加速混凝土構(gòu)件中鋼筋銹蝕的研究

陳艷華，張鵬飛，冷玲倻

(1.河北省地震研究中心，河北唐山 0630009;2.河北聯(lián)合大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北唐山 063009)

0 引言

銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能這一課題頗受廣大學(xué)者的關(guān)注。但是由于自然條件下鋼筋銹蝕是一個緩慢的過程，要想進(jìn)行這一課題的研究，則需要從工程中拆除舊試件進(jìn)行試驗，這樣進(jìn)行研究有很多的不便之處，因此研究混凝土中鋼筋快速銹蝕的試驗方法是很有必要的。目前，電化學(xué)銹蝕是快速大批量制取銹蝕鋼筋混凝土試件的有效方法。進(jìn)行電化學(xué)銹蝕試驗時，能否較精確的控制電化學(xué)銹蝕的量與過程是關(guān)鍵，同時不同電化學(xué)銹蝕方法的適用性也是值得探討。

1 混凝土中鋼筋銹蝕的機(jī)理

把鋼筋混凝土試件浸泡在電解液里，外加一個直流電源。直流電源的正極與待銹蝕的鋼筋連接，充當(dāng)腐蝕電解池的陽極;電源的負(fù)極與銅板相連，使其充當(dāng)腐蝕電解池的陰極。由于混凝土是一種堿性環(huán)境，所以混凝土中鋼筋的銹蝕一般都屬于吸氧腐蝕。通電情況下，在電解液中水被電離為氫離子和氫氧根離子，H+向陰極移動，OH－向陽極移動;同時陽極的鋼筋失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極的物質(zhì)得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，最終形成穩(wěn)定電流，使整個電路形成閉合回路。鐵銹的形成過程為:二價鐵離子和氫氧根離子在傳輸過程相遇結(jié)合成氫氧化亞鐵，氫氧化亞鐵與水中的氧相遇生成氫氧化鐵。隨著時間的推移，氫氧化鐵會進(jìn)一步變化，生成鐵銹，在鋼筋表面形成更為疏松的銹蝕層。

2 試驗

2.1 材料及試件的制作

本實驗從混凝土中鋼筋銹蝕的機(jī)理出發(fā)，目的是研究影響鋼筋銹蝕速率的因素和控制過程。試驗采用的試件為鋼筋混凝土柱，混凝土的標(biāo)號為C30，鋼筋直徑為12 mm，Z5和Z6的混凝土的保護(hù)層厚度為15 mm，Z7和Z8的混凝土的保護(hù)層厚度為20 mm配筋率為0.57%，電解液采用氯化鈉溶液，濃度3% ～5%。

2.2 電路連接及電流密度控制

根據(jù)鋼筋電化學(xué)腐蝕原理和前人的實驗，結(jié)果表明鋼筋在混凝土中加速銹蝕時鋼筋串聯(lián)與并聯(lián)的效果相同，因此本實驗采用并聯(lián)連接電路，電路圖如圖1所示。電流密度控制詳見表1。

表1 電流和時間控制

圖1 加速銹蝕電路

3 影響鋼筋銹蝕速率的因素和控制過程

3.1 確定鋼筋理論銹蝕量的計算公式

根據(jù)法拉第定律，假定在時間t內(nèi)，恒定的通過大小為I的電流，則金屬陽極溶解的質(zhì)量ΔW計算公式為:

式中:ΔW——金屬銹蝕重量;

A——金屬的相對原子質(zhì)量，鐵的相對原子質(zhì)量為56;

F——法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96484(C/mol);

n——金屬的價數(shù)，鐵的價數(shù)為2;

I——電流強(qiáng)度，A;

t——時間，s。

考慮鋼筋銹蝕速率的時變性，則鋼筋銹蝕的電流及密度不是一恒定值，而是隨時間變化的函數(shù)。在溫濕度等其他條件不變的情況下，設(shè)鋼筋銹蝕電流隨時間的關(guān)系為I(t)，銹蝕電流密度隨時間的變化關(guān)系為I(t)，從銹蝕開始時間點0→t時刻，鋼筋的銹蝕量ΔW［1］計算公式為:

其中:As——鋼筋銹蝕面積，式中時間單位為秒(s)而實際應(yīng)用中一般時間單位采用天(d)，所以:

3.2 影響鋼筋銹蝕速率的因素

3.2.1 電流密度

根據(jù)鋼筋銹蝕量的計算公式，可知銹蝕量一定的情況下，電流的大小與銹蝕時間成反比，即電流密度越大，銹蝕速率越大。通過已有試驗數(shù)據(jù)和本實驗結(jié)果可知，在同等條件下進(jìn)行電化學(xué)銹蝕試驗，電流密度大小對銹蝕率和銹蝕裂縫并無顯著影響，但相同銹蝕率下電流密度越大，銹蝕速率越快，裂縫出現(xiàn)的越早。

表2 理論銹蝕量與實際銹蝕量

3.2.2 混凝土保護(hù)層

鋼筋電解成二價鐵離子后，再最終變成鐵銹的過程中，必須有氯離子、氫氧根離子和氧氣參與，這些離子和氧氣到達(dá)鋼筋處的必經(jīng)之路就是混凝土保護(hù)層，保護(hù)層厚度越小，則氧氣和水的滲透路徑就越短，鋼筋周圍的氧氣含量就越高，銹蝕產(chǎn)物的生成速率快，因此保護(hù)層質(zhì)量的高低直接影響鋼筋的銹蝕速率［4］。為了驗證混凝土保護(hù)層對銹蝕速率的影響，下面用一個簡單的試驗經(jīng)行說明。

試驗采用300 mm×300 mm×300 mm的立方體試塊，在四角沿豎向放置四根直徑為12 mm的二級鋼筋，保護(hù)層分別為15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，簡單電路如圖2所示。電壓為12 V，通電96 h。試驗現(xiàn)象如圖3所示。

測量結(jié)果和計算結(jié)果如圖4所示。試驗現(xiàn)象及結(jié)果研究表明:在同等條件下，增大混凝土保護(hù)層厚度能有效延緩混凝土中鋼筋的銹蝕，混凝土保護(hù)厚度越大鋼筋銹蝕速率越慢。

3.2.3 電解液濃度、裂縫的影響

浸泡混凝土的電解液多數(shù)是氯化鈉溶液，濃度在3%～5%之間。通電之前通常情況下是先把試件在氯化鈉溶液浸泡24小時，這樣可以使鋼筋表面很強(qiáng)的鈍化膜快速破壞，減少電量的損失。在溶液濃度較小，氯離子含量小時，混凝土中的鋼筋不會銹蝕，當(dāng)氯離子的溶度達(dá)到1.19%時，鋼筋開始銹蝕，隨著濃度的增大，鋼筋銹蝕的越快。

目前，對于混凝土開裂對銹蝕速率的影響有兩種觀點:一是混凝土開裂對銹蝕速率沒有影響;二是認(rèn)為混凝土開裂后增加了腐蝕介質(zhì)、水分和氧氣的滲入，加快了銹蝕的發(fā)展。K.R.Gowers［5］的試驗結(jié)果表明，當(dāng)裂縫寬度小于0.4～0.5 mm時，鋼筋銹蝕量與裂縫寬度沒有明顯關(guān)系。但目前對裂縫處鋼筋銹蝕的研究成果主要是一些定性的結(jié)論，定量的計算模型還很少，還要進(jìn)一步作深入的研究。

3.3 鋼筋銹蝕速率的控制過程

混凝土中鋼筋銹蝕是一個復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，對于鋼筋銹蝕速率的控制類型可分為三種:陰極控制、陽極控制和電阻控制。這三種控制類型的控制程度可用鋼筋陽極銹蝕電流計算公式［6］來分析:

式中:I——鋼筋陽極銹蝕電流;

E0，——陰極、陽極初始電位;

Pa，Pc——陰極、陽極極化阻力;

Rcon——銹蝕電池系統(tǒng)歐姆電阻。

由上式可知:當(dāng)陰極極化阻力起作用時，為陰極控制;當(dāng)陽極極化阻力起作用時，為陽極控制;當(dāng)系統(tǒng)歐姆電阻起作用時為電阻控制。陰極和陽極控制主要取決于陰陽極極化阻力、反應(yīng)物質(zhì)擴(kuò)散速度和電解液濃度決定的。在電壓恒定情況下，可以通過增大陰極處銅板的表面積來減小極化阻力。本試驗所用電解液的濃度一般為3%～5%。

本實驗采用銹蝕電池系統(tǒng)歐姆電阻控制進(jìn)行試驗，試驗電路中電流計的示數(shù)與計算結(jié)果基本吻合，如表3所示。通過調(diào)節(jié)滑變可以控制電路中的電流大小，從而達(dá)到控制銹蝕速率的效果。

表3 歐姆控制時的電流值

4 混凝土鋼筋銹蝕開裂

4.1 試件銹蝕開裂的判定

當(dāng)混凝土試件表面沿縱筋出現(xiàn)第一條黑線時，則認(rèn)為混凝土保護(hù)層剛剛出現(xiàn)銹蝕裂縫，此時的銹蝕量即為開裂銹蝕量。

4.2 鋼筋混凝土銹蝕開裂時銹蝕率的計算公式

根據(jù)已有的文獻(xiàn)可知，影響混凝土保護(hù)層開裂銹蝕量的參數(shù)有混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcuk、鋼筋直徑R以及(R+c)/c三個參數(shù)，潘振華根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，用指數(shù)指數(shù)關(guān)系經(jīng)過線形回歸分析，得出了開裂銹蝕率的模型［7］:

式中:ηcr——鋼筋銹蝕截面損失率，%;

c——混凝土的保護(hù)層厚度，mm;

R ——鋼筋直徑，mm;

fcu——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa;

k1——鋼筋種類修正系數(shù)，對螺紋鋼筋，取k1=1.23;

k2——鋼筋位置修正系數(shù)。對變種位置，取k2=1.33。

本實驗出現(xiàn)第一條裂縫的時間是96小時后，經(jīng)計算，此時的理論銹蝕率為2%，與用此公式計算的結(jié)果基本吻合。

4.3 加速銹脹開裂的方法

采用全浸法進(jìn)行銹蝕試驗時，電解液中氧氣含量少，如何使鐵離子留在混凝土中與氫氧根和氧反應(yīng)生成鐵銹，現(xiàn)在尚無很好的辦法。在處理此問題時，本實驗采用向水中通氧氣的方法，發(fā)現(xiàn)通氧氣的試件周圍，生成的鐵銹較少，而在未通氧氣的試件周圍則有大量的黑綠色銹蝕物;在同樣的條件下，通氧的試件裂縫增長迅速。因此向電解液中通氧氣加速銹脹的方法可行。

5 銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的適用性

目前電化學(xué)加速混凝土中鋼筋銹蝕的方法主要分兩類:恒定電流法和人工氣候法。恒定電流法雖然能夠達(dá)到銹蝕鋼筋的目的，但是此方法的工作機(jī)理和混凝土在自然條件下銹蝕的有較大的差異，因此只能用作構(gòu)件力學(xué)性能的定性分析。而人工氣候法與自然條件下銹蝕的工作機(jī)理相似，是以后定量分析的試驗方法。

6 小結(jié)

在同等條件下進(jìn)行電化學(xué)銹蝕試驗，電流密度大小對銹蝕率和銹蝕裂縫并無顯著影響，但相同銹蝕率下電流密度越大，銹蝕速率越快，裂縫出現(xiàn)的越早?；炷帘Ｗo(hù)層對銹蝕速率的影響顯著，混凝土保護(hù)層越厚，銹蝕的速率越慢。電解液濃度越高，試件的裂縫越大，銹蝕速率越快。

鋼筋銹蝕速率的控制有三種方法:陰極控制，陽極控制，電阻控制。若采用陰極和陽極控制時，可以通過增大陰極的接觸面積來減小極化阻力。這兩種方法弊端是電流不穩(wěn)定。因此推薦采用電阻控制的試驗方法，電阻控制法精度高，電流穩(wěn)定。

加速銹脹可以采用向電解液中通氧氣的方法。

目前，制取大量銹蝕試件采用的方法是恒定電流法，雖然此方法能達(dá)到銹蝕的目的，但適用性有待于進(jìn)一步的研究。

［1］耿歐.混凝土構(gòu)件中鋼筋銹蝕速率預(yù)計模型研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2008，38-39.

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［5］K.R.Gowers，S.G.Millard.Measurement of Concrete Resistivity for Assessment of Corrosion Sevierity of Steel Using Wenner Technique［J］.ACI Materials Journal，1999(9):60-61.

［6］魏寶明.金屬腐蝕理論及應(yīng)用［M］.北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［7］潘振華，牛荻濤，王慶霖.鋼筋銹蝕開裂條件的試驗研究［J］.工業(yè)建筑，1999，29(5):46-49.