氯离子对混凝土钢筋腐蚀行为的影响

2016-10-27童水明

黑龙江交通科技 2016年9期

关键词：氯离子电化学形貌

李敢，童水明，喻强，刘东

（1.湖北省黄黄高速公路管理处，湖北武汉 430074；2.武汉工程大学，湖北武汉 430073）

氯离子对混凝土钢筋腐蚀行为的影响

李敢1，童水明1，喻强1，刘东2

（1.湖北省黄黄高速公路管理处，湖北武汉 430074；2.武汉工程大学，湖北武汉 430073）

探究了氯离子对模拟混凝土孔隙液中钢筋腐蚀行为的影响。结果表明：无氯离子存在时，钢筋腐蚀速率都很小。氯离子的引入加大了钢筋的腐蚀速率，溶液pH越高，金属抗氯离子破坏能力越强；低pH时，金属表面腐蚀形貌以局部腐蚀为主。

混凝土；钢筋腐蚀；极化曲线；电化学阻抗谱

0 前言

众所周知，钢筋混凝土在建筑结构材料和工程领域应用广泛，对现代国民经济建设的作用举足轻重。导致混凝土结构破坏的原因主要是钢筋的锈蚀，钢筋混凝土结构的过早失效，给当今世界各国造成了严重的损失。

氯盐是造成钢筋锈蚀的主要因素之一，对混凝土构成严重威胁。氯离子的引入主要通过以下两种方式：一类是在混凝土搅拌时使用了含氯盐的原材料，另一类是从外部渗入。如沿海的盐雾以及内陆的盐碱地、高浓度的盐湖；在进行道路除冰时，大量融雪剂的使用等。钢筋混凝土构筑物中不可避免的含有氯离子，势必造成钢筋的腐蚀，从而破坏混凝土的稳定性，因此探究钢筋在含Cl-环境中的腐蚀行为具有重要的理论和工程意义。

本文采用极化曲线和电化学阻抗谱技术以及微观分析方法，探究了不同pH条件下，Cl-对模拟混凝土孔隙液中钢筋的腐蚀行为。

1 实验

实验材料为Q345B碳钢，实验前将钢试样四周用环氧树脂密封，只留下0.5 cm2表面作为工作区。每次电化学测试前，电极表面依次用800#、1 200#、1 500#的SiC砂纸磨平，丙酮除油，蒸馏水冲洗，吹干，备用。用饱和Ca（OH）2溶液来模拟混凝土孔隙溶液，其pH为12.5，通过NaHCO3和NaOH来调节pH。

采用三电极体系进行电化学测试，饱和甘汞和铂电极分别做为参比电极和辅助电极，Q345B碳钢为工作电极。采用动电位慢扫描方式进行极化曲线测试，速率为10 mV/min，电位区间为相对开路电位-15 mv～1.0 V。电化学阻抗测试（EIS）测试频率为105～10-2Hz，扰动电压振幅为5 mv。用工业显微镜观察腐蚀形貌。

2 结果与讨论

2.1体系无Cl-

图1为Q345B钢在模拟孔隙液中不同pH条件下的电化学阻抗谱，其阻抗越大，表示腐蚀过程越不易发生。由图1（a）可知，pH为12.5时，当浸泡时间超过6 h后，阻抗弧已经变得非常大，表明Q345B钢腐蚀速率非常小。这是由于电极表面形成了致密的保护膜，阻止了腐蚀的发生。调节溶液pH值为13.6，模拟钢筋在更高碱性孔隙液中的腐蚀行为，如图1（b）所示。由图可知，当浸泡时间超过6 h后，电极表面也形成致密的钝化膜。相比于pH12.5，此时钢筋腐蚀速率更小。表明维持高碱性环境，更加有利于钢筋防护。然而，很多情况下钢筋混凝土会发生碳化而使溶液pH下降。图1（c）为Q345B钢在模拟碳化孔隙液为pH9.6时的电化学阻抗谱。由图1（b）可知，6 h后，Q345B钢表面还是会形成一定数量含铁氧化膜，减缓金属的腐蚀。

图1　Q345B钢在模拟孔隙液中的电化学阻抗谱

2.2体系加入Cl-

通过采用点蚀击穿曲线，探究不同pH条件下Cl-对模拟混凝土孔隙液中钢筋的腐蚀行为，其结果见图2。如果电极的击穿电位越正，表明电极抗Cl-破坏能力越强。由图2（a）可知，当溶液pH为12.6，Cl-浓度为0.06M时，体系倾向于发生钝化膜破裂。结果同时表明Cl-浓度在0.05M以下，钢筋混凝土是安全的。当体系pH值增加到13.6，由图2（b）可知，使钝化膜容易破裂的Cl-浓度会增加到1.0M，表明在高碱性条件下的形成的钝化膜具有更加致密的结构，有更好的保护性能，破坏已形成的钝化保护膜需要更多的Cl-数量。而由图2（c）可知，当溶液体系发生碳化后，如pH值降为9.6，即使少量的Cl-，浓度为0.005M时，电极依然容易发生膜破裂，实验结束后，电极表面有点蚀坑。以上结果表明，溶液pH越高，抗Cl-腐蚀能力越强。

图2 Q345B钢在含Cl-模拟孔隙液中的点蚀击穿曲线图

图3为Q345B钢在含Cl-模拟孔隙液中浸泡24 h的形貌图。由图3（a）可知，在pH12.5+ 0.06MCl-的条件下，电极表面出现腐蚀产物堆积，还可以观察到明显的腐蚀坑。由图3（b）可知，在pH13.6+1.0MCl-的条件下，电极表面并没有出现点蚀坑，结合极化曲线结果，表明此时腐蚀为均匀腐蚀。由图3（c）可知，在pH9.6+0.05MCl-的条件下，电极腐蚀以丝状腐蚀为主，即使存在低浓度的Cl-，点蚀依旧容易发生。

图3　Q345B钢在含Cl-模拟孔隙液中浸泡24 h的形貌图

2.3机理讨论

在实际应用中，处在强碱性环境下的钢筋表面会生成一层致密的钝化膜，该钝化膜主要是由具有尖晶石结构的Fe3O4-γFe2O3铁氧化物的固溶体膜构成。此类膜对钢筋有极强的保护作用，这就使得在通常情况下混凝土中钢筋处于保护状态、免受腐蚀的侵扰。

钢筋钝化膜在混凝土高碱性的孔隙液中形成，在低Cl-浓度条件下，钢筋依旧可以保持钝化。由于Cl-比O2和OH-更易于吸附并进入钝化膜，当钢筋基体表面Cl-达到并超过临界氯离子含量时，处于自由状态的Cl-便会与Fe离子形成可溶性络合物。当pH值下降时，钝化膜则处于活跃状态并且变得不稳定，氯离子可以穿透混凝土结构并且吸附在钝化膜表面，使得钝化膜处pH急剧减小，逐步酸化，最终导致钝化膜逐渐被破坏。在阳极生成的可溶性的铁氯化物并扩散到溶液本体中，而FeCl2和FeCl3又重新离解为铁离子和氯离子。造成混凝土钢筋内部出现大阴极、小阳极的电位差，从而使得阳极反应得以顺利的进行乃至加速进行，铁离子则被转移到了本体溶液中，从而导致混凝土中钢筋发生腐蚀。