王旭峰 張家暢 楊兵兵

（1洛陽路橋建設集團有限責任公司，河南 洛陽 471700；2永城市交通運輸局，河南 永城 476600；3酒泉職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 酒泉 735000）

格爾木不但作為新疆、西藏、青海三省的重要交通樞紐，還具有豐富的鹽湖資源、天然氣資源、石油資源和礦產(chǎn)資源。其先天優(yōu)勢奠定了自身發(fā)展的基礎。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷推進，作為“一帶一路”發(fā)展中線的支線地區(qū)，其必將迎來新的發(fā)展高潮。然而格爾木地區(qū)干旱、少雨、早晚溫差大、風沙大、環(huán)境復雜多變[1]，以及鹽漬土、鹽湖廣泛分布，使得鋼筋混凝土基礎設施在冷熱交替作用下、干濕交替作用下、以及氯鹽、硫酸鹽、重碳酸鹽[2]等有害鹽類等的耦合作用下，使的鋼筋混凝土保護層剝落、混凝土裂縫開展、鋼筋嚴重銹蝕的現(xiàn)象發(fā)生[3-4]。造成了普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性難以滿足設計要求而過早失去承載力發(fā)生破壞。因此實現(xiàn)鋼筋混凝土的耐久性研究，及早的對鋼筋混凝土建筑進行加固、維修具有重要的指導意義。

目前對鋼筋混凝土的耐久性研究主要是在室內(nèi)進行模擬研究，通過加速的試驗手段來反映建筑物的劣化過程，以一定的小數(shù)據(jù)為基礎運用數(shù)學等方法進行模型的建立。但在室內(nèi)環(huán)境變化因素單一，不能較準確的反應實際工作環(huán)境，對實際復雜環(huán)境結(jié)合不足。本文將格爾木典型的鹽漬土地區(qū)作為研究對象，制備鋼筋混凝土試塊，通過電化學工作站對鋼筋的銹蝕進行極化曲線分析[5-7]、非金屬超聲波檢測儀、質(zhì)量變化的相對質(zhì)量評價參數(shù)作為指標[8]，對格爾木地區(qū)鹽漬土環(huán)境下普通鋼筋混凝土的耐久性進行研究。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

水泥選用甘肅祁連山水泥公司的42.5普通硅酸鹽水泥、粗集料采用蘭州華隴商砼公司提供的細石、細集料釆用蘭州安寧河沙、粉煤灰采用蘭州二熱廠生產(chǎn)的性能良好的二級粉煤灰、礦渣粉采用甘肅宏達建材公司提供的S95礦渣粉、減水劑采用蘭州華隴商砼公司提供的羥系減水劑,摻量為2.1%,減水率為18%，各原材料的各項性能指標如下；

表1 普通硅酸鹽水泥的性能指標

1.2 實驗方案

按照表6的配合比制備邊長為100mm×100mm×400mm的鋼筋混凝土試塊。并按照標準養(yǎng)護對試塊養(yǎng)護28d，然后進行基礎試驗（分別進行質(zhì)量檢測、超聲波試驗、電化學試驗），將測得的實驗數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)。鋼筋采用HPB300鋼筋，fy=300N/mm2，直徑8mm長度為350mm，混凝土保護層厚度為10mm（A）和20mm（B）。長度為100mm的銅絲線作為引線，一端與鋼筋纏繞，另一端置于混凝土外部，外露部分約為50mm。將養(yǎng)護好的試塊埋置于格爾木鹽漬土地區(qū)。埋置深度200mm（半埋），一段置于大氣中。每60d對試塊進行一次質(zhì)量檢測，用電子天平稱取每次的質(zhì)量變化。然后進行超聲波檢測，測點分別為試塊上部、中部、下部，每個測點分別在縱橫方向同時檢測，檢測時避開鋼筋。最后進行電化學試驗，試驗時采用三電極測試系統(tǒng)。以鋼筋作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極。每次電化學測試試驗結(jié)束后對外部裸露銅絲線進行環(huán)氧樹脂封涂，防止銹蝕老化。

表2 石子的性能指標

表3 砂子性能指標

表4 粉煤灰的性能指標

表5 礦渣粉的性能指標

表6 普通鋼筋混凝土配合比（kg/m3）

1.3 耐久性指標

鋼筋混凝土試塊在格爾木鹽漬土地區(qū)，因受惡劣天氣以及氯鹽、硫酸鹽等有害鹽的影響，其質(zhì)量會不斷的損失。鋼筋在銹蝕過程中體積膨脹以及混凝土在外部荷載作用下會產(chǎn)生沿鋼筋發(fā)展的裂縫。因此選用相對質(zhì)量評價參數(shù)（ω1）作為鋼筋混凝土試塊耐久性的評價指標，來反映服役過程中的質(zhì)量損失。選用相對動彈性模量評價參數(shù)（ω2）作為鋼筋混凝土試塊的耐久性評價指標，來反映服役過程中裂縫的開展程度。選用腐蝕電流密度來反映鋼筋混凝土在服役過程中的銹蝕程度。

1.3.1 相對質(zhì)量評價參數(shù)

鋼筋混凝土相對質(zhì)量計算公式如下所示[9]：

其中：M0為初始質(zhì)量，Mt為t時刻的質(zhì)量。

氯氧鎂水泥涂層鋼筋混凝土相對質(zhì)量評價參數(shù)如下所示：

其中：ω1＜0，達到破壞；0≤ω1＜1，出現(xiàn)損傷未達到破壞；ω1≥1，未達到破壞且狀態(tài)良好。

1.3.2 相對動彈性模量評價參數(shù)

材料的相對動彈性模量和超聲波波速有如下關(guān)系

E表示材料試驗前的初始動彈性模量和超聲波波速；

E表示材料在實驗中第t次測得的動彈性模量和超聲波速度。

混凝土耐久性指標參考了喬宏霞[10]博士論文中對混凝土耐久性的評價方法，取相對動彈性模量ω2作為鋼筋混凝土耐久性評價參數(shù)，其計算方法如下所示；

其中；ω2時，相對動彈性模量比基準值增加；

0＜ω2＜1時，相對動彈性模量比基準值降低，但未達到破壞；

ω2＜0，相對動彈性模量低于60%，達到破壞。

1.3.3 鋼筋銹蝕參數(shù)

對于活化極化的控制的腐蝕體系，描述極化電流密度I與電極電位E的基本公式為

其中icorr為自然腐蝕電流密度，在腐蝕電化學中用其表示腐蝕速度，E為電極電位，Ecorr為自然腐蝕電位，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，F(xiàn)為Faraday常數(shù)，和為陽極反應和陰極反應的傳遞系數(shù)，n為電極反應速度控制步驟的得失電子數(shù)。腐蝕電流密度的大小可以反映鋼筋的銹蝕狀態(tài)，其大小與銹蝕的對應關(guān)系如表7所示。

2 試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

將A、B試塊按要求置于格爾木鹽漬土地區(qū)進行現(xiàn)場暴露實驗，并跟蹤檢測720d。其實驗結(jié)果與分析如下。

2.1 相對質(zhì)量評價參數(shù)分析

每60d對試塊A、B進行一次試驗，跟蹤監(jiān)測720d，其相對質(zhì)量評價參數(shù)結(jié)果如圖1所示。

圖1 A、B試塊的相對質(zhì)量評價參數(shù)

從圖1中可以看出，隨著是時間的變化，A、B試塊的相對質(zhì)量評價參數(shù)分別在300d和480d達到最大值。此時的相對質(zhì)量評價參數(shù)分別為1.10和1.12左右。然后隨著時間的繼續(xù)增加不斷減小，在720d時時達到最小值，此時的相對棟彈性模量評價參數(shù)分別為0.79和0.80。在剛開始的相對質(zhì)量評價參數(shù)增加的原因分為兩個方面。一方面為混凝土吸收空氣中的CO2發(fā)生碳化，使其質(zhì)量增加。發(fā)生碳化的主要成分為混凝土水化后產(chǎn)生氫氧化鈣（Ca(OH)2）、水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）、未水化的硅酸三鈣（3CaO·SiO2）和硅酸二鈣（2CaO·SiO2）

其具體的化學方程式如下[12]。

另一方面可能是由于鹽漬土中含有大量的引起鋼筋銹蝕的氯離子。氯離子侵入混凝土內(nèi)部后達到鋼筋表面，引起鋼筋表面鈍化膜的破壞，使得混凝土中鋼筋的銹蝕，造成鋼筋的質(zhì)量增加。其具體的化學方程式如下[13]。

經(jīng)過最大值后，鋼筋混凝土相對質(zhì)量評價參數(shù)不斷降低，一方面其原因是由于格爾木地區(qū)風沙較大，外部荷載和作用使得鋼筋混凝土質(zhì)量減小。另一方面是由于鹽漬土中的硫酸根離子侵入混凝土內(nèi)部生成石膏，石膏的生成會造成體積膨脹，其膨脹為原來的1.24倍[14]，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應力導致混凝土剝落。以及鈣礬石的生成，鈣礬石的生成會使體積增大為原來的2.77[15]倍，從而引起混凝土膨脹破壞。

圖2 A、B試塊的相對動彈性模量評價參數(shù)

2.2 相對動彈性模量評價參數(shù)分析

從圖2中可以看出，隨著時間的推移A、B鋼筋混凝土試塊相對動彈性模量評價參數(shù)不斷增加。A試塊在300d時增加到最大值，此時的相對動彈性模量評價參數(shù)值為1.17。B試塊在420d增加到最大值，此時的相對動彈性模量評價參數(shù)為1.18。A、B試塊在各自峰值以后其相對動彈性模量評價參數(shù)不斷的減小，在720d時達到最小值。A試塊的相對動彈性模量評價參數(shù)值為0.71，B試塊的相對動彈性模量評價參數(shù)值為0.77。其相對動彈性模量評價參數(shù)增加的原因可能是混凝土的碳化生成碳酸鈣等使得密度增加。其相對動彈性模量評價參數(shù)減小的原因一方面是由于氯離子的侵入加速了鋼筋的銹蝕。鋼筋的銹蝕物的生成，體積膨脹在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應力，促使了混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)生。另一方面由于硫酸根離子的侵入，產(chǎn)生石膏和鈣礬石，使得混凝土內(nèi)部體積膨脹，進一步促使混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生。上述綜合原因造成了鋼筋混凝土相對動彈性模量的減小。

表7 腐蝕電流密度與鋼筋銹蝕程度的對應關(guān)系[11]

圖3 A試塊0d-720d極化曲線圖

2.3 極化曲線分析

將制備好的試塊A、B標準養(yǎng)護28d后測得第一次的腐蝕電流密度作為試塊A、B的基準值。在試塊埋置在格爾木地區(qū)后每60d對試塊進行一次電化學試驗。其結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3（a）中可以看出在0d時試塊A的腐蝕電位大概處于-0.78V左右，60d時腐蝕電位負向移動-0.87V左右，電位負向移動表明鋼筋的銹蝕很容易發(fā)生。此時此階段鋼筋發(fā)生銹蝕。從60d到120d腐蝕電位正向移動，此時表明鋼筋的銹蝕不容易發(fā)生，其原因可能是鋼筋表面銹蝕層的形成抑制了銹蝕的進一步發(fā)生。從120d到360d腐蝕電位繼續(xù)正向移動，表明隨著腐蝕的進行銹蝕物的不斷產(chǎn)生，鋼筋的腐蝕愈發(fā)困難，但是銹蝕仍是在不斷的進行中。從圖3（b）中可以看出420d時陽極極化曲線特別陡峭，而陰極極化曲線相對平緩，此時表明塔菲爾斜率βα很大，即鋼筋的銹蝕不易發(fā)生。從420d到480d腐蝕電位正向移動，480d到540d腐蝕電位負向移動，540d到600d腐蝕電位又正向移動，600d到660d又負向移動，660d到720d腐蝕電位變化不大，如此反復正負向移動的原因可能是鋼筋在銹蝕過程中銹蝕物的產(chǎn)生對腐蝕的抑制，腐蝕物產(chǎn)生后由于氯離子具有很強的穿透性，其繼續(xù)向基體內(nèi)部侵蝕，使得腐蝕的進一步發(fā)生，腐蝕的進一步發(fā)生又會造成新腐蝕產(chǎn)物對氯離子的阻擋，使得腐蝕的進一步發(fā)生困難。從圖4（a）中可以看出從0d到360d陽極極化曲線一值都很陡峭，表明鋼筋的腐蝕較困難。而圖3（a）相對來說陽極極化曲線較平緩，其原因可能是由于試塊B的混凝土保護層比試塊A的厚，混凝土保護層阻止了氯離子侵入其內(nèi)部，延緩了到達鋼筋基體的時間，從而使得在原有的堿性環(huán)境下鋼筋表面的鈍化膜保存完整，抑制了銹蝕的發(fā)生。而圖4（b）420d到720d陽極極化曲線相對較緩，此時鋼筋的銹蝕容易發(fā)生，其原因是氯離子已侵入混凝土內(nèi)部達到基體表面，使得鋼筋的鈍化膜破壞，腐蝕易發(fā)生。

圖4 B試塊0d-720d極化曲線圖

2.4 腐蝕電流密度變化分析

鋼筋混凝土試塊A、B的腐蝕電流密度計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 試塊A、B的腐蝕電流密度

從圖5中可以看出試塊A、B的腐蝕電流密度隨時間的增長在不斷的增加，基準值分別為0.0825μA·cm-2和0.0383μA·cm-2。從表7腐蝕電流密度與鋼筋銹蝕情況的對應關(guān)系可以看出，此時鋼筋處于未銹蝕狀態(tài)，此狀態(tài)一直持續(xù)到60d。A試塊從120d到660d腐蝕電流密度不斷增大，并且在 0.1μA·cm-2＜icoorA＜0.5μA·cm-2，表明此階段試塊A一直處于低腐蝕狀態(tài)。從660d往后試塊A的腐蝕電流密度大于0.5μA·cm-2，表明自660d后試塊A處于中等銹蝕狀態(tài)。試塊B從60d到720d其腐蝕電流密度一直處于0.1μA·cm-2＜icoorB＜0.5μA·cm-2之間，表明試塊B自60d后一直處于低腐蝕的狀態(tài)。雖然試塊A較試塊B保護層厚度略大10mm但是從銹蝕狀態(tài)來看其保護效果并非很顯著，只對鋼筋進入中等銹蝕狀態(tài)起到了很小的作用。

3 結(jié) 語

1）利用相對動彈性模量評價參數(shù)、相對質(zhì)量評價參數(shù)和腐蝕電流密度的大小可以從多方面對鋼筋混凝土的耐久性進行綜合評價分析。并且從相對動彈性模量評價參數(shù)和相對質(zhì)量評價參數(shù)的增加和衰減速率可以看出，利用非金屬超聲波檢測法得到的相對動彈性模量評價參數(shù)可以更好的作為耐久性評價指標。

2）混凝土保護層厚度雖然可以在一定程度上對鋼筋起到保護作用，但是在長期的服役過程中并不能對鋼筋的銹蝕起到?jīng)Q定性的保護作用。

[1]鄧紅章.基于MODIS的格爾木地區(qū)蒸散量研究[D].長安大學,2010.

[2]楊勁松.中國鹽漬土研究的發(fā)展歷程與展望[J].土壤學報,2008,(05):837-845.

[3]周綱,李少榮,王掌軍,王沖鋒.鹽漬土地區(qū)混凝土腐蝕狀況調(diào)查分析[J].建筑科學與工程學報,2011,28(04):121-126.

[4]林德源,易博,陳云翔,張俊喜,洪毅成.鹽漬土環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕的研究進展[J].材料導報,2014,28(11):137-141.

[5]張俊喜,易博,林德源,陳云翔,戴念維,洪毅成.鹽漬土環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕的電化學研究[J/OL].建筑材料學報,2016,19(02):390-396+403.

[6]姬永生,王志龍,徐從宇,周敏,趙穩(wěn).混凝土中鋼筋腐蝕過程的極化曲線分析[J].浙江大學學報(工學版),2012,46(08):1457-1464.

[7]喬宏霞,鞏位,陳廣峰,樊樂濤.基于極化曲線的鎂水泥混凝土中鋼筋腐蝕試驗[J/OL].華中科技大學學報(自然科學版),2016,44(01):6-10.

[8]喬宏霞,路承功,李宇,關(guān)利娟.寧夏鹽漬土地區(qū)現(xiàn)場暴露混凝土耐久性損傷評價試驗[J].建筑科學與工程學報,2016,33(06):44-52.

[9]何海杰.蘭州地區(qū)現(xiàn)場暴露普通混凝土耐久性試驗研究及壽命預測[D].蘭州理工大學,2013.

[10]喬宏霞.混凝土抗硫酸鹽腐蝕耐久性的評價方法研究[D].蘭州理工大學.2007.

[11]羅剛,施養(yǎng)抗.鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋銹蝕量的無損檢測方法[J].福建建筑,2002,04:55-57

[12]何智海,劉運華,白軻,劉江紅.混凝土碳化研究進展[J].材料導報,2008,22(S1):353-357.

[13]宋立元.海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)氯離子腐蝕耐久性研究[D].大連理工大學,2009.

[14]田曉宇,白英,楊晨晨,劉李杰.受損輕骨料混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能[J].硅酸鹽通報,2015,34(12):3726-3730.

[15]高潤東.復雜環(huán)境下混凝土硫酸鹽侵蝕微—宏觀劣化規(guī)律研究[D].清華大學,2010.

姚燕院長為張鳳棣先生賀期頤壽誕

11月8日，我國混凝土科學的一代宗師吳中偉院士的夫人張鳳棣先生喜迎百歲壽辰。中國建材集團副董事長、中國建材總院院長姚燕親自帶領中國建材集團和中國建材總院相關(guān)人員來到吳師母的家中祝賀。除了生日蛋糕和鮮花，姚燕還送上了為師母百歲壽辰精心準備的禮物——百歲祝壽文集，這是由行業(yè)內(nèi)50余位與吳中偉院士共同工作的同事、朋友、學生和吳中偉青年科技獎獲得者為吳師母百歲壽辰獻上的祝福，先生看了非常高興，仔細閱讀了每一個祝福。