化學-力學耦合作用下混凝土內鋼筋蝕坑的演化及分布規(guī)律

徐亦冬 錢春香 孫家瑛

(1 東南大學材料科學與工程學院，南京211189)

(2 浙江大學寧波理工學院綠色建材與廢棄物資源化研究中心，寧波315100)

(3 東南大學江蘇省土木工程材料重點實驗室，南京211189)

鋼筋混凝土結構耐久性是國內外學術界關注的重大科技問題，其中鋼筋銹蝕是影響其耐久性的最重要的一個因素.就銹蝕鋼筋自身的力學性能而言，蝕坑是最顯著的影響因素.安琳等［1］針對鋼筋蝕坑幾何參數對力學性能的影響進行了探索，通過試驗與有限元分析研究了蝕坑應力集中對鋼筋力學性能的影響.金偉良等［2］則從構件研究的角度出發(fā)，比較了均勻銹蝕和坑蝕對銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力的影響，定義了描述鋼筋均勻銹蝕和坑蝕的參數.蝕坑的演化及其分布是判斷腐蝕類型、評價腐蝕程度和研究腐蝕規(guī)律的重要依據，而目前針對混凝土內鋼筋蝕坑演化及分布研究的文獻相對較少，且尚無定論.李富民等［3］針對預應力鋼絞線的銹蝕特性開展了試驗研究，并從化學成分、晶體結構及表面幾何形態(tài)方面進行了分析.馬亞麗等［4-5］利用實測數據，對氯離子環(huán)境下鋼筋最大腐蝕深度與平均腐蝕深度比值的概率分布進行了研究，結果表明鋼筋最大腐蝕深度與平均腐蝕深度的比值在0.05 顯著性水平下不拒絕正態(tài)分布和對數正態(tài)分布，其中和后者的擬合更好，但其利用國外文獻資料的數據也得到了蝕坑深度不拒絕服從極值Ⅰ型分布的假設的結論.王波等［6］對氯鹽環(huán)境下混凝土內鋼筋蝕坑形狀及分布特征進行了描述，分析得到了蝕坑生長演變的規(guī)律.但上述研究均未就化學-力學耦合作用下混凝土內非預應力鋼筋蝕坑的演化及分布規(guī)律進行探討.

本文以普通混凝土作為鋼筋的載體，分別考慮外滲型與內摻型氯鹽2 種化學因素及其與拉應力耦合對混凝土內鋼筋的銹蝕作用，以準確反映鋼筋的銹蝕特性.通過對不同銹蝕程度鋼筋的蝕坑深度進行采集，分析獲得蝕坑的生長演化規(guī)律;結合概率與統計知識得到不同銹蝕條件下蝕坑深度分布規(guī)律，為進一步完善鋼筋力學性能退化模型奠定基礎.

1 材料與試驗

1.1 試件設計

混凝土強度等級為C30，一組配合比用于外滲型氯鹽腐蝕，另一組配合比用于內摻型氯鹽腐蝕，如表1所示.鋼筋等級為HPB235，直徑12 mm.鋼筋混凝土試件尺寸為150 mm ×150 mm ×550 mm，保護層厚度15 mm.分別考慮不同化學因素及其與力學因素耦合對混凝土內鋼筋銹蝕性質的影響，試件編號如下:RC 表示混凝土在外滲型氯鹽環(huán)境下發(fā)生腐蝕，RS 表示混凝土在內摻型氯鹽環(huán)境下發(fā)生腐蝕，RCL 表示混凝土在外滲型氯鹽-拉應力耦合條件下發(fā)生腐蝕，RSL 表示混凝土在內摻型氯鹽-拉應力耦合條件下發(fā)生腐蝕.

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 鋼筋加速銹蝕試驗

鋼筋混凝土試件在養(yǎng)護室標準養(yǎng)護28 d 后，分別在5%的氯化鈉溶液和清水中浸泡12 h，然后置于烘箱中(溫度(50 ±1)℃)烘12 h，使混凝土內鋼筋在單一化學因素(氯鹽)作用下發(fā)生銹蝕.

鋼筋混凝土試件在養(yǎng)護室標準養(yǎng)護28 d 后，利用千斤頂與反力架對其進行加載，加載示意圖見圖1.為使試件在加載過程中不產生裂紋，荷載P為計算開裂荷載的90%.將加載好的試件分別置于用5%氯化鈉溶液和清水浸濕的砂中，浸沒高度為試件高度的50%，然后利用太陽燈進行干燥，使混凝土內鋼筋在化學(氯鹽)-力學(拉應力)耦合作用下發(fā)生銹蝕.

圖1 加載示意圖(單位:mm)

1.3 蝕坑深度的采集

將鋼筋從混凝土內取出后立即放入除銹液中，除銹液的組分為鹽酸溶液+3%六次甲基四胺.除銹后稱重，按下式計算銹蝕質量損失率:

式中，S 為銹蝕質量損失率;m0為鋼筋銹蝕前的質量，g;m1為鋼筋銹蝕后的質量，g.

參照《金屬和合金的腐蝕 點蝕評定方法》(GB/T 18590—2001)［7］，采用數顯深度規(guī)對銹蝕鋼筋表面輪廓進行測量，測量精度為0.01 mm.

2 韋伯分布原理

韋伯統計分析的基礎是鏈的最弱鏈接理論，其累計分布函數如下［8］:

式中，x 為蝕坑深度;σu為位置參數;γ 為尺度參數;m 為形狀參數.

在實際應用中，通常取位置參數σu=0，則式(2)簡化為二參數韋伯累計分布函數，求一階導數后可得二參數韋伯分布的概率密度函數為

形狀參數m 決定了分布曲線的形態(tài)特征.當m ＜1 時，f(x)以直線x =0 為漸近線;m =1 時，f(x)成為指數函數;當m ＞1 時，曲線則呈鐘形，且當m 較小時曲線呈正偏態(tài)(即曲線右側拖尾)，較大時曲線則呈負偏態(tài)(即曲線左側拖尾).尺度參數γ 起放大或縮小曲線的作用，但不影響分布曲線的類型.

3 結果與討論

3.1 銹蝕鋼筋表面輪廓的演化

對氯鹽及其與拉應力耦合條件下測得的銹蝕鋼筋輪廓數據進行了頻數分析.由圖2可知，在銹蝕初期，深度在0.1 mm 以下的細小蝕坑以及尚未形成蝕坑的比例較大;隨著銹蝕率的增加，該部分數據所占比例迅速減小，表明大量細觀尺寸蝕坑迅速發(fā)展成為宏觀蝕坑.氯鹽侵蝕下鋼筋蝕坑的演化通常可分為3 個階段:

圖2 不同銹蝕條件下混凝土內鋼筋蝕坑深度分布

1)微觀非穩(wěn)態(tài)點蝕形核 在鋼筋表面總是存在化學/物理性質的不均勻，較易吸附侵蝕性離子，從而穿透氧化膜侵蝕鋼筋基體，但是該形核過程大多數由于腐蝕電流的波動而消亡，因而是非穩(wěn)態(tài)的，所形成的微觀蝕坑將成為后期蝕坑發(fā)展的基礎.

2)細觀亞穩(wěn)態(tài)蝕坑 此階段將產生大量深度小于0.1 mm 的蝕坑，肉眼可見，但是隨著銹蝕程度的增加，數量迅速減少，因而是亞穩(wěn)態(tài)的.

3)宏觀穩(wěn)態(tài)蝕坑 當多數細觀亞穩(wěn)態(tài)蝕坑生長到一定程度后，蝕坑由于再鈍化而停止生長，此時形成宏觀穩(wěn)態(tài)蝕坑［9］.

對于RC 與RS 系列化學單因素腐蝕的試件而言，在銹蝕初始階段(S ＜1%)其亞穩(wěn)態(tài)蝕坑約占蝕坑總數的40%～55%，最終形成的穩(wěn)態(tài)蝕坑深度相對較小(本例小于1 mm).而對于RCL 與RSL 系列化學-力學耦合因素腐蝕的試件而言，由于拉應力作用將加劇鋼筋表面化學/物理性質的不均勻，亞穩(wěn)態(tài)蝕坑占蝕坑總數的70%以上，最終形成的穩(wěn)態(tài)蝕坑深度也較大(本例達到1.7 mm)，表明化學-力學耦合條件下鋼筋蝕坑的分布更不均勻.其原因可能是由于鋼筋內部的缺陷處發(fā)生應力集中，導致該處的缺陷擴展速度較其他部位要快，從而使得蝕坑的發(fā)展具有擇優(yōu)選擇性.應力腐蝕的破壞作用集中在有限的一些晶界處，并且總是向垂直于外加應力的方向擴展，在應力腐蝕中起陽極作用，是容易腐蝕的區(qū)域;應力自由區(qū)起陰極作用，一般不會發(fā)生應力腐蝕［10］.鋼筋表面未銹蝕前原有的缺陷和銹蝕后的蝕坑都將會在外加應力的作用下產生應力集中，而且蝕坑深度越深，應力集中現象越顯著［11］.因此，在外加應力作用下鋼筋蝕坑的分布將更不均勻.

3.2 蝕坑深度分布

以往的研究表明，蝕坑的分布形式主要有以下3 種［6，12-14］:①正態(tài)分布;②韋伯分布;③極值分布.本節(jié)通過對不同銹蝕條件下鋼筋蝕坑深度的分布進行頻數統計分析，并基于秩回歸法與極大似然估計法，采用Weibull ++軟件對數據樣本進行擬合優(yōu)度檢驗，以判定樣本總體與某種理論分布模型的相符程度.該方法根據擬合度、圖形擬合及似然率3 個指標的權重進行計算，指標值越小表明樣本與該分布函數擬合程度越高.由表2中擬合優(yōu)度檢驗的結果可知，氯鹽環(huán)境下銹蝕鋼筋蝕坑深度分布均優(yōu)先滿足韋伯分布.

表2 氯鹽侵蝕環(huán)境下蝕坑分布擬合優(yōu)度檢驗值

此處可結合蝕坑觀測樣本的P-P 圖進行驗證.P-P 圖是根據變量的累積概率對應于所指定理論分布累積概率繪制的散點圖，用于直觀地檢測樣本數據是否符合某一概率分布.散點向平滑曲線的聚集程度越高，期望分布的適用性就越好.如果被檢驗的數據符合所指定的分布，則代表樣本數據的散點應當基本在代表理論分布的對角線上.在本文4種不同侵蝕條件下，4 組試件RC-P1，RS-P1，RCLP2，RSL-P2 的蝕坑深度在進行擬合優(yōu)度檢驗時，所得的秩相對較為接近，因此分別繪出其蝕坑深度的正態(tài)分布P-P 圖與韋伯分布P-P 圖.由圖3可知，當擬合優(yōu)度的秩接近時，2 種不同分布的P-P 圖存在顯著差異，相比較而言韋伯分布P-P 圖的散點向理想分布曲線的聚集程度更高，進一步驗證了擬合優(yōu)度檢驗結果的正確性.

圖3 氯鹽侵蝕條件下蝕坑分布P-P 圖

另外由圖4可知，在一定的銹蝕環(huán)境下，尺度參數γ 與銹蝕率S 之間呈良好的線性關系，但形狀參數m 則與銹蝕率基本無關.在單一氯鹽腐蝕條件下，形狀參數m 的均值為1.413 5，而在氯鹽-拉應力耦合作用下，該參數顯著減小.

圖4 氯鹽侵蝕條件下蝕坑深度韋伯分布參數與銹蝕率之間的關系

將蝕坑深度韋伯分布參數與銹蝕率之間的關系代入式(2)，可得氯鹽及其與應力耦合作用下混凝土內鋼筋蝕坑深度的累計概率分布模型，即

利用該模型預測了氯鹽腐蝕條件下鋼筋蝕坑的深度.由圖5可知，理論值與實測數據符合較好.

圖5 氯鹽腐蝕條件下鋼筋蝕坑分布模型理論值與實驗值對比

4 結論

1)氯鹽侵蝕下鋼筋蝕坑的演化可分為3 個階段:微觀非穩(wěn)態(tài)點蝕形核、細觀亞穩(wěn)態(tài)蝕坑、宏觀穩(wěn)態(tài)蝕坑.在銹蝕初期，深度在0.1 mm 以下的細小蝕坑以及尚未形成蝕坑的比例較大，隨后迅速發(fā)展成為宏觀蝕坑.

2)單一化學因素作用下形成的穩(wěn)態(tài)蝕坑深度相對較小，而拉應力的引入將使鋼筋內部的缺陷處發(fā)生應力集中，加劇鋼筋表面化學/物理性質的不均勻，導致該處的缺陷擴展速度較其他部位要快，從而導致宏觀蝕坑深度較大，分布更不均勻.

3)無論是單一氯鹽因素，還是氯鹽-拉應力耦合腐蝕因素作用下，鋼筋蝕坑分布均優(yōu)先滿足韋伯分布.在一定的銹蝕環(huán)境下，尺度參數γ 與銹蝕率S 之間呈良好的線性關系，但形狀參數m 則與銹蝕率S 基本無關.據此建立了基于韋伯分布的蝕坑預測模型，預測值與實測數據符合較好.

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