電化學(xué)法加速鋼筋銹蝕試驗(yàn)研究

摘要：銹蝕鋼筋因其力學(xué)性能及粘結(jié)性能退化影響結(jié)構(gòu)的失效模式而成為銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估的重要問題。因此為充分研究該退化規(guī)律以預(yù)測(cè)銹蝕結(jié)構(gòu)剩余使用壽命，需要短期內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室條件下獲取一批與自然銹蝕情況相近的鋼筋試件。本文基于通過對(duì)比分析3種以往常用傳統(tǒng)電化學(xué)加速銹蝕方法優(yōu)劣，設(shè)計(jì)了一種新型綜合電化學(xué)非均勻加速鋼筋銹蝕試驗(yàn)方法：將整個(gè)銹蝕過程劃分為銹蝕誘導(dǎo)期和銹蝕發(fā)展期分開進(jìn)行，從而通過獨(dú)立控制不同階段的首要制約因素來達(dá)到模擬鋼筋不均勻銹蝕的目的，以期能實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下快速獲取與自然環(huán)境下銹蝕形態(tài)吻合的鋼筋。實(shí)驗(yàn)表明基于該綜合電化學(xué)加速銹蝕方法銹蝕后的鋼筋試件表面形態(tài)呈現(xiàn)出與實(shí)際結(jié)構(gòu)中的自然局部不均勻銹蝕較為吻合，同時(shí)數(shù)據(jù)分析表明其所獲鋼筋的實(shí)測(cè)銹蝕率與理論預(yù)銹蝕率非常接近，從而實(shí)現(xiàn)基于法拉第定律進(jìn)行加速鋼筋銹蝕控制預(yù)銹蝕率的過程，使快速獲取銹蝕試件成為可能，并為銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算與剩余壽命預(yù)測(cè)研究打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)方法；鋼筋混凝土；加速試驗(yàn)；非均勻銹蝕

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引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性已成為全世界備受矚目的重大問題，而影響鋼筋混凝土耐久性因素中最重要的就是鋼筋銹蝕[1]。大量事實(shí)和試驗(yàn)證明，鋼筋銹蝕會(huì)引起材料自身力學(xué)性能及粘結(jié)性能退化，從而導(dǎo)致構(gòu)件剛度、滯回特性、耗能能力、延性、屈服強(qiáng)度及承載力降低，最終引起混凝土整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性失效[2-4]。因此，為了研究銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化規(guī)律、對(duì)銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)及耐久性評(píng)估，需要通過合理方式快速獲取不同等級(jí)的銹蝕鋼筋試件。目前通常采用的方法有實(shí)際構(gòu)件替換試驗(yàn)法、自然暴露試驗(yàn)法、人工氣候環(huán)境試驗(yàn)法以及傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)加速銹蝕實(shí)驗(yàn)法，由于前兩者均是在自然條件下進(jìn)行， 一般需要幾年甚至幾十年的時(shí)間才能完成， 具有耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)[5]；第三個(gè)則需采用人為制造環(huán)境箱容納待銹蝕構(gòu)件，不利于大型試件及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的進(jìn)行。因此，為了能夠短期內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得足夠數(shù)量的銹蝕鋼筋試件進(jìn)行研究，又能推廣該銹蝕方法適用范圍至實(shí)際工程或大型試件，往往更多的采用最后一種電化學(xué)加速銹蝕試驗(yàn)方法。

傳統(tǒng)電化學(xué)加速銹蝕試驗(yàn)方法的原理是法拉第電解定律， 通過調(diào)節(jié)銹蝕電流大小及時(shí)間來控制待銹蝕鋼筋銹蝕量。但由于受外部因素如混凝土密實(shí)度、加速銹蝕前浸泡時(shí)間影響， 同時(shí)受內(nèi)部因素如鋼筋中含有多種廢鐵元素耗能的影響，使得理論上按法拉第定律求解得到的鋼筋預(yù)銹蝕率值與實(shí)測(cè)值相差較大[6-7]。另外，僅僅使用該傳統(tǒng)加速法往往只能獲取均勻銹蝕鋼筋[8]，與實(shí)際結(jié)構(gòu)中鋼筋的局部不均勻銹蝕，即銹蝕近保護(hù)層一側(cè)嚴(yán)重而遠(yuǎn)側(cè)較輕甚至不銹情況不相符。為此， 本文基于傳統(tǒng)加速銹蝕方法偏均勻銹蝕的不足進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，獲得了一種新型綜合電化學(xué)非均勻加速鋼筋銹蝕試驗(yàn)方案，在將整個(gè)銹蝕過程劃分為銹蝕誘導(dǎo)期和銹蝕發(fā)展期的基礎(chǔ)上分開相互獨(dú)立進(jìn)行，從而通過控制不同階段的首要制約因素來進(jìn)一步模擬鋼筋的不均勻銹蝕，以期達(dá)到與自然環(huán)境下銹蝕形態(tài)相初步吻合的效果，從而為快速獲取銹蝕試件來研究銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力計(jì)算與剩余壽命預(yù)測(cè)研究提供一些參考。

一、鋼筋銹蝕原理

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的主要原因包括自然電化學(xué)腐蝕、雜散電流腐蝕、應(yīng)力及氫脆等腐蝕[9-10]，其中自然電化學(xué)腐蝕出現(xiàn)頻率最高，尤其針對(duì)一般性工業(yè)廠房或海洋環(huán)境建筑結(jié)構(gòu)造成非常嚴(yán)重的影響。

（一）自然電化學(xué)銹蝕原理

通常情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因水泥水化產(chǎn)生的飽和Ca（OH）2溶液PH值高于12.5而使得其內(nèi)部環(huán)境具有強(qiáng)堿性，引起埋置的強(qiáng)活性鋼筋發(fā)生堿化反應(yīng)在表皮生成一層致密鈍化膜，從而隔絕侵蝕性離子與鋼筋基體接觸，起到保護(hù)鋼筋的作用[11]。因此，只要保持鋼筋周圍堿性環(huán)境的穩(wěn)定，其表面永久存在的鈍化膜就能保護(hù)鋼筋不被銹蝕[12]。然而混凝土養(yǎng)護(hù)成型后往往存在各種微觀缺陷，如貫通的微小孔隙使得結(jié)構(gòu)外部的酸性離子能夠滲透到鋼筋表面造成堿性環(huán)境PH值的降低，甚至當(dāng)侵蝕性離子濃度累積到一定閥值時(shí)會(huì)引起鋼筋表面鈍化膜溶解，造成鋼筋基體的暴露[13]。

鋼筋基體主要由Fe，C及Si、Mn、P、S等微量元素組成，它們按制造工藝及組合比例不同形成了鋼筋基體內(nèi)不同的金相組織，如鐵素體（C溶于α-Fe中的固溶體）、滲碳體（鐵碳化合物Fe3C）以及珠光體（鐵素體與滲碳體相互間存）等。由于不同金相組織內(nèi)含F(xiàn)e量不同，從而形成金相間的電位或電勢(shì)差，一旦鋼筋基體接觸有溶解氧的水膜時(shí)就容易構(gòu)成微電池[14-15]，造成高電勢(shì)金相組織體的溶解。由于鋼筋表面去鈍化位置處濕度及溶氧量存在差異，往往存在許多非同步發(fā)生的微電池反應(yīng)，長(zhǎng)此以往將形成宏觀銹坑，屬于典型的自發(fā)氧化還原反應(yīng)。文獻(xiàn)[16]研究表明在自然環(huán)境下酸性Cl-對(duì)鋼筋鈍化膜影響最為嚴(yán)重，具體過程如下圖1（a）所示。該過程的存在極易造成鈍化膜溶解，從而引發(fā)由于鋼筋外露基體接觸侵蝕環(huán)境所帶來的微電池反應(yīng)，最終損傷鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失。

（二）電化學(xué)加速銹蝕原理

由鋼筋自然電化學(xué)銹蝕原理可知，構(gòu)成混凝土內(nèi)埋置鋼筋銹蝕需要滿足兩個(gè)基本條件：其一是外部因素，即外部酸性離子滲透造成鈍化膜的局部溶解以及滿足該部位溶解氧水膜的覆蓋；其二為內(nèi)部因素，即鋼筋內(nèi)部金相組織差異所造成的電勢(shì)差。構(gòu)成腐蝕微電池以上兩個(gè)基本條件需同時(shí)滿足時(shí)、缺一不可，因此該微電池氧化與還原反應(yīng)同時(shí)發(fā)生在一根待銹鋼筋上，陰陽極分別由鈍化與去鈍化區(qū)充當(dāng)。

區(qū)別于上述情形的是，電化學(xué)加速銹蝕試驗(yàn)的氧化與還原反應(yīng)過程被人為分開，不同時(shí)存在于待銹蝕鋼筋上。該過程主要通過對(duì)待銹蝕鋼筋施以加外電流，通過加速外部Cl-滲透過程來縮短鋼筋表面去鈍化時(shí)間，同時(shí)通過加快鋼筋內(nèi)部電子有序流動(dòng)以達(dá)到加速鋼筋銹蝕的目的，進(jìn)而克服在試驗(yàn)條件下自然銹蝕緩慢、耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。在外加電流的作用下，正極的待銹鋼筋失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，而陰極的輔助電極則得到電子，將H2O和O2還原為OH-，具體反應(yīng)模式如上圖1（b）所示。由于外加電流持續(xù)不斷，隨著時(shí)間的推移將加速正極鋼筋基體的消耗從而達(dá)到模擬鋼筋銹蝕的目的。

二、試驗(yàn)概況

（一）傳統(tǒng)電化學(xué)加速銹蝕方法

1、全浸泡電化學(xué)加速銹蝕方法

全浸泡電化學(xué)加速銹蝕方法如下圖2（a）所示，將鋼筋混凝土試件，包括連接有直流電源正極的埋置鋼筋完全浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%飽和NaCl溶液中，以便模擬自然條件下酸性Cl-侵入對(duì)鋼筋的銹蝕過程。同時(shí)在侵蝕溶液中放入連接有直流電源負(fù)極的不銹鋼棒，以構(gòu)成完整銹蝕閉合回路。在直流電源接通時(shí)，侵蝕性溶液中Cl-在電場(chǎng)作用下不斷侵入鋼筋表面造成鈍化膜破壞，隨著待銹蝕鋼筋基體外露處陽極的形成，在電化學(xué)作用下鋼筋快速被消耗，從而達(dá)到短時(shí)間內(nèi)模擬鋼筋銹蝕的效果。

2、半浸泡電化學(xué)加速銹蝕方法

半浸泡電化學(xué)加速銹蝕方法如下圖2（b）所示，區(qū)別于全浸泡電化學(xué)加速銹蝕方法將鋼筋混凝土試件半浸泡在飽和NaCl溶液中，保持連接有正極的埋置鋼筋遠(yuǎn)離侵蝕溶液，從而不直接與Cl-直接接觸，使得更加接近于自然情況下鋼筋真實(shí)銹蝕模式。同理在電流接通時(shí)Cl-在電場(chǎng)及毛細(xì)吸附作用下逐步遷移至鋼筋表面，相比于全浸泡而言Cl-供應(yīng)更為不均勻，因此稍能貼近于實(shí)際情形模擬鋼筋銹蝕。

（二）新型電化學(xué)加速銹蝕方法

由于傳統(tǒng)電化學(xué)加速銹蝕方法存在鋼筋均勻銹蝕及難以準(zhǔn)確控制銹蝕率的弊端，無法在定量條件下真實(shí)模擬自然銹蝕情況下鋼筋靠近保護(hù)層一側(cè)銹蝕相對(duì)嚴(yán)重的非均勻銹蝕形態(tài)。因此本文基于Cl-的去鈍化以及鋼筋在銹蝕作用下被消耗的基本原理，將電化學(xué)加速銹蝕過程分為兩個(gè)階段：銹蝕誘導(dǎo)期與銹蝕發(fā)展期。針對(duì)兩個(gè)階段不同的反應(yīng)過程及對(duì)最終不均勻銹蝕試件獲取的不同貢獻(xiàn)。

1、銹蝕誘導(dǎo)期

銹蝕誘導(dǎo)期定義為從構(gòu)件接觸飽和NaCl侵蝕溶液開始至Cl-侵入鋼筋表面造成鋼筋不均勻去鈍化現(xiàn)象結(jié)束。由于自然狀態(tài)下Cl-在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散遵循Fick定律，因而要使其穿透混凝土保護(hù)層到達(dá)鋼筋表面造成去鈍化現(xiàn)象需要較長(zhǎng)時(shí)間。為了加速銹蝕的進(jìn)行，綜合電化學(xué)加速銹蝕方法在該期間內(nèi)采用電滲輔助加速滲透，如上圖4中藍(lán)色電路所示。將連接有電源正極的不銹鋼板放置在構(gòu)件底部，隨后一并與構(gòu)件半浸泡在飽和NaCl溶液中，同時(shí)在靠近保護(hù)層側(cè)外表面邊緣砌筑一圈圍堰并灌滿飽和NaCl溶液，將連接有電源負(fù)極的不銹鋼板放置其內(nèi)以便在接通電源時(shí)使得構(gòu)件內(nèi)部在正負(fù)極穩(wěn)定的電場(chǎng)作用下加速上表面圍堰內(nèi)Cl-向鋼筋表面遷移。

文獻(xiàn)[18]表明，非穩(wěn)態(tài)電遷移Cl-擴(kuò)散系數(shù)Dnssm和平均穿透尖端xf滿足如下關(guān)系式（1），其中R為氣體常數(shù)，取值8.3145J/mol/K；T為陽極電解液初始和最終溫度平均值（K）；z為Cl-電荷數(shù)；F為法拉第常數(shù)，取值96500 A?s；t為通電時(shí)間（s）.

綜合以上計(jì)算參數(shù)及表達(dá)式，在給定外電壓30V條件下可得到Cl-加速穿透混凝土保護(hù)層到達(dá)鋼筋表面達(dá)到去鈍濃度閥值的時(shí)間t為4.3d。在銹蝕誘導(dǎo)期內(nèi)始終保持與構(gòu)件接觸的NaCl溶液濃度不變，當(dāng)電壓持續(xù)時(shí)間達(dá)到預(yù)期值時(shí)切斷直流電源，同時(shí)將NaCl浸泡溶液清除干凈并用自來水沖洗，以除去后續(xù)銹蝕發(fā)展期Cl-的繼續(xù)參與。

2、銹蝕發(fā)展期

銹蝕發(fā)展期定義為從去鈍后待銹蝕鋼筋上接通電流開始至達(dá)到預(yù)期銹蝕率時(shí)結(jié)束。首先將清洗干凈的構(gòu)件按銹蝕誘導(dǎo)期模式重新浸泡在自來水中，保持水位低于埋置鋼筋，同時(shí)在構(gòu)件圍堰內(nèi)鋪設(shè)沾滿自來水的吸水海綿。按照?qǐng)D4中黑色線路所示，保持連接有電源負(fù)極的不銹鋼板放置吸水海綿內(nèi)，將待銹蝕鋼筋接通電源正極，控制電流密度0.5mA/cm2且按照不同的通電時(shí)間t銹蝕以獲得不同銹蝕率下的鋼筋試件。

通常表征鋼筋銹蝕程度的參數(shù)為質(zhì)量銹蝕率ηs，計(jì)算表達(dá)式如下式（7）所示，其中Δm、 m0分別為被銹蝕鋼筋質(zhì)量及鋼筋初始質(zhì)量。結(jié)合法拉第第二定律，在控制銹蝕電流密度及時(shí)間條件下可得到銹蝕鋼筋質(zhì)量如下式（8）所示。

3、試驗(yàn)過程

為了研究本文綜合電化學(xué)加速銹蝕方法可行性，制作尺寸為400×350×100mm的鋼筋混凝土板如下圖5所示。構(gòu)件均采用湖南坪塘南方水泥有限公司產(chǎn)42.5等級(jí)普通硅酸鹽水泥，湘江河砂（中砂）以及長(zhǎng)沙市市郊產(chǎn)最大粒徑20mm碎石和自來水混合拌制澆注成型，設(shè)計(jì)配合比參見表2。

三、試驗(yàn)分析

鋼筋銹蝕率評(píng)定

綜合電化學(xué)加速銹蝕鋼筋經(jīng)過清洗干燥后用電子天平秤（精度為0.01g）稱量其質(zhì)量m，可以得到其質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果如下表3示。從表中看出在綜合加速銹蝕試驗(yàn)分兩階段進(jìn)行的條件下，作為正極的待銹蝕鋼筋按照法拉第定律計(jì)算的理論銹蝕率與實(shí)測(cè)質(zhì)量銹蝕率比較接近，但仍舊表現(xiàn)出理論銹蝕率偏高的差異。究其原因?yàn)槔碚撲P蝕率均在理想條件下計(jì)算得到，通過鋼筋的所有電流均消耗于銹蝕發(fā)展過程，而實(shí)驗(yàn)條件下電流的消耗受多因素影響，常見包括回路上轉(zhuǎn)化為熱能耗散、雜質(zhì)元素吸收等。然而該實(shí)驗(yàn)下銹蝕率實(shí)測(cè)值與理論值最大誤差在16%以下，相比于傳統(tǒng)電化學(xué)加速銹蝕過程最大誤差50%[14]有明顯改善，既說明基于法拉第定律控制銹蝕時(shí)間具有一定局限性，也表明本實(shí)驗(yàn)方案所得銹蝕試件銹蝕率可控性有所加強(qiáng)。

四、結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室條件下，傳統(tǒng)電化學(xué)加速銹蝕方法能夠用來加速混凝土中鋼筋的銹蝕過程，但由于該方法最終所獲銹蝕試件普遍偏向于均勻銹蝕、與自然銹蝕情況相悖而有待改進(jìn)。本文綜合電化學(xué)加速銹蝕試驗(yàn)方法基于傳統(tǒng)加速銹蝕方法偏均勻銹蝕的不足進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，在將整個(gè)銹蝕過程劃分為銹蝕誘導(dǎo)期和銹蝕發(fā)展期的基礎(chǔ)上分開相互獨(dú)立進(jìn)行，從而通過控制不同階段的首要制約因素來進(jìn)一步模擬鋼筋的不均勻銹蝕，以期達(dá)到與自然環(huán)境下銹蝕形態(tài)相初步吻合的效果。

在銹蝕誘導(dǎo)期，混凝土中鋼筋表面覆蓋有均勻鈍化膜從而保護(hù)鋼筋不受侵蝕，但由于Cl-的置換作用能夠?qū)⑵淦茐膹亩l(fā)銹蝕，因此該階段的首要控制點(diǎn)為模擬Cl-滲透至鋼筋表面造成不均勻去鈍現(xiàn)象并加速其進(jìn)程。區(qū)別于傳統(tǒng)加速銹蝕方法以待銹蝕鋼筋為小陽極、不銹鋼棒為小陰極造成的Cl-集中滲透，綜合電化學(xué)加速銹蝕方法采用不銹鋼板為大陰陽極加速滲透過程，模擬自然條件下構(gòu)件大面積受侵蝕狀態(tài)。

在銹蝕發(fā)展期，與傳統(tǒng)加速銹蝕方法一樣采用小電流加速銹蝕氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行。因?yàn)榫C合加速銹蝕方法的分階段進(jìn)行使得銹蝕發(fā)展期內(nèi)電流的耗散減少，提高流經(jīng)待銹蝕鋼筋電流使用率，從而能夠減小基于法拉第第二定律計(jì)算得到的理論銹蝕率與實(shí)測(cè)銹蝕率間的誤差，保證人工擬定不同銹蝕率試件的順利獲得，試驗(yàn)的可控性得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。

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