的联通孔隙，一方面减少了混凝土的孔隙，另一方面减少了混凝土中联通孔隙的数量，而矿粉也起到同样的作用3。同时，矿粉的水化使得混凝土中孔溶液的离子浓度降低，这也是造成混凝土电阻值增大的重要原因。根据已有研究，粉煤灰在 28 d 时并不能够完全地水化，分析所得实验结果可发现，56 d 时混凝土电阻值较 28 d 时有很大程度的增加，因此仍需分析 56 d 结3/2011粉煤灰52 实验结果及讨论2.1 混凝土强度分别测定混凝土的 3 d 和 28 d 强度

14、，测定结果如表 4所示。由 3 d 强度测定结果可明显发现，粉煤灰水化程度处在一个很低的状态，编号为 6 的组掺加粉煤灰的量为20%，其强度明显低于其他组别。比较掺加粉煤灰的不同掺量对强度的影响，可发现随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的早期强度有所降低，而矿粉的早期水化程度明显高于粉煤灰，编号为 46 的三组中，矿粉的掺量是固定的，其强度随粉煤灰掺量的增加而明显地降低。同时，编号为 2和 3 的两组中，矿物掺合料的取代量是相同的，但强度也果来最终确定粉煤灰和矿粉对混凝土电阻值的影响。 在 56 d 龄期时，混凝土的电阻率有了较大的变化，掺加粉煤灰对提高混凝土电阻有很明显的效果，尤其是在双掺粉煤灰和

15、矿粉的情况下，效果更为显著。对比几组试件，尤其是 5 号和 6 号试件，发现矿粉的掺量也并非越多对混凝土电阻的提高也越大，由此可得，矿物掺和料的参合比例需控制在一定的范围内。由上述结果可知，用部分粉煤灰和矿粉取代水泥，可有效地改变混凝土的密实程度，降低其孔隙率，在很大程度上提高混凝土的电阻。同时双掺粉煤灰和矿粉能有效地提高混凝土抗杂散电流腐蚀耐久性。同时掺加粉煤灰和矿粉提高混凝土密实程度也会使得混凝土抗渗性能得到很大程度的提高，对混凝土耐久性的其他方面的表现也更为优异4。2.3 混凝土电阻压敏性在混凝土试件达到 56 d 龄期时，连接混凝土试件中两电极，对混凝土试件进行电阻压敏性测试。在混凝土

16、试件弹性变形范围内，对其进行 4 个加载循环，在此过程中,随时监测混凝土试块所受的压力值和其对应的电阻值，测试结果如图 3 所示。当压力增大时，混凝土电阻值减小，当卸载以后，混凝土电阻值又恢复到未加压前的水平，由此可见，在混凝土弹性范围内，当给混凝土加载时，混凝土各相之间的接触会更紧密，而在未加压情况下，由于混凝土内部水分较小，部分孔溶液不能够很好地接触，使混凝土的电阻值在一个相对较高的范围内，而加压以后，混凝土孔溶液部分融合，离子传递的路径很通畅，使混凝土电阻减小。因此，在混凝土结构使用过程中，在构建上的荷载可以使混凝土电阻有所降低。土试件内部已经出现微裂缝，微裂缝的增加使得混凝土的电阻增大

17、，但同时，混凝土试件中部分孔溶液在压力的作用下，仍然会增大接触范围，这使得混凝土电阻值减小，而在此阶段，这两个因素对混凝土电阻值的影响在一个基本平衡的范围内，因此混凝土电阻值基本不变。二是混凝土电阻值急剧增大的阶段；在此阶段，混凝土试件中裂缝不断增多增大，这一方面对混凝土电阻值的影响起主导作用，因此，混凝土电阻值急剧增大。综上所述，混凝土电阻值与其所受压力有很大的关系，在地铁运行过程中，一方面，来自杂散电流的影响会造成混凝土构件中钢筋的锈蚀，从而使结构的承载能力降低；另一方面，压力的作用又会使混凝土的电阻值不断地变化，影响混凝土抗杂散电流腐蚀。因此，合理设计混凝土的配合比，使得混凝土电阻值最大

18、，同时在荷载作用下，电阻值变化不是很大，即混凝土的电阻压敏性小，是一个很重要的研究课题。3 结 论（1）以部分粉煤灰取代水泥，会使混凝土早期强度有所降低，但在中后期，强度会继续发展，最终不会对混凝土强度造成很大影响。而掺加矿粉对混凝土早期强度有所增加，两者配合使用，能够取得很好的工程和经济效益。 （2）地铁用混凝土掺加粉煤灰和矿粉对提高混凝土电阻有显著作用，尤其在双掺的情况下，效果更明显。粉煤灰主要在后期起到相对重要的作用，能有效地提高混凝土抗杂散电流耐久性。（3）混凝土电阻值存在对压力的敏感性，即在混凝土弹性变形范围内，电阻值随压力的增大而减小，但是以部分矿物掺和料取代水泥，会有效地降低混凝土电阻对压力的敏感性。参考文献1 陈志源，刘国飞，史美伦，等，混凝土中掺加粉煤灰对地铁杂散电循环荷载流的抑制J