盐雾-烘干循环作用下钢筋混凝土腐蚀特性研究*

2020-06-07乔宏霞尚明刚温少勇

功能材料 2020年5期

乔宏霞，张璐，冯琼，尚明刚，温少勇

(1. 兰州理工大学土木工程学院，兰州 730050；2. 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，兰州 730050)

0 引言

鉴于此，本试验采用不同混凝土配合比的钢筋混凝土试样置于实验室模拟的西部盐渍土大气腐蚀环境中，通过定期检测来研究钢筋混凝土腐蚀劣化进程及矿物掺和料(粉煤灰、矿粉、粉煤灰-矿粉)对其的影响。实验通过测取不同腐蚀阶段试样的极化曲线及超声波声速来表征钢筋和混凝土保护层的劣化过程，并对腐蚀后的混凝土进行微观分析。本实验对我国西部盐渍土地区钢筋混凝土结构使用寿命和耐久性研究具有重要意义。

1 试验

1.1 试验原材料

甘肃某公司P·O42.5级水泥，Ⅱ级粉煤灰及S95级矿粉，其中矿粉28d活性指数大于95%，各胶凝材料的化学成分见表1。细骨料采用集配良好的河砂，细度模数为2.9；粗骨料采用甘肃永靖王家圈砂石料场粒径范围为5～25 mm的连续集配碎石；江苏某公司高效减水剂；酒泉钢铁有限责任公司HRB 335级钢筋，直径10 mm。试验试样设计强度等级为C50，共4组不同混凝土配合比，见表2，各配合比制作6个试块。

表1 胶凝材料的化学成分(质量分数/%)

表2 混凝土试样配合比 (kg/m3)

1.2 实验方案

实验预先对钢筋表面进行去油污和打磨并用蒸馏水清洗干净保证表面干燥光滑无杂质。按照表2配合比拌合混凝土，测试其工作性能得各组坍落度值均在50～70 mm范围之内，且保水性与粘聚性良好。随后将混凝土浆体装入100 mm×100 mm×100 mm试模，钢筋垂直固定在试模正中位置，保持钢筋底部距离模具底部25 mm，振捣成型，钢筋混凝土示意图如图1所示。为避免裸露部分钢筋发生腐蚀，将其在放入养护室之前用环氧树脂涂刷至完全包裹。将钢筋混凝土试件标准养护24h后拆模，然后继续养护至28d，测得其力学性能见表2。

图1 钢筋混凝土试件示意图(mm)Fig 1 Schematic diagram of reinforced concrete specimen (mm)

钢筋混凝土养护28d之后开始盐雾-烘干循环试验，具体方案如下：根据测定格尔木地区盐渍土中易溶盐类含量(见表3)设定盐雾箱中的复合溶液浓度为2.29 mol/L NaCl+0.16 mol/L Na2SO4，将试块在盐雾箱中间歇喷雾16 h，再置于恒温(60 ℃)干燥箱干燥8 h，即1 d为一次循环。每20次循环测量试样极化曲线及超声波声速，至某一试样表面出现宽度大于0.2 mm的裂缝时终止试验(为方便表述，本文以d表示腐蚀循环单位)，最后对混凝土进行SEM微观分析。

表3 格尔木盐渍土易溶盐离子含量

1.3 试验基本原理及参数设计

1.3.1 线性极化曲线的测定

Stern[15]等提出极化曲线在自腐蚀电位处的斜率可推算出腐蚀钢筋的极化电阻Rp，再根据Stern-Gerry方程式即可求得腐蚀电流密度icorr，Stern-Gerry方程式如(1)式。李荻[16]提出极化曲线上任意点的斜率称为该电流密度下的极化度，具有电阻的量纲，表示该电流密度下复式钢筋极化程度的变化趋势。曹楚南[17]亦提出仅钢筋自腐蚀电位并不能准确代表钢筋腐蚀速率的变化，对于活化区钢筋可根据腐蚀电流密度来表征钢筋腐蚀速率变化

(1)

式中：ΔE为极化电位，mV；I为外测极化电流密度，μA/cm2；ba为阳极Tafel斜率；bc为阴极Tafel斜率；icorr为腐蚀电流密度，μA/cm2；B为Stern-Gerry常数，mV。

本实验使用德国Zahner E电化学工作站，三电极测试系统，以钢筋作为工作电极，薄钢片作为辅助电极，饱和KCl甘汞电极作为参比电极，线性极化扫描范围为外测电位±0.2 V，扫描速率0.334mV/s，Stern-Gerry值(B值)为10 mV。将试件放入电解池中注水至试样2/3高处，然后测试试块极化曲线。试验装置如图2。

图2 三电极测试系统Fig 2 Three-electrode test system

根据上述极化曲线拟合求得腐蚀电流密度icorr，结合《建筑结构检测技术标准》(GB/T50344—2014)中腐蚀电流密度与钢筋腐蚀状态的关系对钢筋腐蚀做出评判，见表4。

表4 腐蚀电流密度与钢筋腐蚀状态的对应关系

1.3.2 相对动弹性模量的测定

混凝土劣化程度评定在国内外有多种测试方法，其中超声波测试声速法作为无损检测而被广泛使用，其检测原理为：超声波穿透混凝土介质、裂纹及松散区时声速不同[18-22]。本实验采用超声波测定仪测定每20次循环后混凝土声速。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GBT50082—2009)关于抗冻性的规定中，将超声声速根据公式(2)转化为相对动弹性模量，混凝土弹性模量损伤60%即为失效

(2)

式中：Erd为相对动弹性模量；Ed0为腐蚀前钢筋混凝土结构弹性模量；Edt为腐蚀t龄期时弹性模量；vt为腐蚀t龄期时超声波声速；v0为腐蚀前超声波声速；T0为混凝土腐蚀前超声波声时；Tt为混凝土腐蚀t龄期超声波声时。

由公式(2)可看出试样未受侵蚀前相对动弹性模量均等于1(Erd=1)，Erd>1表明试样孔结构得到改善，当Erd<1时，其值越小表明混凝土腐蚀程度越强、孔隙增多，强度降低；当Erd<0.6时，认为钢筋混凝土结构已破坏。

2 试验结果与讨论

2.1 线性极化曲线结果与分析

2.1.1 P组钢筋混凝土腐蚀演变规律

图3 P钢筋极化曲线Fig 3 Polarization curve of reinforcing steel in P group

图4 P组钢筋平均腐蚀电流密度Fig 4 Average corrosion current density of steel in P group

2.1.2 PF组钢筋混凝土腐蚀演变规律

图5 PF钢筋极化曲线Fig 5 Polarization curve of reinforcing steel in PF group

图6 PF组钢筋平均腐蚀电流密度Fig 6 Average corrosion current density of steel in PF group

2.1.3 PS组钢筋混凝土腐蚀演变规律

由图7、图8可看出PS组试样自腐蚀电位在0～80 d有较大变化，说明钢筋钝化膜已局部破坏，活化部分钢筋与混凝土孔隙液构成腐蚀电池，在两相界面上发生电子转移并生成新的物质。40～80 d阶段钢筋自腐蚀电位正向移动，腐蚀电流密度减小，原因是钢筋表面生成的锈层减小活性区钢筋与孔隙液的接触面，致使两相间电子转移速度减慢，钢筋锈蚀速率减缓。80～100 d钢筋自腐蚀电位负向移动，腐蚀电流密度增大且在该阶段中极化度逐渐减小，其极化阻抗逐渐减小，原因是孔隙液中大量Cl-积累穿透锈层到达钢筋基体或激发新的钢筋活化区，再次加速氧化钢筋。结合表4可以看出PS组试样在20d时腐蚀电流密度为0.5745 uA·cm-2，钢筋处于中等腐蚀状态；40 d时处于高腐蚀状态；40～80 d后腐蚀电流密度介于0.5～1 uA·cm-2之间，钢筋处于中等腐蚀状态；100 d后腐蚀电流密度为1.0700 uA·cm-2>1 uA·cm-2，钢筋处于高腐蚀状态。

图7 PS钢筋极化曲线Fig 7 Polarization curve of reinforcing steel in PS group

图8 PS组钢筋平均腐蚀电流密度Fig 8 Average corrosion current density of steel in PS group

2.1.4 PFS组钢筋混凝土腐蚀演变规律

图9 PFS组钢筋极化曲线Fig 9 Polarization curve of reinforcing steel in PFS group

图10 PFS组钢筋平均腐蚀电流密度Fig 10 Average corrosion current density of steel in PFS group

综上所述，P、PF、PS和PFS组试样在腐蚀循环中腐蚀电流密度整体呈上升趋势，证明钢筋混凝土随腐蚀循环次数的增加劣化逐渐严重，但各组试样腐蚀速率不同，证明不同种类的矿物掺和料对钢筋混凝土耐复合盐侵蚀性均有一定影响，各组试样腐蚀程度大小顺序为：PF

2.2 相对动弹性模量结果与分析

图11 P组、PS组、PF组及PFS组试件相对动弹性模量Erd变化趋势Fig 11 Trend of relative dynamic elastic modulus Erdof specimens in group P, PS, PF and PFS

2.3 混凝土微观分析

取各试件的核心混凝土部分进行SEM电镜扫描。图12(a)为P组混凝土SEM，其腐蚀产物呈较为疏松的片状且孔洞较多，该片状腐蚀产物应为单硫型水化硫铝酸钙。图12(b)为PF组混凝土SEM，具有结构紧密的片层状腐蚀产物且在孔隙中存在少量针状晶体，其成分可能是钙矾石。图12(c)为PS组混凝土SEM，腐蚀产物呈块、层状，其成分应为CaSO4·2H2O和单硫型水化硫铝酸钙，证明已产生较重腐蚀。图12(d)为PFS组混凝土SEM，可看出存在粉煤灰反应所造成的蚀坑，且含有较为疏松的片层状腐蚀产物。分析各组SEM认为PS组混凝土腐蚀情况较重，PFS组和P组混凝土次之，PF组混凝土腐蚀情况最轻，随着混凝土受腐蚀程度的加重，其SEM逐渐向块状发展。SEM图中各组混凝土腐蚀程度与相对动弹性模量相符。