伊拉克復(fù)合雙高鹽漬土對(duì)鋼筋的腐蝕性特征試驗(yàn)分析研究

李 東，方浩亮，錢(qián) 明，張志豪

青島中油巖土工程有限公司，山東青島 266071

伊拉克兩河流域?qū)儆诖箨懶詠啛釒О敫珊敌蜌夂颍摰貐^(qū)全年氣溫高，降雨量少，夏季最高溫度達(dá)50℃以上，地表水分蒸發(fā)嚴(yán)重。沉積地層中廣泛發(fā)育著高含硫酸鹽、氯鹽及水石膏的地層，其中伊拉克兩河流域東岸，第四紀(jì)土層中單位含量可以同時(shí)達(dá)到幾千或上萬(wàn)mg/kg（L），這種土層在國(guó)內(nèi)極為罕見(jiàn)，其特性異于國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的鹽漬土分類(lèi)類(lèi)型，具有極強(qiáng)的地域特征，本文將此鹽漬土定名為“復(fù)合鹽漬土”（簡(jiǎn)稱鹽漬土）。

鹽漬土兼有土體自身的腐蝕和鹽類(lèi)的腐蝕兩種腐蝕特性，其中鹽類(lèi)的腐蝕主要包括氯鹽腐蝕和硫酸鹽腐蝕。大量研究表明，氯鹽是引起鋼筋腐蝕的主導(dǎo)因素，針對(duì)單一氯鹽腐蝕，其運(yùn)移機(jī)理及腐蝕影響因素的研究已較為成熟[1-7]。

氯鹽和硫酸鹽同時(shí)存在的情況。陳友治等研究了酸性介質(zhì)如CO2、H2S、HCl、SO2等介質(zhì)共存對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)在鋼筋混凝土中含硫、氯的腐蝕介質(zhì)侵蝕作用機(jī)理是大不相同的[8]。Dehwahh等研究了硫酸鹽存在對(duì)混凝土中鋼筋氯鹽腐蝕效果的影響，研究表明，硫酸鹽濃度低的時(shí)候氯鹽對(duì)鋼筋的腐蝕影響較小，但隨著硫酸鹽濃度的增加，氯鹽腐蝕也增強(qiáng)[9]。易博等通過(guò)極化曲線法和電化學(xué)阻抗測(cè)試研究了普通鹽漬土中不同的濃度及比例對(duì)鋼筋的腐蝕作用[10]。

雖然有部分學(xué)者作了研究，但對(duì)氯鹽和硫酸鹽同時(shí)存在的腐蝕交互機(jī)制尚不明確。在伊拉克復(fù)合鹽漬土地區(qū)，由于這兩種鹽類(lèi)的大量存在，大量鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕嚴(yán)重，因此，開(kāi)展復(fù)合鹽漬土中高氯鹽和高硫酸鹽綜合作用下對(duì)鋼筋的腐蝕性研究非常重要。本文根據(jù)伊拉克工程項(xiàng)目中實(shí)測(cè)的氯鹽和硫酸鹽數(shù)據(jù)，配制了硫酸鹽和氯鹽溶液，采取直接浸泡腐蝕的方法，研究了鹽分濃度及不同鹽分反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋼筋銹蝕的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)儀器及材料

（1）試驗(yàn)使用φ16 mm新螺紋鋼筋，表面無(wú)明顯銹跡，其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%） 為：C 0.28，Mn 0.67，Si 0.18，S 0.037，P 0.022，F(xiàn)e 98.811。

（2）分析天平，精度為0.001；體式顯微鏡。

（3）NaCl、Na2SO4、去離子水，輔助材料。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）將鋼筋截至10 cm左右一根，約40根備用。用去離子水清洗干凈，并用吹風(fēng)機(jī)迅速吹干備用，防止氧化生銹，用分析天平稱其質(zhì)量。

（2）分別配制如下溶液各200 mL：去離子水、5%NaCl、 10%NaCl、 15%NaCl、 20%NaCl、 5%NaCl+5%Na2SO4、 5%NaCl+10%Na2SO4、 10%NaCl+5%Na2SO4、10%NaCl+10%Na2SO4、15%NaCl+5%Na2SO4、15%NaCl+10%Na2SO4、 5%Na2SO4、10%Na2SO4（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），置入燒杯中，將鋼筋放進(jìn)腐蝕液中浸泡，每種溶液各備兩組，其中一組用作平行實(shí)驗(yàn)。由于試驗(yàn)時(shí)間的限制，為加快反應(yīng)速度，配置的濃度約為土體中的5～20倍。

（3）將浸泡著鋼筋的燒杯用保鮮膜封口，以防止水分的蒸發(fā)導(dǎo)致鹽濃度升高，再放于低溫養(yǎng)護(hù)箱中調(diào)至室溫（25℃）保存。

（4）配備好用于鋼筋表面除銹的溶液（含500mL HCl、3.5 g六次甲基四胺和500 mL去離子水）。將各浸泡了5、10、15、20、30、45、65 d的鋼筋用表面除銹液除銹，然后放在烘箱中干燥，用分析天平稱量鋼筋的質(zhì)量，計(jì)算其質(zhì)量損失率。

（5）利用體式顯微鏡拍照觀察鋼筋銹蝕程度，圖表分析腐蝕時(shí)間、鹽濃度、鹽種類(lèi)與鋼筋腐蝕程度（質(zhì)量減少來(lái)判別）的關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同鹽不同濃度對(duì)鋼筋的腐蝕影響

2.1.1 純水和氯鹽溶液濃度變化對(duì)鋼筋的腐蝕影響

在鋼筋腐蝕一段時(shí)間后，小心取出，用電吹風(fēng)將其表面水分吹干，放于體式顯微鏡下拍照觀察，見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出，在純水中銹層的覆蓋是隨著鋼筋表面的紋路進(jìn)行的；而在氯鹽溶液中，鋼筋表面的銹層是全覆蓋的，并且隨著鹽濃度的增加，銹層越來(lái)越密實(shí)（由于電吹風(fēng)吹干，鋼筋表面有白色的鹽晶體析出）。

圖1 腐蝕30 d后鋼筋的體式顯微鏡照片

鋼筋在不同氯鹽濃度、不同腐蝕時(shí)間下的質(zhì)量損失率曲線如圖2所示，由圖2中曲線的趨勢(shì)可以看出，鋼筋的損失率隨著Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，尤其是在Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%→5%→10%的變化中，下降的趨勢(shì)較明顯，隨著Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%增加到20%，其腐蝕速率的降低逐漸平緩。由體視顯微鏡觀察到在純水中鋼筋的銹蝕是點(diǎn)蝕的；而在氯鹽腐蝕液中，鋼筋的銹蝕是面蝕的，一方面其表層包裹的銹層阻礙了Cl-與鋼筋的接觸，導(dǎo)致腐蝕速率的下降，另一方面它阻礙了溶解氧向鋼筋表面的遷移，使反應(yīng)環(huán)境呈現(xiàn)出弱氧環(huán)境。

2.1.2 復(fù)合鹽溶液濃度變化對(duì)鋼筋的腐蝕影響

圖3是不同反應(yīng)時(shí)間下，復(fù)合鹽溶液中鋼筋質(zhì)量損失率曲線。由圖3可以看出隨著復(fù)合鹽溶液鹽濃度的增大，鋼筋質(zhì)量損失率基本呈降低的趨勢(shì)。當(dāng)溶液中鹽濃度較低時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的加長(zhǎng)，鋼筋質(zhì)量損失的速率比高濃度復(fù)合鹽溶液中的要快。

圖2 鋼筋質(zhì)量損失率隨Cl-質(zhì)量分安徽的變化曲線

圖3 不同反應(yīng)時(shí)間下鋼筋質(zhì)量損失率隨復(fù)合鹽濃度的變化曲線

2.2 不同鹽類(lèi)隨反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋼筋的腐蝕影響

鋼筋在不同鹽溶液中的質(zhì)量損失如圖5、6所示，在不同種類(lèi)的鹽溶液中，鋼筋的質(zhì)量損失率都隨著反應(yīng)時(shí)間呈上升的趨勢(shì)，圖中曲線的斜率為鋼筋的腐蝕速率，在純水中鋼筋的腐蝕速率是先比較平緩再快速上升。

圖4 在不同鹽溶液中腐蝕30 d后鋼筋的體式顯微鏡照片

圖5 單鹽溶液中鋼筋質(zhì)量損失率隨時(shí)間的變化曲線

圖6 復(fù)合鹽溶液中鋼筋質(zhì)量損失率隨時(shí)間的變化曲線

通過(guò)對(duì)鋼筋在不同腐蝕液中的質(zhì)量損失率y（%）和反應(yīng)時(shí)間x（d）的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到如下擬合公式：

（1）純水中：

y=6.292 04×10-6x3-8.130 26×10-4x2+3.688×10-2x-8.693×10-2

（2）含5%Cl-的鹽溶液中：

y=1.631 77×10-6x3-2.622 08×10-4x2+1.736×10-2x-8.352 78×10-4

y=1.794 62×10-6x3-2.367 04×10-4x2+1.436×10-2x-2.317×10-2

（4） 含5%NaCl和5%Na2SO4的復(fù)合鹽溶液中：y=-5.468 12×10-5x2+9.3×10-3x+8.32×10-3

（5） 含10%NaCl和5%Na2SO4的復(fù)合鹽溶液中：y=-4.510 54×10-6x2+4.88×10-3x+3.845×10-2

（6） 在含10%NaCl和10%Na2SO4的復(fù)合鹽溶液中：

y=-1.743 73×10-5x2+4.79×10-3x+2.633×10-2

由以上擬合公式可以看出：?jiǎn)嘻}中擬合曲線的多項(xiàng)式最高冪是3次，而在復(fù)合鹽中最高冪是2次，反映出在實(shí)驗(yàn)條件下的腐蝕時(shí)間內(nèi)，復(fù)合鹽溶液中鋼筋的腐蝕速率慢于單鹽溶液中，這可能是水中鹽濃度過(guò)高導(dǎo)致水溶液中溶解氧的含量減少所致。有研究證明水中含鹽量與溶解氧是呈負(fù)相關(guān)的，所以在溶解氧主導(dǎo)的鋼筋銹蝕的環(huán)境中復(fù)合鹽溶液的腐蝕速率受到抑制。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)體視顯微鏡對(duì)鋼筋銹蝕表面的觀察，可以看出在純水中鋼筋的銹蝕產(chǎn)物是隨著螺紋鋼的紋路進(jìn)行覆蓋的；而在鹽溶液中它的覆蓋方式是在表面形成一種“保護(hù)膜”，鹽溶液中腐蝕為面蝕，發(fā)生在整個(gè)鋼筋表面，且隨著鹽濃度的增高腐蝕受到抑制。

（2）在純水和單鹽腐蝕液中，鋼筋的銹蝕產(chǎn)物是黃色的鐵銹（氧化亞鐵）；但在復(fù)合鹽漬土中，鋼筋銹蝕后有紅褐色的鐵銹氧化鐵生成，不同的反應(yīng)時(shí)間下，隨著復(fù)合鹽溶液鹽濃度的增大，鋼筋質(zhì)量損失率基本呈降低的趨勢(shì)。

（3）通過(guò)對(duì)各腐蝕溶液中的鋼筋質(zhì)量損失率與時(shí)間關(guān)系的曲線的擬合發(fā)現(xiàn)，復(fù)合鹽溶液中鋼筋的腐蝕速率慢于單鹽溶液中，可能是由于高濃度復(fù)合鹽溶液中溶解氧的減少使得腐蝕速率受到抑制。

（4）通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，伊拉克地區(qū)復(fù)合鹽漬土腐蝕性總體弱于依照相關(guān)規(guī)范判定的結(jié)果。具體工程中遇到的土的腐蝕性可結(jié)合復(fù)合鹽漬土含鹽類(lèi)型和組分與文中研究曲線進(jìn)行判別。

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