馮興國(guó)，盧向雨，陳 達(dá)，楊雅師，蘇曉棟

（1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

近年來(lái)，荷載對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的影響已引起人們廣泛關(guān)注.Fang等［1］以周期性載荷研究了混凝土種類、鋼筋腐蝕程度、荷載歷程等對(duì)鋼筋／混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)該界面處的黏結(jié)強(qiáng)度由其荷載歷程決定.Vidal等［2－3］研究了恒定載荷作用下服役14a和17a的混凝土構(gòu)件中裂紋處Cl－濃度、裂紋處鋼筋的腐蝕以及混凝土的力學(xué)性能等，結(jié)果表明混凝土結(jié)構(gòu)的壽命與裂紋寬度無(wú)明顯關(guān)系，而取決于鋼筋／混凝土界面的結(jié)合力和臨界Cl－濃度到達(dá)混凝土覆蓋層中的深度.Apostolopoulos等［4］研究了S400 鋼筋在低周疲勞下的失效情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼筋質(zhì)量損失為2%時(shí)，其失效所需的周期數(shù)將減少22%；當(dāng)鋼筋質(zhì)量損失為3%時(shí)，其失效所需的周期數(shù)將減少47%.Anhvu等［5］分析了預(yù)應(yīng)力混凝土中鋼筋的應(yīng)力腐蝕情況，結(jié)果表明鋼筋的點(diǎn)蝕常常會(huì)發(fā)展成應(yīng)力腐蝕，同時(shí)點(diǎn)蝕引起的應(yīng)力集中也會(huì)降低鋼筋的力學(xué)性能.此外還發(fā)現(xiàn)鋼筋的腐蝕失重會(huì)隨著應(yīng)力的增加而有所增加，但腐蝕產(chǎn)物的成分不會(huì)發(fā)生變化.Valiente等［6］在分析失效的預(yù)應(yīng)力混凝土輸水管線時(shí)，發(fā)現(xiàn)在混凝土覆蓋層沒(méi)有破壞的條件下鋼筋卻發(fā)生了明顯銹蝕，鋼筋的強(qiáng)度和延伸率也明顯降低.Ahn等［7］對(duì)比了恒定載荷和疲勞載荷作用下混凝土結(jié)構(gòu)梁中鋼筋的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)疲勞荷載所導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)梁中鋼筋的銹蝕更為嚴(yán)重.貢金鑫等［8］研究了四點(diǎn)加載條件下混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)腐蝕介質(zhì)與荷載具有明顯的協(xié)同效應(yīng)，且荷載越高，腐蝕的協(xié)同效應(yīng)越明顯.

綜上所述，荷載對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要影響，明確荷載對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的影響對(duì)評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)安全性、預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)壽命具有重要意義.然而，目前關(guān)于荷載對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響都是以拉應(yīng)力為主，關(guān)于壓應(yīng)力影響的研究較少.本文對(duì)比了拉應(yīng)力和壓應(yīng)力下砂漿中鋼筋的腐蝕情況，結(jié)果表明在相同大小的應(yīng)力作用下，承受壓應(yīng)力的鋼筋銹蝕更為嚴(yán)重.

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

鋼筋試樣：φ10碳鋼鋼筋和不銹鋼鋼筋各1根，在它們的頂端分別焊接上銅線，并且用環(huán)氧樹脂密封整根鋼筋和焊接接頭.為進(jìn)行腐蝕研究，待環(huán)氧樹脂干燥后在鋼筋試樣中間打磨出1個(gè)50mm（長(zhǎng)）×5mm（寬）的暴露面并用丙酮除油.鋼筋試樣如圖1所示.

圖1 鋼筋試樣示意圖Fig.1 Illustration of the rebar sample（size：mm）

砂漿試樣：以P·O 32.5水泥和普通河砂為原料，按m（水泥）∶m（砂）∶m（水）＝1.0∶3.0∶0.6的配合比，將原料加到ULZ－15型砂漿攪拌機(jī)中攪拌10min，然后澆注到200mm×60mm×30mm的砂漿模具中并用鏟子將砂漿搗實(shí).砂漿中均勻分布φ10碳鋼鋼筋和不銹鋼鋼筋各1根，24h后拆模，然后用飽含自來(lái)水的脫脂棉對(duì)砂漿試樣養(yǎng)護(hù)28d.除了有鋼筋暴露面一側(cè)的表面，砂漿試樣的其余表面均用環(huán)氧樹脂密封，待環(huán)氧樹脂固化后對(duì)砂漿試樣施加三點(diǎn)荷載.

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)千斤頂和彈簧，以三點(diǎn)加載方式給砂漿試樣分別施加500，2 500，5 000N 的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，加載裝置如圖2所示.將施加荷載的砂漿試樣浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl溶液中.

以飽和甘汞（SCE）為參比電極，鉑電極（Pt）為輔助電極，以PARSTST2273電化學(xué)工作站對(duì)各載荷下的鋼筋試樣進(jìn)行開路電位、線性極化和交流阻抗測(cè)試.在開路電位±5mV 的范圍內(nèi)以0.30mV／s的速率進(jìn)行線性極化，并用CVIEW 圖形擬合軟件擬合極化電阻Rp值，計(jì)算鋼筋的腐蝕速率.以10mV 的擾動(dòng)信號(hào)在105～10－2Hz范圍內(nèi)進(jìn)行交流阻抗測(cè)試.

圖2 加載裝置示意圖Fig.2 Illustration of loading apparatus

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 開路電位

不定期測(cè)量承載鋼筋試樣的開路電位，碳鋼和不銹鋼鋼筋的開路電位Eoc隨時(shí)間的變化如圖3，4所示.由圖3 可見，隨著在3%NaCl溶液中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，各鋼筋試樣的開路電位都有所降低，這與混凝土覆蓋層中Cl－擴(kuò)散密切相關(guān).隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，通過(guò)混凝土覆蓋層滲透到鋼筋／混凝土界面的Cl－逐漸增加，進(jìn)而使鋼筋的腐蝕電位逐步降低.同時(shí)隨著荷載的增加，承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的鋼筋試樣其開路電位都明顯降低.由于本研究中應(yīng)力增加較大，隨著應(yīng)力的增加混凝土覆蓋層的缺陷增多，進(jìn)而加速了Cl－在砂漿中的滲透速率；此外，應(yīng)力會(huì)引起鋼筋表面鈍化膜破裂［9］，導(dǎo)致鋼筋／混凝土界面剝離，因此，隨著應(yīng)力的增加，鋼筋的開路電位逐漸降低.相對(duì)于拉應(yīng)力下的碳鋼鋼筋，承受壓應(yīng)力的碳鋼鋼筋其開路電位明顯更負(fù)，由圖4也能得出同樣結(jié)論.Avelda?o等［10］在研究混凝土梁的腐蝕時(shí)也發(fā)現(xiàn)承壓梁中鋼筋的腐蝕電位更低，并且認(rèn)為這是由于壓應(yīng)力增加了混凝土覆蓋層的致密度，從而使混凝土中氧的擴(kuò)散降低所致.但是隨后的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)承受壓應(yīng)力的梁其混凝土覆蓋層更易開裂，且其裂紋也較承受拉應(yīng)力梁的裂紋更寬.這說(shuō)明承受壓應(yīng)力的鋼筋其銹脹作用更加明顯，因此，承壓鋼筋腐蝕電位更低應(yīng)該與鋼筋的銹蝕程度有關(guān)，而非混凝土中氧的擴(kuò)散受到限制所致.在相同荷載作用下，本研究中的不銹鋼試樣開路電位（圖4）明顯高于碳鋼試樣（圖3），說(shuō)明在含腐蝕介質(zhì)的混凝土環(huán)境中不銹鋼鋼筋的耐蝕性優(yōu)于碳鋼鋼筋.

圖3 承載碳鋼鋼筋的開路電位Fig.3 Variation of OCP（Eoc）of carbon steel bar in mortar

圖4 承載不銹鋼鋼筋的開路電位Fig.4 Variation of OCP（Eoc）of stainless steel bar in mortar

2.2 腐蝕電流密度

當(dāng)承載試樣在3%NaCl溶液中浸泡10，33，51d后，對(duì)其進(jìn)行線性極化測(cè)試以計(jì)算鋼筋極化電阻Rp，并根據(jù)式（1）計(jì)算鋼筋試樣的腐蝕電流密度icorr：

式中：B 為常數(shù)，處于未脫鈍狀態(tài)的鋼筋，B 取52mV；對(duì)于已脫鈍的鋼筋，B 取26mV［11］，本研究B 取26mV.

碳鋼鋼筋和不銹鋼鋼筋的腐蝕電流密度icorr隨時(shí)間的變化如圖5，6所示.從圖5可以看出，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，由于滲透到鋼筋／混凝土界面處的腐蝕介質(zhì)濃度增加，導(dǎo)致鋼筋失鈍加劇，即鋼筋的腐蝕加速，因而各鋼筋試樣的腐蝕電流密度均有所增加.隨著荷載的增加，碳鋼鋼筋的腐蝕電流密度逐漸增加，表明鋼筋的腐蝕逐漸加劇.與承受拉應(yīng)力的碳鋼鋼筋相比，承受壓應(yīng)力的碳鋼鋼筋其腐蝕電流密度增加更為明顯，表明相同荷載作用下壓應(yīng)力對(duì)鋼筋腐蝕的影響較拉應(yīng)力更加明顯，類似的規(guī)律也可在圖6中看到.另外，對(duì)圖5，6 進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)，不銹鋼鋼筋的腐蝕電流密度明顯低于碳鋼鋼筋的腐蝕電流密度，表明不銹鋼鋼筋的耐蝕性明顯優(yōu)于碳鋼鋼筋.因此，腐蝕電流密度測(cè)試結(jié)果與開路電位測(cè)試結(jié)果相互印證，即：不銹鋼鋼筋具有良好的耐蝕性；鋼筋的腐蝕隨著承受荷載的增加而明顯加??；相同應(yīng)力水平下，壓應(yīng)力對(duì)混凝土中鋼筋腐蝕的加劇作用更為明顯.

圖5 承載碳鋼鋼筋的腐蝕電流密度隨時(shí)間變化Fig.5 Variation of corrosion current density of carbon steel bar in mortar

圖6 承載不銹鋼鋼筋的腐蝕電流密度隨時(shí)間變化Fig.6 Variation of corrosion current density of stainless steel bar in mortar

2.3 交流阻抗

當(dāng)承載試樣在3%NaCl溶液中浸泡51d后，對(duì)其進(jìn)行交流阻抗測(cè)量，結(jié)果見圖7，8.可以發(fā)現(xiàn)所有試樣的Nyquist圖中均有2個(gè)時(shí)間常數(shù)；不論試樣承受的是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，其阻抗模值都隨著應(yīng)力的增加而明顯降低.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同荷載條件下不銹鋼鋼筋的阻抗模值明顯高于碳鋼鋼筋，再次印證了在含腐蝕介質(zhì)的混凝土中不銹鋼鋼筋的耐蝕性要明顯優(yōu)于碳鋼鋼筋這一結(jié)論.

Koleva等［12］和Gürten等［13］通過(guò)圖9 所 示 的等效電路分析了混凝土中鋼筋的銹蝕狀態(tài)，其中Rs為溶液電阻；Rcon和Ccon分別為混凝土覆蓋層的電阻和電容；Rct和Q 分別表示鋼筋／混凝土界面的極化電阻和雙電層電容.

根據(jù)等效電路擬合所得混凝土覆蓋層電阻Rcon和鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct如圖10所示.從擬合結(jié)果可以看出，混凝土覆蓋層電阻Rcon明顯低于鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct.Morris等［14］用交流阻抗研究遷移性緩蝕劑時(shí)，也發(fā)現(xiàn)混凝土覆蓋層的電阻明顯低于鋼筋／混凝土界面的極化電阻.由圖10還可發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力增加，不銹鋼鋼筋／混凝土界面和碳鋼鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct值都明顯降低，這與開路電位和腐蝕電流密度的試驗(yàn)結(jié)果相一致，表明鋼筋的耐蝕性隨著承受荷載的增加而逐漸降低.此外，相同荷載作用下不銹鋼鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct明顯高于碳鋼鋼筋／混凝土界面的極化電阻，進(jìn)一步證明在含腐蝕介質(zhì)的混凝土中不銹鋼鋼筋的耐蝕性要明顯優(yōu)于碳鋼鋼筋.

對(duì)比圖10中不同應(yīng)力作用下Rcon和Rct可以發(fā)現(xiàn)，Rcon在不同應(yīng)力作用下的變化相對(duì)較小，而Rct則隨著應(yīng)力增加而明顯降低.因此，應(yīng)力增加導(dǎo)致混凝土中鋼筋腐蝕速率增加的主要原因是鋼筋／混凝土界面受到破壞，導(dǎo)致鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct明顯降低所致.

圖7 承載碳鋼鋼筋在浸泡51d時(shí)的交流阻抗圖Fig.7 EIS results of carbon steel bar in mortars after immersed in NaCl solution for 51days

圖9 混凝土中鋼筋試樣的等效電路Fig.9 Equivalent electrical circuit for modeling the impedance data［12］

另一方面，在相同應(yīng)力水平下，壓應(yīng)力作用下的Rct值比拉應(yīng)力作用下的Rct值小，這也同開路電位和腐蝕電流密度的測(cè)試結(jié)果相互印證，表明在相同荷載作用下，壓應(yīng)力能更為明顯地加劇混凝土中鋼筋的銹蝕.這可能與拉應(yīng)力和壓應(yīng)力下鋼筋表面鈍化膜的不同破裂形式有關(guān).研究表明拉應(yīng)力下鈍化膜以微裂紋的破壞形式為主；壓應(yīng)力下鈍化膜以褶皺形式破裂，且隨著壓應(yīng)力的增加，大量鈍化膜會(huì)從基體脫附［9］.本研究中可能由于壓應(yīng)力更容易導(dǎo)致鋼筋／混凝土界面剝離，進(jìn)而顯著降低鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct，從而使相同荷載作用下的壓應(yīng)力比拉應(yīng)力更為明顯地加劇混凝土中鋼筋的腐蝕.

圖10 不同應(yīng)力作用下混凝土覆蓋層電阻Rcon和鋼筋／混凝土界面的極化電阻RctFig.10 Fitting results of concrete resistance Rcon and polarization resistance Rct

3 結(jié)論

（1）隨著荷載的增加，混凝土中鋼筋的腐蝕速率逐漸增加；在含腐蝕介質(zhì)的混凝土中不銹鋼鋼筋的耐蝕性明顯優(yōu)于碳鋼鋼筋.

（2）相同荷載條件下，承受壓應(yīng)力的鋼筋腐蝕電位比承受拉應(yīng)力鋼筋的低，其腐蝕電流密度則更高，表明相同荷載下壓應(yīng)力能更為顯著地加劇鋼筋腐蝕.

（3）應(yīng)力作用導(dǎo)致鋼筋／混凝土界面的極化電阻降低，進(jìn)而明顯加劇鋼筋的腐蝕.相同荷載作用下，承受壓應(yīng)力的鋼筋／混凝土界面的極化電阻降低更加明顯，即其破壞更加嚴(yán)重，因而壓應(yīng)力對(duì)鋼筋腐蝕的影響更加明顯.

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