氯鹽環(huán)境下鋼筋HRB400 的腐蝕行為與力學(xué)性能研究

鄭恒偉， 鐘 浪， 鄔昌麗， 劉金鴻， 施佳歡， 余俊鋒

(重慶科技學(xué)院， 重慶 401331)

0 前 言

鋼筋混凝土是現(xiàn)代社會最重要的建筑產(chǎn)物之一，是利用鋼筋的高抗拉強度特征與混凝土的高抗壓強度特征組成的復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代建筑中[1，2]。 近幾年，我國對海洋經(jīng)濟的發(fā)展愈發(fā)重視，然而氯化物對鋼筋混凝土的危害性極大，在海洋含有大量氯化物的情況下，鋼筋腐蝕而引發(fā)的橋梁、碼頭等大型建筑物耐久性不足的問題尤其突出，造成了巨大的經(jīng)濟損失，處于海洋中的鋼筋混凝土腐蝕破壞的危害性和采取防護措施的重要性引起重視。

在混凝土的養(yǎng)護過程中，水泥通過水化反應(yīng)生成以飽和氫氧化鈣為主的孔隙液。 而在堿性溶液的長期作用下，鋼筋表面能夠生成穩(wěn)定且具有保護性的鈍化膜[1-3]。 鈍化膜的存在能夠在一定程度上抑制鋼筋陽極溶解反應(yīng)的進行，從而減緩鋼筋受到其他外界因素的腐蝕，大大降低鋼筋的腐蝕速率。 然而隨著時間的推移，混凝土自身不斷劣化，在以氯離子為代表的侵蝕性離子的作用下，鋼筋的鈍化膜將遭到破壞并失去對鋼筋基體的有效保護，造成鋼筋快速腐蝕，從而致使鋼筋混凝土的使用壽命達不到設(shè)計要求。

雖然鋼筋混凝土中會發(fā)生一系列的反應(yīng)使得鋼筋受到不同程度的腐蝕，從而減短了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，但是由于混凝土的劣化歷程尤為漫長，并且混凝土本身又是一個復(fù)雜多變的活性體系，因此在研究鋼筋在不同環(huán)境下的腐蝕行為時，研究人員往往通過配制混凝土模擬液的方式來直接作用于鋼筋試樣[4-8]。 而模擬實驗便是將鋼筋置于混凝土模擬液中浸泡，使得其表面生成一層穩(wěn)定的鈍化膜，而后再就帶有鈍化膜的鋼筋進行后續(xù)研究[6-8]。

關(guān)于鋼筋混凝土腐蝕行為以及腐蝕后的耐久性問題，李敢等[9]利用電化學(xué)測試探究了氯離子對模擬混凝土孔隙液中鋼筋腐蝕行為的影響，Guo 等[10]，Ma等[11]研究了各種環(huán)境中鋼筋腐蝕疲勞擴展的機理，金南國等[12]采用自主通電加速鋼筋銹蝕試驗方法模擬了鋼筋實際非均勻銹蝕情況，陳嘉帥等[13]利用外加直流電法對鋼筋進行加速研究了銹蝕后的力學(xué)性能，張德堯等[14]研究了環(huán)境因素與荷載共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕對混凝土力學(xué)性能的影響。 相關(guān)的這些研究用不同的方法和環(huán)境等對鋼筋混凝土腐蝕行為及耐久性問題進行了探討，但研究方法與實際情況貼合較差，且對于鋼筋裸露與鑲?cè)牖炷? 種情況下腐蝕行為及腐蝕后力學(xué)性能的區(qū)別研究較少。 因此，本工作采用浸泡腐蝕法研究了鋼筋HRB400 在3.5%(質(zhì)量分數(shù))NaCl溶液中裸露和鑲?cè)牖炷? 種環(huán)境下腐蝕性能及腐蝕后的力學(xué)性能，通過對比分析兩者鋼筋銹蝕行為及銹蝕后的力學(xué)性能，希望能為工程安全使用提供借鑒。

1 試 驗

1.1 試件制備

試件采用高強度純鋼筋HRB400 以及鋼筋HRB400 和混凝土組成的鋼筋混凝土2 種試件，試液采用3.5%(質(zhì)量分數(shù)，下同)NaCl 溶液以及混凝土模擬液(飽和氫氧化鈣溶液中加入3.5%NaCl 溶液)。 所用的鋼筋HRB400 試樣的直徑為14 mm、長度為500 mm，是由同一廠家制備；鋼筋混凝土試樣首先以表1 中材料配合比進行攪拌，然后倒入直徑為112 mm、長度為560 mm 的半圓柱體膠管中，把處理過且稱好質(zhì)量的鋼筋橫截面一半鑲?cè)牖炷林?，最后對鋼筋混凝土進行28 d養(yǎng)護。 試件鋼筋HRB400 的密度為7 850 kg/m3，鋼筋混凝土試件密度為2 400 kg/m3。 混凝土組成材料的配合比以及試樣鋼筋HRB400 的主要化學(xué)元素含量如表1、表2 所示。

表2 鋼筋HRB400 主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %Table 2 Main chemical composition of rebar HRB400(mass fraction) %

1.2 試驗方法

采用浸泡腐蝕法進行3 組試驗研究3.5%NaCl 溶液對鋼筋HRB400 在不同條件下的腐蝕行為及力學(xué)性能的影響。 試驗1，鋼筋HRB400 在3.5%NaCl 溶液中浸泡試驗:以處理好的鋼筋HRB400 為試驗材料，使用電子秤稱重(精確至0.001 g)并記錄，然后浸泡在制作好的3.5%NaCl 溶液中，浸泡腐蝕時間為15，30，45 d。試驗2，鋼筋混凝土試樣在3.5%NaCl 溶液中的浸泡試驗:制作鋼筋混凝土之前使用電子秤稱取鋼筋質(zhì)量，再以制作好的鋼筋混凝土作為試驗材料，使用電子秤稱取鋼筋混凝土質(zhì)量并記錄，然后將鋼筋混凝土浸泡在制作好的3.5%NaCl 溶液中，浸泡腐蝕時間為15，30，45 d。 試驗3，將處理好的鋼筋HRB400 放入混凝土模擬液飽和氫氧化鈣溶液中(加入3.5%NaCl 溶液)進行浸泡，浸泡腐蝕時間為10，25，40 d。 3 組試驗的試樣經(jīng)各個時間段浸泡腐蝕后，為除去表面的腐蝕產(chǎn)物，取出先在5%(體積分數(shù))的稀鹽酸溶液中浸泡1 h(鋼筋混凝土試樣先去除混凝土再對鋼筋HRB400 進行除銹處理)，再經(jīng)清水沖洗及無水乙醇干燥后稱重并記錄，以計算腐蝕率、失重率，最后使用液壓式萬能試驗機對3組試樣進行拉伸試驗，測量3 組腐蝕試驗后鋼筋的力學(xué)性能，包括屈服強度、抗拉強度、伸長率。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼筋的腐蝕行為

2.1.1 失重率、腐蝕率

根據(jù)試驗測出的各個時間段的試樣質(zhì)量，計算出各組試驗試樣的失重率、平均腐蝕率，計算方法為[15，16]:

式中:η(n，t) 為浸泡腐蝕t小時后第n根試件的失重率，%；ν(n，t) 為浸泡腐蝕t小時后第n根試件的每小時的平均腐蝕速率；A(n，t) 為浸泡腐蝕t小時后第n根試件的表面積；D(n，t) 為浸泡腐蝕t小時后第n根試件的直徑；L(n，t) 為浸泡腐蝕t小時后第n根試件的長度；Δm(n，t) 為浸泡腐蝕t小時后第n根試件的質(zhì)量損失；m(n，t0) 為第n根試件的初始質(zhì)量；m(n，t)為浸泡腐蝕t小時后第n根試件的質(zhì)量。

利用公式(1)計算得到了3 組試驗試樣失重率曲線見圖1。 從圖1 可以看出，高強度鋼筋HRB400 在氯化鈉環(huán)境下失重率隨浸泡時間逐漸增加而增大，同時純鋼筋HRB400 在純氯化鈉溶液中腐蝕失重率最大。

圖1 鋼筋HRB400 的失重率-侵蝕時間曲線Fig.1 Weight loss rate VS erosion time of steel Bar HRB400

利用公式(2)，計算出鋼筋HRB400 在3 種試驗條件下的腐蝕速率數(shù)據(jù)見圖2。 由圖2 可知，鋼筋HRB400 在3 種條件下每小時平均腐蝕速率隨浸泡時間延長逐漸緩慢，同時可以看出在相同時間內(nèi)鋼筋HRB400 在純氯化鈉溶液中的腐蝕速率最快。

圖2 鋼筋HRB400 每小時的平均腐蝕率Fig.2 Hourly average corrosion rate of steel Bar HRB400

2.1.2 反應(yīng)機理分析

鋼筋HRB400 浸泡在純氯化鈉溶液中時，不與氯化鈉反應(yīng)，但是氯化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液會使鋼筋HRB400 發(fā)生吸氧腐蝕，進而加速鋼筋快速銹蝕，其電極反應(yīng)方程式如下:

鋼筋HRB400 在氯化鈉溶液中上部分反應(yīng)較快，在上部分會生成大量肉眼可見的棕紅色銹物(Fe2O3·nH2O)，反應(yīng)方程如下:

試驗2、3 都為鋼筋HRB400 提供堿性環(huán)境，試驗2中鋼筋混凝土?xí)l(fā)生水化反應(yīng)生成大量氫氧化鈣，其反應(yīng)方程式:

相對于在中性環(huán)境下，鋼筋HRB400 在堿性環(huán)境下會迅速鈍化成膜，阻止本身進一步銹蝕，腐蝕速率會變緩慢。

2.2 鋼筋的力學(xué)性能

2.2.1 屈服強度、抗拉強度

屈服強度是指鋼材在受到外力拉力作用下，隨著拉力的增大，鋼材進入屈服狀態(tài)開始喪失對變形的抵抗能力，并產(chǎn)生大量塑性變形而所對應(yīng)的上下波動應(yīng)力，上屈服強度是鋼材發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應(yīng)力，下屈服強度是在屈服期間，不計初始瞬時效應(yīng)時的最小應(yīng)力。 抗拉強度是指鋼材能夠承受最大拉力所對應(yīng)的應(yīng)力，它表示抵抗破壞能力。 考慮到實際工程中，鋼筋的上屈服強度值不夠準確且不夠穩(wěn)定，給工程安全帶來了很大隱患，所以本工作測試的鋼筋屈服強度是以工程實際中以鋼筋的下屈服強度為準，鋼筋HRB400 下屈服強度和抗拉強度與腐蝕時間的關(guān)系如圖3 和圖4 所示，隨氯化鈉侵蝕時間不斷延長，3種條件下鋼筋的屈服強度以及抗拉強度都不斷減小，其中鋼筋在純氯化鈉溶液中浸泡相比其他兩組試驗時下屈服強度、抗拉強度在浸泡相同時間內(nèi)的值是最大的。

圖3 鋼筋HRB400 的屈服強度與浸泡時間的關(guān)系Fig.3 Yield strength VS immersion time of steel Bar HRB400

圖4 鋼筋HRB400 的抗拉強度與浸泡時間的關(guān)系Fig.4 Tensile strength VS immersion time of steel Bar HRB400

2.2.2 伸長率

伸長率是鋼材受拉力作用斷裂時，伸長量與原有長度的百分比，它表示鋼材塑性變形能力。 鋼筋的伸長率與鋼筋含碳量相關(guān)，鋼筋的含碳量不同伸長率也會相應(yīng)不同。 分別測試了3 組腐蝕試驗后鋼筋的伸長率如圖5 所示。 其中鋼筋HRB400 浸泡在混凝土模擬液(飽和氫氧化鈣溶液中加入3.5%NaCl 溶液)中時，經(jīng)過腐蝕后測量其伸長率發(fā)現(xiàn)，其值并不是隨著浸泡時間增加而逐漸下降而是有升有降，相對于試驗3，另外2 種條件下鋼筋浸泡在純3.5%NaCl 溶液中時，不管純鋼筋還是含有混凝土的鋼筋的伸長率都是隨著浸泡時間的延長而逐漸降低的。

圖5 鋼筋HRB400 的伸長率與浸泡時間的關(guān)系Fig.5 HRB400 elongation VS immersion time

2.2.3 力學(xué)性能結(jié)果分析

鋼筋浸泡在純氯化鈉溶液中發(fā)生全面均勻銹蝕，對鋼筋本身結(jié)構(gòu)影響不大，因此試驗1 中鋼筋HRB400屈服強度、抗拉強度比另外2 組試驗后鋼筋的相應(yīng)強度要大。 鋼筋混凝土并不是完全密實的，鋼筋在混凝土提供的堿性環(huán)境下，表面上會形成一層致密的鈍化膜，阻止鋼筋進一步的腐蝕。 由于混凝土并不是完全密實的，所以空氣中的二氧化碳以及氯化鈉溶液環(huán)境中的氯離子都會侵入到混凝土中，繼而混凝土中會發(fā)生一系列的反應(yīng)，其中碳化反應(yīng)會減弱鋼筋周圍堿性環(huán)境[Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O]。 鋼筋混凝土中發(fā)生的碳化反應(yīng)會使鋼筋周圍堿性環(huán)境逐步減弱，又因氯離子侵入到鋼筋表面的鈍化膜上時，能夠?qū)⑩g化膜上的氧原子排擠掉，然后和鈍化膜中的陽離子結(jié)合成可溶性氯化物破壞鋼筋上的鈍化膜。 二氧化碳的侵入會減弱鋼筋所在的堿性環(huán)境，氯離子的侵入會局部破壞鈍化膜使得鋼筋表面上發(fā)生局部腐蝕，鋼筋表面長時間的局部腐蝕會形成腐蝕坑，導(dǎo)致鋼筋結(jié)構(gòu)受到很大影響。 在對鋼筋進行拉伸試驗時鋼筋表面上的腐蝕坑處會形成應(yīng)力集中，使得鋼筋的屈服強度、抗拉強度、伸長率較小。

3 結(jié) 論

(1)在3.5%NaCl 溶液中不管鋼筋HRB400 裸露或鑲?cè)牖炷林羞€是在飽和氫氧化鈣溶液中，隨浸泡腐蝕時間延長，其失重率逐漸增大，平均每小時腐蝕速率逐漸緩慢，且鋼筋HRB400 裸露情況下在3.5%NaCl 溶液中失重率最大，平均每小時腐蝕速率最快。

(2)在3.5%NaCl 溶液中不管鋼筋HRB400 裸露或鑲?cè)牖炷林羞€是在飽和氫氧化鈣溶液中，隨浸泡腐蝕時間延長，其屈服強度、抗拉強度逐漸降低，且鋼筋HRB400 裸露情況下在3.5%NaCl 溶液中屈服強度、抗拉強度最大。

(3)鋼筋HRB400 裸露或鑲?cè)牖炷林? 種情況下在3.5%NaCl 溶液中腐蝕，其伸長率會隨著浸泡腐蝕時間延長而逐漸降低，且在3.5%NaCl 溶液中鋼筋HRB400 在裸露情況下伸長率比鑲?cè)牖炷林新源蟆?/p>

(4)鋼筋HRB400 浸泡在飽和氫氧化鈣(加入3.5%NaCl 溶液)中時，隨浸泡腐蝕時間增加，其伸長率不是單一降低趨勢，而是隨浸泡時間逐漸延長呈現(xiàn)有升有降趨勢。