鹽霧-烘干循環(huán)作用下鋼筋混凝土腐蝕特性研究*

喬宏霞，張 璐，馮 瓊，尚明剛，溫少勇

(1. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730050；2. 蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，蘭州 730050)

0 引 言

鑒于此，本試驗(yàn)采用不同混凝土配合比的鋼筋混凝土試樣置于實(shí)驗(yàn)室模擬的西部鹽漬土大氣腐蝕環(huán)境中，通過定期檢測來研究鋼筋混凝土腐蝕劣化進(jìn)程及礦物摻和料(粉煤灰、礦粉、粉煤灰-礦粉)對其的影響。實(shí)驗(yàn)通過測取不同腐蝕階段試樣的極化曲線及超聲波聲速來表征鋼筋和混凝土保護(hù)層的劣化過程，并對腐蝕后的混凝土進(jìn)行微觀分析。本實(shí)驗(yàn)對我國西部鹽漬土地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命和耐久性研究具有重要意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

甘肅某公司P·O42.5級水泥，Ⅱ級粉煤灰及S95級礦粉，其中礦粉28d活性指數(shù)大于95%，各膠凝材料的化學(xué)成分見表1。細(xì)骨料采用集配良好的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.9；粗骨料采用甘肅永靖王家圈砂石料場粒徑范圍為5～25 mm的連續(xù)集配碎石；江蘇某公司高效減水劑；酒泉鋼鐵有限責(zé)任公司HRB 335級鋼筋，直徑10 mm。試驗(yàn)試樣設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C50，共4組不同混凝土配合比，見表2，各配合比制作6個(gè)試塊。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 混凝土試樣配合比 (kg/m3)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)預(yù)先對鋼筋表面進(jìn)行去油污和打磨并用蒸餾水清洗干凈保證表面干燥光滑無雜質(zhì)。按照表2配合比拌合混凝土，測試其工作性能得各組坍落度值均在50～70 mm范圍之內(nèi)，且保水性與粘聚性良好。隨后將混凝土漿體裝入100 mm×100 mm×100 mm試模，鋼筋垂直固定在試模正中位置，保持鋼筋底部距離模具底部25 mm，振搗成型，鋼筋混凝土示意圖如圖1所示。為避免裸露部分鋼筋發(fā)生腐蝕，將其在放入養(yǎng)護(hù)室之前用環(huán)氧樹脂涂刷至完全包裹。將鋼筋混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24h后拆模，然后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28d，測得其力學(xué)性能見表2。

圖1 鋼筋混凝土試件示意圖(mm)Fig 1 Schematic diagram of reinforced concrete specimen (mm)

鋼筋混凝土養(yǎng)護(hù)28d之后開始鹽霧-烘干循環(huán)試驗(yàn)，具體方案如下：根據(jù)測定格爾木地區(qū)鹽漬土中易溶鹽類含量(見表3)設(shè)定鹽霧箱中的復(fù)合溶液濃度為2.29 mol/L NaCl+0.16 mol/L Na2SO4，將試塊在鹽霧箱中間歇噴霧16 h，再置于恒溫(60 ℃)干燥箱干燥8 h，即1 d為一次循環(huán)。每20次循環(huán)測量試樣極化曲線及超聲波聲速，至某一試樣表面出現(xiàn)寬度大于0.2 mm的裂縫時(shí)終止試驗(yàn)(為方便表述，本文以d表示腐蝕循環(huán)單位)，最后對混凝土進(jìn)行SEM微觀分析。

表3 格爾木鹽漬土易溶鹽離子含量

1.3 試驗(yàn)基本原理及參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3.1 線性極化曲線的測定

Stern[15]等提出極化曲線在自腐蝕電位處的斜率可推算出腐蝕鋼筋的極化電阻Rp，再根據(jù)Stern-Gerry方程式即可求得腐蝕電流密度icorr，Stern-Gerry方程式如(1)式。李荻[16]提出極化曲線上任意點(diǎn)的斜率稱為該電流密度下的極化度，具有電阻的量綱，表示該電流密度下復(fù)式鋼筋極化程度的變化趨勢。曹楚南[17]亦提出僅鋼筋自腐蝕電位并不能準(zhǔn)確代表鋼筋腐蝕速率的變化，對于活化區(qū)鋼筋可根據(jù)腐蝕電流密度來表征鋼筋腐蝕速率變化

(1)

式中：ΔE為極化電位，mV；I為外測極化電流密度，μA/cm2；ba為陽極Tafel斜率；bc為陰極Tafel斜率；icorr為腐蝕電流密度，μA/cm2；B為Stern-Gerry常數(shù)，mV。

本實(shí)驗(yàn)使用德國Zahner E電化學(xué)工作站，三電極測試系統(tǒng)， 以鋼筋作為工作電極，薄鋼片作為輔助電極，飽和KCl甘汞電極作為參比電極，線性極化掃描范圍為外測電位±0.2 V，掃描速率0.334mV/s，Stern-Gerry值(B值)為10 mV。將試件放入電解池中注水至試樣2/3高處，然后測試試塊極化曲線。試驗(yàn)裝置如圖2。

圖2 三電極測試系統(tǒng)Fig 2 Three-electrode test system

根據(jù)上述極化曲線擬合求得腐蝕電流密度icorr，結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50344—2014)中腐蝕電流密度與鋼筋腐蝕狀態(tài)的關(guān)系對鋼筋腐蝕做出評判，見表4。

表4 腐蝕電流密度與鋼筋腐蝕狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系

1.3.2 相對動(dòng)彈性模量的測定

混凝土劣化程度評定在國內(nèi)外有多種測試方法，其中超聲波測試聲速法作為無損檢測而被廣泛使用，其檢測原理為：超聲波穿透混凝土介質(zhì)、裂紋及松散區(qū)時(shí)聲速不同[18-22]。本實(shí)驗(yàn)采用超聲波測定儀測定每20次循環(huán)后混凝土聲速。根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50082—2009)關(guān)于抗凍性的規(guī)定中，將超聲聲速根據(jù)公式(2)轉(zhuǎn)化為相對動(dòng)彈性模量，混凝土彈性模量損傷60%即為失效

(2)

式中：Erd為相對動(dòng)彈性模量；Ed0為腐蝕前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量；Edt為腐蝕t齡期時(shí)彈性模量；vt為腐蝕t齡期時(shí)超聲波聲速；v0為腐蝕前超聲波聲速；T0為混凝土腐蝕前超聲波聲時(shí)；Tt為混凝土腐蝕t齡期超聲波聲時(shí)。

由公式(2)可看出試樣未受侵蝕前相對動(dòng)彈性模量均等于1(Erd=1)，Erd>1表明試樣孔結(jié)構(gòu)得到改善，當(dāng)Erd<1時(shí)，其值越小表明混凝土腐蝕程度越強(qiáng)、孔隙增多，強(qiáng)度降低；當(dāng)Erd<0.6時(shí)，認(rèn)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 線性極化曲線結(jié)果與分析

2.1.1 P組鋼筋混凝土腐蝕演變規(guī)律

圖3 P鋼筋極化曲線Fig 3 Polarization curve of reinforcing steel in P group

圖4 P組鋼筋平均腐蝕電流密度Fig 4 Average corrosion current density of steel in P group

2.1.2 PF組鋼筋混凝土腐蝕演變規(guī)律

圖5 PF鋼筋極化曲線Fig 5 Polarization curve of reinforcing steel in PF group

圖6 PF組鋼筋平均腐蝕電流密度Fig 6 Average corrosion current density of steel in PF group

2.1.3 PS組鋼筋混凝土腐蝕演變規(guī)律

由圖7、圖8可看出PS組試樣自腐蝕電位在0～80 d有較大變化，說明鋼筋鈍化膜已局部破壞，活化部分鋼筋與混凝土孔隙液構(gòu)成腐蝕電池，在兩相界面上發(fā)生電子轉(zhuǎn)移并生成新的物質(zhì)。40～80 d階段鋼筋自腐蝕電位正向移動(dòng)，腐蝕電流密度減小，原因是鋼筋表面生成的銹層減小活性區(qū)鋼筋與孔隙液的接觸面，致使兩相間電子轉(zhuǎn)移速度減慢，鋼筋銹蝕速率減緩。80～100 d鋼筋自腐蝕電位負(fù)向移動(dòng)，腐蝕電流密度增大且在該階段中極化度逐漸減小，其極化阻抗逐漸減小，原因是孔隙液中大量Cl-積累穿透銹層到達(dá)鋼筋基體或激發(fā)新的鋼筋活化區(qū)，再次加速氧化鋼筋。結(jié)合表4可以看出PS組試樣在20d時(shí)腐蝕電流密度為0.5745 uA·cm-2，鋼筋處于中等腐蝕狀態(tài)；40 d時(shí)處于高腐蝕狀態(tài)；40～80 d后腐蝕電流密度介于0.5～1 uA·cm-2之間，鋼筋處于中等腐蝕狀態(tài)；100 d后腐蝕電流密度為1.0700 uA·cm-2>1 uA·cm-2，鋼筋處于高腐蝕狀態(tài)。

圖7 PS鋼筋極化曲線Fig 7 Polarization curve of reinforcing steel in PS group

圖8 PS組鋼筋平均腐蝕電流密度Fig 8 Average corrosion current density of steel in PS group

2.1.4 PFS組鋼筋混凝土腐蝕演變規(guī)律

圖9 PFS組鋼筋極化曲線Fig 9 Polarization curve of reinforcing steel in PFS group

圖10 PFS組鋼筋平均腐蝕電流密度Fig 10 Average corrosion current density of steel in PFS group

綜上所述，P、PF、PS和PFS組試樣在腐蝕循環(huán)中腐蝕電流密度整體呈上升趨勢，證明鋼筋混凝土隨腐蝕循環(huán)次數(shù)的增加劣化逐漸嚴(yán)重，但各組試樣腐蝕速率不同，證明不同種類的礦物摻和料對鋼筋混凝土耐復(fù)合鹽侵蝕性均有一定影響，各組試樣腐蝕程度大小順序?yàn)椋篜F

2.2 相對動(dòng)彈性模量結(jié)果與分析

圖11 P組、PS組、PF組及PFS組試件相對動(dòng)彈性模量Erd變化趨勢Fig 11 Trend of relative dynamic elastic modulus Erdof specimens in group P, PS, PF and PFS

2.3 混凝土微觀分析

取各試件的核心混凝土部分進(jìn)行SEM電鏡掃描。圖12(a)為P組混凝土SEM，其腐蝕產(chǎn)物呈較為疏松的片狀且孔洞較多，該片狀腐蝕產(chǎn)物應(yīng)為單硫型水化硫鋁酸鈣。圖12(b)為PF組混凝土SEM，具有結(jié)構(gòu)緊密的片層狀腐蝕產(chǎn)物且在孔隙中存在少量針狀晶體，其成分可能是鈣礬石。圖12(c)為PS組混凝土SEM，腐蝕產(chǎn)物呈塊、層狀，其成分應(yīng)為CaSO4·2H2O和單硫型水化硫鋁酸鈣，證明已產(chǎn)生較重腐蝕。圖12(d)為PFS組混凝土SEM，可看出存在粉煤灰反應(yīng)所造成的蝕坑，且含有較為疏松的片層狀腐蝕產(chǎn)物。分析各組SEM認(rèn)為PS組混凝土腐蝕情況較重，PFS組和P組混凝土次之，PF組混凝土腐蝕情況最輕，隨著混凝土受腐蝕程度的加重，其SEM逐漸向塊狀發(fā)展。SEM圖中各組混凝土腐蝕程度與相對動(dòng)彈性模量相符。

圖12 混凝土SEMFig 12 SEM images of concrete

3 結(jié) 論

(1)不同配合比試樣隨循環(huán)次數(shù)的增加，鋼筋腐蝕電位整體負(fù)向移動(dòng)，腐蝕電流密度整體上升，腐蝕程度逐漸加重，但其腐蝕速率變化程度不同，其中PF組鋼筋混凝土腐蝕電流密度最小。

(2)P、PS、PF、PFS混凝土在腐蝕初期生成少量鈣礬石及石膏等固態(tài)產(chǎn)物填充混凝土孔隙，相對動(dòng)彈性模量有上升趨勢，但隨著腐蝕循環(huán)次數(shù)的增加膨脹性產(chǎn)物積累劣化了混凝土結(jié)構(gòu)，其相對動(dòng)彈性模量反而出現(xiàn)降低的趨勢。

(3)摻加適量粉煤灰可促使水泥二次水化，細(xì)化混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，減少復(fù)合鹽、H2O、O2等介質(zhì)侵入，提高了鋼筋混凝土在西部鹽漬土大氣環(huán)境中抗氯鹽及硫酸鹽侵蝕性能。