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，進而影響維護成本。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機運轉(zhuǎn)偏心，工作異常；地鐵站電梯導軌固定件長期受潮濕作用，功能失效，造成運營事故；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)計與施工的主導思想應(yīng)立足于隧道使用安全和造價經(jīng)濟。
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)計年限內(nèi)經(jīng)腐蝕后，仍能滿足設(shè)計要求，即應(yīng)有良好的長期性能，穩(wěn)定的機械參數(shù)。
防腐措施分為主動和被動兩類，主動防腐是在設(shè)計階段將導電體分開，采用抗腐性能較高的材料。被動防腐是指后續(xù)的金屬或非金屬面層防護。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
b.金屬層涂層保護
c.鍍鋅保護 d.采用抗腐金屬材料
e.絕緣物電氣分隔或加電氣保護措施（陰極保護或犧牲陽極）
2.鍍鋅材料抗腐蝕性能
本文僅就常用的鍍鋅防護和采用抗腐金屬材料進行分析。就鍍鋅層而言，在不同環(huán)境下，腐蝕速率見表1。μ
鍍鋅防護分為：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類鍍鋅錨栓固定件的預(yù)期使用壽命。
從比利時安特衛(wèi)普和德國漢諾威地鐵的使用情況來看，熱浸鍍鋅和粉沫滲鋅錨栓固定件即可滿足內(nèi)陸城市正常維護狀態(tài)下的使用要求。
3.現(xiàn)場試驗
為進一步揭示環(huán)境因素與固定件腐蝕程度的關(guān)系，自1981年至今，蘇黎士理工大學和喜利得研發(fā)中心聯(lián)合進行了不間斷現(xiàn)場實物試驗，室內(nèi)試驗同步進行。現(xiàn)場試驗選在腐蝕條件較為嚴重的長大公路隧道內(nèi)。包括有活塞風作用的單向行車隧道和無活塞風作用的雙向行車隧道。試驗范圍如下：7座隧道，9個試驗點，2600個試件，33種不同材質(zhì)。隧道長度、試驗點位置不同的錨栓固定件固定在混凝土試件中，置于隧道緊急停車帶（避車洞）內(nèi)。混凝土周邊碳酸和鹽的濃度依實際環(huán)境水平而定。
4.腐蝕因素分析
腐蝕程度的影響因素包括:交通量和重車比例;隧道內(nèi)氣像情況,主要指空氣溫度和相對濕度;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)場試驗隧道的交通量情況。
4.2隧道內(nèi)氣像
每天的干濕循環(huán)導致污染集中，與現(xiàn)場同時進行的室內(nèi)模擬試驗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
一定時間間隔，對現(xiàn)場采集的灰塵進行成份分析。
4.4混凝土的中性化和鹽漬化
經(jīng)過24個月的實地試驗，對混凝土的中性化和鹽漬化情況進行了統(tǒng)計分析。
氯化物通過各種渠道被帶入隧道之內(nèi)，爾后通過干濕循環(huán)滲透到襯砌混凝土中。酸性氣體導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在短時間內(nèi)聚集達48 ×10-6，NO2 值各個隧道基本接近，范圍在 0~ 4×10-6之間，CO值在各個隧道大致相同，變化范圍比 NO2 略大。
5. 各類合金鋼材質(zhì)錨栓適應(yīng)性分析
借助于金屬組織學、顯微學的方法，可以精確地測到隧道內(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，特別是作為陽極時，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鋼沒有腐蝕跡象，1.4462、1.4439、1.4539鋼表現(xiàn)出了較強的抗腐性能。
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)定的長期性能和良好的費用效益比。