研究发现富硫酸盐地区混凝土开裂原因，助力轨道安全 Engineering—论文

来源：Engineering 发布时间：2026/2/5 16:34:16

选择字号：小中大

研究发现富硫酸盐地区混凝土开裂原因，助力轨道安全 Engineering

论文标题：Unraveling the Stray Current-Induced Interfacial Transition Zone (ITZ) Effect on Sulfate Corrosion in Concrete

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.08.001

华东交通大学陈永青、刘林芽、黄大维、冯青松团队与湖南大学陈仁朋、康馨团队合作，在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Unraveling the Stray Current-Induced Interfacial Transition Zone (ITZ) Effect on Sulfate Corrosion in Concrete”的研究论文，聚焦富硫酸盐地区轨道交通系统中混凝土面临的杂散电流与盐腐蚀双重挑战，首次提出 “杂散电流诱导的界面过渡区（ITZ）效应”，为该类环境下混凝土结构的耐久性设计与服役维护提供了关键科学依据。

富硫酸盐地区的轨道交通系统长期面临杂散电流和盐腐蚀的双重影响，然而，此条件下硫酸根离子的传输行为与混凝土劣化机制一直不明确。研究团队指出，现有轨道交通多采用直流牵引，钢轨作为负回流线时，若轨道与隧道管片绝缘性降低，便会产生杂散电流；而硫酸盐会与混凝土中氢氧化钙及含氧化铝的水化产物反应生成钙矾石等体积更大的产物，导致混凝土膨胀开裂，同时阳离子交换反应引发的石膏结晶及pH值降低，也会加剧混凝土劣化。此前研究虽关注杂散电流与硫酸盐侵蚀的耦合作用，却大多忽视混凝土的多相性与异质性，未充分考虑骨料、水泥基体与ITZ三者的差异——ITZ因 “壁效应” 存在孔隙率梯度分布，孔隙率和氢氧化钙含量均高于水泥基体，对杂散电流引起的离子迁移更为敏感，是混凝土中的薄弱区域。

为破解这一难题，研究团队设计了创新的硫酸根离子传输实验与细观尺度劈裂实验，重点考察ITZ与水泥基体的差异。在硫酸根离子传输实验中，团队开发了新型实验装置，通过直接测定下游溶液中硫酸根离子浓度评估传输性能，滴定精度达0.01%（±20 μL和20 mL），完全避免了传统研磨混凝土粉末法中骨料粉末的稀释干扰；劈裂实验则结合微秒级响应的粒子图像测速（PIV）技术，实时同步捕捉混凝土变形场与裂纹演化，实现了非侵入性、高分辨率的全场变形瞬态测量，面内位移精度达0.00001×视野（FOV），应变精度约10微应变（百万分之一的应变）。

图1 基于自主研发设备的硫酸根离子传输实验。（a）所研制的新型硫酸根离子传输实验装置示意图；（b）杂散电流诱导硫酸根离子传输实验的照片；（c）混凝土试样槽和橡胶圈密封；（d）用于离子传输实验的薄混凝土试样；（e）用于测定下游溶液槽中硫酸根离子浓度的电位滴定法。1：阴极溶液（10% Na2SO4)；2：阳极溶液（0.3 mol/L NaOH）；3：阳极溶液槽阀门；4：阴极溶液槽阀门；5：杂散电流电极；6：热交换恒温控制；7：混凝土试样槽；8：电源（提供杂散电流）；9：溶液储罐。

实验结果显示，杂散电流作用下，ITZ在调节硫酸根传输与混凝土力学破坏过程中扮演关键角色，而骨料的曲折和阻挡作用几乎消失，这一现象被定义为 “杂散电流诱导的ITZ效应”。具体来看，由ITZ导致的硫酸根离子传输差异在1.90~2.31倍之间，劈裂强度差异则在1.56~1.64倍之间。更值得关注的是，腐蚀混凝土加载破坏后的劈裂裂缝数量显著增加，且并非沿中轴线分布，这与无杂散电流情况及理想巴西圆盘实验结果存在显著差异——无杂散电流时，混凝土劈裂多呈现单条沿中轴线的主裂缝，而杂散电流存在时，裂缝会沿多个ITZ同时形成，细骨料占比越高，裂缝越直且数量越多，粗骨料则使裂缝更曲折。

图2 较大的骨料之间的ITZ为硫酸根离子提供了一个快速传输通道。

为进一步验证机制，研究团队构建了包含反应性和电扩散的硫酸根离子传质模型，将其嵌入有限元计算后，结果与实验高度一致，证实了模型的可靠性与准确性。同时，通过解析方法确定应力场分布，揭示了腐蚀混凝土的裂纹扩展机制：ITZ因杂散电流作用，硫酸盐更富集、微观结构劣化更严重、厚度和孔隙率增加更快——界面过渡区中孔隙的平均弹性模量为15.06 GPa，仅为水泥基体中孔隙平均弹性模量（28.46 GPa）的52.9%，较弱的力学性能使 ITZ成为杂散电流诱导硫酸盐侵蚀的薄弱环节，裂纹更易在此处萌生并扩展，且扩展模式以张开型为主，最终方向垂直于拉伸应力方向。

研究团队强调，杂散电流诱导的ITZ效应本质在于，杂散电流加速了ITZ的电化学劣化，使其成为硫酸根离子的快速传输通道，进而加剧混凝土整体劣化。鉴于全球富硫酸盐地区轨道交通的广泛运营与建设，该研究不仅填补了ITZ对杂散电流耦合硫酸根离子腐蚀影响的研究空白，更为相关工程的耐久性设计、服役维护及寿命预测提供了重要参考，有助于提升富硫酸盐地区轨道交通混凝土结构的安全性与长期服役性能。

论文信息：

Yong-Qing Chen, Lin-Ya Liu, Da-Wei Huang, Qing-Song Feng, Ren-Peng Chen, Xin Kang. Unraveling the Stray Current-Induced Interfacial Transition Zone (ITZ) Effect on Sulfate Corrosion in Concrete. Engineering, 2024, 41(10): 135-158 DOI:10.1016/j.eng.2024.08.001

更多内容

三峡大坝混凝土长期服役性能与微观结构表征

同济大学科研团队提出再生与原生混凝土结构构件统一设计理论

清华大学研究团队：堆石混凝土坝概述及下一代混凝土坝施工技术展望

微生物固碳技术助力水泥行业碳减排，钢渣高值化利用迎来创新的解决方案

郑皆连教授在Engineering发文：详解两座世界级拱桥的建造智慧

特别声明：本文转载仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。