混凝土結(jié)構(gòu)上的錨固件在隧道環(huán)境中的防腐分析

摘 要：隧道中的結(jié)構(gòu)連接件常年處在較為惡劣的環(huán)境下，它的腐蝕狀態(tài)直接影響與之相連接的被固定件的工作情況、安全程度、使用壽命，進(jìn)而影響維護(hù)成本。因此，選擇正確合理的錨固件非常重要。
1.概述
隧道內(nèi)環(huán)境較為惡劣，潮濕、灰塵、溫差、污濁空氣等因素都會(huì)減少構(gòu)件使用的安全程度和使用壽命。結(jié)構(gòu)破壞很多發(fā)生在鋼混連接構(gòu)造上，而不是發(fā)生在鋼材和混凝土結(jié)構(gòu)本身。比如，由于錨栓固定件疲勞腐蝕造成隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)偏心，工作異常；地鐵站電梯導(dǎo)軌固定件長(zhǎng)期受潮濕作用，功能失效，造成運(yùn)營(yíng)事故；固定吊掛件的錨栓承載力減小，發(fā)生吊掛件墜落等。因此，固定件設(shè)計(jì)與施工的主導(dǎo)思想應(yīng)立足于隧道使用安全和造價(jià)經(jīng)濟(jì)。
固定件應(yīng)在基材和被固定物之間提供足夠的夾持力，在設(shè)計(jì)年限內(nèi)經(jīng)腐蝕后，仍能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，即應(yīng)有良好的長(zhǎng)期性能，穩(wěn)定的機(jī)械參數(shù)。
防腐措施分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類(lèi)，主動(dòng)防腐是在設(shè)計(jì)階段將導(dǎo)電體分開(kāi)，采用抗腐性能較高的材料。被動(dòng)防腐是指后續(xù)的金屬或非金屬面層防護(hù)。金屬結(jié)構(gòu)或設(shè)備與混凝土結(jié)構(gòu)連接錨固件的防腐措施可有以下幾種：
a.塑料結(jié)構(gòu)保護(hù)
b.金屬層涂層保護(hù)
c.鍍鋅保護(hù) d.采用抗腐金屬材料
e.絕緣物電氣分隔或加電氣保護(hù)措施（陰極保護(hù)或犧牲陽(yáng)極）
2.鍍鋅材料抗腐蝕性能
本文僅就常用的鍍鋅防護(hù)和采用抗腐金屬材料進(jìn)行分析。就鍍鋅層而言，在不同環(huán)境下，腐蝕速率見(jiàn)表1。μ
鍍鋅防護(hù)分為：鍍鋅、熱浸鍍鋅、粉沫滲鋅3種形式，因鍍層厚度不同，抗腐能力有所差別。研究表明，上述3類(lèi)鍍鋅錨栓固定件的預(yù)期使用壽命。
從比利時(shí)安特衛(wèi)普和德國(guó)漢諾威地鐵的使用情況來(lái)看，熱浸鍍鋅和粉沫滲鋅錨栓固定件即可滿(mǎn)足內(nèi)陸城市正常維護(hù)狀態(tài)下的使用要求。
3.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
為進(jìn)一步揭示環(huán)境因素與固定件腐蝕程度的關(guān)系，自1981年至今，蘇黎士理工大學(xué)和喜利得研發(fā)中心聯(lián)合進(jìn)行了不間斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)同步進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選在腐蝕條件較為嚴(yán)重的長(zhǎng)大公路隧道內(nèi)。包括有活塞風(fēng)作用的單向行車(chē)隧道和無(wú)活塞風(fēng)作用的雙向行車(chē)隧道。試驗(yàn)范圍如下：7座隧道，9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，2600個(gè)試件，33種不同材質(zhì)。隧道長(zhǎng)度、試驗(yàn)點(diǎn)位置不同的錨栓固定件固定在混凝土試件中，置于隧道緊急停車(chē)帶（避車(chē)洞）內(nèi)。混凝土周邊碳酸和鹽的濃度依實(shí)際環(huán)境水平而定。
4.腐蝕因素分析
腐蝕程度的影響因素包括:交通量和重車(chē)比例;隧道內(nèi)氣像情況,主要指空氣溫度和相對(duì)濕度;試件灰塵覆蓋情況;混凝土的中性化和鹽漬化;煙塵的影響。
4.1隧道內(nèi)交通量
與鐵路隧道和地鐵不同，公路隧道重載交通即大噸位貨車(chē)比例的大小是影響腐蝕程度的主要因素之一。SO2，NOx和煙霧濃度易在隧道的小環(huán)境中形成腐蝕質(zhì)。表5示出了各現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)隧道的交通量情況。
4.2隧道內(nèi)氣像
每天的干濕循環(huán)導(dǎo)致污染集中，與現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行的室內(nèi)模擬試驗(yàn)在試件上涂抹氯離子酸性溶液，在煙霧、塵土、礦物質(zhì)、輪胎渣、水溶性氯離子的作用下，腐蝕程度加劇。
4.3隧道內(nèi)試件灰塵覆蓋情況
一定時(shí)間間隔，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的灰塵進(jìn)行成份分析。
4.4混凝土的中性化和鹽漬化
經(jīng)過(guò)24個(gè)月的實(shí)地試驗(yàn)，對(duì)混凝土的中性化和鹽漬化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。
氯化物通過(guò)各種渠道被帶入隧道之內(nèi)，爾后通過(guò)干濕循環(huán)滲透到襯砌混凝土中。酸性氣體導(dǎo)致混凝土中性化和脆化，使pH值下降。氯離子，潮濕（電解）作用以及其他酸性媒介使不銹鋼材料產(chǎn)生孔洞和裂縫腐蝕。
4.5煙塵的影響
Gotthard 隧道中SO2在短時(shí)間內(nèi)聚集達(dá)48 ×10-6，NO2 值各個(gè)隧道基本接近，范圍在 0~ 4×10-6之間，CO值在各個(gè)隧道大致相同，變化范圍比 NO2 略大。
5. 各類(lèi)合金鋼材質(zhì)錨栓適應(yīng)性分析
借助于金屬組織學(xué)、顯微學(xué)的方法，可以精確地測(cè)到隧道內(nèi)試件的腐蝕面積，腐蝕洞深。經(jīng)比較，面積和深度并不直接相關(guān)，分析認(rèn)為，這是由于合金的成份、純度、金屬處理階段的沉淀作用所致。
Mont Blanc 隧道的腐蝕最為嚴(yán)重。熱浸鍍鋅、含鐵酸鹽材料、銅鋁合金、
鉻合金鋼(1.4104)、 不銹鉻鎳合金 (1.4301、1.4305)均發(fā)生了腐蝕。
由于MontBlanc隧道瑞士一側(cè)鍍鎳合金腐蝕極為嚴(yán)重，瑞士隧道管理方已不再考慮使用鍍鎳合金錨栓固定件。金屬表層的不平整，加速了腐蝕速度，不銹鋼及大部分鍍鋁材料，特別是作為陽(yáng)極時(shí)，表現(xiàn)為裂縫和孔洞腐蝕，如1.4305鋼，有裂縫貫穿相連。
在同樣的腐蝕環(huán)境中，1.4565、1.4529鋼沒(méi)有腐蝕跡象，1.4462、1.4439、1.4539鋼表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗腐性能。
6.結(jié)論
鋁制品易形成孔洞腐蝕，不宜作為隧道內(nèi)錨栓固定件；鉻黃-鎳鋼(1.4301、1.4305、1.4401、 A4等)和其它合金，如1.4429、1.4439、1.4539、1.4462可以在腐蝕程度不是很高的環(huán)境中應(yīng)用，如內(nèi)陸城市地鐵或輕軌項(xiàng)目。但這種固定件在溫差大、濕度高、氯離子，硫酸根離子濃度較高的隧道中使用，可能出現(xiàn)較大的腐蝕孔洞。
鎳、鈦覆層具有較強(qiáng)抗腐性能，但與性能相近的不銹鋼奧氏體 (至少6%鉬含量的1.4529或Avesta254SMO)相比，價(jià)格昂貴且難于加工。
高鉬含量的不銹鋼（英文Steel of High Corrosion Resistance ，縮寫(xiě)為HCR，鉬含量大于6%）
錨栓固定件適用于高腐蝕環(huán)境，適合濱海城市地鐵和輕軌項(xiàng)目以及具有用以重要政治、軍事意義的隱蔽工程。考慮維修、更換和因腐蝕造成的損失，使用HCR制作的錨栓，用以固定鋼材和混凝土結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定的長(zhǎng)期性能和良好的費(fèi)用效益比。