混凝土結構上的錨固件在隧道環境中的防腐分析

摘 要：隧道中的結構連接件常年處在較為惡劣的環境下，它的腐蝕狀態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
隧道內環境較為惡劣，潮濕、灰塵、溫差、污濁空氣等因素都會減少構件使用的安全程度和使用壽命。結構破壞很多發生在鋼混連接構造上，而不是發生在鋼材和混凝土結構本身。比如，由于錨栓固定件疲勞腐蝕造成隧道風機運轉偏心，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，發生吊掛件墜落等。因此，固定件設計與施工的主導思想應立足于隧道使用安全和造價經濟。
固定件應在基材和被固定物之間提供足夠的夾持力，在設計年限內經腐蝕后，仍能滿足設計要求，即應有良好的長期性能，穩定的機械參數。
防腐措施分為主動和被動兩類，主動防腐是在設計階段將導電體分開，采用抗腐性能較高的材料。被動防腐是指后續的金屬或非金屬面層防護。金屬結構或設備與混凝土結構連接錨固件的防腐措施可有以下幾種：
a.塑料結構保護
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期使用壽命。
從比利時安特衛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陸城市正常維護狀態下的使用要求。
3.現場試驗
為進一步揭示環境因素與固定件腐蝕程度的關系，自1981年至今，蘇黎士理工大學和喜利得研發中心聯合進行了不間斷現場實物試驗，室內試驗同步進行。現場試驗選在腐蝕條件較為嚴重的長大公路隧道內。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。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。混凝土周邊碳酸和鹽的濃度依實際環境水平而定。
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境中形成腐蝕質。表5示出了各現場試驗隧道的交通量情況。
4.2隧道內氣像
每天的干濕循環導致污染集中，與現場同時進行的室內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、輪胎渣、水溶性氯離子的作用下，腐蝕程度加劇。
4.3隧道內試件灰塵覆蓋情況
一定時間間隔，對現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計分析。
氯化物通過各種渠道被帶入隧道之內，爾后通過干濕循環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. 各類合金鋼材質錨栓適應性分析
借助于金屬組織學、顯微學的方法，可以精確地測到隧道內試件的腐蝕面積，腐蝕洞深。經比較，面積和深度并不直接相關，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)均發生了腐蝕。
由于MontBlanc隧道瑞士一側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。
在同樣的腐蝕環境中，1.4565、1.4529鋼沒有腐蝕跡象，1.4462、1.4439、1.4539鋼表現出了較強的抗腐性能。
6.結論
鋁制品易形成孔洞腐蝕，不宜作為隧道內錨栓固定件；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境中應用，如內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構，具有穩定的長期性能和良好的費用效益比。