不同保護(hù)層厚度新型海工混凝土的鋼筋銹蝕行為研究

李森林， 劉金文， 達(dá) 波, 4, 5， 余紅發(fā)， 陳 達(dá), 4， 吳 燁

(1.南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029； 2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 3.南京航空航天大學(xué) 土木與機(jī)場工程系， 江蘇 南京 210016； 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； 5.南通河海大學(xué)海洋與近海工程研究院， 江蘇 南通 226300)

隨著對海洋戰(zhàn)略環(huán)境愈發(fā)重視，海洋的開發(fā)探索日新月異，海洋工程項(xiàng)目規(guī)模也與日俱增[1-3]。但是，海洋環(huán)境中天然砂石和淡水資源短缺，為解決工程材料與工期問題，就地利用海砂與海水作為原材料[4]，制備新型海工混凝土(new marine concrete, NMC)，并將其廣泛應(yīng)用于海洋工程[5-6]。然而，海水和海砂中含有大量氯離子，造成NMC中鋼筋加速銹蝕[7-9]，影響NMC結(jié)構(gòu)的安全與耐久性能。因此，為提升鋼筋NMC結(jié)構(gòu)的耐久性，研究其在海水條件下鋼筋的銹蝕行為，具有重要的工程意義與實(shí)用價(jià)值。

1991年，Ehbert[10]對太平洋比基尼環(huán)礁建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)地科考，認(rèn)為大氣暴露程度、保護(hù)層厚度和表面開裂是影響海工混凝土耐久性的主要因素。2009年，Wattanachai等[11]對海工混凝土氯離子侵蝕擴(kuò)散問題進(jìn)行了研究，認(rèn)為海工混凝土由于所含氯鹽使得它比普通混凝土更易銹蝕。2016年，達(dá)波等[7, 12-13]對我國南部海洋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)地科考，發(fā)現(xiàn)多風(fēng)、高溫、潮濕的海洋環(huán)境下混凝土極易發(fā)生銹蝕破壞，其表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Da)比普通骨料混凝土高1～8倍；2017年，竇雪梅等[14]對海工混凝土氯離子進(jìn)行擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其Da與養(yǎng)護(hù)齡期、暴露時(shí)間和暴露環(huán)境密切相關(guān)。綜上表明，目前國內(nèi)外對海工混凝土的研究主要集中于耐久性調(diào)研及基本力學(xué)性能研究，而對其鋼筋銹蝕行為的研究較少。

因此，本文通過采用線性極化電阻法(linear polarisation resistance, LPR)，測試了不同保護(hù)層厚度、暴露時(shí)間和鋼筋類別NMC的線性極化曲線，計(jì)算了其自腐蝕電位(Ecorr)和極化電阻(Rp)，研究了不同保護(hù)層厚度和鋼筋類別對NMC鋼筋耐蝕行為影響，為NMC結(jié)構(gòu)提供耐久性設(shè)計(jì)建議。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用P·Ⅱ52.5型硅酸鹽水泥。粗細(xì)骨料為產(chǎn)于我國南部海洋的珊瑚和珊瑚砂，詳見表1。礦物摻合料為Ⅰ級粉煤灰和S95級磨細(xì)礦渣。外加劑為3%亞硝酸鈣阻銹劑(CN)和PCA-I型高性能減水劑。模擬海水為3.5%的氯化鈉溶液。鋼筋為普通鋼筋、改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋、316不銹鋼筋，詳見表2，其暴露長度為15 cm，保護(hù)層厚度分別為1.5 cm、2.5 cm、3.5 cm、4.5 cm、5.5 cm和7 cm。

表1 珊瑚骨料物理性能

表2 不同類別鋼筋化學(xué)成分

1.2 配合比設(shè)計(jì)與試件制備

NMC的配合比和試件編號見表3和表4。首先，將水泥、粗細(xì)骨料、粉煤灰和礦渣進(jìn)行干拌1 min，倒入混合液后繼續(xù)攪拌。出料后，測定其坍落度，并澆注振搗成型，得到尺寸為150 mm×150 mm×300 mm混凝土試件(圖1)，澆灑海水養(yǎng)護(hù)24 h之后，進(jìn)行不同時(shí)間浸泡。

圖1 NMC試件示意圖 (單位：mm)

表3 NMC試件配合比

表4 NMC試件編號

1.3 測試方法

測試環(huán)境為飽和Ca(OH)2溶液，測試儀器為CHI600E型電化學(xué)工作站(圖2)，測試方法為采用三電極體系(參比電極(RE)為飽和甘汞電極，輔助電極(AE)為不銹鋼棒，工作電極(WE)為待測鋼筋)，在-10～+10 mV開路電位內(nèi)通過0.1667 mV/s速率進(jìn)行線性極化測試，得到極化電阻(Rp)[15-16]：

圖2 NMC工作示意圖

(1)

式中：ΔE、ΔI分別為極化前后電位差值mV和電流差值(μA·cm-2)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同保護(hù)層厚度

2.1.1 自腐蝕電位

圖3為不同保護(hù)層厚度NMC線性極化曲線，其中，混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼筋為改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋，鋼筋直徑為1 cm，添加3%亞硝酸鈣(CN)。當(dāng)暴露時(shí)間為28 d，保護(hù)層厚度為1.5、2.5、3.5、4.5、5.5和7 cm時(shí)，NMC的自腐蝕電位(Ecorr)分別為-0.580、-0.546、-0.535、-0.534、-0.496和-0.485 V?？梢奛MC的Ecorr隨著保護(hù)層厚度的增加而逐漸增大，當(dāng)保護(hù)層厚度從4.5 cm增至5.5 cm時(shí)，Ecorr增大7%，明顯大于保護(hù)層厚度從1.5 cm增至2.5 cm、2.5 cm增至3.5 cm、3.5 cm增至4.5 cm的增長幅度，其他暴露時(shí)間也呈現(xiàn)同一規(guī)律(圖4)。另外，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50344-2019)，當(dāng)保護(hù)層厚度 小于4.5 cm時(shí)，其Ecorr均介于-350～-200 mV，可判斷鋼筋銹蝕概率為50%，可能發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，當(dāng)保護(hù)層厚度不小于5.5 cm時(shí)，其Ecorr> 200 mV，可判斷鋼筋銹蝕概率為5%，幾乎沒有銹蝕傾向。表明當(dāng)保護(hù)層厚度為5.5 cm時(shí)，對于C30 NMC中改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋具有良好防銹效果。

圖3 不同保護(hù)層厚度NMC線性極化曲線 (相對于參比電極，下同)

圖4 不同暴露時(shí)間NMC自腐蝕電位

2.1.2 極化電阻

圖5為不同保護(hù)層厚度NMC極化電阻(Rp)，其中，混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼筋為改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋，鋼筋直徑為1 cm，添加3%亞硝酸鈣。當(dāng)暴露時(shí)間為28 d，保護(hù)層厚度為1.5、2.5、3.5、4.5、5.5和7 cm時(shí)，NMC的Rp分別為29、58、66、78、97和120 kΩ·cm2?？梢奛MC的Rp隨著護(hù)層厚度的增加而逐漸增大，且Rp始終介于250 ～ 2.5 kΩ·cm2，有中等腐蝕速率，當(dāng)保護(hù)層厚度從1.5 cm增至2.5 cm、2.5 cm增至3.5 cm、3.5 cm增至4.5 cm、4.5 cm增至5.5 cm、5.5增至7 cm，Rp增幅分別為100.0%、13.8%、18.2%、24.4%、23.7%，發(fā)現(xiàn)當(dāng)保護(hù)層厚度從1.5 cm增至2.5 cm時(shí)，Rp增幅最大，從4.5 cm增至5.5 cm時(shí)，Rp增幅次之。而根據(jù)GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，當(dāng)保護(hù)層厚度為1.5 cm時(shí)，難以適應(yīng)復(fù)雜海洋環(huán)境，可見保護(hù)層厚度為5.5 cm時(shí)，NMC具有較好的耐蝕性能。

圖5 不同保護(hù)層厚度NMC極化電阻

2.2 不同鋼筋類別

2.2.1 自腐蝕電位

圖6為不同類別鋼筋NMC線性極化曲線，其中混凝土強(qiáng)度等級為C50，保護(hù)層厚度為1.5 cm，鋼筋直徑為1 cm，阻銹劑為3%亞硝酸鈣，暴露時(shí)間為180 d。由圖可知，當(dāng)保護(hù)層厚度為1.5 cm時(shí)，普通鋼筋、改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋和316不銹鋼筋的Ecorr分別為-0.465、-0.366和-0.083 V。可見隨著保護(hù)層厚度的增加，Ecorr逐漸增大，表明鋼筋耐蝕性能逐漸增強(qiáng)，其中普通鋼筋Ecorr介于-500～-300 mV，銹蝕概率為95%，改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋Ecorr介于-350～-200 mV，鋼筋發(fā)生銹蝕的概率為50%，可能存在抗蝕現(xiàn)象，316不銹鋼筋Ecorr大于-200 mV，銹蝕概率為5%，幾乎無銹蝕活動，表明改性環(huán)氧瀝青與316不銹鋼筋耐蝕性能明顯好于普通鋼筋，即暴露時(shí)間達(dá)到180 d之后，不同類別鋼筋耐蝕性能規(guī)律為：316不銹鋼筋 > 改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋 > 普通鋼筋。此外，不同鋼筋的的電流強(qiáng)度(自腐蝕電位對應(yīng)的電流強(qiáng)度)規(guī)律為：316不銹鋼筋 < 改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋 < 普通鋼筋，表明316不銹鋼筋的耐蝕性能最好，與腐蝕電位結(jié)果一致，原因是316不銹鋼筋在侵蝕過程中，其內(nèi)層Cr2O3、FeO、NiO形成致密的氧化膜，阻擋了外界有害物質(zhì)的侵蝕，提高了其耐蝕性能[17-18]。

圖6 不同類別鋼筋NMC線性極化曲線

2.2.2 極化電阻

圖7為不同類別鋼筋NMC極化電阻(Rp)，其中混凝土強(qiáng)度等級為C50，鋼筋直徑為1 cm，添加3%亞硝酸鈣，暴露時(shí)間為28 d。由圖可知，相同保護(hù)層厚度不同類別鋼筋Rp規(guī)律為改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋 > 316不銹鋼筋 > 普通鋼筋，對于不同保護(hù)層厚度的普通鋼筋，其Rp始終介于250～25 kΩ·cm2，鋼筋銹蝕速率中等，而當(dāng)316不銹鋼筋的保護(hù)層厚度達(dá)到5.5 cm，改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋的保護(hù)層厚度達(dá)到3.5 cm時(shí)，其Rp均大于250 kΩ·cm2，銹蝕速率較低?？梢姳┞稌r(shí)間較短時(shí)，NMC中不同類別鋼筋的耐蝕性能規(guī)律為：改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋 > 316不銹鋼筋 > 普通鋼筋，原因是環(huán)氧瀝青涂層不與酸堿等反應(yīng)，耐腐蝕性好，并且與鋼筋粘結(jié)性較好，能有效阻止內(nèi)部鋼筋與侵蝕介質(zhì)滲透，隔絕內(nèi)部鋼筋與外界電流接觸，起到電離子屏蔽作用，從而大大提高了其耐蝕性能[19-21]。

圖7 不同類別鋼筋NMC極化電阻

2.3 性價(jià)比分析

綜上所述，在添加3%的亞硝酸鈣環(huán)境下，隨著保護(hù)層厚度的增加，NMC中鋼筋耐蝕性能逐漸增強(qiáng)，且保護(hù)層厚度到達(dá)5.5 cm時(shí)，其耐蝕性能明顯提升。此外，根據(jù)GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，混凝土保護(hù)層厚度過大易使構(gòu)件產(chǎn)生橫向裂縫，降低其承載能力，影響建筑結(jié)構(gòu)安全。綜上分析表明當(dāng)NMC的保護(hù)層厚度為5.5 cm具有較優(yōu)防銹效果，且滿足結(jié)構(gòu)要求。

通過研究不同類別鋼筋NMC的電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋具有良好的耐蝕性能，當(dāng)暴露時(shí)間t≤ 28 d，改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋耐蝕性能優(yōu)于316不銹鋼筋，當(dāng)t≥180 d，兩者的耐蝕性能相反[22]。此外，研究[23]表明，相同混凝土強(qiáng)度條件下，316不銹鋼筋/混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度低于普通鋼筋/混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，使得相同黏結(jié)強(qiáng)度下，所需不銹鋼筋長度增加，增大工程成本。表5對改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋與316不銹鋼筋NMC的性價(jià)比(Rp/成本)進(jìn)行對比分析，其中，混凝土強(qiáng)度等級為C50，暴露時(shí)間為180 d，保護(hù)層厚度為1.5 cm，鋼筋直徑為1 cm，添加3%亞硝酸鈣。由表可知，基于耐蝕性能和成本因素分析，建議在海洋NMC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選用改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋，保護(hù)層厚度至少為5.5 cm，有利于提升NMC結(jié)構(gòu)的耐蝕性能，延長其服役壽命。

表5 改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋和316不銹鋼筋性價(jià)比

3 結(jié) 論

(1)新型海工混凝土(NMC)的自腐蝕電位(Ecorr)和極化電阻(Rp)均隨著保護(hù)層厚度的增加而逐漸增大，表明鋼筋的耐蝕性能不斷增強(qiáng)。當(dāng)保護(hù)層厚度為5.5 cm時(shí)，NMC具有較優(yōu)防銹效果，且滿足結(jié)構(gòu)要求。

(2)當(dāng)暴露時(shí)間小于180 d時(shí)，NMC中不同類別鋼筋的耐蝕規(guī)律為：改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋 > 316不銹鋼筋 > 普通鋼筋，表明暴露較短時(shí)間，改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋耐蝕性能優(yōu)于316不銹鋼筋。

(3)基于不同防銹措施耐蝕性能和成本因素分析，建議海洋NMC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選用改性環(huán)氧瀝青涂層鋼筋，保護(hù)層厚度至少為5.5 cm，有利于提升NMC結(jié)構(gòu)的耐蝕性能，延長其服役壽命。