水泥錨桿腐蝕耐久性研究

艾星宇 　 梁 健,2 　 楊書琰 　 吳 昊

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶　400045；　2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)),重慶　400045)

1　概述

水泥錨桿在我國巖土錨固工程應(yīng)用十分廣泛，但是其服役環(huán)境常常含有腐蝕性介質(zhì)、荷載等不利因素。錨桿會(huì)逐漸老化，損傷甚至破壞[1]。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題得到了充分的研究[2,3]，而錨桿錨固結(jié)構(gòu)則研究甚微。通過制備水泥錨桿試件，在長期浸泡、浸烘循環(huán)的加速制度下，浸泡在單一氯鹽溶液和氯鹽硫酸鹽復(fù)合溶液中，通過測定試件中氯離子的含量，從而表征腐蝕情況，最終得出影響水泥錨桿耐久性的因素，提出相關(guān)建議。

2　水泥錨桿腐蝕耐久性研究

2.1　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要通過氯鹽/氯鹽硫酸鹽復(fù)合溶液浸泡水泥錨桿試件，測定其在30 d，90 d，180 d，270 d，360 d后構(gòu)件中氯離子的濃度。腐蝕加速制度有長期浸泡與浸烘循環(huán)兩種，浸烘循環(huán)的條件為砂漿錨桿試件首先在腐蝕溶液容器中浸泡20 h，再放入60 ℃烘箱烘10 h。試件浸泡達(dá)到要求的時(shí)間后，取出試樣，烘干后開始進(jìn)行取樣，研磨，取砂漿粉末為試驗(yàn)材料，利用化學(xué)滴定方法測定氯離子濃度。

試件尺寸取為砂漿錨桿試件直徑50 mm，高度100 mm。為保證試件上下底面不受氯離子侵蝕，試件上下底面采用環(huán)氧樹脂密封。

試驗(yàn)采用的腐蝕條件如下：

1)5%NaCl溶液；

2)8%NaCl溶液；

3)12%NaCl溶液；

4)15%NaCl溶液；

5)15%NaCl溶液+5%Na2SO4溶液；

6)15%NaCl溶液+8%Na2SO4溶液；

7)15%NaCl溶液+12%Na2SO4溶液；

8)15%NaCl溶液+15%Na2SO4溶液。

2.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1單一氯鹽溶液腐蝕

1)長期浸泡。

腐蝕溶劑選為5%NaCl溶液、8%NaCl溶液、12%NaCl溶液、15%NaCl溶液，腐蝕時(shí)長為30 d，60 d，180 d，270 d，360 d，見圖1。

在同一溶液不同濃度的長期浸泡下，試件內(nèi)的氯離子濃度隨著腐蝕的進(jìn)行而增加，離構(gòu)件表面越遠(yuǎn)的部分氯離子含量越低。深度較小的部分，其氯離子擴(kuò)散速度較快，原因是擴(kuò)散是基于內(nèi)外濃度差，這部分的濃度差最高。因此增加水泥錨桿耐久性的途徑之一就是增加保護(hù)層厚度，使得內(nèi)部的氯離子擴(kuò)散速度降低，從而保護(hù)錨筋。

離子擴(kuò)散滿足Fick定律。根據(jù)模型C(x,t)=C0[1-erf使用Matlab程序編制計(jì)算機(jī)程序，求解得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)，如圖2所示。顯然，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著腐蝕齡期的增加而降低，隨著腐蝕溶液濃度的增加而增加。

2)浸烘循環(huán)。

與浸泡腐蝕相似，使用Fick第二定律，計(jì)算求出氯離子擴(kuò)散系數(shù)，見圖3。由圖3可知，結(jié)論與長期浸泡下類似。

因此可以得出以下結(jié)論。浸烘循環(huán)加速了腐蝕的速度，腐蝕溶液濃度越大，濃度差越大，腐蝕速度越快，氯離子濃度隨著試件深度而減少，因此增加保護(hù)層可以延緩水泥錨桿內(nèi)部的腐蝕。

2.2.2硫酸鹽氯鹽復(fù)合溶液腐蝕

1)長期浸泡。

腐蝕溶劑選為15%NaCl為基準(zhǔn)溶液，配以5%，8%，12%，15%Na2SO4溶液形成復(fù)合溶液，腐蝕時(shí)長為90 d,180 d,270 d,360 d,如圖4所示。

復(fù)合溶液相比于單一氯鹽溶液而言，在相同深度的氯離子濃度降低。原因在于溶液中的硫酸根離子遇到了構(gòu)件中的鈣離子，兩者反應(yīng)生成了具有膨脹性的鈣礬石與石膏，使得腐蝕通道變窄，起到了降低氯離子腐蝕的作用。

2)浸烘循環(huán)。

由單一氯鹽溶液腐蝕對(duì)比可知，浸烘循環(huán)相比于長期浸泡加速了腐蝕速度。復(fù)合溶液長期浸泡下，90 d，180 d，270 d時(shí)，其氯離子濃度相比單一氯鹽情況的濃度更低，原因在于溶液中的硫酸根離子遇到了構(gòu)件中的鈣離子，兩者反應(yīng)生成了具有膨脹性的鈣礬石與石膏，使得腐蝕通道變窄，起到了降低氯離子腐蝕的作用。腐蝕到了末期時(shí)，氯離子濃度相較于單一氯鹽高，這是由于腐蝕產(chǎn)生了大量的鈣礬石與石膏晶體，在腐蝕前期它們起到了阻礙腐蝕通道的作用，而在腐蝕后期，晶體形成數(shù)量太多，膨脹導(dǎo)致腐蝕通道重新打開，形成了新的微裂縫腐蝕通道，從而使得腐蝕速度加快。因此水泥砂漿錨桿浸烘循環(huán)下復(fù)合溶液腐蝕下，腐蝕速度呈現(xiàn)先慢后快這一特征。

3　結(jié)語

1)浸烘循環(huán)制度是合理的加速機(jī)制，可以通過浸烘循環(huán)用較短的時(shí)間去模擬周期較長的腐蝕過程,降低耐久性研究的試驗(yàn)周期。

2)氯鹽溶液腐蝕下，試件內(nèi)外濃度差越大，腐蝕的速度越快，因此設(shè)計(jì)上可以考慮適當(dāng)增加保護(hù)層厚度，推遲內(nèi)部鋼筋銹蝕的時(shí)間，提高結(jié)構(gòu)總體的耐久性與壽命。

3)硫酸鹽—氯鹽復(fù)合溶液腐蝕下，腐蝕速度呈現(xiàn)先慢后快這一特征，原因在于，腐蝕前期，溶液中的硫酸根離子遇到了構(gòu)件中的鈣離子，兩者反應(yīng)生成了具有膨脹性的鈣礬石與石膏，使得腐蝕通道變窄，起到了降低氯離子腐蝕的作用；而腐蝕后期，鈣礬石、石膏晶體形成數(shù)量太多，膨脹導(dǎo)致腐蝕通道重新打開，形成了新的微裂縫腐蝕通道，從而使得腐蝕速度加快。因此硫酸鹽起著在前期延緩水泥錨桿腐蝕的特性，而后期則加速了腐蝕速度。在復(fù)合鹽類的服役環(huán)境下，水泥錨桿的性能要定期檢測，以防到了腐蝕后期，水泥錨桿耐久性大幅下降。