加速混凝土构件中钢筋锈蚀的研究

陈艳华，张鹏飞，冷玲倻

(1.河北省地震研究中心，河北唐山 0630009;2.河北联合大学 建筑工程学院，河北唐山 063009)

0 引言

锈蚀钢筋混凝土结构的力学性能这一课题颇受广大学者的关注。但是由于自然条件下钢筋锈蚀是一个缓慢的过程，要想进行这一课题的研究，则需要从工程中拆除旧试件进行试验，这样进行研究有很多的不便之处，因此研究混凝土中钢筋快速锈蚀的试验方法是很有必要的。目前，电化学锈蚀是快速大批量制取锈蚀钢筋混凝土试件的有效方法。进行电化学锈蚀试验时，能否较精确的控制电化学锈蚀的量与过程是关键，同时不同电化学锈蚀方法的适用性也是值得探讨。

1 混凝土中钢筋锈蚀的机理

把钢筋混凝土试件浸泡在电解液里，外加一个直流电源。直流电源的正极与待锈蚀的钢筋连接，充当腐蚀电解池的阳极;电源的负极与铜板相连，使其充当腐蚀电解池的阴极。由于混凝土是一种碱性环境，所以混凝土中钢筋的锈蚀一般都属于吸氧腐蚀。通电情况下，在电解液中水被电离为氢离子和氢氧根离子，H+向阴极移动，OH－向阳极移动;同时阳极的钢筋失去电子发生氧化反应，阴极的物质得到电子发生还原反应，最终形成稳定电流，使整个电路形成闭合回路。铁锈的形成过程为:二价铁离子和氢氧根离子在传输过程相遇结合成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁与水中的氧相遇生成氢氧化铁。随着时间的推移，氢氧化铁会进一步变化，生成铁锈，在钢筋表面形成更为疏松的锈蚀层。

2 试验

2.1 材料及试件的制作

本实验从混凝土中钢筋锈蚀的机理出发，目的是研究影响钢筋锈蚀速率的因素和控制过程。试验采用的试件为钢筋混凝土柱，混凝土的标号为C30，钢筋直径为12 mm，Z5和Z6的混凝土的保护层厚度为15 mm，Z7和Z8的混凝土的保护层厚度为20 mm配筋率为0.57%，电解液采用氯化钠溶液，浓度3% ～5%。

2.2 电路连接及电流密度控制

根据钢筋电化学腐蚀原理和前人的实验，结果表明钢筋在混凝土中加速锈蚀时钢筋串联与并联的效果相同，因此本实验采用并联连接电路，电路图如图1所示。电流密度控制详见表1。

表1 电流和时间控制

图1 加速锈蚀电路

3 影响钢筋锈蚀速率的因素和控制过程

3.1 确定钢筋理论锈蚀量的计算公式

根据法拉第定律，假定在时间t内，恒定的通过大小为I的电流，则金属阳极溶解的质量ΔW计算公式为:

式中:ΔW——金属锈蚀重量;

A——金属的相对原子质量，铁的相对原子质量为56;

F——法拉第常数，F=96484(C/mol);

n——金属的价数，铁的价数为2;

I——电流强度，A;

t——时间，s。

考虑钢筋锈蚀速率的时变性，则钢筋锈蚀的电流及密度不是一恒定值，而是随时间变化的函数。在温湿度等其他条件不变的情况下，设钢筋锈蚀电流随时间的关系为I(t)，锈蚀电流密度随时间的变化关系为I(t)，从锈蚀开始时间点0→t时刻，钢筋的锈蚀量ΔW［1］计算公式为:

其中:As——钢筋锈蚀面积，式中时间单位为秒(s)而实际应用中一般时间单位采用天(d)，所以:

3.2 影响钢筋锈蚀速率的因素

3.2.1 电流密度

根据钢筋锈蚀量的计算公式，可知锈蚀量一定的情况下，电流的大小与锈蚀时间成反比，即电流密度越大，锈蚀速率越大。通过已有试验数据和本实验结果可知，在同等条件下进行电化学锈蚀试验，电流密度大小对锈蚀率和锈蚀裂缝并无显著影响，但相同锈蚀率下电流密度越大，锈蚀速率越快，裂缝出现的越早。

表2 理论锈蚀量与实际锈蚀量

3.2.2 混凝土保护层

钢筋电解成二价铁离子后，再最终变成铁锈的过程中，必须有氯离子、氢氧根离子和氧气参与，这些离子和氧气到达钢筋处的必经之路就是混凝土保护层，保护层厚度越小，则氧气和水的渗透路径就越短，钢筋周围的氧气含量就越高，锈蚀产物的生成速率快，因此保护层质量的高低直接影响钢筋的锈蚀速率［4］。为了验证混凝土保护层对锈蚀速率的影响，下面用一个简单的试验经行说明。

试验采用300 mm×300 mm×300 mm的立方体试块，在四角沿竖向放置四根直径为12 mm的二级钢筋，保护层分别为15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，简单电路如图2所示。电压为12 V，通电96 h。试验现象如图3所示。

测量结果和计算结果如图4所示。试验现象及结果研究表明:在同等条件下，增大混凝土保护层厚度能有效延缓混凝土中钢筋的锈蚀，混凝土保护厚度越大钢筋锈蚀速率越慢。

3.2.3 电解液浓度、裂缝的影响

浸泡混凝土的电解液多数是氯化钠溶液，浓度在3%～5%之间。通电之前通常情况下是先把试件在氯化钠溶液浸泡24小时，这样可以使钢筋表面很强的钝化膜快速破坏，减少电量的损失。在溶液浓度较小，氯离子含量小时，混凝土中的钢筋不会锈蚀，当氯离子的溶度达到1.19%时，钢筋开始锈蚀，随着浓度的增大，钢筋锈蚀的越快。

目前，对于混凝土开裂对锈蚀速率的影响有两种观点:一是混凝土开裂对锈蚀速率没有影响;二是认为混凝土开裂后增加了腐蚀介质、水分和氧气的渗入，加快了锈蚀的发展。K.R.Gowers［5］的试验结果表明，当裂缝宽度小于0.4～0.5 mm时，钢筋锈蚀量与裂缝宽度没有明显关系。但目前对裂缝处钢筋锈蚀的研究成果主要是一些定性的结论，定量的计算模型还很少，还要进一步作深入的研究。

3.3 钢筋锈蚀速率的控制过程

混凝土中钢筋锈蚀是一个复杂的物理化学变化过程，对于钢筋锈蚀速率的控制类型可分为三种:阴极控制、阳极控制和电阻控制。这三种控制类型的控制程度可用钢筋阳极锈蚀电流计算公式［6］来分析:

式中:I——钢筋阳极锈蚀电流;

E0，——阴极、阳极初始电位;

Pa，Pc——阴极、阳极极化阻力;

Rcon——锈蚀电池系统欧姆电阻。

由上式可知:当阴极极化阻力起作用时，为阴极控制;当阳极极化阻力起作用时，为阳极控制;当系统欧姆电阻起作用时为电阻控制。阴极和阳极控制主要取决于阴阳极极化阻力、反应物质扩散速度和电解液浓度决定的。在电压恒定情况下，可以通过增大阴极处铜板的表面积来减小极化阻力。本试验所用电解液的浓度一般为3%～5%。

本实验采用锈蚀电池系统欧姆电阻控制进行试验，试验电路中电流计的示数与计算结果基本吻合，如表3所示。通过调节滑变可以控制电路中的电流大小，从而达到控制锈蚀速率的效果。

表3 欧姆控制时的电流值

4 混凝土钢筋锈蚀开裂

4.1 试件锈蚀开裂的判定

当混凝土试件表面沿纵筋出现第一条黑线时，则认为混凝土保护层刚刚出现锈蚀裂缝，此时的锈蚀量即为开裂锈蚀量。

4.2 钢筋混凝土锈蚀开裂时锈蚀率的计算公式

根据已有的文献可知，影响混凝土保护层开裂锈蚀量的参数有混凝土立方体抗压强度标准值fcuk、钢筋直径R以及(R+c)/c三个参数，潘振华根据实验数据，用指数指数关系经过线形回归分析，得出了开裂锈蚀率的模型［7］:

式中:ηcr——钢筋锈蚀截面损失率，%;

c——混凝土的保护层厚度，mm;

R ——钢筋直径，mm;

fcu——混凝土立方体抗压强度标准值，MPa;

k1——钢筋种类修正系数，对螺纹钢筋，取k1=1.23;

k2——钢筋位置修正系数。对变种位置，取k2=1.33。

本实验出现第一条裂缝的时间是96小时后，经计算，此时的理论锈蚀率为2%，与用此公式计算的结果基本吻合。

4.3 加速锈胀开裂的方法

采用全浸法进行锈蚀试验时，电解液中氧气含量少，如何使铁离子留在混凝土中与氢氧根和氧反应生成铁锈，现在尚无很好的办法。在处理此问题时，本实验采用向水中通氧气的方法，发现通氧气的试件周围，生成的铁锈较少，而在未通氧气的试件周围则有大量的黑绿色锈蚀物;在同样的条件下，通氧的试件裂缝增长迅速。因此向电解液中通氧气加速锈胀的方法可行。

5 锈蚀钢筋混凝土构件的适用性

目前电化学加速混凝土中钢筋锈蚀的方法主要分两类:恒定电流法和人工气候法。恒定电流法虽然能够达到锈蚀钢筋的目的，但是此方法的工作机理和混凝土在自然条件下锈蚀的有较大的差异，因此只能用作构件力学性能的定性分析。而人工气候法与自然条件下锈蚀的工作机理相似，是以后定量分析的试验方法。

6 小结

在同等条件下进行电化学锈蚀试验，电流密度大小对锈蚀率和锈蚀裂缝并无显著影响，但相同锈蚀率下电流密度越大，锈蚀速率越快，裂缝出现的越早。混凝土保护层对锈蚀速率的影响显著，混凝土保护层越厚，锈蚀的速率越慢。电解液浓度越高，试件的裂缝越大，锈蚀速率越快。

钢筋锈蚀速率的控制有三种方法:阴极控制，阳极控制，电阻控制。若采用阴极和阳极控制时，可以通过增大阴极的接触面积来减小极化阻力。这两种方法弊端是电流不稳定。因此推荐采用电阻控制的试验方法，电阻控制法精度高，电流稳定。

加速锈胀可以采用向电解液中通氧气的方法。

目前，制取大量锈蚀试件采用的方法是恒定电流法，虽然此方法能达到锈蚀的目的，但适用性有待于进一步的研究。

［1］耿欧.混凝土构件中钢筋锈蚀速率预计模型研究［D］.徐州:中国矿业大学，2008，38-39.

［2］孙晓东，陶顶天，仲志鸿.一种新的混凝土中钢筋加速锈蚀的方法［J］.山西建筑，2007，33(13):38-39.

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［5］K.R.Gowers，S.G.Millard.Measurement of Concrete Resistivity for Assessment of Corrosion Sevierity of Steel Using Wenner Technique［J］.ACI Materials Journal，1999(9):60-61.

［6］魏宝明.金属腐蚀理论及应用［M］.北京，机械工业出版社，1997.

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