截至2020年6月30日,中國內地已有41個城市開通了城市軌道交通,總長度達到6917.62 kg。隨著我國城市軌道事業的發展,鋼軌的腐蝕問題越發成為發展過程中不容忽視的問題,也是鋼軌服役壽命的重要影響因素,同時,鋼軌腐蝕帶來了巨大的經濟損失和安全隱患[1]。有關研究表明,鋼軌用鋼在濕度大的隧道、工業污染區以及海洋環境等條件下的耐蝕性不夠理想,隧道內較高的濕度、含Cl-和硫酸鹽的地下水、施工建設時的混凝土材料,雜散電流腐蝕等,是引發鋼軌加速腐蝕的主要原因[2]。
羅虞霞等[3]研究表明,廣鐵集團所轄隧道鋼軌腐蝕的主要形式是伴隨著機械和疲勞損傷出現的局部腐蝕,潮濕的空氣、溫差、降雨、大氣污染和雜散電流等環境因素以及鋼軌自身機械疲勞損傷情況綜合作用于鋼軌,致使并加劇鋼軌腐蝕。日本東京地鐵由于地下水滲漏,地鐵隧道內經常發生鐵軌腐蝕,一些地方必須半年換一次鋼軌。其腐蝕產物中含有β-FeOOH,腐蝕環境中水樣分析發現高達3.57%的Cl-。隧道中高濃度的Cl-促進了鋼軌質量和材料強度的損失[4]。Hernández等[5]研究表明,隧道或潮濕環境里軌道底部腐蝕是多種因素包括濕度、環境中累積的鹽共同作用結果,但最嚴重的是雜散電流腐蝕。軌道底部一旦發生局部腐蝕,即使腐蝕量不大,也可能導致應力集中,從而降低鋼軌腐蝕疲勞壽命。
目前我國華中地區地鐵隧道環境數據尚未見相關報道[6-9],地鐵建設階段的鋼軌腐蝕問題還未引起關注,地鐵隧道環境中鋼軌腐蝕機理也尚不明確[10,11]。基于此,對我國華中地區在役和在建的地鐵站點隧道環境及軌道腐蝕情況開展了調查和分析,以期為地鐵隧道環境中鋼軌腐蝕的評估及防腐蝕措施的制定提供數據支持。
1 實驗方法
采用電感耦合等離子體發射光譜法 (ICP-AES),使用Spectro Blue ICP光譜儀對華中地區在役和在建地鐵隧道環境中水質進行測定,地鐵隧道內地下水含量 (mg/L) 為：K 25.0, Na 53.7,Ca 21.1,Fe<0.5,Mg<0.5,Si 10.5,S 26.9；施工污水中含量 (mg/L) 為：K 171.0,Na 68.5,Ca 9.0,Fe<0.5,Mg 5.5,Si 15.5,S 40.8。使用GPT799電位滴定儀測定樣品中的pH和Cl-,結果顯示,隧道內地下水中Cl 21.0 mg/L,pH7.11,施工污水中Cl 146 mg/L,pH6.48。
使用FEI Quanta400場發射掃描電鏡 (FE-SEM) 對鋼軌銹蝕產物進行微觀形貌觀察,采用EDAX 能譜分析儀 (EDS) 對銹蝕產物進行元素分析；使用 RIGAKU D/MAX-2500型X射線衍射儀 (XRD) 對鋼軌銹蝕產物進行物相分析,測試條件為：鉬靶,掃描速率2°/min,2θ范圍從5°到85°。
2 武漢地鐵四類典型隧道環境特征
武漢地鐵鋼軌腐蝕的4類典型的隧道環境,分別為：潮濕大氣、污水浸泡、水泥砂漿覆蓋及雜散電流。
潮濕大氣環境主要是地鐵隧道中的潮濕路段,溫度范圍：10~30 ℃,濕度范圍：70%~90%RH,此環境中可能有少量不接觸鋼軌的積水,積水主要來自地下水滲漏。污水浸泡環境則主要位于隧道地勢最低路段,鋪設后的鋼軌因施工建設,導致其浸泡在施工產生的污水中,也因此而發生鋼軌的全面腐蝕。上述兩類環境下水質采樣分析結果見表1。可以看出,隧道潮濕環境水中含K、Ca、Na的硅酸鹽、硫酸鹽、氯鹽。與滲漏地下水水質相比,施工污水中含有更多的電解質,Cl-濃度高達146 mg/L,極易造成鋼軌鋼的局部腐蝕。
表1 地鐵服役環境因素特征匯總
Table 1 Summary of the characteristics of subway service environmental factors
水泥砂漿覆蓋環境多涉及到地鐵施工建設階段,當鋼軌鋪設后,在進行混凝土澆灌時,鋼軌表面覆蓋了一層厚度<5 mm的水泥砂漿。
雜散電流環境,一般是在運營年限較長線路,漏電點多位于隧洞分叉處,類似人防門建筑,頂部有漏水。鋼軌與軌枕間充滿已固化的泥漿,雜散電流發生的基本條件是鋼軌與大地連通形成電流流入大地并再從大地流回鋼軌的閉環電路。
匯總上述4類地鐵軌道服役環境因素特征如表1所示。上述4種環境可能在建設階段和運營階段先后出現在同一路段,運營階段鋼軌雜散電流的產生與建設階段鋼軌受污水浸泡、水泥灰漿覆蓋、鋼軌下方淤積物清理不徹底有直接關聯。
3 鋼軌腐蝕狀況調查與分析
圖1為潮濕大氣環境內服役5a的鋼軌軌腰和軌底外觀圖。從圖1a可以看出,鋼軌軌腰表面一部分呈褐色銹蝕,另一部分覆蓋黑灰色片狀物質,觸摸即松動,容易從軌腰上剝離。進一步觀察可見,軌底褐色銹蝕面積比例更大 (圖1b)。隧道內一段服役達3a的鋼軌,整體腐蝕程度較輕,軌腰及軌底的氧化鐵皮保留較完好,附著牢固難以去除。無氧化皮保護的部位呈均勻黃褐色銹蝕 (圖1c),圖中白色方框標注位置為現場取樣位置。
圖1 潮濕大氣環境腐蝕5 a鋼軌外觀形貌和3 a整體外觀形貌
Fig.1 Macro morphologies of rail waist (a), rail bottom (b) for 5 a and overall morphology (c) of trail for 3 a in Humid atmosphere corrosive environmen
XRD分析顯示軌腰脫落層主要成分為Fe3O4、Fe2O3和FeO。按質量比計算為：Fe3O4∶Fe2O3∶FeO=35∶53∶12,據此可判斷脫落層可能為鋼軌的原始氧化皮。對軌底銹蝕產物進行XRD物相分析,發現銹蝕產物主要包括γ-FeOOH、α-FeOOH和Fe3O4,三者質量比為γ-FeOOH∶α-FeOOH∶Fe3O4=13∶80∶7。由此可見,在潮濕大氣環境中,鋼軌服役5 a,軌腰部分表面仍有一定比例氧化鐵皮覆蓋,軌底已腐蝕形成了穩定銹層,氧化皮覆蓋比例較少,這說明鋼軌鋼表面的氧化皮對腐蝕介質有一定的物理屏蔽作用。
污水浸泡環境中鋼軌表面及周邊潮濕或肉眼可見有水分覆蓋,軌底、軌腰銹蝕情況較嚴重,鋼軌銹蝕外觀如圖2所示。隧道兩側有施工后殘留的污水,軌底腳上表面為濕潤狀態,原始氧化層全部被破壞,鋼軌腐蝕后的銹蝕產物呈黃褐色,局部有鼓泡現象出現,鼓泡內呈黃色,可見有水分,這種鼓泡在軌底 (圖2) 腳呈現無規律分布狀態,有的鼓泡已松動,可從鋼軌上整體剝離。另外,圖2a中的方框標注的是取銹蝕鼓泡試樣位置。
圖2 污水浸泡腐蝕環境銹蝕軌底腳及浸泡在水中鋼軌的形貌
Fig.2 Macro morphologies of rail bottom (a) and immersed rail (b) in sewage immersion corrosion environment
圖3為污水浸泡鋼軌表面鼓泡狀腐蝕產物的SEM形貌,由圖可見,腐蝕產物多為針狀花簇形貌,與文獻比較推斷該產物為β-FeOOH[12]。蝕坑中銹蝕產物能譜分析結果 (圖4) 表明,腐蝕產物中主要包含Fe和O,同時還含有少量的Al、Ca、Si、Cl等元素,推斷其來源可能是環境中的混凝土成分。結合形貌觀察和元素分析結果可以推測,污水浸泡的鋼軌腐蝕產物主要由β-FeOOH和無定形物構成,鋼軌因浸泡在施工污水中加速了其表面的腐蝕,同時水中的Cl-對局部腐蝕起到促進作用[13,14]。
圖3 污水浸泡蝕坑內銹蝕產物微觀形貌
Fig.3 Microscopic morphologies of the corrosion products in the corrosion pit soaked in sewage
圖4 污水浸泡蝕坑中銹蝕產物微觀形貌與成分分析
Fig.4 Microscopic morphology and composition analysis of corrosion products in sewage immersion pits
圖5為鋼軌表面脫落腐蝕產物內、外兩側微觀SEM形貌和EDS分析。放大后可見剝落物外側多為無定形顆粒 (圖5a),內側腐蝕產物呈短棒狀γ-FeOOH和球狀物 (圖5b,c)。可見剝落物外側元素組成為Ca、Fe、Si、Al,其中Ca含量最高,與混凝土中的元素組成可以對應,而剝落物內側銹蝕產物包含Fe、O、Ca,球狀物包含O、Ca,物質量比例接近1∶1,可推斷該球狀物為水泥水化反應產生的Ca(OH)2。
圖5 水泥砂漿覆蓋鋼軌表面剝落腐蝕產物微觀形貌及EDS譜
Fig.5 Microstructures and EDS pattens of spalling corrosion products on the surface of cement mortar covered rail outer (a) and inner (b) and inner dark globule (c)
圖6為水泥砂漿環境服役鋼軌的表面宏觀形貌。可以看出,水泥砂漿環境中的鋼軌軌腰、軌腳覆蓋有干涸的水泥混凝土,鋼軌附近未見污水 (圖6a),鋼軌腰部銹層為黃褐色,未脫落的氧化皮呈灰白色,易于從鋼軌表面剝離 (圖6b)。
圖6 水泥砂漿覆蓋環境下鋼軌整體和表面銹蝕形貌
Fig.6 Macro morphologies of rail (a) and rail surface rust (b) in cement mortar covers environment
圖7給出了某線路兩根雜散電流腐蝕鋼軌底腳掉塊傷損宏觀形貌。傷損軌位于兩個站點區間的上行線隧洞分叉處,類似人防門建筑,頂部有漏水,該部位是盾構和明面開挖相結合的部位,易發生漏水情況,漏水進一步造成泥沙在鋼軌底部淤積導致對地絕緣失效。可以看出,軌底掉快部位扣件銹蝕嚴重,鋼軌與軌枕間充滿已經固化的泥漿,傷損均在鋼軌內側扣件處,左股出現2處,尺寸分別為20 mm×15 mm、42 mm×16 mm (圖7a)；右股掉塊傷損嚴重部位120 mm×15 mm,較輕微部分還有約45 mm長 (圖7b)。從現場環境、掉塊形貌、鋼軌對地絕緣狀態等方面,可推斷此鋼軌的傷損是雜散電流腐蝕導致,其腐蝕速率與雜散電流的大小有關。
圖7 雜散電流腐蝕的鋼軌底腳缺損外觀
Fig.7 Defective appearance of rail footings corroded by stray currents left stock (a) and right stock (b) rail
4 鋼軌腐蝕機理分析
圖8給出了潮濕大氣環境鋼軌腐蝕機理示意圖。與大氣腐蝕機理相似,鋼軌在潮濕大氣環境中表面會形成一層水膜,在氧化鐵皮薄、或有缺陷部位發生陽極溶解,如 式 (1) 生成Fe2+ (圖8a),隨后水解并在干燥過程中受空氣氧化而在鋼表面形成大量非晶態的二價、三價鐵氧化物及氫氧化物,后續的晶化和電化學轉化中,形成非晶氧化物、γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe3O4,如式 (3~ 6)。在氧化層薄、有缺陷的位置,氧化層下的鋼基體發生緩慢腐蝕 (圖8b)。隨著腐蝕進行氧化層逐漸轉化為銹層,氧化皮成為銹層表面和內部雜質 (圖8c),因此該環境下軌腰氧化皮大部分保留,軌底腐蝕,產物主要為γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe3O4,可見此潮濕環境下鋼軌銹層穩定、具有一定保護作用,鋼軌腐蝕速率慢[15-17]。
圖8 潮濕大氣環境鋼軌腐蝕機理示意圖
Fig.8 Schematic diagram of rail corrosion in humid air environment: (a) water and oxygen contact the substrate through the oxide layer on the rail surface, (b) substrate under the oxide layer is corroded, (c) toxide layer is gradually converted into the rust layer
污水浸泡環境包含多種電解質,pH接近中性,使鋼軌局部電化學反應加劇。文獻[18,19]研究表明,在1% (質量分數) NaCl鹽水浸泡環境中,如式 (7和8) 所示,氧化層中的Fe3O4和Fe2O3出現先還原再氧化的過程,鋼基表面產生了多種羥基氧化鐵,如式 (9和10),同時Fe2O3、Fe3O4轉變生成α-FeOOH、γ-FeOOH、β-FeOOH和無定形的δ-FeOOH (圖9a),根據文獻報道[13],腐蝕產物中的β-FeOOH由氯化物轉化而來且穩定性最低,會進一步轉化為結構穩定、擁有較低電化學活性的α-FeOOH,如反應式 (11),結合鋼軌的宏觀銹蝕形貌,可推斷銹層內應力集中于少數局部區域,大小超過銹層斷裂強度而產生鼓泡 (圖9b)。
圖9 污水浸泡環境鋼軌腐蝕機理示意圖
Fig.9 Schematic diagram of rail corrosion in sewage immersion environment: (a) corrosive medium containing chloride ion and sulfate radical reacts with the oxide layer and substrate at the defect site of the oxide layer, (b) concentration of stress in the rust layer produces local bubbling
污水中的SO42-與Fe2+結合,FeSO4水解形成氧化物和游離的硫酸,硫酸又加速鋼的腐蝕,新得到的FeSO4再次水解生成新的酸[20],如反應式 (12~13)。
圖10給出了水泥覆蓋環境鋼軌腐蝕機理示意圖。如文獻[21]報道,水泥水化過程中會產生大量的水化熱,這些熱量使參與水泥中剩余水份蒸發,使混凝土內部形成毛細管；這些毛細管和混凝土中的孔隙及微裂縫形成了侵蝕性離子、氧氣、水透過混凝土接觸鋼軌表面的通道,從而使鋼軌表面具有發生電化學反應與離子擴散所需的條件,從而發生鋼軌的全面腐蝕 (圖10a)。
圖10 水泥覆蓋環境鋼軌腐蝕機理示意圖
Fig.10 Schematic diagram of rail corrosion of cement covered environmental: (a) corrosive ions, oxygen and water contact the rail surface through concrete, resulting in comprehensive corrosion of the oxide layer and substrate, (b) the corrosion products at the junction of substrate and oxide layer are γ-FeOOH and spherical Ca(OH)2
硅酸鹽水泥水化反應伴隨生成大量難溶于水的Ca(OH)2,Ca(OH)2在混凝土孔隙液中容易達到飽和狀態,以結晶的形式析出,析出的Ca(OH)2使混凝土孔隙液pH保持在12.5~13的高堿度范圍,氧化層在這種高堿性環境中表面被氧化形成了一層水化氧化膜 (γ-Fe2O3·nH2O),氧化膜的穩定性及致密性主要影響因素為溶液的氧含量以及pH[21-25],水泥水化的高堿性 (pH≥12.6) 讓鋼軌表面氧化膜較密集且能穩定存在,當pH小于9.88,如本文所走訪的地鐵站點的施工污水pH為6.48,此時氧化膜生成就較為困難,或者已經形成的氧化膜會發生破壞,此過程中Cl-透過氧化層達到鋼軌鋼基,在氧化皮缺陷位置產生局部酸化作用,導致pH數值迅速降低,氧化膜無法維持致密完整的狀態,鋼軌表面發生腐蝕,因此鋼軌表面剝離物外側為水泥成分及Fe的氧化物,鋼基和氧化層交界處腐蝕產物為γ-FeOOH及球狀Ca(OH)2 (圖10b)。
5 結論與建議
(1) 通過對地鐵隧道環境及鋼軌腐蝕情況調查,將鋼軌的腐蝕情況分為潮濕大氣、污水浸泡、水泥砂漿覆蓋及雜散電流。4類環境下鋼軌腐蝕程度：雜散電流>污水浸泡>水泥砂漿覆蓋>潮濕空氣
(2) 潮濕大氣環境代表地鐵最普遍的服役環境,鋼軌發生大氣腐蝕,腐蝕產物為γ-FeOOH、α-FeOOH及Fe3O4,銹層穩定,腐蝕量最少。污水浸泡環境鋼軌接觸含Cl-、SO42-的污水,腐蝕過程具有局部腐蝕特征,腐蝕產物中含β-FeOOH。水泥砂漿覆蓋環境因pH變化和Cl侵蝕,對鋼軌造成全面加速腐蝕,腐蝕產物中含γ-FeOOH；雜散電流腐蝕是調查所見最嚴重腐蝕,腐蝕速率較快,會造成鋼軌底部缺損,影響地鐵運營安全性；
(3) 建設階段,隧道內低洼路段可能出現鋼軌泡水,澆筑水泥混凝土時可能導致水泥覆蓋鋼軌,建議在此兩種情況路段鋪設涂覆有臨時防護涂層的鋼軌；運營階段,隧道內潮濕、對地絕緣變差或被破壞的路段,可能出現雜散電流腐蝕,此狀況下需要對鋼軌進行更高等級的防護,建議定期測量地鐵線路上鋼軌接地電阻,查找可能漏電的部位,對隧道內的漏水部位進行排水、堵漏處理,鋼軌底部如有淤積泥沙需立即清理,對于環境較惡劣的局部區域,可以選擇鋪設涂覆有絕緣耐蝕涂層的鋼軌,增強鋼軌的對地絕緣性和耐蝕性。
參考文獻:略
