孫紅芳，姜 策，曹 坤，徐平貴，張小剛

深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518060

鋼筋腐蝕導(dǎo)致的銹脹破壞是降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的主要原因之一[1]. 學(xué)者們已根據(jù)保護(hù)層均勻連續(xù)的基本假設(shè)開發(fā)出了許多理論模型來預(yù)測保護(hù)層銹脹破壞過程[2-7]，并做了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證.但真實(shí)的保護(hù)層并不是連續(xù)均勻的，而是在建造過程中因?yàn)楦鞣N原因在保護(hù)層內(nèi)部形成各種隨機(jī)分布的缺陷. 例如，橫向澆筑并養(yǎng)護(hù)的構(gòu)件會(huì)因?yàn)楣橇舷鲁梁突炷撩谒阡摻?保護(hù)層之間產(chǎn)生界面缺陷[8-9]；攪拌和振搗不夠充分的構(gòu)件在保護(hù)層中部會(huì)產(chǎn)生氣泡[8]；脫模或后期保護(hù)不當(dāng)會(huì)在構(gòu)件表面形成缺陷[10]. 許多學(xué)者認(rèn)為，缺陷是發(fā)生自然界銹蝕的重要影響因素之一[11-12]. 缺陷的存在既會(huì)影響外界侵蝕性離子到達(dá)鋼筋表面的路徑[13]，也會(huì)影響到銹脹過程中保護(hù)層內(nèi)部應(yīng)力場的分布[14-15]. 因此，無缺陷假定會(huì)導(dǎo)致對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的錯(cuò)誤評估.

已有學(xué)者意識到缺陷的重要性并進(jìn)行了相應(yīng)的研究. LU等[16]對構(gòu)件表面橫向裂縫的寬度與間距對鋼筋銹蝕的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明寬度大于0.2 mm的表面裂縫對于鋼筋的銹蝕有顯著影響. SHI等[9]利用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(X-ray computed tomography, XCT)對橫向澆筑的樣品進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)界面缺陷的存在顯著降低了鋼筋的耐腐蝕性能. ZHANG等[15]對含有界面缺陷的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建立了理論開裂模型. YU等[17]建立了考慮了界面缺陷的有限元模型. ZHANG等[14]基于斷裂力學(xué)對表面缺陷與中部缺陷建立了理論模型，結(jié)果表明，保護(hù)層的表面缺陷比中部缺陷更加危險(xiǎn). ZHANG等[10]研究了表面缺陷與界面缺陷的耦合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不存在表面缺陷的樣品壽命是存在表面缺陷樣品壽命的2.5倍.

上述針對缺陷進(jìn)行的研究只針對少數(shù)幾種特定缺陷，尚缺乏對于不同位置缺陷銹蝕現(xiàn)象的對比，且上述理論模型缺乏對應(yīng)的細(xì)觀驗(yàn)證. 本課題組曾對在3種不同位置含有初始缺陷(界面、中部和表面缺陷)的鋼筋-砂漿樣品在通電加速銹蝕實(shí)驗(yàn)下細(xì)觀銹蝕形貌進(jìn)行了研究[18]. 有研究指出，通電加速銹蝕方法與自然銹蝕的機(jī)理和結(jié)果存在差異，并指出在氯化物溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)來加速鋼筋銹蝕是一種更好的方法[19-20]. 本研究中初始缺陷的設(shè)置參考了文獻(xiàn)[8-10]中自然存在的缺陷位置，并考慮到可操作性做了一定簡化，即將缺陷的軸向加長至整個(gè)樣品長度. 此時(shí)雖然缺陷長度被加長，但缺陷的截面結(jié)構(gòu)與真實(shí)缺陷樣品相同的，所以仍可以在一定程度上反映出真實(shí)自然缺陷對保護(hù)層內(nèi)鋼筋銹蝕的影響. 因此，本研究對3種含有初始缺陷的樣品采取兩種不同方法(外加電流和干濕循環(huán))進(jìn)行銹蝕實(shí)驗(yàn)，并對所得到的銹脹開裂結(jié)果進(jìn)行對比研究. 3種不同位置的初始缺陷包括界面缺陷(鋼筋與保護(hù)層之間的界面缺陷)、中部缺陷(保護(hù)層內(nèi)部的缺陷，既不與鋼筋接觸也不與外界空氣接觸)和表面缺陷(暴露于空氣中的缺陷). 本研究分析了缺陷位置與銹蝕方法對于鋼筋銹蝕率、裂縫寬度和界面銹蝕產(chǎn)物體積膨脹率的影響，并解釋了產(chǎn)生相對應(yīng)現(xiàn)象的原因.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 樣品制備

水泥采用深圳華潤公司生產(chǎn)的P.II.42.5硅酸鹽水泥，成分質(zhì)量比為m(CaO)∶m(SiO2)∶m(Al2O3)∶m(Fe2O3)∶m(MgO)∶m(SO3)=64.8∶21.2∶5.4∶5.0∶1.5∶1.0. 細(xì)骨料為中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，篩掉粒徑大于0.3 mm的砂子，避免因砂粒過大造成測試結(jié)果離散性較大.砂細(xì)度模數(shù)為1.9，拌合水為去離子水，砂漿的水灰砂配合比為1∶2∶2. 樣品示意圖見圖1，將直徑為2 mm且無可見缺陷的HRB335光圓鋼棒固定于模具中心，并將寬度為1.5 mm、厚度為0.5 mm的鋼片固定在圖1所示相應(yīng)位置，澆筑后于(20±2)°C、90%的相對濕度下養(yǎng)護(hù)28 d，脫模取出鋼片形成缺陷.

圖1 樣品示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimens

本實(shí)驗(yàn)共有6個(gè)樣品，根據(jù)缺陷位置和加速銹蝕方法不同，分別標(biāo)號為T-ID、T-MD、T-SD、G-ID、G-MD和G-SD. 其中，T代表通電加速銹蝕方法；G代表干濕循環(huán)加速銹蝕方法；ID、MD和SD分別代表鋼筋-保護(hù)層界面缺陷、保護(hù)層中部缺陷和保護(hù)層表面缺陷.

1.2 通電加速銹蝕實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液作為電解質(zhì)溶液(圖2)，將鋼筋連接到直流電源的正極，銅板作為陰極連接到直流電源的負(fù)極，電流密度值為icor=53.08 μA/mm2. 每當(dāng)達(dá)到給定的基于法拉第定律的理論銹蝕率(5%、30%和55%)時(shí)，取出樣品進(jìn)行XCT掃描.

圖2 通電加速實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of energized acceleration experiment

1.3 干濕循環(huán)加速銹蝕實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用24 h作為1個(gè)循環(huán)周期，每個(gè)循環(huán)包括室溫下將樣品在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液中浸泡8 h(圖3)，然后在40 ℃的干燥箱內(nèi)干燥16 h.在0、90、150和210次干濕循環(huán)后將樣品取出進(jìn)行XCT掃描.

圖3 干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of wet-dry cycle immersion experiment

2 結(jié)果討論

2.1 鋼筋銹蝕程度對比

圖4與圖5分別是通電實(shí)驗(yàn)(0%、5%、30%和55%銹蝕率)與干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)(0、90、150和210次循環(huán))下剩余鋼筋的3D模型. 根據(jù)鋼筋三維模型可計(jì)算各階段銹蝕率，來評估銹蝕程度.鋼筋的銹蝕率ρ為

其中，Vr是鋼筋的剩余體積；V0是鋼筋的初始體積.樣品每次掃描時(shí)的真實(shí)銹蝕率見圖6.

箭頭方向?yàn)槿毕莘较颍瑪?shù)字為樣品對應(yīng)理論銹蝕率圖4 通電加速銹蝕不同銹蝕率下的鋼筋Fig.4 Morphology of the rebar at different actual corrosion degree under energized acceleration

箭頭方向?yàn)槿毕莘较驁D5 干濕循環(huán)銹蝕不同循環(huán)次數(shù)下的鋼筋Fig.5 Morphology of the remaining at different cycles under wet-dry condition

圖6 樣品每次掃描時(shí)的真實(shí)銹蝕率Fig.6 Actual corrosion degree of specimens at each scan

由圖4可見，在5%理論銹蝕率時(shí)鋼筋表面有無數(shù)隨機(jī)分布的小型銹坑，呈鱗片狀銹蝕. 從鋼筋外表面看來，小型銹坑分布相對比較均勻. 隨銹蝕進(jìn)一步發(fā)展，理論銹蝕率達(dá)到30%時(shí)仍呈現(xiàn)與5%時(shí)類似的現(xiàn)象.55%銹蝕率時(shí)現(xiàn)象有所不同，尤其是樣品T-SD鋼筋表面的外觀比之前變得更加光滑，其余樣品鋼筋表面仍較為粗糙. 圖5中干濕循環(huán)銹蝕樣品的鋼筋所呈現(xiàn)的現(xiàn)象則與通電加速實(shí)驗(yàn)的鋼筋不同.由圖6可見，90次循環(huán)時(shí)，樣品G-MD與G-SD的銹蝕率較為接近，樣品T-MD和T-SD的銹蝕率較為接近.但是干濕循環(huán)樣品的鋼筋表面更多的是面積較大的銹坑而不是密密麻麻的小型銹坑，且銹坑的分布并不是遍及整個(gè)鋼筋表面，只在鋼筋的部分區(qū)域產(chǎn)生了顯著的銹坑. 這說明干濕循環(huán)條件會(huì)導(dǎo)致鋼筋的銹蝕在空間上更加不均勻，且此不均勻性較為顯著.

兩種銹蝕方式所產(chǎn)生的鋼筋銹蝕現(xiàn)象存在顯著區(qū)別的原因，在于外加電流銹蝕方法發(fā)生的是宏觀電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，即全部鋼筋作為陽極損失電子而發(fā)生金屬的氧化，產(chǎn)生了鱗片狀銹坑更多是由于保護(hù)層位置的離子傳輸路徑有細(xì)微的差別. 干濕循環(huán)樣品發(fā)生的是小型原電池反應(yīng)，即部分區(qū)域的鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到閾值后，成為原電池反應(yīng)中的陰極，失去電子發(fā)生局部腐蝕.而尚未到達(dá)氯離子濃度閾值的位置則沒有發(fā)生銹蝕，因此產(chǎn)生了局部坑蝕現(xiàn)象.

從缺陷位置對于鋼筋銹蝕方向的影響來看，界面缺陷對于2種銹蝕方法的鋼筋都產(chǎn)生了明顯的影響.樣品T-ID的鋼筋在整個(gè)銹蝕的過程中都出現(xiàn)了沿鋼筋長度方向上的明顯凹陷，且凹陷在長度方向上相對較為均勻. 樣品G-ID的鋼筋則在缺陷方向的下部出現(xiàn)了大面積的銹蝕，缺陷方向的上部銹蝕程度較低. 中部缺陷對于兩種銹蝕方法樣品T-MD與G-MD的銹蝕方向沒有顯著影響.樣品T-SD的鋼筋在前2個(gè)銹蝕階段(5%和30%銹蝕率)缺陷方向沒有產(chǎn)生顯著變化. 在最后1個(gè)階段(55%銹蝕率)，出現(xiàn)了較為明顯的沿長度方向均勻分布的凹陷. 樣品G-SD則從第1個(gè)銹蝕階段(90次循環(huán))開始，就沿缺陷方向出現(xiàn)了明顯的銹蝕，無缺陷方向銹蝕程度較低，一直到150次和210次循環(huán)，缺陷方向的銹蝕程度都顯著高于無缺陷方向. 由上述分析可以看出，界面缺陷對銹蝕方向的影響更為顯著，表面缺陷次之，中部缺陷對銹蝕方向沒有太大影響.缺陷對鋼筋銹蝕方向產(chǎn)生影響的原因，可能是由于在通電樣品中缺陷的存在降低了所在方向的電阻,導(dǎo)致鋼筋銹蝕過程中的電流傳輸方向受到影響. 在干濕循環(huán)樣品中,外界侵蝕性介質(zhì)與氧氣的傳輸路徑會(huì)發(fā)生改變.其中，通電樣品在缺陷方向產(chǎn)生的銹蝕沿長度方向均勻分布，即每層鋼筋的銹蝕方向與程度都類似. 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與銹坑形狀的成因類似，即發(fā)生腐蝕的原理不同，電流與鋼筋的高度無關(guān). 干濕循環(huán)樣品在缺陷方向產(chǎn)生的銹蝕沿長度方向分布不均勻，傾向于在樣品下部產(chǎn)生更嚴(yán)重的銹蝕，樣品上部的銹蝕程度較低. 原因是缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致侵蝕性液體在缺陷中下部殘留，即缺陷的存在會(huì)在干濕循環(huán)下導(dǎo)致鋼筋銹蝕在長度方向與截面方向都呈現(xiàn)非均勻分布.

從缺陷位置對于銹蝕程度的影響來看，從圖6可見，界面缺陷樣品T-ID在5%與30%理論銹蝕率的階段，真實(shí)銹蝕率均大于理論銹蝕率，分別為5.7%和32.7%，且在3種缺陷樣品中銹蝕率最大；在55%理論銹蝕率時(shí)，真實(shí)銹蝕率低于理論銹蝕率，為54.4%，在3種缺陷樣品中銹蝕率最低. 樣品G-ID在所有樣品中銹蝕率最大，且90次循環(huán)時(shí)是其余樣品鋼筋銹蝕率的2.06～3.07倍，在210次循環(huán)時(shí)是其余樣品的1.15～1.59倍. 中部缺陷樣品T-MD恰好與T-ID相反，在5%與30%時(shí)真實(shí)銹蝕率為3.9%和28.2%，略低于理論銹蝕率，且為3者中最低；在55%理論銹蝕率時(shí)真實(shí)銹蝕率達(dá)到56.9%，超過理論銹蝕率，成為銹蝕率第2高的樣品. G-MD樣品的銹蝕率始終是3者中最低的，且與其余兩者相差較大. 表面缺陷樣品T-SD隨理論銹蝕率的增加，真實(shí)銹蝕率呈現(xiàn)先低后高于理論值的趨勢，即真實(shí)銹蝕率在逐漸加大. 樣品G-SD的真實(shí)銹蝕率始終處于3者的中間，且增速逐漸加大. 通過上述分析可以看出，缺陷對于鋼筋銹蝕程度的影響在通電銹蝕樣品中表現(xiàn)得不是十分顯著，原因是通電銹蝕只與流過鋼筋的電荷數(shù)有關(guān)，是一種強(qiáng)制性銹蝕. 在干濕循環(huán)條件下可以更好地體現(xiàn)出缺陷對于鋼筋銹蝕發(fā)展的影響.

2.2 裂縫寬度對比

樣品表面最大裂縫寬度與鋼筋真實(shí)銹蝕率間的關(guān)系見圖7. 從兩種實(shí)驗(yàn)方法的對比看，除界面缺陷樣品G-ID的前兩個(gè)數(shù)據(jù)以外，其余所有樣品在相同缺陷條件下，干濕循環(huán)的樣品會(huì)在更低的真實(shí)銹蝕率下產(chǎn)生出比通電樣品更高的最大裂縫寬度.

圖7 6種樣品最大裂縫寬度隨真實(shí)銹蝕率的變化Fig.7 Variation of maximum crack width with actual corrosion for six specimens

具體到每一種缺陷來看，在試驗(yàn)的前中期，即90次和150次循環(huán)時(shí)，兩種試驗(yàn)方法中樣品的最大裂縫寬度均為：SD缺陷裂縫寬度最大，MD缺陷次之，ID缺陷最低. 產(chǎn)生這種規(guī)律的原因是試驗(yàn)的前期，保護(hù)層中的缺陷尚未被填充，從SD至MD，再到ID，缺陷位置離鋼筋越來越近，缺陷越靠近鋼筋，鋼筋銹蝕時(shí)產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物就更容易填充入缺陷中.因?yàn)槿毕蒹w積相對較大，所以，填充進(jìn)入缺陷的銹蝕產(chǎn)物幾乎不會(huì)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，缺陷起到了釋放銹脹力的效果. 所以缺陷越靠近保護(hù)層外側(cè)，在相近的銹蝕率之下就會(huì)產(chǎn)生更大的裂縫寬度. 自然界中的小型缺陷雖然不會(huì)產(chǎn)生如此明顯的應(yīng)力釋放效果,但仍會(huì)對開裂產(chǎn)生一定程度的影響.

最后1次測試時(shí)，圖7中G-SD的直線斜率降低，G-MD的直線斜率近似不變，而G-ID的直線斜率增加，且裂縫寬度為3者中最大，這是因?yàn)榍捌诋a(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物已經(jīng)將界面缺陷填充飽和，缺陷對于銹脹力的釋放效果已經(jīng)弱化，近乎消失. 在這種情況下，G-ID銹脹力的施加方式已經(jīng)改變，變?yōu)轭愃莆墨I(xiàn)[15]中的形式，此時(shí)保護(hù)層比通常的均勻環(huán)形保護(hù)層更加脆弱，導(dǎo)致裂縫寬度大幅增加. 3種通電樣品的裂縫寬度增加相對較均勻，沒有出現(xiàn)暴增的情況，是因?yàn)橥姌悠返匿P蝕產(chǎn)物累計(jì)方式與干濕循環(huán)樣品不同. 干濕循環(huán)樣品的銹蝕產(chǎn)物隨著干濕過程中的溶液自然溶出，不同位置缺陷內(nèi)殘存的溶液對于銹蝕產(chǎn)物的累計(jì)會(huì)產(chǎn)生很大影響.但是由于電泳現(xiàn)象的存在，銹蝕產(chǎn)物會(huì)受到電場力的牽引強(qiáng)制流出，缺陷位置的不同雖然會(huì)影響到保護(hù)層的力學(xué)性能，但是對于保護(hù)層厚度的削弱效果卻是相同的，所以銹蝕產(chǎn)物向外界遷移的路徑是相似的，在后期的銹蝕產(chǎn)物積累上沒有明顯區(qū)別.

2.3 界面銹蝕產(chǎn)物體積對比

鋼筋混凝土銹脹開裂過程中，產(chǎn)生徑向力的是鋼筋周圍的環(huán)形銹蝕產(chǎn)物[4, 6-7, 21]. 本研究統(tǒng)計(jì)了6種樣品在每次掃描后鋼筋表面累積的環(huán)形銹蝕產(chǎn)物的體積(不包括填充進(jìn)裂縫與初始缺陷的部分)，如圖8.

圖8 界面銹蝕產(chǎn)物體積隨真實(shí)銹蝕率的變化Fig.8 Variation of the interfacial corrosion product volume with actual corrosion degree

整體來看，除G-ID以外，6種樣品在低銹蝕率(<10%)的情況下，界面中累積的銹蝕產(chǎn)物體積十分相近，且在這個(gè)階段的斜率即發(fā)展趨勢也較為接近. 而G-ID因?yàn)橛写罅康匿P蝕產(chǎn)物進(jìn)入到了缺陷內(nèi)，導(dǎo)致界面銹蝕產(chǎn)物量較低. 在其余5種樣品的界面區(qū)域，銹蝕產(chǎn)物積累的體積相近時(shí)，圖7中的裂縫寬度出現(xiàn)了顯著差異. 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是缺陷位置不同，越靠近鋼筋的缺陷對于銹脹力的釋放效果越好，裂縫寬度越小. 除ID缺陷情況較為特殊以外，其余樣品皆是干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的裂縫寬度比通電實(shí)驗(yàn)略大(真實(shí)銹蝕率<10%)，顯然干濕循環(huán)對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞效果更大.

由圖8可見，隨著真實(shí)銹蝕率進(jìn)一步加大，可以看到除G-ID樣品外，每個(gè)樣品的直線斜率都在逐漸下降. 這意味著界面銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹率在下降，也意味著界面區(qū)銹蝕產(chǎn)物的累積速度在降低，從而銹脹應(yīng)力的增加速度在減緩. 在這一點(diǎn)上無論是通電還是干濕循環(huán)樣品的結(jié)果都是類似的. 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是此時(shí)樣品的保護(hù)層均已開裂，銹蝕產(chǎn)物會(huì)傾向于向約束力更小的地方移動(dòng)，即沿裂縫向外遷移，導(dǎo)致了大量新產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物離開鋼筋表面填充入裂縫中，或進(jìn)入外界環(huán)境，從而降低鋼筋與保護(hù)層界面之間的銹蝕產(chǎn)物膨脹率. 因此，在建立銹蝕理論模型時(shí)，需考慮到這個(gè)因素.

3 結(jié) 論

1)干濕循環(huán)傾向于產(chǎn)生區(qū)域性、面積較大的銹坑，通電加速銹蝕，傾向于產(chǎn)生均勻分布的微小銹坑.與通電樣品比較，缺陷的存在對干濕循環(huán)樣品的鋼筋銹蝕方向和銹蝕程度的影響更大.

2)干濕循環(huán)樣品在相近的真實(shí)銹蝕率下普遍會(huì)產(chǎn)生比通電加速樣品更大的裂縫寬度，且缺陷越靠近樣品，外表面裂縫寬度越大.

3)不同的加速試驗(yàn)方法對于銹蝕產(chǎn)物在鋼筋表面的累計(jì)影響不大，但干濕循環(huán)加速試驗(yàn)方法會(huì)產(chǎn)生更大的破壞.