C60全珊瑚海水混凝土的鋼筋銹蝕行為研究

李森林，余紅發(fā)，達(dá) 波，麻海燕，吳 燁，吳彰鈺，郭建博

(1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029; 2. 南京航空航天大學(xué) 土木與機(jī)場(chǎng)工程系，江蘇 南京 210016; 3. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098; 4. 河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

在遠(yuǎn)離大陸的熱帶島礁上，采用當(dāng)?shù)刎S富的珊瑚礁砂和海水資源，制備全珊瑚海水混凝土(coral aggregate seawater concrete，簡(jiǎn)稱CASC)，具有重要的科學(xué)和工程價(jià)值[1-2]。然而，CASC中富含氯離子，以及高溫高鹽的熱帶島礁環(huán)境易使其內(nèi)部鋼筋銹蝕[3-5]，從而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的服役壽命和工程安全。因此，對(duì)高強(qiáng)CASC的鋼筋銹蝕行為進(jìn)行深入研究非常必要。

Vines[6]對(duì)南太平洋薩摩亞群島的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，CASC結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，耐久性較差。余紅發(fā)等[7-8]對(duì)西沙和南沙某島礁的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)熱帶島礁環(huán)境對(duì)低強(qiáng)度(C15～C25)的CASC結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的腐蝕破壞作用；探明了島礁珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響因素，表明風(fēng)向是影響珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)表面氯離子含量的主要因素。糜人杰等[9]和吳彰鈺[10]對(duì)CASC的基本力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并建立其不同力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)與立方體抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系；創(chuàng)新性地采用新型海工水泥(堿式硫酸鎂水泥)和劍麻纖維，解決CASC的脆性問(wèn)題。達(dá)波等[1， 11-13]對(duì)CASC的腐蝕劣化行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)在熱帶島礁環(huán)境下，CASC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比普通混凝土高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，CASC的初始氯離子含量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))C0高達(dá)0.11%～0.21%，遠(yuǎn)高于普通鋼筋發(fā)生脫鈍的臨界氯離子含量(約為0.05%)。綜述表明，目前島礁CASC結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕問(wèn)題亟待解決。

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕其實(shí)質(zhì)為電化學(xué)腐蝕[14-17]。采用線性極化電阻法，測(cè)試了C60 CASC的線性極化曲線、自腐蝕電位(Ecorr)和極化電阻(Rp)，研究了不同暴露時(shí)間、鋼筋種類CASC的鋼筋腐蝕行為，得出了CASC中鋼筋銹蝕劣化規(guī)律，提出了提升島礁CASC結(jié)構(gòu)耐久性的建議措施。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

粗、細(xì)骨料為南海某島礁的珊瑚、珊瑚砂，其中，珊瑚砂屬于中砂、I區(qū)級(jí)配，珊瑚為5～20 mm的連續(xù)級(jí)配，其物理性能見(jiàn)表1；膠凝材料為P·Ⅱ52.5型硅酸鹽水泥、S95級(jí)磨細(xì)礦渣和I級(jí)粉煤灰；外加劑為亞硝酸鈣阻銹劑和PCA-I型高性能減水劑；模擬海水為質(zhì)量百分比3.5%NaCl溶液。基于富漿混凝土理論和高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)原理，制備強(qiáng)度等級(jí)為C60的CASC，配合比為水泥∶礦渣∶粉煤灰∶珊瑚砂∶珊瑚∶海水∶減水劑=620∶120∶60∶860∶369∶224∶16。鋼筋為普通鋼筋(A)、有機(jī)新涂層鋼筋(B)和316不銹鋼筋(C)。成型尺寸為150 mm × 150 mm × 300 mm鋼筋混凝土小型構(gòu)件(圖1)，24 h后拆模，將其置于溫度為(20±3) ℃的室內(nèi)環(huán)境，澆灑模擬海水養(yǎng)護(hù)28 d之后，將構(gòu)件暴露于已配制好的模擬海水中。構(gòu)件編號(hào)見(jiàn)表2。

表1 珊瑚骨料的物理性能Tab. 1 Physical properties of coral aggregate

表2 全珊瑚海水混凝土構(gòu)件編號(hào)Tab. 2 Member number of coral aggregate seawater concrete

圖1 全珊瑚海水混凝土構(gòu)件示意Fig. 1 Schematic diagram of coral aggregate seawater concrete

1.2 測(cè)試與分析方法

基于線性極化電阻法，采用CHI600E型電化學(xué)工作站，探究不同暴露時(shí)間(0、28、90、180 d)、不同種類鋼筋(普通鋼筋、有機(jī)新涂層鋼筋、316不銹鋼筋)對(duì)CASC鋼筋銹蝕行為的影響。測(cè)試指標(biāo)為Ecorr和Rp，掃描范圍和速率分別為Ecorr±10 mV、0.166 7 mV/s。根據(jù)前期研究[5， 11]及現(xiàn)行GB/T 50344-2019《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，得出其判定標(biāo)準(zhǔn)(表3)，其中，Icorr為腐蝕電流密度，Vcorr為腐蝕速率。Rp表示為：

表3 線性極化電阻法測(cè)定的鋼筋銹蝕速率特征值Tab. 3 Reinforced corrosion rate determined by linear polarisation resistance method

Rp=(ΔE/ΔI)ΔE→0

(1)

式中：ΔE為極化前后電位差值，mV；ΔI為極化前后電流差值，μA/cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同暴露時(shí)間

2.1.1 自腐蝕電位

圖2為不同暴露時(shí)間CASC的線性極化曲線，其中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，鋼筋種類為普通鋼筋，鋼筋直徑為1.8 cm，保護(hù)層厚度為1.5 cm。圖3為不同暴露時(shí)間下CASC的Ecorr,其中CASC-1-φ1.8表示混凝土試塊CASC-1,鋼筋直徑為1.8 cm。由圖2可知，暴露時(shí)間為0、28、90和180 d時(shí)，CASC的Ecorr分別為-0.166、-0.190、-0.306和-0.407 V，表明隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，普通鋼筋的Ecorr逐漸降低，加速了鋼筋的腐蝕，與圖3的規(guī)律一致。這是由于隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼筋周圍的氯離子含量逐漸增大，鋼筋鈍化膜遭到破壞，使得Ecorr降低。根據(jù)GB/T 50344-2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中線性極化電阻法測(cè)定的鋼筋銹蝕速率特征值(表3)，對(duì)于鋼筋直徑為0.6 cm，保護(hù)層厚度為1.5 cm，即使暴露時(shí)間為0 d，普通鋼筋的Ecorr為-0.204 V，小于-0.20 V，表明此時(shí)鋼筋已經(jīng)發(fā)生銹蝕。這主要是由于：CASC的初始氯離子含量高達(dá)0.11%～0.21%[1]，已遠(yuǎn)高于普通鋼筋發(fā)生脫鈍的臨界氯離子含量(約為0.05%)，表明普通鋼筋在不附加任何防腐措施的條件下不適用于CASC結(jié)構(gòu)。

圖2 不同暴露時(shí)間CASC的線性極化曲線Fig. 2 Linear polarization curves of CASC with different exposure time

圖3 不同暴露時(shí)間CASC的EcorrFig. 3 Ecorr of CASC with different exposure time

2.1.2 極化電阻

圖4為不同暴露時(shí)間CASC的Rp，其中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，鋼筋種類為普通鋼筋，保護(hù)層厚度為1.5 cm。由圖4可知，隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，CASC的Rp均逐漸降低，且下降速率逐漸變小。這是由于隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，CASC中的氯離子含量逐漸增大，加速了鋼筋去鈍化程度。然而，此時(shí)銹蝕產(chǎn)物填堵了鋼筋周圍混凝土孔隙，使得氧氣、水的含量急劇降低，抑制了陰極反應(yīng)。加之，銹蝕產(chǎn)生的亞鐵離子不能及時(shí)搬運(yùn)走而集聚于陽(yáng)極附近，抑制了陽(yáng)極反應(yīng)。

圖4 不同暴露時(shí)間CASC的RpFig. 4 Rp of CASC with different exposure time

2.2 不同種類鋼筋

2.2.1 自腐蝕電位

圖5為不同種類鋼筋CASC的線性極化曲線，其中，混凝土強(qiáng)度為C60，鋼筋直徑為1 cm，保護(hù)層厚度為1.5 cm，摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%亞硝酸鈣阻銹劑，暴露時(shí)間為180 d。圖中，C60A表示混凝土強(qiáng)度為C60,鋼筋種類為A。由圖5可知：普通鋼筋的Ecorr為-0.465 V，介于-0.50～-0.35 V，此時(shí)鋼筋銹蝕概率為95%；有機(jī)新涂層鋼筋的Ecorr為-0.337 V，介于-0.35～-0.20 V，此時(shí)鋼筋銹蝕概率為50%，存在坑蝕風(fēng)險(xiǎn)；316不銹鋼筋的Ecorr為-0.154 V，大于-0.20 V，此時(shí)鋼筋未銹蝕。圖6為不同種類鋼筋CASC的Ecorr。由圖6可知，不同種類鋼筋的Ecorr均隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，暴露時(shí)間為180 d時(shí)，普通鋼筋、有機(jī)新涂層鋼筋、316不銹鋼筋的Ecorr相對(duì)于暴露0 d時(shí)分別降低了216%、105%和49%，即普通鋼筋的下降速率明顯大于有機(jī)新涂層鋼筋和316不銹鋼。表明在島礁環(huán)境下，不同種類鋼筋的耐腐蝕性能，316不銹鋼筋優(yōu)于有機(jī)新涂層鋼筋，優(yōu)于普通鋼筋，與不同種類鋼筋珊瑚混凝土構(gòu)件1 a的觀測(cè)結(jié)果一致。

圖5 不同種類鋼筋CASC的線性極化曲線Fig. 5 Linear polarization curves of CASC with different types of reinforcement

圖6 不同種類鋼筋CASC的EcorrFig. 6 Ecorr of CASC with different types of reinforcement

2.2.2 極化電阻

圖7為不同種類鋼筋CASC的Rp，其中，混凝土強(qiáng)度為C60，摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%亞硝酸鈣阻銹劑，保護(hù)層厚度為1.5 cm，鋼筋直徑為1 cm。由圖可知：1) 不同種類鋼筋的Rp均隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而呈下降的趨勢(shì)；2) 當(dāng)暴露時(shí)間為90 d時(shí)，有機(jī)新涂層鋼筋、316不銹鋼的Rp分別為普通鋼筋的1.66、1.97倍。當(dāng)暴露時(shí)間為180 d時(shí)，有機(jī)新涂層鋼筋、316不銹鋼的Rp分別為普通鋼筋的2.14、2.82倍。鋼筋Rp越小，表明其耐蝕性能越弱，即普通鋼筋的耐蝕性能明顯劣于有機(jī)新涂層鋼筋和316不銹鋼筋。主要原因是：316不銹鋼筋中富含Cr元素，并在其表面生成一種致密的鈍化膜(Cr2O3)，阻礙鋼筋發(fā)生銹蝕[18]；有機(jī)新涂層鋼筋的保護(hù)涂層具有較好的穩(wěn)定性和抗?jié)B透性，不與酸/堿反應(yīng)，能夠阻隔水、氧氣、氯離子等“有害”離子/分子的傳輸，從而有效延緩鋼筋銹蝕，保護(hù)其內(nèi)部鋼筋[19]。

圖7 不同種類鋼筋CASC的RpFig. 7 Rp of CASC with different types of reinforcement

2.3 性價(jià)比分析

綜上分析表明，暴露時(shí)間為180 d的CASC中不同種類鋼筋的耐蝕性能為：316不銹鋼筋優(yōu)于有機(jī)新涂層鋼筋，優(yōu)于普通鋼筋。然而，不銹鋼筋[20]具有可焊性差，與碳素鋼筋作用時(shí)易產(chǎn)生電偶腐蝕，與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度偏低等缺點(diǎn)，且不銹鋼筋價(jià)格昂貴。表4為CASC中不同種類鋼筋的性價(jià)比(Vcorr與成本的比值)。其中，暴露時(shí)間為180 d，摻加3%亞硝酸鈣阻銹劑，保護(hù)層厚度為1.5 cm，鋼筋直徑為1 cm。由表可知，有機(jī)新涂層鋼筋的性價(jià)比明顯高于316不銹鋼筋。因此，綜合分析阻銹效果、成本因素，建議島礁CASC工程中優(yōu)先采用有機(jī)新涂層鋼筋。

表4 CASC中不同種類鋼筋的性價(jià)比Tab. 4 Cost effectiveness for different types of reinforcement in CASC

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)不同暴露時(shí)間、鋼筋種類全珊瑚海水混凝土(CASC)的電化學(xué)行為分析，得到如下結(jié)論：

1) CASC的自腐蝕電位Ecorr和極化電阻Rp均隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，表明鋼筋的耐蝕性能逐漸減弱。

2) 不同種類鋼筋CASC的耐蝕性能為：316不銹鋼筋優(yōu)于有機(jī)新涂層鋼筋，優(yōu)于普通鋼筋。即使暴露0 d，CASC中普通鋼筋仍會(huì)發(fā)生銹蝕，表明普通鋼筋在不附加任何防腐措施的條件下不適用于島礁CASC結(jié)構(gòu)。

3) 綜合分析阻銹效果和成本因素，有機(jī)新涂層鋼筋的性價(jià)比明顯高于316不銹鋼筋。建議島礁CASC工程中優(yōu)先采用有機(jī)新涂層鋼筋，有利于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的有效服役壽命。