弯曲钢筋腐蚀行为的电化学特性试验研究

2022-07-21杨志祥尚静媛刘晓铮

天津城建大学学报 2022年3期

杨志祥，雅菁，尚静媛，刘晓铮

（1.天津城建大学，天津 300384；2.天津津贝尔建筑工程试验检测技术有限公司，天津 300170）

钢筋混凝土由于其使用方便、价格低廉及高强耐久性被广泛用于各类工程设施中. 对于地铁工程而言，其主体结构往往处于地下水丰富的地层中，而在像天津这种临海城市，地下水含有丰富的氯盐等侵蚀性介质[1-3].在地铁运行过程中还普遍存在着杂散电流腐蚀的现象，这都是引起混凝土内钢筋锈蚀的主要原因，人们已对此进行了大量研究[4-8].随着钢筋混凝土结构使用年限的延长会出现混凝土结构裂缝或混凝土保护层脱落，致使环境氯离子直接与钢筋接触，加速钢筋的锈蚀，这种情况下的钢筋腐蚀行为的电化学特性也已有一些研究[9-11].

我国的钢筋混凝土建筑结构行业近年来高速发展，但施工过程还比较粗放，有时由于混凝土保护层较薄或施工过程中的操作不当等因素，在混凝土结构初期就存在了钢筋裸露的现象[12]，而此时的钢筋表面并没有由于混凝土内部环境的养护而形成钝化膜，这对于混凝土结构耐久性的影响更为重大.目前对于未经混凝土养护的钢筋腐蚀行为的电化学特性研究甚少，特别是结构中存在的弯曲钢筋腐蚀行为的电化学特性研究更是未见报道，而弯曲钢筋部位的混凝土保护层通常更易脱落.本文针对影响混凝土结构耐久性的钢筋锈蚀问题，分别对未经混凝土养护与经过混凝土养护地铁弯曲钢筋腐蚀行为的电化学特性进行研究.

1 试验过程

1.1 原材料

试验所用钢筋为河北东海特钢集团有限公司生产的直径为16 mm、长度为400 mm 的HRB400 型螺纹钢筋.所用养护钢筋的混凝土为C40，水胶比为0.4.

1.2 试件制作及试验设计

为了模拟实际工程中钢筋的应力弯曲状态，设计制作了如图1 所示的试验装置.将钢筋置于夹具和垫块之间，通过拧夹具上端螺母固定钢筋的弯曲角度，使弯曲角度为0°、45°和90°. 图1 中夹具细节如图2所示. 采用直流电源模拟实际地铁环境中的杂散电流，导线与钢筋连接处用环氧树脂作密封处理.整个装置放在盛有0.5%NaCl 溶液的塑料箱中，使NaCl 溶液覆盖整个钢筋试件.由于夹具的特殊性，弯曲后的钢筋为沿中线对称的两个相同大小的弯曲角度.

图1 试验装置示意

图2 夹具示意

按照不同养护条件将钢筋试件分为两组：一组未经混凝土养护，用字母N 表示；另一组经过混凝土养护，养护方式为将制作完成的钢筋试件埋置于C40 混凝土试块后放置标养室养护7 d[8]，用字母Y 表示.不同钢筋试件的通电电压为0V 或10V.按照养护条件、弯曲角度和通电电压等因素对试件进行编号，以N-45-10 表示未经混凝土养护、弯曲角度为45°、通电电压为10V 的钢筋试件，其余以此类推.

1.3 电化学及表观形貌

采用上海辰华CHI760E 电化学工作站进行电化学测试.电化学测试采用三电极测量的方式，钢筋为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和氯化银为参比电极，分别测试钢筋的腐蚀电位、线性极化曲线、电化学阻抗谱等电化学参数.采用VHX-600K 数码显微镜观察钢筋的表观形貌.

在线性极化法测试中，扫描电位相对开路为±20 mV，扫描速率为1 mV/s；交流阻抗谱测试中，采用振幅为10 mV 的正弦波电压激励信号，测量频率范围为0.1 Hz~100 kHz.

2 结果与讨论

2.1 未经混凝土养护的钢筋

2.1.1 腐蚀电位

图3 为未经混凝土养护的钢筋施加一定时间0V和10V 电压后不同钢筋试件腐蚀电位的变化. 通过比较图3a 和图3b 可知，在10V 电压作用下，钢筋腐蚀电位短时间内就发生了明显的下降，最大下降到-428 mV，可以判定此时钢筋已经锈蚀[13].不同弯曲角度钢筋的腐蚀电位也有明显的不同，24 h 后，没有施加电压的N-0-0、N-45-0 和N-90-0 钢筋试件的腐蚀电位分别下降了343，358，376 mV；而4 h 后，施加10 V 电压的N-0-10、N-45-10 和N-90-10 钢筋试件的腐蚀电位分别下降了368，375，385 mV，即对于相同弯曲角度的钢筋，0 V 电压作用24 h 与10 V 电压作用4 h 的腐蚀电位下降值相近，说明杂散电流大大加速了钢筋的锈蚀程度.另外，不论通电与否，在相同的腐蚀时间内，弯曲角度越大的钢筋腐蚀电位下降越大，腐蚀越严重.

2.1.2 电流密度

电流密度Icorr 能够直观地表述钢筋的锈蚀速率，通过线性极化曲线和Stern-Geary 公式计算得到下式[12]

图3 不同电压作用下钢筋腐蚀电位随时间的变化

图4 不同电压作用下钢筋电流密度随时间的变化

式中：Rp为极化电阻；B 为塔菲尔总常数；βa、βc分别为求阴阳极的Tafel 常数，可通过Tafel 曲线求出.

图4 为未经混凝土养护的钢筋施加一定时间0 V和10 V 电压后不同钢筋试件电流密度的变化.通过比较图4a 和图4b 可知，在10 V 电压作用下，钢筋腐蚀电流密度短时间内就发生了明显的增加，最大到1.704 μA/cm2，可以判定此时钢筋锈蚀速率已经达到高锈蚀速率状态[13].而且可以看出：在0 V 电压作用下，随着弯曲角度的增大，腐蚀电流密度间的差值越来越大；但是在10 V 电压作用下，这种规律却不明显.说明在0 V 电压下，钢筋的锈蚀速率随弯曲角度的增大而增大，即弯曲角度影响钢筋的锈蚀速率，但是在外界溶液浓度不变的情况下，施加10 V 电压后弯曲角度对钢筋锈蚀速率造成的影响有所减弱.

2.1.3 电化学阻抗谱

图5 0 V 电压作用下不同弯曲角度钢筋的交流阻抗谱Nyquist 图

电化学阻抗谱容抗弧半径的减小，说明钢筋表面的保护能力在氯离子的侵蚀下逐渐破坏，腐蚀概率增加.图5 和图6 分别为0 V 和10 V 电压作用下不同弯曲角度钢筋的交流阻抗谱Nyquist 图.从中可以看出，钢筋的Nyquist 图均表现为单一容抗弧，而且10 V 电压作用下，容抗弧半径达到与0 V 电压一致时，所用时间更短，即杂散电流加速了钢筋锈蚀.0 V 电压下，氯离子侵蚀6 h 后，容抗弧急剧减小，且随着弯曲角度的增大，容抗弧的半径也随之减小.10 V 电压下，随着时间和钢筋弯曲角度的增大，图形变化规律与0 V 电压时基本一致. 对比每组试验结束后的钢筋容抗弧半径，发现N-90-0 和N-90-10 钢筋的容抗弧半径最小，其次是N-45-0 和N-45-10，N-0-0 和N-0-10 钢筋的容抗弧半径最大，再次证明弯曲角度越大会增加钢筋的锈蚀概率.

图6 10 V 电压作用下不同弯曲角度钢筋的交流阻抗谱Nyquist 图

2.1.4 表观形貌

图7 和图8 为0 V 和10 V 电压作用下不同弯曲角度钢筋外部受拉侧部位的表观形貌.可以看出，经过一定时间的腐蚀，钢筋表面均有明显的锈蚀产物堆积现象，出现了严重的锈蚀.通过比较图7 和图8 可知，10 V 电压作用4 h 后钢筋的锈蚀程度和0 V 电压作用24 h 后钢筋的锈蚀程度类似.另外，观察相同电压不同弯曲角度的钢筋表观形貌图可以看出：随着钢筋弯曲角度的增大，钢筋表面粗糙度越来越大，这可能是由于钢筋的弯曲，增加了钢筋的外部表面张力，导致该部位出现不同程度的破损，从而加速了钢筋的锈蚀速率.

2.2 经混凝土养护的钢筋

2.2.1 腐蚀电位

图7 0 V 电压作用下钢筋表观形貌

图8 10 V 电压作用下钢筋表观形貌

图9 为经过混凝土养护的钢筋施加一定时间的0V和10 V 电压后腐蚀电位的变化.比较图9a 和图9b 可知，10 V 电压作用下钢筋腐蚀电位的下降至0 V 电压作用下的腐蚀电位所用时间更短.再将图9 与未经混凝土养护的钢筋的情况（见图3）相比，可见二者电位都随时间下降，但经过混凝土养护的钢筋电位下降速率相对缓慢，且弯曲角度和腐蚀电位之间不像未经混凝土养护的钢筋那样有明确的相关性.钢筋外部受拉侧部位的表观形貌如图10 和图11 所示.可以看出，不同弯曲角度钢筋的表面相对较平整，但是出现了点蚀现象，说明此时钢筋已经开始锈蚀.

图9 不同电压作用下钢筋腐蚀电位随时间的变化

图10 0 V 电压作用下钢筋表观形貌

图11 10 V 电压作用下钢筋表观形貌

2.2.2 电流密度

图12 为经过混凝土养护的钢筋施加一定时间的0V和10V 电压后不同钢筋试件电流密度的变化.通过观察图12a 和图12b 可知，相同电压下，钢筋锈蚀速率随着腐蚀时间的增加而增加，且10V 电压作用下，钢筋锈蚀速率更快，这与未经混凝土养护钢筋的研究结果一致.但是同一时期经过混凝土养护钢筋的电流密度明显低于未经混凝土养护钢筋的电流密度，而且弯曲角度与钢筋电流密度之间并没有显示出明确的相关性.

图12 不同电压作用下钢筋电流密度随时间的变化

2.3 不同养护条件下的钢筋特性分析

对不同养护条件下的钢筋电化学特性进行分析，发现：无论是否经过混凝土养护，杂散电流均加速了钢筋的腐蚀程度，且10 V 电压作用4 h 与0 V 电压作用24 h 对钢筋造成的腐蚀程度相当.未经混凝土养护的钢筋，虽然钢筋弯曲造成的锈蚀程度小于杂散电流造成的锈蚀程度，但是随着弯曲角度的增大，钢筋的锈蚀程度也增加，且钢筋受拉侧部位的表面越粗糙，锈蚀越严重.而经混凝土养护的钢筋，由于表面形成了一层致密的钝化膜，锈蚀程度相对于未经混凝土腐蚀的钢筋明显减缓，且弯曲角度与钢筋电化学特性之间并没有显示出明确的相关性.

分析其原因可能是：钢筋弯曲过程中会造成表面保护层薄弱部位的破损，使钢筋基体暴露，在基体和保护层之间形成原电池，而电化学反应可以加速阳极金属的溶解，使更多的基体暴露在腐蚀性溶液中.经混凝土养护后，产生的钝化膜在一定程度上会修复钢筋弯曲所造成的保护层破损，阻断电化学反应的进行，减缓钢筋的锈蚀.

对不同养护条件下钢筋试件氧化层中的元素进行检测，即分别对不同养护条件下的钢筋在0.5%NaCl溶液腐蚀24 h 后，对试件受拉侧进行能谱分析（EDS），EDS 虽然不能获得定量的成分信息，但是可以得到试件中不同元素的峰值能量高度，如图13 和图14 所示.可以看出：两种试样中检测到的元素主要为Fe、O 和C，但是未经混凝土养护的钢筋试样中的Fe、O 元素之比高于没有经过混凝土养护的钢筋试样；而Fe、O 元素的比例越大，钢筋表面产生的Fe2O3和Fe3O4就越多，锈蚀就越严重.以N-45-0 和Y-45-0 为例，N-45-0 中的Fe、O 元素之比为0.75，Y-45-0 中的Fe、O 元素之比为0.35，前者Fe、O 元素的比值将近后者的2 倍.可以判定未经混凝土养护的钢筋表面产生的锈蚀明显多于经过混凝土养护的钢筋试件，与前两节结论一致.