鋼筋通電銹蝕過程電流有效性分析

洪舒賢，鄭 帆，史桂昀，邢 鋒，董必欽

深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實驗室，廣東深圳518060

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的首選形式，但是長期以來，鋼筋銹蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足的最主要原因[1-2]．當(dāng)鋼筋出現(xiàn)銹蝕時，鋼筋與周圍混凝土的黏結(jié)力降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，不利于結(jié)構(gòu)安全[3-6]．在濱海環(huán)境下，由于鋼筋銹蝕導(dǎo)致耐久性降低的問題更為嚴(yán)重[7]．因此，鋼筋銹蝕一直是土木工程的重點(diǎn)研究方向[8-9]．

鋼筋自然銹蝕是一個漫長的過程，受到多種因素的影響，過程控制困難，銹蝕結(jié)果存在較大差異．為了有效控制鋼筋的銹蝕程度，研究者們提出了多種加速鋼筋銹蝕的方法來模擬其銹蝕過程．外加電流加速銹蝕是一個廣泛應(yīng)用的方法，可以通過控制電流強(qiáng)度和通電時間來有效控制鋼筋的銹蝕程度，并進(jìn)行量化計算[10-12]．鋼筋的銹蝕程度主要通過銹蝕損失量、銹蝕速率、銹蝕深度和截面損失率等參數(shù)來表征，是綜合評估鋼筋混凝土耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)[13]．上述參數(shù)的分析都涉及到鋼筋的銹蝕質(zhì)量損失Δm， 這可以借助法拉第定律進(jìn)行估算，其表達(dá)式為

Δm=MIt/(nF)

(1)

其中，M為鐵的摩爾質(zhì)量(56 g/mol)；I為直流電電流(單位：A)；t為通電時間(單位：s)；n為鐵離子的化合價(n=2)；F為法拉第常數(shù)(96 500 C/mol)．雖然法拉第定律被廣泛用于理論推導(dǎo)通電加速銹蝕下鋼筋的銹蝕質(zhì)量損失,但是，干偉忠等[14]在通電加速鋼筋銹蝕條件下，發(fā)現(xiàn)法拉第定律估計的質(zhì)量損失與稱重法實測的質(zhì)量損失之間存在誤差．X射線計算機(jī)斷層掃描(X-ray computed tomography，XCT)技術(shù)出現(xiàn)后，BECK等[15]發(fā)現(xiàn)，在通電加速銹蝕條件下，基于法拉第定律理論推導(dǎo)出來的質(zhì)量損失與基于XCT技術(shù)實拍測得的質(zhì)量損失之間也存在誤差．本研究通過分析樣品在通電階段的XCT測試結(jié)果，對銹蝕過程進(jìn)行可視化跟蹤，獲得通電加速銹蝕過程中各測試點(diǎn)的銹蝕質(zhì)量損失、銹蝕形貌和保護(hù)層裂縫發(fā)展等信息，并將XCT測試的量化結(jié)果與法拉第定律相結(jié)合，對加速過程中發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行研究．

1 試 驗

1.1 試塊制備

試塊制備所需原材料為水、水泥、砂和鋼筋．水為實驗室專用去離子水；水泥型號為海螺P.O.42.5；砂采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T17671—1999；鋼筋選取光圓低碳鋼筋，密度為7.80 g/cm3．鋼筋通過直徑較大的粗鋼筋冷拔制成，基本化學(xué)成分與常規(guī)鋼筋相同，F(xiàn)e、Mn、Si、C、P、Cr和S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為97.640%、1.560%、0.570%、0.195%、0.023%、0.008%和0.004%，符合GB/T3274—2007的要求.試塊的實拍圖及細(xì)部尺寸如圖1，試塊為圓柱體，直徑為10 mm，高度為25 mm．鋼筋位于試塊正中心，直徑為3 mm，長度為35 mm，保護(hù)層厚度為3.5 mm．從圖1可見，本試驗試塊尺寸較小，原因是在進(jìn)行XCT測試的過程中，當(dāng)X射線強(qiáng)度一定時，試塊尺寸越大，射線穿透能力越低，這將影響成像質(zhì)量. 如果增大X射線強(qiáng)度，則將削弱射線對不同組分的識別能力，進(jìn)而無法通過圖像區(qū)分不同組分．為保證XCT拍攝質(zhì)量，試塊的適宜尺寸通過一系列預(yù)實驗確定．

試塊制備所需的水灰比和膠砂比(質(zhì)量比)都是1∶2．按照標(biāo)準(zhǔn)程序配置砂漿后，將新拌砂漿注入模具中，然后將鋼筋插入試塊中心．澆筑完成后，將試塊在固化室中養(yǎng)護(hù)24 h，設(shè)置養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫度為(20±3)℃，濕度為90%±5%．之后將試塊拆模，放入相同養(yǎng)護(hù)條件的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)28 d．養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，對試塊通電，進(jìn)行加速銹蝕試驗．

圖1 試塊尺寸和實拍圖(單位：mm)Fig.1 Size and photo of the sample (unit: mm)

1.2 通電加速銹蝕試驗

通電加速鋼筋銹蝕試驗的裝置由試塊、棉布、銀箔片、導(dǎo)線、電流調(diào)節(jié)器和恒溫恒濕試驗箱組成，裝置連接如圖2．從圖2可見，試塊在試驗過程中沒有浸泡在NaCl溶液中．這是因為試塊保護(hù)層開裂后，溶液將通過裂縫到達(dá)鋼筋表面，使試塊內(nèi)的氯離子濃度發(fā)生變化．并且鋼筋銹蝕產(chǎn)物將通過溶液加速流失，導(dǎo)致銹蝕產(chǎn)物形貌與實際情況存在較大差異．同時，試驗沒有直接在室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行，這是因為保護(hù)層開裂時間容易受到環(huán)境溫度和濕度的影響，所以試驗在恒溫恒濕試驗箱內(nèi)進(jìn)行，可以實現(xiàn)對試驗環(huán)境濕度的精確控制，減少試驗誤差．

試驗開始前，將棉布浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鈉溶液中，以模擬濱海環(huán)境條件下混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕狀況．棉布在充分浸潤后取出，擰去多余溶液至濕潤狀態(tài)，并緊密包裹在試塊的側(cè)表面，然后在棉布表面包裹銀箔片，最后用橡皮筋纏住加以固定．將試塊按圖2所示連接電路，電流調(diào)節(jié)器正極與試塊外露的鋼筋連接，負(fù)極與銀箔片連接．導(dǎo)線連接完畢后將試塊放入恒溫恒濕試驗箱內(nèi)，設(shè)置恒溫恒濕試驗箱的溫度為25 ℃，濕度為95%．試塊在通電加速銹蝕試驗中所施加的恒定電流密度為500 μA/cm2，試驗通電總時長為120 h，分8個階段進(jìn)行，每個階段的具體通電時間如表1．在通電加速試驗開始前，試塊進(jìn)行初次XCT拍攝，記為T0． 在通電加速試驗過程中，選取每個通電階段的結(jié)束時間點(diǎn)作為XCT的測試點(diǎn)，記為T1～T8．

圖2 通電加速銹蝕試驗裝置圖Fig.2 Equipment of current accelerated corrosion test

表1 通電時間安排Table 1 Time arrangement

由于試驗所用鋼筋尺寸小，外加電流強(qiáng)度低，且試塊保護(hù)層厚度小、散熱快，因此試驗中沒有出現(xiàn)明顯發(fā)熱現(xiàn)象，混凝土的開裂由銹蝕產(chǎn)物體積膨脹導(dǎo)致.

1.3 X射線斷層成像試驗

1.3.1 XCT技術(shù)原理

XCT技術(shù)是用來探測物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要工具[16]．XCT數(shù)據(jù)圖像中，每個像素點(diǎn)對應(yīng)的X射線衰減以CT值表示．CT值表示試塊內(nèi)組分對X射線光子的吸收量，主要取決于各組分的原子數(shù)以及密度[17]．在此基礎(chǔ)上，不同的組分將對應(yīng)得到不同的灰度，可以利用閾值分割或邊界識別等圖像處理方法進(jìn)行劃分隔離，實現(xiàn)各組分的重構(gòu)．

1.3.2 XCT拍攝

本次測試采用的XCT設(shè)備為XRadia Micro XCT-400．設(shè)備包括微焦點(diǎn)X射線發(fā)射器、可360°旋轉(zhuǎn)成像的旋轉(zhuǎn)平臺、具有3個多電荷耦合器件的CCD相機(jī)和含有圖像處理單元的圖像增強(qiáng)器探測器．試驗中使用的X射線管配備有小焦斑(微焦點(diǎn)X射線管)，具有高分辨率的放大功能．在本次試驗中，X射線相機(jī)的像素為1 024×1 024．根據(jù)試塊的幾何尺寸和材料組成[15]，X射線激發(fā)電壓設(shè)置為70 kV，功率設(shè)置為7 W，放大倍數(shù)為0.4，曝光時間為4 s．對圖像進(jìn)行重組后，得到像素為1 024×1 024的切片，切片數(shù)量為1 000張．對于T1～T3， 圖像的每個像素尺寸為14.223 4 μm，每個體素為14.223 4×14.223 4×14.223 4 μm3；對于T0、T4～T8， 圖像的每個像素尺寸為13.512 2 μm，每個體素為13.512 2×13.512 2×13.512 2 μm3．本次試驗中，XCT拍攝的原始數(shù)據(jù)以TIFF的格式導(dǎo)出，CT值存儲為16 bit的數(shù)據(jù)，范圍為0～65 535．

2 試驗結(jié)果

2.1 XCT試驗結(jié)果

試樣的原始圖像如圖3(a)，以試塊2D平面切片的形式展現(xiàn)．由圖3(a)可以直接獲得鋼筋、銹蝕產(chǎn)物及銹蝕裂縫的位置關(guān)系．通過對試塊進(jìn)行不同角度的X射線投影，基于3D重構(gòu)算法可以得到試塊的3D立體圖像，如圖3(b)，試塊各組分的空間分布得以直觀展現(xiàn)．在重構(gòu)的3D模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像邊界識別，可以對鋼筋、銹蝕產(chǎn)物和水泥漿體進(jìn)行區(qū)分，單獨(dú)呈現(xiàn)特定的組分，得到裸筋圖像，如圖3(c)．通過圖3(c)可以直接獲得鋼筋表面的銹蝕形貌，并且可以對尺寸、橫截面積和體積等幾何參數(shù)進(jìn)行量化計算．文獻(xiàn)[18]證明了該方法可用于跟蹤鋼筋銹蝕過程，并精確量化分析鋼筋的銹蝕損失．

圖3 XCT檢測結(jié)果Fig.3 XCT testing results

2.2 鋼筋銹蝕過程

XCT相關(guān)處理圖像見圖4．從圖4可以清楚看到鋼筋表面銹蝕形貌的變化以及保護(hù)層銹蝕裂縫的發(fā)展過程，確定鋼筋起銹和保護(hù)層開裂的時間．可將整個銹蝕過程劃分為3個階段：起銹期、銹脹期和開裂期．

第1階段的通電時間為0～6 h．從圖4(a)可見，在0 h的時候鋼筋周圍沒有出現(xiàn)銹蝕產(chǎn)物，且圖4(b)中對應(yīng)圖像表明此時鋼筋表面是平整的．當(dāng)通電試驗進(jìn)行到6 h時，從圖4(a)可見，此時鋼筋保護(hù)層完整，沒有出現(xiàn)裂縫，但表面出現(xiàn)少量銹蝕產(chǎn)物．對應(yīng)圖4(b)中的裸筋圖像可以看出，此時鋼筋表面較為平整，沒有出現(xiàn)明顯銹蝕坑．因此，定義6 h為鋼筋起銹點(diǎn)．

第2階段的通電時間為6～18 h．第1階段過后，鋼筋開始銹蝕，從圖4(a)中對應(yīng)圖像可以看到，在18 h之前，隨著通電時間的增加，鋼筋表面銹蝕產(chǎn)物逐漸增多，但保護(hù)層沒有出現(xiàn)開裂．同時圖4(b)中對應(yīng)的圖像可以看出鋼筋表面逐漸失去平整．當(dāng)通電時間達(dá)到18 h，可以在圖4(a)中看到保護(hù)層出現(xiàn)細(xì)微裂縫，且圖4(b)中鋼筋表面出現(xiàn)明顯的銹蝕坑．因此，定義通電18 h為保護(hù)層開裂點(diǎn)．

第3階段的通電時間為18～120 h．在保護(hù)層出現(xiàn)細(xì)微裂縫后，隨著通電試驗的進(jìn)行，由圖4(a)可看到保護(hù)層裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，并且在試驗后期出現(xiàn)新裂縫．圖4(b)中鋼筋表面原有銹蝕坑變大變深，新的銹蝕坑也逐漸產(chǎn)生．當(dāng)通電試驗結(jié)束時，保護(hù)層存在多條裂縫，且裂縫大多已貫穿保護(hù)層到達(dá)試塊表面；鋼筋表面由于銹蝕完全失去平整．

圖4 試塊銹蝕形貌變化Fig.4 Change of sample corrosion morphology

2.3 鋼筋銹蝕質(zhì)量損失計算

本研究通過XCT測試和法拉第定律對鋼筋的銹蝕質(zhì)量損失進(jìn)行全過程量化.其中，基于XCT測試的鋼筋銹蝕質(zhì)量(mR)表達(dá)式為

mR=ρ×n×z

(2)

其中，ρ是鋼筋密度；n是體素數(shù)量；z是體素尺寸.兩種量化方式得到的計算結(jié)果如圖5．從圖5可以看出，在銹蝕過程前兩個階段，XCT測試得到的質(zhì)量損失值都小于法拉第定律推導(dǎo)的理論損失值．兩者之間的差距在第1階段隨時間不斷增大，在第2階段中期(通電12 h)，這一差距達(dá)到最大，之后逐漸減?。谶M(jìn)入第3階段后，通過兩種方法所得的結(jié)果較為相近，且法拉第定律的理論推導(dǎo)值更大．

在第3階段后期至通電結(jié)束時，雖然此時(通電120 h)通過兩種方法得到的結(jié)果差距較小，但是出現(xiàn)XCT測試所得銹蝕質(zhì)量損失值大于法拉第定律所得理論值的情況．

圖5 鋼筋銹蝕質(zhì)量損失變化Fig.5 Change of mass loss of steel corrosion

2.4 電流有效系數(shù)

由圖5可見，除了通電120 h測試的結(jié)果，其余測試點(diǎn)里鋼筋銹蝕質(zhì)量損失的XCT測試值都小于法拉第定律理論值，這說明通電過程中外加電流沒有全部用于鋼筋銹蝕，并非所有電子都參與了鐵的氧化反應(yīng)，存在部分電子參與了其余的化學(xué)反應(yīng)[19]．因此，本研究定義電流有效系數(shù)來衡量電流對于鋼筋加速銹蝕的有效性，基于電流利用率研究各通電階段的電流有效系數(shù)η， 計算公式為

η=ΔmR/ΔmF×100%

(3)

其中， ΔmR為基于XCT測試計算得到的每個階段的鋼筋銹蝕質(zhì)量損失(單位：g)； ΔmF為基于法拉第定律得到的每個階段的鋼筋銹蝕質(zhì)量損失(單位：g)．計算所得每個階段的電流有效系數(shù)如圖6．

圖6 各階段電流有效系數(shù)Fig.6 Current effective coefficient of each stage

從圖6可以看出，在不同通電時間內(nèi)，電流有效系數(shù)存在較大差異．在第1階段，法拉第有效系數(shù)不足2%，處于相當(dāng)?shù)偷乃剑@是因為在通電前期，鋼筋處于鈍化狀態(tài)，表面覆蓋一層鈍化膜．施加電流時，鋼筋表面發(fā)生脫鈍，對電流形成消耗[20]．同時，由于前期鋼筋表面存在鈍化膜，而且鋼筋周圍氯離子含量低，部分電流被電解水反應(yīng)所消耗，這在文獻(xiàn)[11, 21]中也有類似觀點(diǎn)，具體反應(yīng)方程式為

2H2O → 2H2+O2

(4)

在第2階段前期(通電12 h之前)，雖然隨著鋼筋去鈍化的進(jìn)行，電流開始用于加速銹蝕，但是這部分電流只占總電流的很小比例，導(dǎo)致此時的電流有效系數(shù)仍然只有3%左右．在后期(通電12 h之后)，電流有效系數(shù)出現(xiàn)明顯增大．在保護(hù)層開裂點(diǎn)(通電18 h)前后，電流有效系數(shù)的增幅達(dá)到90%．出現(xiàn)這一增幅的原因是鋼筋進(jìn)入脫鈍狀態(tài)，鋼筋銹蝕電位降低，被消耗在加速銹蝕的電流所占比例提高，鋼筋發(fā)生氧化，

陽極：Fe-2e-→ Fe2+

(5)

陰極：2H2O+2e-→ H2+2OH-

(6)

在第3階段，隨著通電時間的增長，電流有效系數(shù)在90%左右波動，保持在較高的水平．這是因為銹蝕產(chǎn)物在鋼筋表面處積累，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力使保護(hù)層發(fā)生了開裂，并使裂縫擴(kuò)展到保護(hù)層表面．貫穿保護(hù)層的裂縫為鋼筋銹蝕反應(yīng)生成的產(chǎn)物提供通道，產(chǎn)物可以通過裂縫到達(dá)試塊表面，從而促進(jìn)銹蝕反應(yīng)的進(jìn)行[19]，增大了電流有效系數(shù)的數(shù)值．在第3階段后期，電流有效系數(shù)達(dá)到102.82%，而有效系數(shù)的理論最大值為100%，說明在這個階段鋼筋的銹蝕質(zhì)量損失不全是通電加速所導(dǎo)致．原因在于經(jīng)過長時間的通電加速銹蝕，保護(hù)層裂縫數(shù)量增多，且裂縫寬度變大，空氣中的氧氣和水通過銹蝕裂縫與鋼筋表面接觸的面積變大，使鋼筋在發(fā)生加速銹蝕的同時發(fā)生自然銹蝕反應(yīng)[22]，

陽極：2Fe-4e-→ 2Fe2+

(7)

陰極：O2+2H2O+4e-→ 4OH-

(8)

雖然鋼筋在試驗過程中實際發(fā)生兩種銹蝕反應(yīng)，但是通過XCT測試結(jié)果計算鋼筋的銹蝕質(zhì)量損失時，無法將自然銹蝕生成的產(chǎn)物區(qū)分開，所以式(3)中基于XCT測試所得的鋼筋銹蝕質(zhì)量損失ΔmR包含了自然銹蝕的結(jié)果，導(dǎo)致電流有效系數(shù)的計算結(jié)果出現(xiàn)大于理論最大值的情況．

因此，對于鋼筋的通電加速銹蝕試驗，利用法拉第定律對銹蝕質(zhì)量損失進(jìn)行理論推導(dǎo)不適用于全過程．從圖5和圖6可以看出，在保護(hù)層開裂后XCT測試結(jié)果與法拉第定律理論推導(dǎo)結(jié)果較為符合．結(jié)合電流在試驗過程中的能量損失和鋼筋自然銹蝕的影響，本研究認(rèn)為這個時候外加電流基本消耗在鋼筋的加速銹蝕反應(yīng)上，通過法拉第定律對鋼筋銹蝕質(zhì)量損失的計算誤差較小．

3 結(jié) 論

基于XCT技術(shù)和法拉第定律對鋼筋通電加速銹蝕不同階段的銹蝕程度進(jìn)行研究，可知：

1)運(yùn)用XCT技術(shù)可以實現(xiàn)鋼筋銹蝕過程無損跟蹤，實現(xiàn)銹蝕形貌可視化表征，以及銹蝕參數(shù)的量化計算．

2)通過對銹蝕損失進(jìn)行量化計算，進(jìn)一步分析通電加速銹蝕過程中各個階段的電流有效系數(shù)發(fā)現(xiàn)，通過XCT測試得到的鋼筋銹蝕質(zhì)量損失與法拉第定律推導(dǎo)的理論值存在一定差別．

3)保護(hù)層開裂前后電流有效系數(shù)存在較大差別．保護(hù)層開裂前，電流主要被鋼筋脫鈍及電解水反應(yīng)所消耗；保護(hù)層開裂后，鋼筋自然銹蝕導(dǎo)致的銹蝕質(zhì)量損失是電流有效系數(shù)計算的主要誤差來源．在保護(hù)層開裂后，利用法拉第定律對鋼筋銹蝕質(zhì)量損失的理論推導(dǎo)較為準(zhǔn)確．