磁場作用下鋼筋混凝土結構中鋼筋銹蝕研究

李偉凡 楊建宇 蔣鵬霄

（1. 長沙理工大學土木工程學院，湖南 長沙 410000；2. 中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

鋼筋混凝土結構是世界上應用最廣泛的工程結構之一，被廣泛應用于房屋、高壓變電站、高鐵軌道等重要工程領域，然而鋼筋混凝土結構在服役期間，其耐久性受到諸多因素的影響[1]。在此過程中，結構遭受諸多物理、化學作用導致結構劣化與破壞，進而造成結構性能降低，提前達到使用壽命。鋼筋銹蝕是混凝土結構耐久性劣化最主要的原因之一，嚴重影響結構的安全和使用[2]，鋼筋銹蝕引發的結構耐久性問題日益突出。

隨著工程實踐的推進，磁場環境已經融入我們的住行當中，混凝土結構的鋼筋銹蝕問題與磁場作用的影響密切相關，特別是處于強磁場環境和強電場環境中尤為顯著，如地鐵隧道、磁懸浮、變電站等基礎設施。對其鋼筋的耐腐蝕性能產生一定的影響，這種新型的鋼筋銹蝕環境對于結構建筑物的耐久性而言也會成為一種新的挑戰。

磁場對于金屬腐蝕的研究多種多樣，部分研究表明，磁場對鋼筋銹蝕有抑制作用。Chiba將鐵絲浸在3%NaCl溶液，發現磁化抑制了鐵絲的溶解[3]；Masato表明磁場可以抑制銅和鐵在硝酸溶液中腐蝕[4]。然而部分研究得出的結論完全相反，即磁場加速鋼筋銹蝕。周巍提出變化磁場作用下加速了鋼筋的銹蝕[5]；Kelly經過試驗表明，磁場會增加硫酸鹽溶液中鈦的腐蝕速率[6]；有學者指出，當外加永磁場時，在酸性氯化物溶液中處理過的鋼絲力學性能比未加磁場時下降速度更快，且點蝕在磁場中易發生在鋼絲表面處[7]；Costa認為，磁化后的試件比未磁化的試件腐蝕程度更嚴重[8]；此外，磁場還可以影響腐蝕產物的組成[9]；

國內外眾多學者在磁場對金屬腐蝕方面研究居多，對于鋼筋混凝土結構中鋼筋的影響少有研究，基于以上背景，通過開路電位、極化曲線測量以及腐蝕形貌觀察等技術研究磁場對混凝土孔隙液中鋼筋腐蝕行為的影響，并分析了磁場對腐蝕影響的機理。以期為磁場環境下鋼筋混凝土結構中鋼筋的銹蝕研究提供參考依據。

1 實驗方法

1.1 腐蝕形貌實驗

腐蝕形貌實驗材料為HRB400鋼筋，其主要合金元素成分和含量如表1所示。使用切割機將鋼筋均勻分割成6根120mm長小段并編號B0/B30/B60/B90/B120/B150，試驗開始前參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[10]對鋼筋進行酸洗除銹，將鋼筋浸泡在12%鹽酸中，用鋼刷將鋼筋表面鐵銹清理干凈，再用澄清石灰水清洗綱筋去除表面殘留鹽酸，最后烘干備用。鋼筋導線連接在鋼筋一端20mm內，外面用防水膠帶纏繞，膠帶外涂抹兩層環氧樹脂密封，使鋼筋外露工作長度為100mm。混凝土模擬孔隙液使用飽和的溶液。待環氧樹脂完全固化后，將鋼筋分別單獨放置裝有混凝土模擬孔隙液的燒杯中，使鋼筋工作部分完全浸沒在溶液中，并分別施加0/30/60/90/120/150mT的磁場，磁場由Nd-Fe-B永磁體提供，進行預鈍化三天。預鈍化結束后，在混凝土模擬孔隙液中添加NaCl固體配置成含有3.5%氯離子的溶液用于通電加速鋼筋銹蝕。將試樣鋼筋作為電極陽極，不銹鋼作為電極陰極進行串聯連接，使用恒流電源施加10mA直流電進行7d通電加速，每組試件之間設置一塊鐵板隔絕剩余磁場避免對其他試件造成影響，鋼筋通電銹蝕試驗裝置如圖1所示。7d通電加速銹蝕后，觀察銹蝕產物形態和溶液顏色并記錄，取出鋼筋使用鋼刷將表面銹蝕產物洗刷去除，觀察其鋼筋表面銹蝕形貌并記錄。

圖1 鋼筋通電銹蝕試驗裝置

表1 鋼筋化學成分表（質量分數%）

1.2 電化學測試

電化學測試在RST5000電化學工作站上進行，并采用三電極系統，將鋼筋加工成5mm高的圓柱形試樣后進行表面打磨拋光，并使用無水乙醇清洗，使用環氧樹脂密封部分表面積使其保留1工作面積。鋼筋試樣為工作電極，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），試驗介質使用飽和的溶液作為混凝土模擬孔隙液。若無特別說明，文中所有電位均相對于SCE。電化學測試前，使用砂紙對工作電極進行逐級打磨。試驗溫度為室溫（約20℃）。試驗分別在0/30/60/90/120/150mT的磁場條件下進行，將試樣在-1.2V電位下陰極極化3min，用以去除電極表面在空氣中形成的氧化膜，然后靜置2h待其電位穩定后測其開路電位，隨后進行動電位極化曲線測試。以1mV/s掃描速率測試動電位極化曲線，掃描范圍是相對于開路電位-0.5～1.5V，使用軟件Origin2021擬合極化曲線動力學參數。

2 實驗結果與分析

2.1 鋼筋銹蝕試驗分析

圖2為通電7d不同磁感應強度下鋼筋銹蝕實驗圖。圖2（a）中鋼筋為B0鋼筋，圖2（f）中鋼筋為B150鋼筋，從圖2（a）～圖2（f）中鋼筋所受磁感應強度大小依次從0mT增加至150mT。通過觀察溶液顏色和深淺變化發現，圖（a）中溶液呈深紅褐色，隨著磁感應強度的增加，圖（d）中溶液顏色變為黃褐色，當磁感應強度增加至150mT時圖f中溶液變為淺黃色，從圖（a）～圖（f）中溶液的變化可以看出，溶液顏色的深淺隨著磁感應強度的增加而逐漸變淡，溶液由深紅褐色逐漸淡化為淺黃色；

圖2 通電7d不同磁場強度下鋼筋銹蝕實驗圖

觀察鋼筋銹蝕產物的分布發現，圖2（a）中鋼筋試樣產生的銹蝕產物大量脫落于杯底，少量銹蝕產物吸附在鋼筋試樣表面，圖2（f）中鋼筋試樣產生的銹蝕產物大量吸附在鋼筋表面，只有少量銹蝕產物脫落在杯底中。從圖2（a）～圖2（f）銹蝕產物在溶液中的分布可以得出，隨著磁感應強度的升高脫落于杯底的銹蝕沉淀逐漸減少。

從圖2的實驗現象可以分析得出，隨著磁感應強度的升高，溶液顏色變化由深紅褐色逐漸變為黃褐色，最后淡化為淺黃色，這是因為鋼筋銹蝕產物主要由疏松多孔的紅銹（磁鐵礦）組成[11]，在鋼筋銹蝕產物中還會夾雜著部分未被氧化的Fe，并且具有順磁性、和Fe具有磁性，在磁場的作用下會受到磁場梯度力的作用。而鋼筋在Nd-Fe-B永磁體產生的磁場的作用下會被磁化，使得鋼筋帶有一定磁性，具有磁性的鋼筋能產生的一定磁場，和在鋼筋所產生的磁場中受到磁場梯度力的作用趨向于鋼筋的運動，磁場梯度力模型示意圖如圖3所示。鋼筋受到的磁感應強度越大，其磁化程度越強，因此產生的磁感應強度變大，對于和產生的吸附作用增強，使得掉落于杯底的銹蝕產物沉淀和游離在溶液中的和減少，溶液顏色變淺。

圖3 磁場梯度力模型示意圖

圖4為清洗后的鋼筋試樣，從圖中可以觀察到，B0鋼筋試樣表面基本完全發生銹蝕，銹蝕面積占比大，只有少量面積未發生銹蝕，以均勻銹蝕為主；B30鋼筋試樣上半部分基本完全銹蝕，下半部分鋼筋部分發生銹蝕；B60鋼筋試樣上半段基本完全發生銹蝕，下半段鋼筋未發生銹蝕；B90至B150鋼筋試樣主要出現局部銹蝕，銹蝕面積逐漸減少。

圖4 清洗后鋼筋銹蝕形貌圖

通過觀察清洗后鋼筋銹蝕形貌圖發現，隨著磁場強度的增加，鋼筋銹蝕面積逐漸減小，銹蝕分布由均勻銹蝕逐漸變為局部銹蝕。這是因為鋼筋銹蝕的本質是電化學過程，即鋼筋表面不同位置存在一定的電位差，在該電位差的驅動下鋼筋發生氧化還原反應進行平衡電位差。

鋼筋作為電化學腐蝕反應中的陽極，失去電子發生氧化反應，生成亞鐵離子：

輔助電極作為電化學腐蝕反應中的陰極發生還原反應，陽極失去的電子將在輔助電極上與其他物質反應生成OH-：

陽極反應產生的Fe2+與水泥基材料中的一系列物質發生反應從而生成鐵銹。由于外加電流的作用，鋼筋銹蝕速度遠大于自然銹蝕，銹蝕產物無法在短時間內完全氧化，生成的銹蝕產物大量為黑色的Fe3O4：

在磁場的作用下，鋼筋表面吸附大量Fe3O4和Fe2O3，從而抑制鋼筋銹蝕反應正向進行。通電加速鋼筋銹蝕產生的大量Fe3O4具有磁性，在磁場環境中更易會受到磁場梯度力的作用，使大量鐵銹緊密吸附于鋼筋表面，阻礙鋼筋與外界環境之間進行物質轉移，從而減少了鋼筋表面的銹蝕面積。

2.2 電化學試驗分析

圖5為不同磁感應強度下鋼筋的開路電位圖。從圖5（a）可以清晰的發現，磁場的施加會導致鋼筋的開路電位正移。隨著磁感應強度的增加，開路電位不斷正移，從0mT磁感應強度下的產生的-392mV逐步正移至150mT下產生的-356mV。從圖5（b）中可以發現，在施加30mT磁感應強度時開路電位正移了4mT，隨著磁感應強度的增加，開路電位增幅逐漸增大，到120mT時增幅減小。開路電位測試方法僅適用于定性確定腐蝕反應的難度，開路電位越正，腐蝕反應越難發生。不同磁感應強度環境下在鋼筋混凝土中鋼筋的開路電位變化表明，磁場使得鋼筋的開路電位正移，腐蝕傾向越小。

圖6為鋼筋在飽和氫氧化鈣溶液中，不同磁感應強度下測得的Tafel曲線，通過曲線測得鋼筋試樣的腐蝕電位、腐蝕電流密度如表2所示。在磁場作用下，從圖7（a）中可以看出，隨著磁感應強度的增加，整體看來鋼筋的腐蝕電位升高，鋼筋初始受到磁場影響時腐蝕電位迅速上升，隨后磁感應強度的增加，腐蝕電位上升平緩；從圖7（b）中可以發現，腐蝕電流密度隨著磁感應強度的增加而逐漸減小。因為腐蝕電位反應腐蝕難易程度，腐蝕電位正移說明腐蝕更難進行，腐蝕電流密度的減小能反應腐蝕速率降低，這說明在模擬混凝土孔隙液中，磁場能夠抑制鋼筋的腐蝕傾向和降低其腐蝕速率。

圖6 不同磁感應強度下鋼筋Tafel曲線

圖7 不同磁感應強度下鋼筋的腐蝕電位圖（a）和腐蝕電流密度圖（b）

表2 不同磁感應強度下鋼筋的腐蝕電位和腐蝕電流密度

根據本次電化學試驗發現，在模擬混凝土空隙液中，磁場在一定程度上能起到抑制鋼筋銹蝕的作用，其試驗結果與上述鋼筋銹蝕試驗結果一致。在模擬混凝土空隙液中，磁場對鋼筋銹蝕產生抑制作用的原理是，外部磁場環境將鋼筋磁化，使鋼筋帶有一定的磁性，鋼筋從而能產生磁場。鋼筋的銹蝕產物在磁場環境中會產生磁場梯度力，使其吸附在鋼筋表面，從而在一定程度上阻礙鋼筋與外界環境之間進行物質交換，并且會抑制鋼筋銹蝕反應正向進行，從而對鋼筋銹蝕起到抑制作用。

3 結語

（1）在模擬混凝土孔隙液中，不同磁感應強度會影響鋼筋銹蝕溶液的顏色深淺和銹蝕產物的沉淀。磁感應強度越強，溶液顏色深度越淺，隨著磁感應強度的增加溶液由深紅褐色逐漸變淺為淡黃色，并且脫落于杯底的銹蝕產物逐漸減少；

（2）在模擬混凝土孔隙液中，磁場會使鋼筋開路電位正移，腐蝕電流密度減小和腐蝕電位增大；

（3）在模擬混凝土孔隙液中，磁場通過磁場梯度力將鋼筋銹蝕產物吸附于鋼筋表面，起到阻礙鋼筋與溶液進行物質交換，并且抑制鋼筋銹蝕反應正向進行，在一定程度上產生抑制鋼筋的銹蝕的作用。