基于鋼筋銹蝕時(shí)變模型的氯氧鎂水泥鋼筋混凝土初裂時(shí)間

鞏 位 喬宏霞 余紅發(fā) 麻海燕 陳廣峰

(1南京航空航天大學(xué)土木工程系, 南京 210016)(2蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730050)(3北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871)

西部鹽湖地區(qū)鋼筋混凝土的耐久性問(wèn)題是實(shí)施“一帶一路”倡議過(guò)程中急需解決的基礎(chǔ)研究課題之一.鋼筋混凝土使用壽命均要求在50～100年以上,而普通硅酸鹽水泥混凝土在3～5年內(nèi)會(huì)因嚴(yán)重的鹽鹵腐蝕破壞而降低其使用壽命[1].如何確保鋼筋混凝土建筑物的使用壽命,不僅是工程安全性和服役壽命等科技問(wèn)題,而且是能否實(shí)現(xiàn)“一帶一路”倡議目標(biāo)的社會(huì)問(wèn)題[2-3].國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，氯氧鎂水泥混凝土具有較好的抗鹽鹵侵蝕性能,能夠滿足鹽湖地區(qū)對(duì)混凝土抗鹽鹵侵蝕性能的要求；但由于氯氧鎂水泥混凝土pH值只有10～11,且混凝土中氯離子含量較高(約為1.5%～6.0%)使氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋較難形成鈍化膜,鋼筋銹蝕較快[4-7].李成棟等[8]發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥混凝土中鋼筋的平均腐蝕速率范圍為0.616～0.717 g/m2,氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋的平均腐蝕速率范圍為2.326～3.35 g/m2；馬建慧等[9]通過(guò)電化學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn),普通硅酸鹽水泥混凝土中鋼筋的腐蝕電流密度范圍為0.4～0.8 μA/cm2.喬宏霞等[10]研究結(jié)果表明，氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋的腐蝕電流密度范圍為2.5～4.5 μA/cm2.不難看出氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋的腐蝕速率約為普通硅酸鹽水泥混凝土中鋼筋的腐蝕速率的5～6倍,如能解決氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋腐蝕問(wèn)題,有利于解決西部鹽湖地區(qū)建筑物使用壽命的問(wèn)題,也能為氯氧鎂水泥混凝土開(kāi)拓新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域.在1991年加拿大蒙特利爾召開(kāi)的第二屆混凝土耐久性國(guó)際會(huì)議上,Mehta[11]將鋼筋的銹蝕作為混凝土結(jié)構(gòu)破壞最重要的因素.混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕過(guò)程大致分為3個(gè)階段：① 前期(銹蝕誘導(dǎo)期),從結(jié)構(gòu)建成到混凝土保護(hù)層碳化或氯離子侵入混凝土使鋼筋脫鈍;② 中期(銹蝕膨脹期),從鋼筋開(kāi)始銹蝕發(fā)展到混凝土表面因鋼筋銹蝕膨脹而出現(xiàn)順筋裂縫;③ 后期(銹蝕發(fā)展期),從混凝土表面因鋼筋銹蝕膨脹開(kāi)裂到結(jié)構(gòu)不能安全使用[12-13].

通過(guò)國(guó)內(nèi)外對(duì)普通混凝土中防腐涂層的研究與應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)涂層鋼筋是解決鋼筋腐蝕的可行思路[14-16].本文將該研究方法引入對(duì)氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕與防腐研究中,嘗試研究氯氧鎂水泥混凝土中涂層鋼筋應(yīng)用的可行性.通過(guò)氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋的電化學(xué)試驗(yàn),得到鋼筋的腐蝕電流密度.基于普通硅酸鹽水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率時(shí)變模型,提出適合氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕時(shí)變模型；基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和混凝土保護(hù)層開(kāi)裂模型計(jì)算出鋼筋初始銹蝕時(shí)間和氯氧鎂水泥混凝土開(kāi)裂時(shí)間.通過(guò)鋼筋初始銹蝕時(shí)間和氯氧鎂水泥混凝土開(kāi)裂時(shí)間對(duì)比分析防腐效果,驗(yàn)證鋼筋涂層的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和有效性.

1 理論基礎(chǔ)

采用微極化區(qū)線性極化法(電位極化值ΔE=±10 mV),根據(jù)腐蝕電位附近的線性關(guān)系得到鋼筋的極化電阻Rp,然后根據(jù)如下Stern-Geary公式計(jì)算其腐蝕電流密度[17]：

(1)

(2)

式中,Δi為電位極化值相應(yīng)的電流密度變化值,A/cm2；Rp為極化電阻,Ω·cm2；icorr為腐蝕電流密度,μA/cm2；B為常數(shù),取值范圍為13～52 mV[18-20]；ba和bc為常用對(duì)數(shù)陽(yáng)極和陰極Tafel斜率,mV.

對(duì)于相同條件下的同種材料,腐蝕速率與腐蝕電流密度之間存在正比關(guān)系[21],即

(3)

式中,VR為材料的腐蝕速率,mm/a；M為材料的分子量,g/mol；ρ為材料的密度,g/cm3；N為金屬離子的價(jià)數(shù).

混凝土中鋼筋可采用下式將腐蝕電流密度轉(zhuǎn)化為腐蝕速率[21-23]：

VR=Aicorr

(4)

式中,A為常數(shù),其取值范圍為0.011 5～0.011 7,本文取0.011 6.

2 鋼筋銹蝕速率時(shí)變模型

2.1 鋼筋銹蝕速率基本時(shí)變模型

混凝土開(kāi)裂前鋼筋銹蝕速率基本時(shí)變模型較多[24-29],本文僅選取3種具有代表性的基本時(shí)變模型進(jìn)行研究.

2.1.1 Kim模型

Liu等[24]在研究氯離子侵蝕作用下混凝土開(kāi)裂前且鋼筋銹蝕發(fā)生后腐蝕速率時(shí)發(fā)現(xiàn),由于鋼筋表面的銹蝕產(chǎn)物阻礙了鐵離子在鋼筋表面的擴(kuò)散,銹蝕速率將隨時(shí)間增長(zhǎng)而呈現(xiàn)減慢的趨勢(shì),并最終趨于穩(wěn)定,因而利用相關(guān)數(shù)據(jù)建立了腐蝕電流密度與時(shí)間的關(guān)系,其相應(yīng)的腐蝕速率模型為

icorr(t)=0.85icorr(tp)(t-tp)-0.29

(5)

(6)

式中,icorr(t)為t時(shí)刻鋼筋腐蝕電流密度,μA/cm2；icorr(tp)為tp時(shí)刻鋼筋腐蝕電流密度,μA/cm2；tp為鋼筋開(kāi)始銹蝕的p時(shí)刻,a；t為鋼筋銹蝕試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間,a；w/c為水灰比；C為保護(hù)層厚度,mm.

Vu[25]基于Liu等[24]模型并利用其試驗(yàn)結(jié)果,提出了如下新的鋼筋銹蝕速率時(shí)變模型：

(7)

(8)

式中,icorr(1)為銹蝕膨脹期開(kāi)始時(shí)的腐蝕電流密度,μA/cm2；tc為鋼筋銹蝕時(shí)間,a.

2.1.2 指數(shù)模型

Yal?yn等[26-27]在研究氯離子侵蝕作用下混凝土開(kāi)裂前鋼筋銹蝕速率發(fā)現(xiàn),鋼筋銹蝕速率在開(kāi)始時(shí)很高,但隨時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系逐漸減小,因而利用相關(guān)數(shù)據(jù)建立了腐蝕電流密度與時(shí)間的關(guān)系,相應(yīng)的腐蝕速率模型為

icorr(t)=icorr(0)e-0.402t

(9)

式中,icorr(0)為第1次測(cè)試鋼筋的腐蝕電流密度,μA/cm2.

2.1.3 Li Chun Qing模型

Li[28]對(duì)海洋環(huán)境下鋼筋混凝土彎曲構(gòu)件進(jìn)行大量的模型試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕速率隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)增長(zhǎng)減慢的趨勢(shì),因而利用相關(guān)數(shù)據(jù)建立了腐蝕電流密度與時(shí)間的關(guān)系,給出以下經(jīng)驗(yàn)公式：

icorr(t)=0.368 3ln(t)+1.130 5

(10)

2.2 氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率時(shí)變模型

大氣環(huán)境下氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋發(fā)生的腐蝕主要是吸氧腐蝕,腐蝕發(fā)生的最根本原因是氧氣和水在鋼筋表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕使鋼筋因氧化而腐蝕.在鋼筋發(fā)生腐蝕的過(guò)程中,氯離子雖然不是鋼筋產(chǎn)生腐蝕的根本原因,但是氯離子在腐蝕過(guò)程中起到了誘導(dǎo)、催化的加速作用[29-30].鎂水泥材料中的鋼筋1 d后就發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕,鋼筋端部7 d后就產(chǎn)生銹水[6]；而普通混凝土中鋼筋至少8.7 a才會(huì)發(fā)生銹蝕[31].因此本文認(rèn)為上述3種模型作為氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率預(yù)計(jì)模型存在較大誤差,需要新的符合氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕的時(shí)變模型.

1) 基于Kim模型.氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率的冪函數(shù)型時(shí)變模型為

icorr(t)=atba>0,b<0

(11)

式中,a,b為常數(shù),與鋼筋混凝土的特性有關(guān),通過(guò)試驗(yàn)擬合獲得.

由于氯氧鎂水泥混凝土中氯離子含量較高,加速了鋼筋銹蝕,鋼筋開(kāi)始時(shí)就發(fā)生嚴(yán)重銹蝕.為了提高擬合結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性,提出氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率的修正冪函數(shù)型時(shí)變模型為

icorr(t)=a(t+d)ba>0,b<0

(12)

式中,d為常數(shù),與鋼筋混凝土的特性有關(guān),通過(guò)試驗(yàn)擬合獲得.

2) 基于指數(shù)模型.氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率的指數(shù)型時(shí)變模型為

icorr(t)=fegtf>0,g<0

(13)

式中,f,g為常數(shù),與鋼筋混凝土的特性有關(guān),通過(guò)試驗(yàn)擬合獲得.

氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率的修正指數(shù)型時(shí)變模型為

icorr(t)=fegt+hf>0,g<0

(14)

式中,h為常數(shù),與鋼筋混凝土的特性有關(guān),通過(guò)試驗(yàn)擬合獲得.

3) 基于Li Chun Qing模型.氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率的對(duì)數(shù)型時(shí)變模型為

icorr(t)=jln(t)+kj>0

(15)

式中,j,k為常數(shù),與鋼筋混凝土的特性有關(guān),通過(guò)試驗(yàn)擬合獲得.

氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率的修正對(duì)數(shù)型時(shí)變模型為

icorr(t)=jln(t+p)+kj>0

(16)

式中,p為常數(shù),與鋼筋混凝土的特性有關(guān),通過(guò)試驗(yàn)擬合獲得.

3 氯氧鎂水泥鋼筋混凝土初裂時(shí)間

混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂前鋼筋銹蝕過(guò)程大致分為2個(gè)階段：① 銹蝕誘導(dǎo)期,即從結(jié)構(gòu)建成到混凝土保護(hù)層碳化或氯離子侵入混凝土使鋼筋脫鈍;② 銹蝕膨脹期,即從鋼筋開(kāi)始銹蝕發(fā)展到混凝土表面因鋼筋銹蝕膨脹而出現(xiàn)順筋裂縫[12-13].

3.1 鋼筋初始銹蝕時(shí)間

當(dāng)混凝土碳化深度達(dá)到臨界值或鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界值時(shí)鋼筋開(kāi)始銹蝕,通常把鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界值的時(shí)間作為鋼筋初始銹蝕時(shí)間tb[31].而本文氯氧鎂水泥混凝土中氯離子含量高達(dá)1.9%,遠(yuǎn)大于混凝土臨界氯離子濃度0.05%[32],說(shuō)明氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋在極短時(shí)間就發(fā)生銹蝕.故無(wú)法采用氯氧鎂水泥鋼筋混凝土鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界值的時(shí)間作為計(jì)算鋼筋初始銹蝕時(shí)間tb的依據(jù).本文根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344—2004)給出的電化學(xué)腐蝕判斷依據(jù),通過(guò)鋼筋的腐蝕電流密度限值計(jì)算得到鋼筋初始銹蝕時(shí)間tb.

3.2 氯氧鎂水泥混凝土開(kāi)裂時(shí)間

鋼筋混凝土開(kāi)裂時(shí)變模型較多,如日本繁永森模型、西班牙Rodriguez模型和牛荻濤模型等[13,33].遲麗華等[31]研究結(jié)果表明不同試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫皆囼?yàn)結(jié)果相差較大,故本文采用Youping Liu理論模型,該模型考慮銹蝕產(chǎn)物向鋼筋周邊混凝土擴(kuò)散的影響,將周邊混凝土孔隙過(guò)渡區(qū)近似等效為鋼筋周邊等厚的圓環(huán),由于擴(kuò)散反比于氧化層的厚度,因此隨著銹蝕層逐漸變厚,鐵離子擴(kuò)散距離增加,銹蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生率逐漸減小,鋼筋銹蝕量可采用下式計(jì)算[34]：

(17)

式中,Wrust為銹蝕量,mg/ mm；kp為與金屬損失率有關(guān)的系數(shù),kp=0.105(1/α)πDicorr(t),α為與銹蝕物有關(guān)的系數(shù),當(dāng)銹蝕產(chǎn)物為Fe(OH)3時(shí)取α=0.523,銹蝕產(chǎn)物為Fe(OH)2時(shí)取α=0.622,通常取α=0.57[27],D為鋼筋直徑,mm.

對(duì)式(17)進(jìn)行整理可得

(18)

混凝土開(kāi)裂的臨界銹蝕量Wcr可由下式計(jì)算[27]：

(19)

式中,ρst,ρrust為鋼筋密度(7 850 kg/m3)、鐵銹密度(3 600 kg/m3)；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度,本文氯氧鎂水泥混凝土取1.76 MPa[7,35]；Ecf為混凝土有效彈性模量,Ecf=Ec/(1+φcr),Ec為混凝土彈性模量,本文氯氧鎂水泥混凝土取33.4 GPa[7,35],φcr為混凝土徐變系數(shù),早強(qiáng)水泥取2.2,普通水泥取2.0,本文氯氧鎂水泥混凝土取2.2；ν為泊松比,根據(jù)課題組試驗(yàn)本文氯氧鎂水泥混凝土取0.25；d0為鋼筋與混凝土界面空隙的厚度,取值范圍為10～20 μm,本文氯氧鎂水泥混凝土取12.5 μm[27].

4 試驗(yàn)

4.1 原材料及配合比

氯氧鎂水泥鋼筋混凝土的原材料包括輕燒氧化鎂、工業(yè)氯化鎂、Ⅰ級(jí)粉煤灰、河砂和碎石、磷酸(H3PO4的含量不小于85.0%,色度大于25黑曾)、UNF型萘系高效減水劑(減水率21%,Na2SO4含量0.5%)、自來(lái)水和HPB300光圓鋼筋(抗拉強(qiáng)度y=270 MPa),其化學(xué)成分和性能指標(biāo)見(jiàn)表1～表4,氯氧鎂水泥混凝土配合比見(jiàn)表5.

表1 輕燒氧化鎂化學(xué)成分 %

表2 工業(yè)氯化鎂化學(xué)成分 %

表3 Ⅰ級(jí)粉煤灰化學(xué)成分 %

表4 河砂和碎石性能指標(biāo)

表5 氯氧鎂水泥混凝土配合比 kg/m3

4.2 試件制備

4.2.1 鋼筋處理

試驗(yàn)選用鋼筋長(zhǎng)度80 mm,直徑6 mm；參照《金屬鍍覆和化學(xué)處理標(biāo)識(shí)方法》(GB/T13911—2008)對(duì)鋼筋表面進(jìn)行打磨處理,并用蒸餾水清洗干凈.然后,經(jīng)過(guò)堿洗、酸洗等步驟,去除鋼筋表面油污,并使其表面光滑.對(duì)表面光滑的鋼筋進(jìn)行暴露和涂敷5種不同涂層.裸露鋼筋記為S1；5種涂敷防腐涂層鋼筋(BNC?水性涂層鋼筋、Zintek涂層鋼筋、Dacromet涂層鋼筋、Geomet涂層鋼筋和Magni涂層鋼筋)依次記為S2,S3,S4,S5和S6.

4.2.2 試件澆筑

試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,本試驗(yàn)共制作6個(gè)試件,分別用MOC-S1,MOC-S2,MOC-S3,MOC-S4,MOC-S5和MOC-S6來(lái)表示,試件示意圖見(jiàn)圖1.試件澆筑過(guò)程為：① 在模具中放入鋼筋和鋼筋支撐件；② 配制氯化鎂溶液；③ 稱量所需氧化鎂、粉煤灰、砂子和石子,攪拌均勻,加入配制好的MgCl2溶液,再攪拌均勻；④ 倒入磷酸、水和減水劑；⑤ 將氯氧鎂水泥混凝土倒入模具中.24 h后進(jìn)行拆模,并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d,之后對(duì)試件端部混凝土用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行密封.

(a) 順筋方向 (b) 非順筋方向圖1 試件示意圖(單位：mm)

4.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用三電極測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定,測(cè)量?jī)x器為CS350電化學(xué)工作站(基本參數(shù)設(shè)置：相對(duì)開(kāi)路電位為±0.01 V,掃描速率為0.167 mV/s),飽和甘汞電極作為參比電極,S1,S2,S3,S4,S5和S6作為工作電極,薄鋼片作為輔助電極,測(cè)試示意圖見(jiàn)圖2.將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的氯氧鎂水泥鋼筋混凝土試件置于室內(nèi)自然環(huán)境,數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)分別選在試驗(yàn)進(jìn)行0,0.25,0.5,0.75,1.0,1.25,1.5,1.75和2.0 a時(shí),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)第28天記作試驗(yàn)開(kāi)始的0 a.

圖2 測(cè)試示意圖

5 結(jié)果與分析

5.1 氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕時(shí)變模型

采用Origin9.0對(duì)腐蝕電流密度進(jìn)行非線性擬合,擬合公式為式(11)～式(16),得到S1,S2,S3,S4,S5和S6銹蝕速率時(shí)變模型和修正時(shí)變模型擬合結(jié)果(見(jiàn)圖3).

修正前時(shí)變模型：從圖3(a)散點(diǎn)圖不難看出,MOC-S1中S1腐蝕電流密度擬合曲線符合式(11)冪函數(shù)型時(shí)變模型和式(13)指數(shù)型時(shí)變模型.0 a時(shí)S1腐蝕電流密度較小,0.25 a時(shí)S1腐蝕電流密度較大,0.25～2.0 a時(shí)S1腐蝕電流密度呈逐漸下降趨勢(shì),這主要是因?yàn)镾1在水、氧氣和氯離子共同作用下,0 a鋼筋表面已經(jīng)開(kāi)始銹蝕,同時(shí)在0～0.25 a范圍內(nèi)混凝土試件放入室內(nèi)自然環(huán)境鋼筋銹蝕達(dá)到平衡也需要一個(gè)過(guò)程,因此在此階段鋼筋銹蝕速率隨時(shí)間的增加而增加.在0.25 a后,混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的電流密度開(kāi)始隨時(shí)間的增加而出現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì),這主要因?yàn)榇藭r(shí)鋼筋銹蝕基本達(dá)到平衡,鋼筋銹蝕產(chǎn)物的數(shù)量也逐漸增多并開(kāi)始填充混凝土孔隙,混凝土氧氣的擴(kuò)散系數(shù)受到影響而使鋼筋銹蝕速率減少[36]，在S1腐蝕電流密度擬合過(guò)程中，屏蔽0 a時(shí)腐蝕電流密度擬合過(guò)程中按式(13)指數(shù)型時(shí)時(shí)變模型擬合相關(guān)系數(shù)較小需要舍去,故MOC-S1中S1銹蝕速率擬合曲線符合式(11)冪函數(shù)型時(shí)變模型.從圖3(b)～(e)散點(diǎn)圖可以看出,S2～S5銹蝕速率擬合曲線符合式(15)對(duì)數(shù)型時(shí)變模型；由于對(duì)數(shù)函數(shù)的特性(t>0),S2～S5腐蝕電流密度擬合過(guò)程中屏蔽了0 a時(shí)的腐蝕電流密度.從圖3(f)散點(diǎn)圖可以看出,MOC-S6中S6銹蝕速率擬合曲線符合式(15)指數(shù)型時(shí)時(shí)變模型和式(11)冪函數(shù)型時(shí)變模型,擬合過(guò)程中按式(11)冪函數(shù)型時(shí)變模型擬合相關(guān)系數(shù)較小需要舍去,故MOC-S6中S6銹蝕速率擬合曲線符合式(13)指數(shù)型時(shí)變模型.

修正時(shí)變模型：從圖3(a)散點(diǎn)圖不難看出,MOC-S1中S1腐蝕電流密度擬合曲線符合式(12)修正冪函數(shù)型時(shí)變模型,S1腐蝕電流密度擬合過(guò)程中屏蔽了0 a時(shí)的腐蝕電流密度.從圖3(b)～(e)散點(diǎn)圖可以看出,S2～S5銹蝕速率擬合曲線符合式(16)修正對(duì)數(shù)型時(shí)變模型.從圖3(f)散點(diǎn)圖可以看出,MOC-S6中S6銹蝕速率擬合曲線符合式(14)修正指數(shù)型時(shí)變模型.

由鋼筋銹蝕速率修正時(shí)變模型計(jì)算可得,S1腐蝕電流密度在其使用壽命范圍內(nèi)遠(yuǎn)大于普通混凝土Kim模型下腐蝕電流密度；S2腐蝕電流密度在55 d后小于普通混凝土Li Chun Qing模型下鋼筋腐蝕電流密度；S3腐蝕電流密度在22 d后小于普通混凝土Li Chun Qing模型下鋼筋腐蝕電流密度；S4腐蝕電流密度恒大于普通混凝土Li Chun Qing鋼筋模型下腐蝕電流密度；S5腐蝕電流密度在18 d后小于普通混凝土Li Chun Qing模型下鋼筋腐蝕電流密度；S6腐蝕電流密度在1 453 d前小于普通混凝土指數(shù)型模型下鋼筋腐蝕電流密度.結(jié)合圖3鋼筋腐蝕電流密度,S1腐蝕電流密度范圍為2.0～8.0 μA/cm2,S2腐蝕電流密度范圍為0.2～1.3 μA/cm2,S3腐蝕電流密度范圍為0.1～0.2 μA/cm2,S4腐蝕電流密度范圍為1.0～3.0 μA/cm2,S5腐蝕電流密度范圍為0.04～0.10 μA/cm2,S6腐蝕電流密度范圍為0.04～0.5 μA/cm2.就鋼筋腐蝕電流密度而言,S2,S3,S4,S5和S6比S1分別縮小6～10倍、20～40倍、2～3倍、50～80倍和16～50倍.分析認(rèn)為S1腐蝕程度嚴(yán)重,S4腐蝕程度次之,S5腐蝕程度最輕,說(shuō)明涂層防腐效果存在差距,但對(duì)鋼筋均有較好的防腐效果,只要找到合適的涂料,就能解決西部鹽湖地區(qū)建筑物使用壽命的問(wèn)題.

(a) S1

(b) S2

(c) S3

(d) S4

(e) S5

(f) S6圖3 時(shí)變模型擬合曲線

5.2 氯氧鎂水泥鋼筋混凝土初裂時(shí)間

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344—2004)給出的電化學(xué)腐蝕判斷依據(jù),可知鋼筋的腐蝕電流密度icorr≥0.2 μA/cm2,鋼筋處于脫鈍狀態(tài),混凝土中鋼筋開(kāi)始發(fā)生銹蝕.故當(dāng)0 a時(shí)鋼筋的腐蝕電流密度icorr(t)≥0.2 μA/cm2, 認(rèn)為鋼筋的初始銹蝕時(shí)間tb=0 a；當(dāng)0 a時(shí)鋼筋的腐蝕電流密度icorr(t) <0.2 μA/cm2,令icorr(t)=0.2 μA/cm2,求得鋼筋的初始銹蝕時(shí)間tb.令式(18)中鋼筋銹蝕量Wrust等于式(19)中混凝土保護(hù)層開(kāi)裂的臨界銹蝕量Wcr,即可算出混凝土保護(hù)層開(kāi)裂時(shí)間tc.氯氧鎂水泥鋼筋混凝土初裂時(shí)間計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 氯氧鎂水泥鋼筋混凝土初裂時(shí)間 d

從表6可知,S1的鋼筋開(kāi)始測(cè)試時(shí)已銹蝕,氯氧鎂水泥混凝土開(kāi)裂時(shí)間tc為11 d,這與文獻(xiàn)[6]研究結(jié)果基本一致,說(shuō)明將腐蝕電流密度icorr=0.2 μA/cm2作為氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋的初始銹蝕時(shí)間tb的計(jì)算依據(jù)是可行的.S1,S2,S4和S6開(kāi)始測(cè)試時(shí)均已銹蝕；S3和S5初始銹蝕時(shí)間tb分別為1 115和2 760 d.S1,S2,S3,S4,S5和S6的混凝土開(kāi)裂時(shí)間tc分別為11,356,2 138,203,3 756和1 888 d.與S1相比,S2,S3,S4,S5和S6的混凝土開(kāi)裂時(shí)間tc分別延遲了345,2 127,192,3 745和1 877 d.再次驗(yàn)證了雖然涂層防腐效果存在差距,但對(duì)鋼筋均有較好的防腐效果,證實(shí)氯氧鎂水泥混凝土中涂層鋼筋應(yīng)用的可行性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和有效性.只要找到合適的涂料,必然能解決西部鹽湖地區(qū)建筑物使用壽命的問(wèn)題,為氯氧鎂水泥混凝土開(kāi)拓新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域.

6 結(jié)論

1) 氯氧鎂水泥混凝土中S1銹蝕速率冪函數(shù)型時(shí)變模型為icorr(t)=4.029 5t-0.396 9+0.005 1,S2銹蝕速率對(duì)數(shù)型時(shí)變模型為icorr(t)=0.396 05ln(t+0.285 71)+0.762 04,S3銹蝕速率對(duì)數(shù)型時(shí)變模型為icorr(t)=0.063 97ln(t+0.826 76)+0.113 23,S4銹蝕速率對(duì)數(shù)型時(shí)變模型為icorr(t)=1.039 09ln(t+0.253 56)+1.812 56,S5銹蝕速率對(duì)數(shù)型時(shí)變模型為icorr(t)=2.075 72ln(t+94.261 21)-9.39715,以及S6銹蝕速率指數(shù)型時(shí)變模型為icorr(t)=0.396 05e-4.251 77t+0.100 58.

2) 將國(guó)內(nèi)外普通硅酸鹽水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率時(shí)變模型引入對(duì)氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕與防腐的研究中,通過(guò)電化學(xué)試驗(yàn)嘗試建立了氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率的時(shí)變模型.并引入腐蝕電流密度限值,對(duì)氯氧鎂水泥混凝土(混凝土中氯離子含量大于鋼筋表面氯離子濃度臨界值)中鋼筋初始銹蝕時(shí)間進(jìn)行計(jì)算,試驗(yàn)結(jié)果證明該方法是可行的.

3) 通過(guò)鋼筋腐蝕電流密度分析,S2,S3,S4,S5和S6的鋼筋腐蝕電流密度比S1分別縮小6～10倍、20～40倍、2～3倍、50～80倍和16～50倍.通過(guò)鋼筋銹蝕時(shí)變模型分析,S1,S2,S4和S6開(kāi)始測(cè)試時(shí)已銹蝕,S3和S5的鋼筋初始銹蝕時(shí)間tb分別為1 115和2 760 d.與S1相比,S2,S3,S4,S5和S6的混凝土開(kāi)裂時(shí)間tc分別延遲了345,2 127,192,3 745和1 877 d.驗(yàn)證了氯氧鎂水泥混凝土中涂層鋼筋應(yīng)用的可行性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和有效性.只要找到合適的涂料,必然能解決西部鹽湖地區(qū)建筑物使用壽命的問(wèn)題,為氯氧鎂水泥混凝土開(kāi)拓新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域.

4) 在推進(jìn)綠色建筑的大環(huán)境下,解決氯氧鎂水泥混凝土的鋼筋腐蝕問(wèn)題,可使具有綠色節(jié)能特色的氯氧鎂水泥混凝土的發(fā)展具有更大的潛力.本文鋼筋銹蝕速率時(shí)變模型基于電化學(xué)試驗(yàn),為了更好地研究氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕速率時(shí)變模型,可結(jié)合其他試驗(yàn)方法進(jìn)行互相驗(yàn)證,使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確和更具有說(shuō)服力.

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