磁場作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕研究

李偉凡 楊建宇 蔣鵬霄

（1. 長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410000；2. 中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是世界上應(yīng)用最廣泛的工程結(jié)構(gòu)之一，被廣泛應(yīng)用于房屋、高壓變電站、高鐵軌道等重要工程領(lǐng)域，然而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役期間，其耐久性受到諸多因素的影響[1]。在此過程中，結(jié)構(gòu)遭受諸多物理、化學(xué)作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)劣化與破壞，進而造成結(jié)構(gòu)性能降低，提前達到使用壽命。鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化最主要的原因之一，嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全和使用[2]，鋼筋銹蝕引發(fā)的結(jié)構(gòu)耐久性問題日益突出。

隨著工程實踐的推進，磁場環(huán)境已經(jīng)融入我們的住行當(dāng)中，混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕問題與磁場作用的影響密切相關(guān)，特別是處于強磁場環(huán)境和強電場環(huán)境中尤為顯著，如地鐵隧道、磁懸浮、變電站等基礎(chǔ)設(shè)施。對其鋼筋的耐腐蝕性能產(chǎn)生一定的影響，這種新型的鋼筋銹蝕環(huán)境對于結(jié)構(gòu)建筑物的耐久性而言也會成為一種新的挑戰(zhàn)。

磁場對于金屬腐蝕的研究多種多樣，部分研究表明，磁場對鋼筋銹蝕有抑制作用。Chiba將鐵絲浸在3%NaCl溶液，發(fā)現(xiàn)磁化抑制了鐵絲的溶解[3]；Masato表明磁場可以抑制銅和鐵在硝酸溶液中腐蝕[4]。然而部分研究得出的結(jié)論完全相反，即磁場加速鋼筋銹蝕。周巍提出變化磁場作用下加速了鋼筋的銹蝕[5]；Kelly經(jīng)過試驗表明，磁場會增加硫酸鹽溶液中鈦的腐蝕速率[6]；有學(xué)者指出，當(dāng)外加永磁場時，在酸性氯化物溶液中處理過的鋼絲力學(xué)性能比未加磁場時下降速度更快，且點蝕在磁場中易發(fā)生在鋼絲表面處[7]；Costa認為，磁化后的試件比未磁化的試件腐蝕程度更嚴重[8]；此外，磁場還可以影響腐蝕產(chǎn)物的組成[9]；

國內(nèi)外眾多學(xué)者在磁場對金屬腐蝕方面研究居多，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的影響少有研究，基于以上背景，通過開路電位、極化曲線測量以及腐蝕形貌觀察等技術(shù)研究磁場對混凝土孔隙液中鋼筋腐蝕行為的影響，并分析了磁場對腐蝕影響的機理。以期為磁場環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕研究提供參考依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 腐蝕形貌實驗

腐蝕形貌實驗材料為HRB400鋼筋，其主要合金元素成分和含量如表1所示。使用切割機將鋼筋均勻分割成6根120mm長小段并編號B0/B30/B60/B90/B120/B150，試驗開始前參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]對鋼筋進行酸洗除銹，將鋼筋浸泡在12%鹽酸中，用鋼刷將鋼筋表面鐵銹清理干凈，再用澄清石灰水清洗綱筋去除表面殘留鹽酸，最后烘干備用。鋼筋導(dǎo)線連接在鋼筋一端20mm內(nèi)，外面用防水膠帶纏繞，膠帶外涂抹兩層環(huán)氧樹脂密封，使鋼筋外露工作長度為100mm?；炷聊M孔隙液使用飽和的溶液。待環(huán)氧樹脂完全固化后，將鋼筋分別單獨放置裝有混凝土模擬孔隙液的燒杯中，使鋼筋工作部分完全浸沒在溶液中，并分別施加0/30/60/90/120/150mT的磁場，磁場由Nd-Fe-B永磁體提供，進行預(yù)鈍化三天。預(yù)鈍化結(jié)束后，在混凝土模擬孔隙液中添加NaCl固體配置成含有3.5%氯離子的溶液用于通電加速鋼筋銹蝕。將試樣鋼筋作為電極陽極，不銹鋼作為電極陰極進行串聯(lián)連接，使用恒流電源施加10mA直流電進行7d通電加速，每組試件之間設(shè)置一塊鐵板隔絕剩余磁場避免對其他試件造成影響，鋼筋通電銹蝕試驗裝置如圖1所示。7d通電加速銹蝕后，觀察銹蝕產(chǎn)物形態(tài)和溶液顏色并記錄，取出鋼筋使用鋼刷將表面銹蝕產(chǎn)物洗刷去除，觀察其鋼筋表面銹蝕形貌并記錄。

圖1 鋼筋通電銹蝕試驗裝置

表1 鋼筋化學(xué)成分表（質(zhì)量分數(shù)%）

1.2 電化學(xué)測試

電化學(xué)測試在RST5000電化學(xué)工作站上進行，并采用三電極系統(tǒng)，將鋼筋加工成5mm高的圓柱形試樣后進行表面打磨拋光，并使用無水乙醇清洗，使用環(huán)氧樹脂密封部分表面積使其保留1工作面積。鋼筋試樣為工作電極，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），試驗介質(zhì)使用飽和的溶液作為混凝土模擬孔隙液。若無特別說明，文中所有電位均相對于SCE。電化學(xué)測試前，使用砂紙對工作電極進行逐級打磨。試驗溫度為室溫（約20℃）。試驗分別在0/30/60/90/120/150mT的磁場條件下進行，將試樣在-1.2V電位下陰極極化3min，用以去除電極表面在空氣中形成的氧化膜，然后靜置2h待其電位穩(wěn)定后測其開路電位，隨后進行動電位極化曲線測試。以1mV/s掃描速率測試動電位極化曲線，掃描范圍是相對于開路電位-0.5～1.5V，使用軟件Origin2021擬合極化曲線動力學(xué)參數(shù)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鋼筋銹蝕試驗分析

圖2為通電7d不同磁感應(yīng)強度下鋼筋銹蝕實驗圖。圖2（a）中鋼筋為B0鋼筋，圖2（f）中鋼筋為B150鋼筋，從圖2（a）～圖2（f）中鋼筋所受磁感應(yīng)強度大小依次從0mT增加至150mT。通過觀察溶液顏色和深淺變化發(fā)現(xiàn)，圖（a）中溶液呈深紅褐色，隨著磁感應(yīng)強度的增加，圖（d）中溶液顏色變?yōu)辄S褐色，當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至150mT時圖f中溶液變?yōu)闇\黃色，從圖（a）～圖（f）中溶液的變化可以看出，溶液顏色的深淺隨著磁感應(yīng)強度的增加而逐漸變淡，溶液由深紅褐色逐漸淡化為淺黃色；

圖2 通電7d不同磁場強度下鋼筋銹蝕實驗圖

觀察鋼筋銹蝕產(chǎn)物的分布發(fā)現(xiàn)，圖2（a）中鋼筋試樣產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物大量脫落于杯底，少量銹蝕產(chǎn)物吸附在鋼筋試樣表面，圖2（f）中鋼筋試樣產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物大量吸附在鋼筋表面，只有少量銹蝕產(chǎn)物脫落在杯底中。從圖2（a）～圖2（f）銹蝕產(chǎn)物在溶液中的分布可以得出，隨著磁感應(yīng)強度的升高脫落于杯底的銹蝕沉淀逐漸減少。

從圖2的實驗現(xiàn)象可以分析得出，隨著磁感應(yīng)強度的升高，溶液顏色變化由深紅褐色逐漸變?yōu)辄S褐色，最后淡化為淺黃色，這是因為鋼筋銹蝕產(chǎn)物主要由疏松多孔的紅銹（磁鐵礦）組成[11]，在鋼筋銹蝕產(chǎn)物中還會夾雜著部分未被氧化的Fe，并且具有順磁性、和Fe具有磁性，在磁場的作用下會受到磁場梯度力的作用。而鋼筋在Nd-Fe-B永磁體產(chǎn)生的磁場的作用下會被磁化，使得鋼筋帶有一定磁性，具有磁性的鋼筋能產(chǎn)生的一定磁場，和在鋼筋所產(chǎn)生的磁場中受到磁場梯度力的作用趨向于鋼筋的運動，磁場梯度力模型示意圖如圖3所示。鋼筋受到的磁感應(yīng)強度越大，其磁化程度越強，因此產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度變大，對于和產(chǎn)生的吸附作用增強，使得掉落于杯底的銹蝕產(chǎn)物沉淀和游離在溶液中的和減少，溶液顏色變淺。

圖3 磁場梯度力模型示意圖

圖4為清洗后的鋼筋試樣，從圖中可以觀察到，B0鋼筋試樣表面基本完全發(fā)生銹蝕，銹蝕面積占比大，只有少量面積未發(fā)生銹蝕，以均勻銹蝕為主；B30鋼筋試樣上半部分基本完全銹蝕，下半部分鋼筋部分發(fā)生銹蝕；B60鋼筋試樣上半段基本完全發(fā)生銹蝕，下半段鋼筋未發(fā)生銹蝕；B90至B150鋼筋試樣主要出現(xiàn)局部銹蝕，銹蝕面積逐漸減少。

圖4 清洗后鋼筋銹蝕形貌圖

通過觀察清洗后鋼筋銹蝕形貌圖發(fā)現(xiàn)，隨著磁場強度的增加，鋼筋銹蝕面積逐漸減小，銹蝕分布由均勻銹蝕逐漸變?yōu)榫植夸P蝕。這是因為鋼筋銹蝕的本質(zhì)是電化學(xué)過程，即鋼筋表面不同位置存在一定的電位差，在該電位差的驅(qū)動下鋼筋發(fā)生氧化還原反應(yīng)進行平衡電位差。

鋼筋作為電化學(xué)腐蝕反應(yīng)中的陽極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成亞鐵離子：

輔助電極作為電化學(xué)腐蝕反應(yīng)中的陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陽極失去的電子將在輔助電極上與其他物質(zhì)反應(yīng)生成OH-：

陽極反應(yīng)產(chǎn)生的Fe2+與水泥基材料中的一系列物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)從而生成鐵銹。由于外加電流的作用，鋼筋銹蝕速度遠大于自然銹蝕，銹蝕產(chǎn)物無法在短時間內(nèi)完全氧化，生成的銹蝕產(chǎn)物大量為黑色的Fe3O4：

在磁場的作用下，鋼筋表面吸附大量Fe3O4和Fe2O3，從而抑制鋼筋銹蝕反應(yīng)正向進行。通電加速鋼筋銹蝕產(chǎn)生的大量Fe3O4具有磁性，在磁場環(huán)境中更易會受到磁場梯度力的作用，使大量鐵銹緊密吸附于鋼筋表面，阻礙鋼筋與外界環(huán)境之間進行物質(zhì)轉(zhuǎn)移，從而減少了鋼筋表面的銹蝕面積。

2.2 電化學(xué)試驗分析

圖5為不同磁感應(yīng)強度下鋼筋的開路電位圖。從圖5（a）可以清晰的發(fā)現(xiàn)，磁場的施加會導(dǎo)致鋼筋的開路電位正移。隨著磁感應(yīng)強度的增加，開路電位不斷正移，從0mT磁感應(yīng)強度下的產(chǎn)生的-392mV逐步正移至150mT下產(chǎn)生的-356mV。從圖5（b）中可以發(fā)現(xiàn)，在施加30mT磁感應(yīng)強度時開路電位正移了4mT，隨著磁感應(yīng)強度的增加，開路電位增幅逐漸增大，到120mT時增幅減小。開路電位測試方法僅適用于定性確定腐蝕反應(yīng)的難度，開路電位越正，腐蝕反應(yīng)越難發(fā)生。不同磁感應(yīng)強度環(huán)境下在鋼筋混凝土中鋼筋的開路電位變化表明，磁場使得鋼筋的開路電位正移，腐蝕傾向越小。

圖6為鋼筋在飽和氫氧化鈣溶液中，不同磁感應(yīng)強度下測得的Tafel曲線，通過曲線測得鋼筋試樣的腐蝕電位、腐蝕電流密度如表2所示。在磁場作用下，從圖7（a）中可以看出，隨著磁感應(yīng)強度的增加，整體看來鋼筋的腐蝕電位升高，鋼筋初始受到磁場影響時腐蝕電位迅速上升，隨后磁感應(yīng)強度的增加，腐蝕電位上升平緩；從圖7（b）中可以發(fā)現(xiàn)，腐蝕電流密度隨著磁感應(yīng)強度的增加而逐漸減小。因為腐蝕電位反應(yīng)腐蝕難易程度，腐蝕電位正移說明腐蝕更難進行，腐蝕電流密度的減小能反應(yīng)腐蝕速率降低，這說明在模擬混凝土孔隙液中，磁場能夠抑制鋼筋的腐蝕傾向和降低其腐蝕速率。

圖6 不同磁感應(yīng)強度下鋼筋Tafel曲線

圖7 不同磁感應(yīng)強度下鋼筋的腐蝕電位圖（a）和腐蝕電流密度圖（b）

表2 不同磁感應(yīng)強度下鋼筋的腐蝕電位和腐蝕電流密度

根據(jù)本次電化學(xué)試驗發(fā)現(xiàn)，在模擬混凝土空隙液中，磁場在一定程度上能起到抑制鋼筋銹蝕的作用，其試驗結(jié)果與上述鋼筋銹蝕試驗結(jié)果一致。在模擬混凝土空隙液中，磁場對鋼筋銹蝕產(chǎn)生抑制作用的原理是，外部磁場環(huán)境將鋼筋磁化，使鋼筋帶有一定的磁性，鋼筋從而能產(chǎn)生磁場。鋼筋的銹蝕產(chǎn)物在磁場環(huán)境中會產(chǎn)生磁場梯度力，使其吸附在鋼筋表面，從而在一定程度上阻礙鋼筋與外界環(huán)境之間進行物質(zhì)交換，并且會抑制鋼筋銹蝕反應(yīng)正向進行，從而對鋼筋銹蝕起到抑制作用。

3 結(jié)語

（1）在模擬混凝土孔隙液中，不同磁感應(yīng)強度會影響鋼筋銹蝕溶液的顏色深淺和銹蝕產(chǎn)物的沉淀。磁感應(yīng)強度越強，溶液顏色深度越淺，隨著磁感應(yīng)強度的增加溶液由深紅褐色逐漸變淺為淡黃色，并且脫落于杯底的銹蝕產(chǎn)物逐漸減少；

（2）在模擬混凝土孔隙液中，磁場會使鋼筋開路電位正移，腐蝕電流密度減小和腐蝕電位增大；

（3）在模擬混凝土孔隙液中，磁場通過磁場梯度力將鋼筋銹蝕產(chǎn)物吸附于鋼筋表面，起到阻礙鋼筋與溶液進行物質(zhì)交換，并且抑制鋼筋銹蝕反應(yīng)正向進行，在一定程度上產(chǎn)生抑制鋼筋的銹蝕的作用。