鋼筋表面涂層破損對混凝土結構耐久性影響

徐夫軒 （重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

0 前言

處于嚴重腐蝕環境下的沿海混凝土結構在氯離子侵蝕作用下致使鋼筋銹蝕甚至保護層開裂，大大降低混凝土結構的耐久性能。資料表明，1989年美國交通運輸部門的一份報告估計，由撒鹽除冰和海水侵蝕所引起的美國州間高速公路、橋梁的鋼筋腐蝕破壞，經濟損失累計高達1500億美元。由于混凝土耐久性不足造成的直接和間接損失，在歐美發達國家已構成嚴重的財務負擔。為了減緩鋼筋銹蝕，在其表面涂覆一層環氧涂層阻擋侵蝕性物質向鋼筋基體滲透，延長沿海混凝土結構的服役壽命。以港珠澳跨海大橋耐久性設計為例，對不同防腐措施的經濟效益、腐蝕風險、施工難度與全壽命成本四個方面進行綜合評估分析，建議對處于高腐蝕風險的潮差區混凝土結構采用環氧鋼筋防腐技術，以增加混凝土結構的耐久性安全儲備。Tang等發現在自然海洋環境中環氧涂層鋼筋的耐蝕性能比普通鋼筋好得多，但也有部分學者認為環氧涂層鋼筋延長混凝土結構正常使用壽命的能力有限，以上研究表明環氧鋼筋的保護作用是建立在涂層完整的基礎上，然而鋼筋表面涂層易在運輸、綁扎及工作狀態下易產生細微破損，涂層缺陷/損傷都會嚴重影響涂層的屏蔽作用，因此提高環氧涂層延性、鋼筋基體與環氧涂層之間的附著力以及減少鋼筋表面涂層針孔率可以有效提高環氧涂層鋼筋的質量。目前，研究成果主要集中于不同種類的表面涂層對混凝土結構耐蝕性能的提升效果以及不同破損率對混凝土結構耐久性的影響。而針對不同破損率下鋼筋銹蝕速率的發展規律以及腐蝕演化過程的研究較少。故開展不同破損率下環氧涂層鋼筋混凝土試件在氯離子侵蝕作用下的腐蝕行為研究。

試驗以通電的方式加速氯離子向鋼筋表面侵蝕，以鋼筋的弱極化曲線測試結果推導鋼筋腐蝕電位與腐蝕電流密度的演化，并揭示環氧涂層鋼筋銹蝕速率的發展過程，為環氧涂層鋼筋在海洋混凝土結構中的應用提供數據與理論支持。

1 試件設計及試驗方案

試件尺寸與配合比設計見表1、表2。

試件設計 表1

混凝土配合比/(kg·m-3) 表2

截取15cm的環氧涂層鋼筋，使用刻刀制備表面損傷，破損率分別為0%、0.56%、1.12%、1.68%，并以 S-0、S-0.56、S-1.12、S-1.68 代表不同破損率的混凝土試件。應注意截取環氧涂層鋼筋后應采用Valspar涂料修補鋼筋兩端的裸露部分。

試件頂部安裝PVC水槽并倒入質量分數為10%的氯化鈉溶液，將試件頂部與底部分別放置兩塊鈦板與電源負極、正極相連。之后將試件放入容器中，浸泡1天后進行通電，通電電壓調節至10V，分別在通電 1、3、5、7、14、21、30 天后停止，靜置至鋼筋表面電位穩定后進行極化曲線測試。對測試結果進行Tafel擬合獲取環氧鋼筋的腐蝕電位與腐蝕電流密度。基于三電極系統進行測量，弱極化曲線測試中采用±70mV（相較開路電位）的電位，系統掃描速率是0.15mV/s。

2 試驗結果分析

圖1為不同破損率的環氧涂層鋼筋在通電加速氯離子侵蝕30d后鋼筋的銹蝕情況。

圖1 不同破損率的環氧涂層鋼筋銹蝕情況

由圖1可見，無破損的環氧鋼筋表面光滑，表面無銹蝕產物堆積，帶損傷涂層試件的鋼筋基體發生明顯坑蝕現象且周圍涂層表面有銹蝕產物附著，造成該現象的原因為：當環氧涂層鋼筋產生局部破損時，破損區域形成陽極區，裸露的鋼筋基體形成陰極區，造成大陰極小陽極狀態，鋼筋銹蝕過程加速。此外，Sylvia認為由于陰極極化作用涂層的附著力降低，涂層會進一步脫落，鋼筋銹蝕區域擴展，最終導致混凝土結構的耐久性降低服役壽命縮短。由于環氧涂層鋼筋腐蝕電位與腐蝕電流密度的演化過程可反映鋼筋在氯離子侵蝕作用下的銹蝕情況，如圖2、圖3所示。

圖2 不同破損率的涂層鋼筋腐蝕電位演化

圖3 不同破損率的涂層鋼筋腐蝕電流密度演化

對于無破損環氧涂層鋼筋混凝土試件，S-0試件的鋼筋腐蝕電位并未隨通電時間的增加產生明顯負移現象，S-0試件中的鋼筋腐蝕電位無較大變化，波動范圍集中于-244～-348mV之間，鋼筋處于中等銹蝕概率階段(-200mV～-400mV)，而鋼筋的腐蝕電流密度則小于0.1μA/cm（鈍化狀態），造成該現象的原因是：涂層包裹住的鋼筋并未與堿性的混凝土孔隙液接觸，鋼筋表面并未發生鈍化反應產生鈍化膜，且由于鋼筋表面缺少氧氣與水分，腐蝕反應發生條件不充分，故鋼筋雖處于活性狀態但腐蝕速率極低。

對于預制損傷涂層鋼筋的腐蝕電位表現為早期迅速下降在通電7d后趨于穩定，腐蝕電流密度則表現為持續上升，破損率越大，腐蝕電流密度越大，其中S-1.68試件在通電14d后鋼筋銹蝕速度達到高銹蝕速率階段（icorr＞1μA/cm），而 S-0.56 與 S-1.12在通電30d后鋼筋銹蝕速度達到高銹蝕速率階段，說明當Cl侵入到鋼筋表面時，Cl的存在使鋼筋表面難以形成一層穩定的鈍化膜，導致早期的腐蝕電位快速下降，長期較低的腐蝕電位表示破損位置的鋼筋基體始終處于活性溶解狀態。隨著Cl在涂層破損處堆積，Cl濃度增加，但受到陽極區面積的限制故在相同通電時間下破損率越大，鋼筋銹蝕速率越大。比較不同破損率的環氧鋼筋在通電30d后的銹蝕速率發現，S-1.12試件鋼筋銹蝕速率較S-0.56試件僅增加了33%，而S-1.68試件鋼筋銹蝕速率較S-0.56試件增加了282%，故鋼筋銹蝕速度隨破損率的增加增幅越來越大。從不同破損率的環氧涂層鋼筋銹蝕的實際情況來看，S-1.12試件銹蝕產物集中于破損位置，S-1.68試件銹蝕產物除破損位置外，未破損位置的涂層表面亦有銹蝕的堆積。

3 結論

①完整的環氧涂層可以有效隔絕空氣、水分、腐蝕因子等物質，鋼筋的銹蝕反應過程被抑制，故無破損的環氧鋼筋不會在工作過程中發生銹蝕；

②破損處的鋼筋基體銹蝕擴展方向朝向基體深處形成坑蝕，并且隨著破損率的增加鋼筋銹蝕速度增幅越大。