锈蚀速率对混凝土中锈蚀产物渗透的影响

洪舒贤，郑帆，邢锋，董必钦

深圳大学土木与交通工程学院，广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东 深圳 518060

钢筋锈蚀会减小钢筋横截面积，锈蚀产物体积膨胀会导致混凝土保护层开裂，严重缩短结构的服役寿命［1-2］.由于保护层锈胀裂缝宽度易于测量，且与钢筋锈蚀率直接相关，很多学者开展研究，实现了通过裂缝宽度准确预估钢筋锈蚀率［3-5］.但是，混凝土是多孔材料.钢筋出现锈蚀后，锈蚀产物会渗透到保护层孔隙中并通过裂缝进行分散.锈蚀产物的渗透会释放膨胀应力，延缓保护层开裂［6］.然而在测量保护层裂缝宽度时，无法直接量化锈蚀产物渗透的影响，忽略了锈蚀产物渗透对保护层开裂的延缓作用，低估了钢筋锈蚀程度.对此，有学者通过理论推导［7］和锈蚀实验［8-9］对锈蚀产物渗透进行量化，但是只能得到锈蚀产物在保护层的渗透信息，不能量化钢筋的锈蚀质量损失，因此难以建立保护层锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率的关系.

HONG 等［10］使用X 射线计算机断层成像（X-ray computed tomography，XCT）对钢筋锈蚀过程进行无损可视化量化分析，并结合有限元建立逆向建模方法，提出锈蚀产物体积修正系数来量化锈蚀产物在混凝土保护层中的渗透.结合XCT获取的锈蚀过程表征信息，可以通过锈蚀产物体积修正系数将裂缝宽度与锈蚀率相联系.然而在钢筋锈蚀期间，钢筋的锈蚀速率是关键因素，能改变锈蚀产物分布，影响锈胀裂缝发展［11-12］.但目前还没有针对钢筋锈蚀速率对锈蚀产物在保护层渗透的影响的定量研究.本研究将采用HONG等［10］的方法分析不同锈蚀速率下钢筋的锈蚀过程，量化锈蚀速率对锈蚀产物渗透的影响.

1 材料和方法

1.1 样品制备

采用XCT 对钢筋锈蚀过程进行无损可视化量化，样品尺寸如图1.制备样品时，水、水泥和砂的质量比为1∶2∶4.水为去离子水，水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥，砂为国际标准ISO679标准砂（筛分去除大粒径砂砾），钢筋为Q235钢.样品在浇筑24 h 后拆模，然后在标准养护室（20 ℃，相对湿度95%）养护28 d.

图1 样品几何信息（单位：mm）Fig.1 Geometric information of the sample (unit: mm).

1.2 外加电流加速锈蚀和XCT测试

本研究选用5 种电流密度（20、75、150、300和600 μA/cm2），使钢筋锈蚀过程以不同锈蚀速率进行.在通电过程中，钢筋是阳极，包在样品表面的银片是阴极（图2），浸有3.5%（质量分数）NaCl的棉布包在样品和银片中间形成电通路.通电期间定期更换棉布，以保持棉布处于湿润状态，并保证棉布内NaCl 浓度不出现明显波动.同时使得氯离子在钢筋不同位置处都发生迁移，以减少氯离子传输不均匀的影响，使得钢筋锈蚀结果相对于无外加电场的干湿循环锈蚀实验更接近全面锈蚀状态.钢筋锈蚀全过程在恒温恒湿试验箱（25 ℃，相对湿度95%）中进行，并实时记录电流数据.钢筋锈蚀过程通过XCT（XRIDIA Micro XCT-400）进行无损可视化跟踪.XCT 测试参数为：电压70 kV，电流114 μA，放大倍数0.4，曝光时间4 s.成像结束后得到1 001 幅图像并进行三维重构，重构数据里每个体 素 的 大 小 为13.512 2 μm × 13.512 2 μm ×13.512 2 μm.为了进行XCT 测试，通电锈蚀过程分为8个通电阶段（按时间顺序从T0到T8进行编号）（图2）.对于不同锈蚀速率的钢筋，在相同的通电阶段施加相同的电荷量（Q），具体时间安排见表1.

表1 外加电流加速锈蚀的累计通电时间Table 1 Time arrangements of accelerated corrosion using the impressed current 单位: h

图2 锈蚀实验装置及XCT测试安排Fig.2 Corrosion experiment setup and XCT testing arrangement.

2 数值模型和计算

2.1 锈蚀产物体积修正系数的逆向模型

当使用外加电流加速钢筋锈蚀时，钢筋的锈蚀模式通常可视为均匀锈蚀［13］.因此，模型为二维模型，且采用均匀锈蚀模式（图3）.其中，未锈蚀钢筋的半径为R1，锈蚀钢筋的半径为R2，锈蚀半径为R3，锈蚀膨胀引起的径向位移为u.根据HONG等［10］的研究可得每个阶段的锈蚀率为

图3 模型计算示意图 （a）均匀锈蚀模型；（b）模型几何信息（单位：mm）Fig.3 Model calculation diagram.(a) Uniform corrosion model, (b) geometric size of model (unit: mm).

其中，ρmod是假设锈蚀产物不存在渗透并全部导致锈胀开裂的锈蚀率；δ0是混凝土和钢筋之间孔隙过渡区的厚度，基于现有研究取值12.5 μm［10］；N是锈蚀产物的体积膨胀系数，根据ZHAO等［14］的研究取值3.0.根据XCT 测试可得到每个阶段的实际锈蚀率为

其中，n0是钢筋锈蚀前的体素数量；n是钢筋在每个阶段的剩余体素数量.结合式（1）和式（2）可以计算锈蚀产物体积修正系数为

由式（3）可知，β是径向位移u的函数，其值表示锈蚀产物在保护层渗透后导致保护层开裂的锈蚀产物比例.需要指出，ρmod为模型计算结果，与锈蚀速率无关，因此不同锈蚀速率钢筋的锈蚀产物体积修正系数差异源于ρ.

2.2 模型计算

模型计算通过Abaqus 2016 进行，采用混凝土损伤塑性（concrete damaged plasticity，CDP）模型［15］.仅对保护层进行建模，并对内孔施加位移载荷以模拟锈蚀发展.为了更好地收敛并确保模拟结果与实验结果一致，在内孔预设一个气孔状切口，如图3（b）.引入的切口也可表示保护层中的局部缺陷.建模主要材料属性为：弹性模量3.10 × 104MPa，抗拉强度1.50 MPa，泊松比0.22.模型采用具有减缩积分的二维四节点一阶实体单元.计算时根据欧洲混凝土规范CEB-FIP model code （2010），通过断裂能确定保护层裂缝宽度.模型根据保护层裂缝宽度进行迭代计算，每一步u的增量为0.01 μm，直到计算的裂缝宽度达到在每个通电阶段的XCT测试得到的裂缝宽度.计算期间用拉伸等效塑性应变作为保护层裂缝发展的信号.当最大主塑性应变为正时，如果拉伸等效塑性应变大于0，则表示保护层开裂.将每个阶段的u值代入式（3），可计算相应的锈蚀产物体积修正系数.

3 结果与讨论

XCT 测试数据处理如图4.图像重建后，可以得到钢筋、锈蚀产物和保护层的三维图像，并对钢筋锈蚀参数进行量化（图5）.因为基于预实验优化了样品设计和实验流程，所有不同锈蚀速率下样品的开裂情况相一致（即发生单缝开裂）.XCT测试的准确性已在之前的研究中［16-17］得到验证.由图5（a）可见，不同电流密度的钢筋锈蚀质量损失（m）在早期阶段没有明显差异.随着锈蚀过程的进行，高锈蚀速率（外加电流密度为150、300和600 μA/cm2）的钢筋锈蚀质量损失没有显著差异.然而，低锈蚀速率（外加电流密度为20 μA/cm2和75 μA/cm2）的钢筋锈蚀质量损失明显增大.HONG等［18］研究表明，钢筋锈蚀质量损失差异的主要原因是不同通电时间导致的自然锈蚀影响的差异.XCT测试得到的保护层裂缝宽度（w）随钢筋锈蚀率的发展如图5（b）.结果表明，保护层没有在相同通电阶段出现开裂，当电流密度为20 μA/cm²时，开裂时间出现明显延迟.虽然外加电流密度降低使得钢筋锈蚀速率减小，但保护层开裂时的锈蚀率增大.说明在锈蚀过程中锈蚀产物会在保护层发生渗透，增大了保护层开裂所需的锈蚀产物数量，并且渗透程度与锈蚀速率密切相关.

图4 XCT测试数据处理Fig.4 Image processing of the XCT testing.

图5 锈蚀参数量化 （a）外加电荷量-钢筋锈蚀质量损失；（b）钢筋锈蚀率-保护层裂缝宽度Fig.5 Quantification of corrosion parameters.(a) Impressed charge vs steel corrosion mass loss, (b) steel corrosion mass loss vs crack width.Square, circular, triangular, inverted triangular and diamond symbolic lines are for current density of 600, 300, 150, 75 and 20 μA/cm2, respectively.

保护层开裂期间的模拟结果可扫描论文末页右下角二维码查看，见图S1.与实际情况类似，出现锈蚀前，保护层处于完好状态；出现锈蚀后，随着锈蚀率的增加（即径向位移增大），保护层出现开裂，同时裂缝不断发展；最后，裂缝发展到保护层的表面，宽度逐渐增大.

将XCT 测试数据和有限元计算结果代入式（3）可计算锈蚀产物体积修正系数.结合锈蚀期间记录的电流数据和XCT 测试量化的钢筋锈蚀质量损失，保护层开裂后锈蚀产物体积修正系数（β）与外加电荷量和钢筋锈蚀率的关系，如图6.由式（3）可得，锈蚀产物体积修正系数的值表示锈蚀产物在保护层渗透后导致保护层开裂的锈蚀产物比例.因此，锈蚀产物体积修正系数越大说明锈蚀产物在保护层的渗透越少，越多锈蚀产物可导致保护层开裂.在锈蚀过程中，裂缝宽度随着锈蚀产物的积累而增大.保护层裂缝不仅促进外部氧气和水分的进入，推进自然锈蚀的发生，还充当锈蚀产物扩散的路径.同时，由于氯离子的存在，形成了可溶性铁氯络合物，锈蚀产物可溶于水并通过保护层裂缝带离到表面.因此，保护层裂缝宽度的增加会增大锈蚀产物渗透，导致锈蚀产物体积修正系数降低.此外，锈蚀产物体积修正系数降低说明更多膨胀应力得到释放，从而减缓裂缝发展（图5（b））.通过图6（a）可知，对于不同的电流密度，锈蚀产物体积修正系数不相同.因为电流密度越高，钢筋的通电时间越短（表1），所以锈蚀产物在保护层的渗透量越少.这在之前的研究中通过铁元素的X射线能谱仪结果得到了验证［11］.因此，高电流密度加速锈蚀的高锈蚀速率钢筋有更多锈蚀产物产生膨胀应力，使保护层裂缝更宽（图5（b））.

图6 锈蚀产物体积修正系数量化 （a）外加电荷量-锈蚀产物体积修正系数；（b）锈蚀产物体积修正系数-钢筋锈蚀率Fig.6 Quantification of the modification coefficient of the rust volume.(a) Impressed charge vs modification coefficient of the rust volume, (b) modification coefficient of the rust volume vs steel corrosion mass loss.Square, circular, triangular, inverted triangular and diamond symbols are for current density of 600, 300, 150, 75 and 20 μA/cm2, respectively.

虽然不同锈蚀速率的钢筋其锈蚀率存在差异，由于锈蚀时间不同，受到自然锈蚀的影响也存在差异，但是从图6（b）可见，当钢筋锈蚀率增加时，锈蚀产物体积修正系数都近似以同一路径减小，即系数最初迅速下降，然后减慢，最后趋于稳定.通过数据拟合可以得到锈蚀产物体积修正系数与锈蚀率的关系为

由式（3）可知，锈蚀产物体积膨胀系数的取值会影响锈蚀产物体积修正系数的计算.本研究的锈蚀产物体积修正系数是基于恒定锈蚀条件下（25 ℃，相对湿度95%）获得的结果，但ZHAO 等［14］指出，环境湿度和氧气含量都会影响锈蚀产物体积膨胀系数.同时，钢筋自然条件下的锈蚀通常属于非均匀锈蚀.因此，为了扩大式（4）的适用范围，需要进一步探究钢筋在各种锈蚀环境下的规律，并针对钢筋的非均匀锈蚀模式开展后续研究.

4 结 论

1）在锈蚀过程中，锈蚀产物体积修正系数并非恒定.因为保护层开裂后，裂缝为锈蚀产物渗透提供路径，所以锈蚀产物体积修正系数将随着保护层裂缝发展而降低.

2）当使用外加电流加速钢筋锈蚀时，外加电流密度增大，锈蚀时间会缩短，使得锈蚀产物渗透减少，锈蚀产物体积修正系数增大.

3）虽然不同外加电流密度会改变自然锈蚀的影响，但是随着锈蚀率增长，锈蚀产物体积修正系数的降低与锈蚀速率无关.钢筋锈蚀率与锈蚀产物体积修正系数间的关系为β= 0.851ρ-0.998.

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