李 敢，童水明，喻 強(qiáng)，劉 東

（1.湖北省黃黃高速公路管理處，湖北武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)，湖北武漢 430073）

氯離子對(duì)混凝土鋼筋腐蝕行為的影響

李 敢1，童水明1，喻 強(qiáng)1，劉 東2

（1.湖北省黃黃高速公路管理處，湖北武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)，湖北武漢 430073）

探究了氯離子對(duì)模擬混凝土孔隙液中鋼筋腐蝕行為的影響。結(jié)果表明：無(wú)氯離子存在時(shí)，鋼筋腐蝕速率都很小。氯離子的引入加大了鋼筋的腐蝕速率，溶液pH越高，金屬抗氯離子破壞能力越強(qiáng)；低pH時(shí)，金屬表面腐蝕形貌以局部腐蝕為主。

混凝土；鋼筋腐蝕；極化曲線；電化學(xué)阻抗譜

0 前 言

眾所周知，鋼筋混凝土在建筑結(jié)構(gòu)材料和工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對(duì)現(xiàn)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的作用舉足輕重。導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞的原因主要是鋼筋的銹蝕，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的過(guò)早失效，給當(dāng)今世界各國(guó)造成了嚴(yán)重的損失。

氯鹽是造成鋼筋銹蝕的主要因素之一，對(duì)混凝土構(gòu)成嚴(yán)重威脅。氯離子的引入主要通過(guò)以下兩種方式：一類是在混凝土攪拌時(shí)使用了含氯鹽的原材料，另一類是從外部滲入。如沿海的鹽霧以及內(nèi)陸的鹽堿地、高濃度的鹽湖；在進(jìn)行道路除冰時(shí)，大量融雪劑的使用等。鋼筋混凝土構(gòu)筑物中不可避免的含有氯離子，勢(shì)必造成鋼筋的腐蝕，從而破壞混凝土的穩(wěn)定性，因此探究鋼筋在含Cl-環(huán)境中的腐蝕行為具有重要的理論和工程意義。

本文采用極化曲線和電化學(xué)阻抗譜技術(shù)以及微觀分析方法，探究了不同pH條件下，Cl-對(duì)模擬混凝土孔隙液中鋼筋的腐蝕行為。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為Q345B碳鋼，實(shí)驗(yàn)前將鋼試樣四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封，只留下0.5 cm2表面作為工作區(qū)。每次電化學(xué)測(cè)試前，電極表面依次用800#、1 200#、1 500#的SiC砂紙磨平，丙酮除油，蒸餾水沖洗，吹干，備用。用飽和Ca（OH）2溶液來(lái)模擬混凝土孔隙溶液，其pH為12.5，通過(guò)NaHCO3和NaOH來(lái)調(diào)節(jié)pH。

采用三電極體系進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，飽和甘汞和鉑電極分別做為參比電極和輔助電極，Q345B碳鋼為工作電極。采用動(dòng)電位慢掃描方式進(jìn)行極化曲線測(cè)試，速率為10 mV/min，電位區(qū)間為相對(duì)開(kāi)路電位-15 mv～1.0 V。電化學(xué)阻抗測(cè)試（EIS）測(cè)試頻率為105～10-2Hz，擾動(dòng)電壓振幅為5 mv。用工業(yè)顯微鏡觀察腐蝕形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1體系無(wú)Cl-

圖1為Q345B鋼在模擬孔隙液中不同pH條件下的電化學(xué)阻抗譜，其阻抗越大，表示腐蝕過(guò)程越不易發(fā)生。由圖1（a）可知，pH為12.5時(shí)，當(dāng)浸泡時(shí)間超過(guò)6 h后，阻抗弧已經(jīng)變得非常大，表明Q345B鋼腐蝕速率非常小。這是由于電極表面形成了致密的保護(hù)膜，阻止了腐蝕的發(fā)生。調(diào)節(jié)溶液pH值為13.6，模擬鋼筋在更高堿性孔隙液中的腐蝕行為，如圖1（b）所示。由圖可知，當(dāng)浸泡時(shí)間超過(guò)6 h后，電極表面也形成致密的鈍化膜。相比于pH12.5，此時(shí)鋼筋腐蝕速率更小。表明維持高堿性環(huán)境，更加有利于鋼筋防護(hù)。然而，很多情況下鋼筋混凝土?xí)l(fā)生碳化而使溶液pH下降。圖1（c）為Q345B鋼在模擬碳化孔隙液為pH9.6時(shí)的電化學(xué)阻抗譜。由圖1（b）可知，6 h后，Q345B鋼表面還是會(huì)形成一定數(shù)量含鐵氧化膜，減緩金屬的腐蝕。

圖1　Q345B鋼在模擬孔隙液中的電化學(xué)阻抗譜

2.2體系加入Cl-

通過(guò)采用點(diǎn)蝕擊穿曲線，探究不同pH條件下Cl-對(duì)模擬混凝土孔隙液中鋼筋的腐蝕行為，其結(jié)果見(jiàn)圖2。如果電極的擊穿電位越正，表明電極抗Cl-破壞能力越強(qiáng)。由圖2（a）可知，當(dāng)溶液pH為12.6，Cl-濃度為0.06M時(shí)，體系傾向于發(fā)生鈍化膜破裂。結(jié)果同時(shí)表明Cl-濃度在0.05M以下，鋼筋混凝土是安全的。當(dāng)體系pH值增加到13.6，由圖2（b）可知，使鈍化膜容易破裂的Cl-濃度會(huì)增加到1.0M，表明在高堿性條件下的形成的鈍化膜具有更加致密的結(jié)構(gòu)，有更好的保護(hù)性能，破壞已形成的鈍化保護(hù)膜需要更多的Cl-數(shù)量。而由圖2（c）可知，當(dāng)溶液體系發(fā)生碳化后，如pH值降為9.6，即使少量的Cl-，濃度為0.005M時(shí)，電極依然容易發(fā)生膜破裂，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，電極表面有點(diǎn)蝕坑。以上結(jié)果表明，溶液pH越高，抗Cl-腐蝕能力越強(qiáng)。

圖2 Q345B鋼在含Cl-模擬孔隙液中的點(diǎn)蝕擊穿曲線圖

圖3為Q345B鋼在含Cl-模擬孔隙液中浸泡24 h的形貌圖。由圖3（a）可知，在pH12.5+ 0.06MCl-的條件下，電極表面出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物堆積，還可以觀察到明顯的腐蝕坑。由圖3（b）可知，在pH13.6+1.0MCl-的條件下，電極表面并沒(méi)有出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，結(jié)合極化曲線結(jié)果，表明此時(shí)腐蝕為均勻腐蝕。由圖3（c）可知，在pH9.6+0.05MCl-的條件下，電極腐蝕以絲狀腐蝕為主，即使存在低濃度的Cl-，點(diǎn)蝕依舊容易發(fā)生。

圖3　Q345B鋼在含Cl-模擬孔隙液中浸泡24 h的形貌圖

2.3機(jī)理討論

在實(shí)際應(yīng)用中，處在強(qiáng)堿性環(huán)境下的鋼筋表面會(huì)生成一層致密的鈍化膜，該鈍化膜主要是由具有尖晶石結(jié)構(gòu)的Fe3O4-γFe2O3鐵氧化物的固溶體膜構(gòu)成。此類膜對(duì)鋼筋有極強(qiáng)的保護(hù)作用，這就使得在通常情況下混凝土中鋼筋處于保護(hù)狀態(tài)、免受腐蝕的侵?jǐn)_。

鋼筋鈍化膜在混凝土高堿性的孔隙液中形成，在低Cl-濃度條件下，鋼筋依舊可以保持鈍化。由于Cl-比O2和OH-更易于吸附并進(jìn)入鈍化膜，當(dāng)鋼筋基體表面Cl-達(dá)到并超過(guò)臨界氯離子含量時(shí)，處于自由狀態(tài)的Cl-便會(huì)與Fe離子形成可溶性絡(luò)合物。當(dāng)pH值下降時(shí)，鈍化膜則處于活躍狀態(tài)并且變得不穩(wěn)定，氯離子可以穿透混凝土結(jié)構(gòu)并且吸附在鈍化膜表面，使得鈍化膜處pH急劇減小，逐步酸化，最終導(dǎo)致鈍化膜逐漸被破壞。在陽(yáng)極生成的可溶性的鐵氯化物并擴(kuò)散到溶液本體中，而FeCl2和FeCl3又重新離解為鐵離子和氯離子。造成混凝土鋼筋內(nèi)部出現(xiàn)大陰極、小陽(yáng)極的電位差，從而使得陽(yáng)極反應(yīng)得以順利的進(jìn)行乃至加速進(jìn)行，鐵離子則被轉(zhuǎn)移到了本體溶液中，從而導(dǎo)致混凝土中鋼筋發(fā)生腐蝕。

3 結(jié) 論

混凝土中鋼筋表面的高堿性環(huán)境，致使其表面形成一層致密的鈍化膜，該鈍化膜主要成分為鐵基氧化物，使得鋼筋具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力。氯離子的引入加大了鋼筋的腐蝕速率，溶液pH越高，抗氯離子破壞能力越強(qiáng)。低pH時(shí)，金屬表面腐蝕形貌以局部腐蝕蝕為主。

［1］ 唐方苗，徐暉，陳雯，等.模擬混凝土孔隙液中鋼筋電化學(xué)腐蝕行為及pH值的影響作用［J］.功能材料，2011，42（2）：291-297.

［2］ 張俊喜，王靈芝，蔣俊，等.鋼筋在模擬碳化漸變條件下的腐蝕過(guò)程研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2014，17（1）：66-71.

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U445

C

1008-3383（2016）09-0140-02

2016-06-08

李敢（1975-），男，湖南汨羅人，工程師，從事高速公路施工及法律、行政管理工作。

湖北省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（鄂交科教［2013］731號(hào)），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51401150）

劉東（1980-），男，湖北荊州人，博士，副教授，研究方向：材料失效與防護(hù)。