康 悅， 李 剛， 金祖權(quán)，*, 趙鐵軍

(1. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 山東 青島 266033； 2. 青島地鐵集團(tuán)有限公司， 山東 青島 266000)

0 引言

沿海地鐵地下水和大氣中含有高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯離子，是導(dǎo)致普通鋼筋混凝土腐蝕破壞的主要原因[1-2]，并影響混凝土的服役性能。目前，針對混凝土中鋼筋銹蝕問題，已有諸多學(xué)者做了大量的研究。如JIN Zuquan等[3-4]研究了鋼筋在多種離子存在下的腐蝕過程和機(jī)制、恒電位和壓荷載持續(xù)作用下鋼筋混凝土的腐蝕開裂行為； ZHAO Yuxi等[5]研究了劣化2年的鋼筋混凝土裂縫寬度與銹蝕分布情況； 姬永生等[6]通過對不同銹蝕階段鋼筋與混凝土界面的細(xì)觀觀測,揭示了混凝土銹脹開裂過程和鋼筋銹蝕速率的時變過程； 張偉平等[7]研究了一般大氣環(huán)境下和海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)制以及混凝土中鋼筋銹蝕量的預(yù)測方法。鋼筋混凝土一旦發(fā)生鋼筋銹蝕，銹斑及銹脹裂縫的形成不僅影響飾面效果，而且影響混凝土的耐久性能。

混凝土中鋼筋銹蝕是一個長期過程，采用自然浸泡法和海洋暴露試驗(yàn)周期很長[8]，而采用內(nèi)摻氯鹽、內(nèi)置不銹鋼加速等加速試驗(yàn)方法會與實(shí)際情況存在一定差異。針對沿海地鐵混凝土高耐久性需要，設(shè)計了一種恒電位加速試驗(yàn)方法，系統(tǒng)研究了3種不同配比混凝土在恒電位加速腐蝕下的鋼筋銹蝕行為，從而為青島地鐵高性能混凝土的優(yōu)選提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

日照中聯(lián)生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5級普通硅酸鹽水泥； 青島中礦宏遠(yuǎn)牌S95級礦粉； 華電濰坊產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度2.4%，燒失量1%；?？?上海)牌硅灰，5～25 mm連續(xù)級配的玄武巖碎石； 細(xì)度模數(shù)為2.6的中粗河砂，含泥量為1.6%，堆積密度為1 563 kg/m3； 西卡聚羧酸高效減水劑，減水率約為30%。設(shè)計3種不同配比的混凝土，針對C50混凝土主要考慮低摻量礦物摻合料(C50S)，以及大摻量礦物摻合料和低W/B方案(C50)?；炷僚浔热绫?所示。新拌混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度如表2所示。

表1 混凝土配比Table 1 Mixing proportions of concrete kg/m3

表2 新拌混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度Table 2 Compressive strength and workability of fresh concrete

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件成型

帶溶液槽的鋼筋混凝土試件如圖1所示。首先，加工如圖1(a)所示的底部PVC板，并將底部PVC板放置在100 mm×100 mm×300 mm的模具底部，側(cè)邊PVC放置在100 mm×100 mm×300 mm模具的兩側(cè)； 其次，將直徑為10 mm、長度為300 mm的普通光圓鋼筋經(jīng)酸洗并打磨干凈后，在其一側(cè)端部綁扎銅導(dǎo)線，并將兩端鋼筋放置于側(cè)邊PVC板(見圖1(b))預(yù)留的孔道內(nèi)，將鋼筋固定，鋼筋的端頭用環(huán)氧樹脂密封； 然后，澆筑混凝土，混凝土保護(hù)層厚度為30 mm，如圖1(c)所示； C40、C50、C50S、C55的混凝土成型2 d后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d，成型試件見圖1(d)。

1.2.2 恒電位加速試驗(yàn)及測試

對鋼筋混凝土試件恒電位加速腐蝕。由于目前電加速試驗(yàn)缺少現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)，本研究參考國家規(guī)定的保障人身安全的電壓等級，選擇通電電壓為30 V，選用海水作為腐蝕溶液，海水pH值為8.0～8.2,氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.534 g/kg,硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.712 g/kg。鋼筋連接直流電源的正極，不銹鋼片放置于帶有海水的凹槽內(nèi)，連接直流電源的負(fù)極，不銹鋼片與鋼筋構(gòu)成閉合回路的同時驅(qū)動氯離子向鋼筋方向遷移，以達(dá)到加速腐蝕效果。在通電過程中持續(xù)記錄電流變化，并每隔一定時間對鋼筋混凝土試件進(jìn)行電化學(xué)測試，電化學(xué)測試均在關(guān)閉電源1 h后進(jìn)行，以保證鋼筋表面及鋼筋/混凝土界面區(qū)的穩(wěn)定性，并消除雜散電流對測試結(jié)果的影響[9]。電化學(xué)測試采用Princeton VersaSTAT 3系列電化學(xué)工作站，采用經(jīng)典的三電極法，即鋼筋為工作電極，不銹鋼板為輔助電極，飽和甘汞電極SCE(飽和KCl)作為參比電極[10]。在電化學(xué)阻抗譜(EIS)測試中，施加正弦信號擾動幅值為10 mV，掃描頻率從0.1 MHz到10 MHz。鋼筋銹蝕后持續(xù)對混凝土試件通電，在此過程中用裂縫測寬儀定期測定裂縫的寬度，直至裂縫寬度達(dá)到0.2 mm時結(jié)束通電。恒電位加速試驗(yàn)裝置及電化學(xué)測試裝置如圖2所示。

(a) 底部PVC板(單位： mm)

(b) 側(cè)邊PVC板(單位： mm)

(c) 模具實(shí)物圖

(d) 成型試件圖1 帶溶液槽的鋼筋混凝土試件Fig. 1 Reinforced concrete specimen with solution tank

(a)

(b)

(c)圖2 恒電位加速試驗(yàn)裝置及電化學(xué)測試裝置Fig. 2 Constant potential acceleration test device and electrochemical test device

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土中鋼筋銹蝕形貌及銹斑面積分析

將通電結(jié)束后的鋼筋混凝土試件從縱向沿鋼筋劈裂，腐蝕后鋼筋混凝土內(nèi)部銹斑分布如圖3所示。取出鋼筋后觀測，其銹蝕狀況如圖4所示。

顯然，混凝土中鋼筋銹蝕主要發(fā)生在靠近腐蝕溶液的保護(hù)層一側(cè)，鋼筋銹蝕產(chǎn)物沿保護(hù)層向外遷移從而導(dǎo)致保護(hù)層一側(cè)混凝土開裂。此外，鋼筋表面出現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，混凝土中的鋼筋銹斑呈非均勻分布。因此，采用本試驗(yàn)方法進(jìn)行的恒電位加速腐蝕與自然腐蝕情況類似。

為定量分析鋼筋銹蝕產(chǎn)物分布及銹蝕程度，用Image-Pro Plus圖像分析軟件對劈裂混凝土試件的銹斑進(jìn)行捕捉并計算面積。該軟件主要利用銹斑部分與未銹蝕部分灰度值不同捕捉到銹斑，并根據(jù)引入的測量標(biāo)尺計算出銹斑面積[11]。銹蝕鋼筋混凝土銹斑面積捕捉分析及計算結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

(a) C40

(b) C50

(c) C50S

(d) C55圖3 腐蝕后鋼筋混凝土內(nèi)部銹斑分布Fig. 3 Distribution of rust inside reinforced concrete after corrosion

(a) 鋼筋上表面(靠近保護(hù)層)

由圖6可知： C55混凝土的銹斑面積為7 706.127 mm2，占100 mm×300 mm平面的25.6%；C40混凝土的銹斑面積是C55混凝土的1.43倍，達(dá)到整個平面面積的36.7%。顯然，混凝土強(qiáng)度等級的提升有助于降低鋼筋銹蝕程度及銹斑擴(kuò)散范圍。

(a) C40

(b) C50

(c) C50S

(d) C55圖5 銹蝕鋼筋混凝土銹斑面積捕捉分析Fig. 5 Analysis of rust spot of corroded reinforced concrete

圖6 銹蝕鋼筋混凝土銹斑面積計算結(jié)果Fig. 6 Rust spot area of corroded reinforced concrete

2.2 鋼筋腐蝕電流演變及鋼筋銹蝕量計算

恒電位加速腐蝕過程中電流演變結(jié)果如圖7(a)所示?？芍?各配比混凝土的腐蝕電流演變規(guī)律一致； 鋼筋腐蝕電流逐漸變小，這是因?yàn)殡S著銹蝕的加劇，銹蝕產(chǎn)物逐漸積累導(dǎo)致鋼筋的電阻率逐漸增大，致使腐蝕電流變??； 當(dāng)混凝土開裂導(dǎo)致腐蝕溶液滲透至鋼筋表面，腐蝕電流突然變大，進(jìn)而趨于平穩(wěn)； 不同配比混凝土的初始電流大小排序?yàn)镃40>C50>C50S>C55，由于電壓恒定在30 V，因此，混凝土的初始電阻大小排序?yàn)镃55>C50S>C50>C40，這表明混凝土的抗?jié)B透性能隨強(qiáng)度等級的提升而增加； 根據(jù)腐蝕電流的拐點(diǎn)可以確定C40、C50、C50S、C55混凝土的腐蝕開裂時間分別為120、136、176、264 h。

根據(jù)鋼筋腐蝕電流演變，按照法拉第定律計算鋼筋的銹蝕量，除以鋼筋質(zhì)量，即可得到鋼筋銹蝕率[12]，如式(1)所示。計算鋼筋銹蝕率演變?nèi)鐖D7(b)所示。

(1)

式中： ΔW為鋼筋在Δt內(nèi)的腐蝕量，kg；M為鐵的摩爾質(zhì)量，55.8 g/mol；n為金屬在氧化過程中失去的價電子數(shù)；Q為流過陽極的電量，C；F為法拉第常數(shù)，96 485 C/mol；I為流出鋼筋的電流強(qiáng)度，A；m為鋼筋初始質(zhì)量, g。

(a) 腐蝕電流演變

(b) 計算鋼筋銹蝕率演變圖7 腐蝕電流及鋼筋銹蝕率隨通電時間的演變Fig. 7 Variation of corrosion current and corrosion rate of reinforced bar with electrified time

綜合分析鋼筋初始電流、鋼筋銹脹開裂時間及鋼筋銹蝕率可知，混凝土護(hù)筋能力排序?yàn)镃55>C50S>C50>C40。

2.3 鋼筋混凝土腐蝕過程中電化學(xué)阻抗譜分析

圖8為不同通電時間下各配比混凝土的交流阻抗譜圖。通電初始，各配比混凝土的低頻區(qū)容抗弧為1條上揚(yáng)的曲線，容抗弧的半徑較大，這表明鋼筋表面鈍化膜的阻值與電容值非常大; 隨著通電時間的延長，低頻區(qū)容抗弧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)慢慢發(fā)生變化，原本上揚(yáng)的曲線逐漸收縮下壓，容抗弧的半徑越來越小，這表明隨著通電時間的延長，鋼筋表面的鈍化膜逐漸被破壞，進(jìn)而使鋼筋出現(xiàn)銹蝕。

將測得的交流阻抗譜圖通過Zsimpwin軟件進(jìn)行擬合，得到鋼筋的極化阻值[13]，以此定量分析鋼筋的腐蝕程度，擬合電路采用R(R(Q(RQ)))(模型1)以及R(R(Q(R(QW)))(模型2)2種模型[14]，如圖9所示。求得不同配比混凝土不同通電時間鋼筋的電荷轉(zhuǎn)移電阻，如表3所示。

根據(jù)擬合得到的鋼筋極化阻值，帶入Stern-Geary 公式(式2)，即可得到鋼筋腐蝕電流密度[15]。基于阻抗譜的鋼筋混凝土腐蝕電流密度演變?nèi)鐖D10所示。

icoor=B/Rp。

(2)

式中：icoor為腐蝕電流密度，μA/cm2；B為塔菲爾斜率，當(dāng)鋼筋處于活化狀態(tài)時B取26 mV，當(dāng)鋼筋處于鈍化狀態(tài)時B取52 mV[16]；Rp為鋼筋的極化電阻，kΩ·cm2。

通常：icoor<0.1 μA/cm2時，鋼筋處于鈍化狀態(tài)； 0.1 μA/cm2≤icoor<0.2 μA/cm2時，鋼筋處于鈍化和極低腐蝕速率之間；0.2 μA/cm2≤icoor<0.5 μA/cm2時，鋼筋處于低腐蝕速率狀態(tài)； 0.5 μA/cm2≤icoor<1 μA/cm2時，鋼筋處于中腐蝕速率狀態(tài)； 1 μA/cm2≤icoor時，鋼筋處于高腐蝕速率狀態(tài)[17]。在鋼筋混凝土通電初始階段，鋼筋都處于鈍化狀態(tài)，腐蝕電流密度值均非常小，隨著通電時間的延長，腐蝕電流密度緩慢上升并顯著增大。依據(jù)腐蝕電流的拐點(diǎn)，確定C40、C50、C50S、C55混凝土中鋼筋脫鈍時間分別為60～70、80～90、90～100、100～110 h。

腐蝕電流密度達(dá)到0.2 μA/cm2與0.5 μA/cm2的先后順序?yàn)镃40、C50、C50S、C55，說明在此期間各配比試件中鋼筋腐蝕速率大小關(guān)系為C40>C50>C50S>C55，這與鋼筋銹蝕誘導(dǎo)混凝土開裂時間的順序一致。同時，鋼筋銹蝕速率越快，結(jié)構(gòu)開裂速度和承載力損失速度也越快，這會顯著降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能，當(dāng)鋼筋銹蝕發(fā)展到一定程度時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會徹底失效。

(a) C40

(b) C50

(c) C50S

(d) C55圖8 不同通電時間下各配比混凝土的交流阻抗譜圖Fig. 8 Electrochemical impedance spectroscopy of concrete specimens under different electrifying time

(a) 模型1

(b) 模型2

(a) C40

(b) C50

(c) C50S

(d) C55圖10 基于阻抗譜的鋼筋混凝土腐蝕電流密度演變Fig. 10 Evolution of corrosion current density of reinforced concrete based on electrochemical impedance spectroscopy

2.4 鋼筋混凝土銹脹裂縫演變

用裂縫測寬儀對電加速過程中試件產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行持續(xù)測量，直到裂縫寬度達(dá)到0.2 mm時終止測量。不同配比混凝土銹脹裂縫寬度與通電時間的關(guān)系如圖11所示。

(a) C40

(b) C50

(c) C50S

(d) C55圖11 不同配比混凝土銹脹裂縫寬度與通電時間的關(guān)系Fig. 11 Variation of crack width of concrete with different mixing proportions vs. time

顯然，鋼筋混凝土銹脹裂縫開展速率是逐漸變小的。這是因?yàn)楫?dāng)銹蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的銹脹應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度致使混凝土產(chǎn)生貫穿裂縫后，后期產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物會沿裂縫溢出，裂縫對銹脹應(yīng)力產(chǎn)生疏導(dǎo)作用，使裂縫開展變慢。

3 結(jié)論與討論

1)通過上置腐蝕溶液槽的恒電位加速腐蝕試驗(yàn)，得出： 混凝土中鋼筋銹蝕發(fā)生在鋼筋上表面，銹斑沿保護(hù)層方向擴(kuò)散；鋼筋發(fā)生點(diǎn)蝕，混凝土銹斑非均勻分布。試驗(yàn)結(jié)果與鋼筋混凝土自然腐蝕結(jié)果相似，可作為海洋環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕的加速試驗(yàn)方法。

2)鋼筋混凝土在恒電位加速腐蝕下，依據(jù)腐蝕電流突變點(diǎn)可確定混凝土銹脹開裂時間，C55、C50S、C50、C40混凝土中鋼筋開裂時間分別為264、176、136、120 h。

3)采用電化學(xué)阻抗譜可追蹤混凝土中鋼筋銹蝕行為。依據(jù)阻抗譜擬合獲得電荷轉(zhuǎn)移電阻和腐蝕電流密度，并可判斷混凝土中鋼筋脫鈍和銹蝕時間，C55、C50S、C50、C40混凝土中鋼筋脫鈍時間分別為100～110、90～100、80～90、60～70 h。

4)混凝土水膠比越小，氯離子通過混凝土滲透到鋼筋表面的速率越小，鋼筋銹蝕速率也越小，恒電位加速腐蝕下，混凝土中鋼筋銹蝕速率大小為C40>C50>C50S>C55。

本研究仍然存在一些問題與不足，如通電電壓會主導(dǎo)混凝土中鋼筋的腐蝕速度及混凝土腐蝕開裂。然而，由于目前電加速試驗(yàn)缺少相應(yīng)的國家規(guī)范，只選擇30 V通電電壓會較為單一，因此，下一步研究中應(yīng)選取不同的通電電壓，以驗(yàn)證試驗(yàn)方法的普適性。

今后，可在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以電化學(xué)方法為輔助手段，通過控制鋼筋的銹蝕程度，同時結(jié)合力學(xué)試驗(yàn)方法，測試鋼筋在不同銹蝕程度下的力學(xué)性能，如抗壓、抗彎性能。通過與未銹蝕的試樣作比較，得到不同銹蝕程度下試件力學(xué)性能的損失，這樣可能更貼合工程實(shí)際情況。