不同保护层厚度新型海工混凝土的钢筋锈蚀行为研究

2021-08-30李森林刘金文余红发

江苏水利 2021年8期

李森林，刘金文，达波, 4, 5，余红发，陈达, 4，吴烨

(1.南京水利科学研究院，江苏南京 210029； 2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098； 3.南京航空航天大学土木与机场工程系，江苏南京 210016； 4.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京 210098； 5.南通河海大学海洋与近海工程研究院，江苏南通 226300)

随着对海洋战略环境愈发重视，海洋的开发探索日新月异，海洋工程项目规模也与日俱增[1-3]。但是，海洋环境中天然砂石和淡水资源短缺，为解决工程材料与工期问题，就地利用海砂与海水作为原材料[4]，制备新型海工混凝土(new marine concrete, NMC)，并将其广泛应用于海洋工程[5-6]。然而，海水和海砂中含有大量氯离子，造成NMC中钢筋加速锈蚀[7-9]，影响NMC结构的安全与耐久性能。因此，为提升钢筋NMC结构的耐久性，研究其在海水条件下钢筋的锈蚀行为，具有重要的工程意义与实用价值。

1991年，Ehbert[10]对太平洋比基尼环礁建筑结构进行了实地科考，认为大气暴露程度、保护层厚度和表面开裂是影响海工混凝土耐久性的主要因素。2009年，Wattanachai等[11]对海工混凝土氯离子侵蚀扩散问题进行了研究，认为海工混凝土由于所含氯盐使得它比普通混凝土更易锈蚀。2016年，达波等[7, 12-13]对我国南部海洋混凝土结构进行了实地科考，发现多风、高温、潮湿的海洋环境下混凝土极易发生锈蚀破坏，其表观氯离子扩散系数(Da)比普通骨料混凝土高1～8倍；2017年，窦雪梅等[14]对海工混凝土氯离子进行扩散实验，发现其Da与养护龄期、暴露时间和暴露环境密切相关。综上表明，目前国内外对海工混凝土的研究主要集中于耐久性调研及基本力学性能研究，而对其钢筋锈蚀行为的研究较少。

因此，本文通过采用线性极化电阻法(linear polarisation resistance, LPR)，测试了不同保护层厚度、暴露时间和钢筋类别NMC的线性极化曲线，计算了其自腐蚀电位(Ecorr)和极化电阻(Rp)，研究了不同保护层厚度和钢筋类别对NMC钢筋耐蚀行为影响，为NMC结构提供耐久性设计建议。

1 实验

1.1 原材料

水泥采用P·Ⅱ52.5型硅酸盐水泥。粗细骨料为产于我国南部海洋的珊瑚和珊瑚砂，详见表1。矿物掺合料为Ⅰ级粉煤灰和S95级磨细矿渣。外加剂为3%亚硝酸钙阻锈剂(CN)和PCA-I型高性能减水剂。模拟海水为3.5%的氯化钠溶液。钢筋为普通钢筋、改性环氧沥青涂层钢筋、316不锈钢筋，详见表2，其暴露长度为15 cm，保护层厚度分别为1.5 cm、2.5 cm、3.5 cm、4.5 cm、5.5 cm和7 cm。

表1 珊瑚骨料物理性能

表2 不同类别钢筋化学成分

1.2 配合比设计与试件制备

NMC的配合比和试件编号见表3和表4。首先，将水泥、粗细骨料、粉煤灰和矿渣进行干拌1 min，倒入混合液后继续搅拌。出料后，测定其坍落度，并浇注振捣成型，得到尺寸为150 mm×150 mm×300 mm混凝土试件(图1)，浇洒海水养护24 h之后，进行不同时间浸泡。

图1 NMC试件示意图 (单位：mm)

表3 NMC试件配合比

表4 NMC试件编号

1.3 测试方法

测试环境为饱和Ca(OH)2溶液，测试仪器为CHI600E型电化学工作站(图2)，测试方法为采用三电极体系(参比电极(RE)为饱和甘汞电极，辅助电极(AE)为不锈钢棒，工作电极(WE)为待测钢筋)，在-10～+10 mV开路电位内通过0.1667 mV/s速率进行线性极化测试，得到极化电阻(Rp)[15-16]：

图2 NMC工作示意图

(1)

式中：ΔE、ΔI分别为极化前后电位差值mV和电流差值(μA·cm-2)。

2 结果与讨论

2.1 不同保护层厚度

2.1.1 自腐蚀电位

图3为不同保护层厚度NMC线性极化曲线，其中，混凝土强度等级为C30，钢筋为改性环氧沥青涂层钢筋，钢筋直径为1 cm，添加3%亚硝酸钙(CN)。当暴露时间为28 d，保护层厚度为1.5、2.5、3.5、4.5、5.5和7 cm时，NMC的自腐蚀电位(Ecorr)分别为-0.580、-0.546、-0.535、-0.534、-0.496和-0.485 V。可见NMC的Ecorr随着保护层厚度的增加而逐渐增大，当保护层厚度从4.5 cm增至5.5 cm时，Ecorr增大7%，明显大于保护层厚度从1.5 cm增至2.5 cm、2.5 cm增至3.5 cm、3.5 cm增至4.5 cm的增长幅度，其他暴露时间也呈现同一规律(图4)。另外，依据《建筑结构检测设计技术标准》(GB/T50344-2019)，当保护层厚度小于4.5 cm时，其Ecorr均介于-350～-200 mV，可判断钢筋锈蚀概率为50%，可能发生锈蚀现象，当保护层厚度不小于5.5 cm时，其Ecorr> 200 mV，可判断钢筋锈蚀概率为5%，几乎没有锈蚀倾向。表明当保护层厚度为5.5 cm时，对于C30 NMC中改性环氧沥青涂层钢筋具有良好防锈效果。

图3 不同保护层厚度NMC线性极化曲线 (相对于参比电极，下同)

图4 不同暴露时间NMC自腐蚀电位

2.1.2 极化电阻

图5为不同保护层厚度NMC极化电阻(Rp)，其中，混凝土强度等级为C30，钢筋为改性环氧沥青涂层钢筋，钢筋直径为1 cm，添加3%亚硝酸钙。当暴露时间为28 d，保护层厚度为1.5、2.5、3.5、4.5、5.5和7 cm时，NMC的Rp分别为29、58、66、78、97和120 kΩ·cm2。可见NMC的Rp随着护层厚度的增加而逐渐增大，且Rp始终介于250 ～ 2.5 kΩ·cm2，有中等腐蚀速率，当保护层厚度从1.5 cm增至2.5 cm、2.5 cm增至3.5 cm、3.5 cm增至4.5 cm、4.5 cm增至5.5 cm、5.5增至7 cm，Rp增幅分别为100.0%、13.8%、18.2%、24.4%、23.7%，发现当保护层厚度从1.5 cm增至2.5 cm时，Rp增幅最大，从4.5 cm增至5.5 cm时，Rp增幅次之。而根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》可知，当保护层厚度为1.5 cm时，难以适应复杂海洋环境，可见保护层厚度为5.5 cm时，NMC具有较好的耐蚀性能。

图5 不同保护层厚度NMC极化电阻

2.2 不同钢筋类别

2.2.1 自腐蚀电位

图6为不同类别钢筋NMC线性极化曲线，其中混凝土强度等级为C50，保护层厚度为1.5 cm，钢筋直径为1 cm，阻锈剂为3%亚硝酸钙，暴露时间为180 d。由图可知，当保护层厚度为1.5 cm时，普通钢筋、改性环氧沥青涂层钢筋和316不锈钢筋的Ecorr分别为-0.465、-0.366和-0.083 V。可见随着保护层厚度的增加，Ecorr逐渐增大，表明钢筋耐蚀性能逐渐增强，其中普通钢筋Ecorr介于-500～-300 mV，锈蚀概率为95%，改性环氧沥青涂层钢筋Ecorr介于-350～-200 mV，钢筋发生锈蚀的概率为50%，可能存在抗蚀现象，316不锈钢筋Ecorr大于-200 mV，锈蚀概率为5%，几乎无锈蚀活动，表明改性环氧沥青与316不锈钢筋耐蚀性能明显好于普通钢筋，即暴露时间达到180 d之后，不同类别钢筋耐蚀性能规律为：316不锈钢筋 > 改性环氧沥青涂层钢筋 > 普通钢筋。此外，不同钢筋的的电流强度(自腐蚀电位对应的电流强度)规律为：316不锈钢筋 < 改性环氧沥青涂层钢筋 < 普通钢筋，表明316不锈钢筋的耐蚀性能最好，与腐蚀电位结果一致，原因是316不锈钢筋在侵蚀过程中，其内层Cr2O3、FeO、NiO形成致密的氧化膜，阻挡了外界有害物质的侵蚀，提高了其耐蚀性能[17-18]。

图6 不同类别钢筋NMC线性极化曲线

2.2.2 极化电阻

图7为不同类别钢筋NMC极化电阻(Rp)，其中混凝土强度等级为C50，钢筋直径为1 cm，添加3%亚硝酸钙，暴露时间为28 d。由图可知，相同保护层厚度不同类别钢筋Rp规律为改性环氧沥青涂层钢筋 > 316不锈钢筋 > 普通钢筋，对于不同保护层厚度的普通钢筋，其Rp始终介于250～25 kΩ·cm2，钢筋锈蚀速率中等，而当316不锈钢筋的保护层厚度达到5.5 cm，改性环氧沥青涂层钢筋的保护层厚度达到3.5 cm时，其Rp均大于250 kΩ·cm2，锈蚀速率较低。可见暴露时间较短时，NMC中不同类别钢筋的耐蚀性能规律为：改性环氧沥青涂层钢筋 > 316不锈钢筋 > 普通钢筋，原因是环氧沥青涂层不与酸碱等反应，耐腐蚀性好，并且与钢筋粘结性较好，能有效阻止内部钢筋与侵蚀介质渗透，隔绝内部钢筋与外界电流接触，起到电离子屏蔽作用，从而大大提高了其耐蚀性能[19-21]。

图7 不同类别钢筋NMC极化电阻

2.3 性价比分析

综上所述，在添加3%的亚硝酸钙环境下，随着保护层厚度的增加，NMC中钢筋耐蚀性能逐渐增强，且保护层厚度到达5.5 cm时，其耐蚀性能明显提升。此外，根据GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》，混凝土保护层厚度过大易使构件产生横向裂缝，降低其承载能力，影响建筑结构安全。综上分析表明当NMC的保护层厚度为5.5 cm具有较优防锈效果，且满足结构要求。

通过研究不同类别钢筋NMC的电化学行为，发现改性环氧沥青涂层钢筋具有良好的耐蚀性能，当暴露时间t≤ 28 d，改性环氧沥青涂层钢筋耐蚀性能优于316不锈钢筋，当t≥180 d，两者的耐蚀性能相反[22]。此外，研究[23]表明，相同混凝土强度条件下，316不锈钢筋/混凝土的黏结强度低于普通钢筋/混凝土的黏结强度，使得相同黏结强度下，所需不锈钢筋长度增加，增大工程成本。表5对改性环氧沥青涂层钢筋与316不锈钢筋NMC的性价比(Rp/成本)进行对比分析，其中，混凝土强度等级为C50，暴露时间为180 d，保护层厚度为1.5 cm，钢筋直径为1 cm，添加3%亚硝酸钙。由表可知，基于耐蚀性能和成本因素分析，建议在海洋NMC结构优先选用改性环氧沥青涂层钢筋，保护层厚度至少为5.5 cm，有利于提升NMC结构的耐蚀性能，延长其服役寿命。