锈蚀作用下钢筋混凝土裂缝宽度电腐蚀试验研究

常 伟

（江苏省中成建设工程总公司，江苏 南京 210041)

0 引言

地下建筑结构通常埋置于地下，水气容易沿着混凝土浇筑过程中收缩引起的裂缝进入构件内部，引起构件内钢筋锈蚀，其锈蚀产物体积膨胀，进一步引起裂缝的发展，降低地下建筑结构的耐久性和承载性能。王立成等[1]总结了裂缝对混凝土水分迁移的影响效果，指出裂缝宽度对结构耐久性的影响。黎鹏平等[2]研究了海水对混凝土横向裂缝宽度发展形态的影响，并指出钢筋锈蚀率为关键控制因素。王海龙等[3]分析了锈胀裂缝宽度对钢筋-混凝土黏结性能的影响。

混凝土裂缝宽度的发展对地下建筑结构的耐久性有较为显著的影响，鉴于此，本文采用电腐蚀加速试验，得到不同钢筋锈蚀率情况下混凝土裂缝宽度，为地下工程耐久性评估提供参数依据。

1 试验内容

1.1 试件制作

试件尺寸为150mm×150mm×150mm，钢筋的长度为350mm，钢筋直径d 为16mm，钢筋-混凝土锚固段长度为5d。钢筋屈服强度为437MPa，弹性模量为2.3×105MPa，伸长率为24.64%。在浇筑砂浆前，先对钢筋进行除锈处理，清除钢筋表面锈斑。试件在标准养护室养护28 天后取出，在钢筋伸出较短的一端连接上导线，并进行焊接，最后用环氧树脂进行密封，准备进行电化学加速腐蚀试验。

将已经焊接完成的试件放在3.5%NaCl 溶液中浸泡3 天后取出，准备进行通电。试验电源采用双路可调直流稳压电源，每组4 个试件进行并联接线，同时将钢筋与电源正极相连，实验槽中的铜棒与电源负极相连进行通电。试件通电腐蚀试验布置如图1 所示。

图1 钢筋混凝土试件电腐蚀加速示意图

1.2 试件锈蚀

由于在通电腐蚀中无法直接观察到钢筋的腐蚀率变化情况，需根据法拉第定律推导出钢筋达到预定腐蚀率的通电时间。法拉第定律可用式（1）表示：

根据式（7）并结合预设的钢筋锈蚀率、钢筋直径和电流密度，得到所需钢筋的通电腐蚀时间。本实验中的钢筋直径为16mm，设定腐蚀电流密度为2500μA/cm2，则钢筋目标锈蚀率为2%、5%、8%、15%的预计通电时间分别为24.2h、60.5h、99.1h、188.6h。

钢筋锈蚀量按照《水运工程混凝土试验检测技术规程》[4-5]方法进行。具体操作如下：采用浓度为5%的稀盐酸溶液浸泡钢筋清楚钢筋表面的锈蚀物，再以氢氧化钠溶液中和用砂纸打磨，清水清洗，用毛巾擦干，最后采用精度为0.01g 的电子称取钢筋的初始质量。等待加载试验完成后，将钢筋从构件中取出，重复上述步骤称取钢筋锈蚀后的质量，前后两次质量差既为钢筋的锈蚀量Δm。钢筋锈蚀率按下式计算，最终得到如表2 的钢筋锈蚀率与通电时间关系。

表1 钢筋锈蚀率与通电时间关系

2 试验结果

钢筋试块表面在钢筋通电锈蚀初期（锈蚀率在0.5%以下）没有出现裂缝。随着通电时间的逐渐加大，钢筋的锈蚀率也逐渐增加：当锈蚀率增加到1%的时候，试块表面开始出现细微的裂纹。当锈蚀率增加到2%时，裂缝贯通了整个试块底面，形成沿着钢筋发展方向发展的锈胀裂缝。此时，随着通电时间的继续增加，裂缝宽度继续增大并且有大量黑色锈蚀产物从裂缝中渗出试块表面。锈蚀后试件裂缝发展情况和内部腐蚀情况如图2 所示。

图2 钢筋混凝土试件内部腐蚀情况

钢筋混凝土试块裂缝宽度随通电时间变化关系如图3 所示。可以看出在通电12h（目标锈蚀率1%）后，试件表面即出现贯通试件底部的裂缝，随后混凝土锈胀裂缝继续扩大，当通电至99h（目标锈蚀率8%）时，试件裂缝已扩展至2mm。

图3 裂缝宽度——通电时间变化关系

3 结束语

本文以钢筋锈蚀率与混凝土裂缝宽度的对应关系为出发点，开展了电化学腐蚀加速试验，结果表明，混凝土裂缝宽度随钢筋锈蚀率增加而增大，主要归因于电化学腐蚀引起锈蚀膨胀产物。由此，为后期评估地下工程耐久性时提供参考依据。