摘要: 電解液腐蝕方法常用于誘導(dǎo)混凝土中鋼筋的腐蝕以便加快腐蝕速度。為評(píng)價(jià)電解液腐蝕方法應(yīng)用于混凝土中鋼筋加速腐蝕的有效性和誤差范圍。在不同厚度混凝土中的光面鋼筋的試驗(yàn)結(jié)果顯示, 實(shí)測(cè)腐蝕率與基于法拉第定律所計(jì)算的理論腐蝕率相符合。腐蝕過(guò)程中測(cè)量了電阻。結(jié)果顯示實(shí)測(cè)電阻隨累積腐蝕率變化。腐蝕初期電阻快速增大至其最大值, 但隨之又快速下降, 再緩慢降低, 直至在其最小值附近變化趨于停止。與前期研究結(jié)果的比較顯示, 光面鋼筋與變形鋼筋表現(xiàn)出相似的電阻- 腐蝕率關(guān)系。
關(guān)鍵詞: 電解液腐蝕方法; 鋼筋腐蝕; 鋼筋混凝土
中圖分類號(hào): TU528.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào): 1002- 3550-( 2007) 02- 0016- 04
0 前言
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性取決于混凝土抵抗物理和化學(xué)環(huán)境侵蝕的能力及其保護(hù)鋼筋抵御腐蝕的能力。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕問(wèn)題是其結(jié)構(gòu)性能退化的主要因素之一。關(guān)于鋼筋腐蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響已有很多研究[1~12]。一些研究人員在試驗(yàn)室以電解液加速腐蝕方法獲得鋼筋腐蝕試件[9~13]。
J.G.Cabrera 通過(guò)拔出試驗(yàn)和梁式試驗(yàn)對(duì)鋼筋腐蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能退化進(jìn)行了研究[2]。他采用電解液加速腐蝕方法,按照法拉第定律控制鋼筋腐蝕量, 通過(guò)測(cè)量梁式試件的粘結(jié)強(qiáng)度、裂縫寬度和撓度變化, 得出結(jié)構(gòu)承載力損失與腐蝕率的關(guān)系。此后, Auyeung 完成了一系列不同腐蝕率鋼筋的粘結(jié)性能試驗(yàn)及分析, 并提出了粘結(jié)- 滑移隨腐蝕率變化的關(guān)系式[8]。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕問(wèn)題的一些研究成果已經(jīng)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析[14]。對(duì)于混凝土中鋼筋腐蝕引起粘結(jié)退化的現(xiàn)象和機(jī)理, 袁迎曙等認(rèn)為引起粘結(jié)性能退化的主要參數(shù)有三個(gè): 銹蝕率、鋼筋直徑及混凝土保護(hù)層厚度[15]。為了較短時(shí)間內(nèi)在試驗(yàn)室獲得類似于自然環(huán)境下的腐蝕試件, 袁迎曙等還把人工氣候法應(yīng)用于鋼筋加速腐蝕[16]。
關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性影響的研究, 試驗(yàn)仍然是最基本的研究方法。而為了短時(shí)間內(nèi)在試驗(yàn)室獲得腐蝕試件, 鋼筋的加速腐蝕方法一直被廣泛應(yīng)用, 電解液加速腐蝕方法即是其中的一種。
對(duì)鋼筋腐蝕問(wèn)題的試驗(yàn)研究, 其鋼筋腐蝕試件主要有三種途徑獲得:( 1) 在試驗(yàn)室使用加速腐蝕方法獲得, 即采用鋼筋加速腐蝕( 電解液試驗(yàn)、加氯鹽腐蝕, 人工氣候法等) 和鹽霧試驗(yàn);(2) 長(zhǎng)期自然暴露試驗(yàn);(3) 替換構(gòu)件法。電解液加速腐蝕方法是較常用的一種方法, 原因是采用這種方法時(shí)只要試驗(yàn)系統(tǒng)合理腐蝕沿鋼筋長(zhǎng)度方向比較均勻, 腐蝕過(guò)程也比較便于觀察和記錄。但是, 以電解液加速腐蝕得到受腐蝕鋼筋的試件, 按照鋼筋重量損失所表達(dá)的實(shí)測(cè)腐蝕率在腐蝕前和腐蝕過(guò)程中并不能確定, 它只能按照法拉第定理來(lái)進(jìn)行理論計(jì)算, 而這一理論
計(jì)算的腐蝕率與按照重量損失率確定的實(shí)際腐蝕率之間存在一定誤差。這一誤差如果太大將導(dǎo)致這種加速腐蝕方法無(wú)效。
所以, 采用電解液加速腐蝕, 理論計(jì)算的腐蝕率與實(shí)測(cè)腐蝕率之間誤差的大小將決定其有效性。而目前已有的采用電解液加速腐蝕方法的研究中通常使用變形鋼筋, 而由于變形鋼筋表面有肋條, 以此得到的試驗(yàn)結(jié)果很難用于驗(yàn)證理論計(jì)算腐蝕率與實(shí)測(cè)腐蝕率的誤差。對(duì)于變形鋼筋, 由于鋼筋表面肋條的存在,鋼筋表面狀態(tài)對(duì)腐蝕有較大影響。Almusallam 的研究顯示, 腐蝕后變形鋼筋表面肋條的作用退化, 以至于它與混凝土之間的連鎖作用可以忽略不計(jì)[11]。確定理論計(jì)算腐蝕率與實(shí)測(cè)腐蝕率的誤差范圍對(duì)于深入研究鋼筋腐蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響是有利的。此外, 研究電解液加速腐蝕過(guò)程中電阻的變化規(guī)律也有利于更準(zhǔn)確地揭示混凝土中鋼筋的腐蝕規(guī)律。由此可見,關(guān)于電解液腐蝕方法的有效性和腐蝕率的誤差范圍, 目前仍缺乏有說(shuō)服力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
本文以光面鋼筋取代變形鋼筋進(jìn)行電解液加速腐蝕以獲取較為準(zhǔn)確的鋼筋腐蝕數(shù)據(jù)。基于光面鋼筋的電解液加速腐蝕, 消除了鋼筋表面的不規(guī)則( 如肋條) 造成的對(duì)腐蝕率計(jì)算的影響, 腐蝕更為均勻, 腐蝕率的物理意義能更明確地體現(xiàn)。由于腐蝕更為均勻, 由此計(jì)算的理論腐蝕率與按照鋼筋重量損失所得到的實(shí)測(cè)腐蝕率之間的誤差也更符合實(shí)際。本文主要研究?jī)?nèi)容為:(1) 驗(yàn)證電解液加速腐蝕方法的有效性;(2) 混凝土保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋腐蝕的影響;(3) 電解液腐蝕過(guò)程中腐蝕電阻與腐蝕率的關(guān)系。
1 試驗(yàn)
1.1 試件
按照鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能拔出試驗(yàn)的形式制作試件。以一根長(zhǎng)度為326mm 的主筋澆筑于混凝土中, 其粘結(jié)長(zhǎng)度為56mm; 鋼筋與混凝土粘結(jié)段之外的非粘結(jié)段以一段PVC 管緊緊套在鋼筋上, 使之與混凝土隔開。由于實(shí)際工程中直接使用的變形鋼筋的表面粗糙度和橢圓度都較大, 容易造成腐蝕的不均勻, 為此選用直徑為16mm 的熱軋I 級(jí)光面鋼筋, 并對(duì)鋼筋表面進(jìn)行機(jī)械加工, 得到直徑為14mm 較為規(guī)則的圓形表面, 其力學(xué)性能見表1。澆筑前用精度為0.1g 的電子天平稱鋼筋重量, 以測(cè)定所有試驗(yàn)鋼筋的原始重量。拌合物中采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥, 天然中砂, 粒徑在5~10mm 之間的碎石; 水灰比為0.48, 砂率為38%。混凝土配比見表2。采用水平澆筑方式澆筑試件, 同批澆筑混凝土強(qiáng)度試塊。澆筑時(shí)試驗(yàn)室實(shí)測(cè)溫度21℃, 相對(duì)濕度90%。制作過(guò)程中按水泥用量的0.5%加入減水劑。此外, 為了有利于腐蝕的均勻, 在拌合物中加入少量NaCl, 其量為水泥含量的1%。試件澆筑后, 置入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d?；炷?8d 立方體抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值為40.2MPa。
試件共有三種不同的保護(hù)層厚度, 分別記作A、B、C, 其尺寸分別為126mm ×70mm ×70mm、126mm ×84mm ×84mm 和126mm×98mm×98mm, 其相應(yīng)的混凝土保護(hù)層厚度為28, 35 和42mm。以B 試件為例, 其幾何尺寸見圖1。每種試件至少10個(gè), 設(shè)計(jì)目標(biāo)腐蝕率從0( 無(wú)腐蝕) 到12%。需要指出的是, 本文中的腐蝕率表示鋼筋被腐蝕的程度, 以百分比表示。
1.2 鋼筋加速腐蝕
由于混凝土的保護(hù)作用, 混凝土中鋼筋的自然腐蝕很慢。
為了在較短時(shí)間內(nèi)獲得期望的腐蝕率, 采用電解液加速腐蝕法加快混凝土中鋼筋的腐蝕[8, 10]。水平放置的試件部分浸泡于濃度為5%的NaCl 溶液中, 鋼筋位于液面以上; 可調(diào)式穩(wěn)壓電源輸出的電流從鋼筋流經(jīng)NaCl 溶液, 再通過(guò)放置于NaCl 溶液中并位于試件附近的長(zhǎng)方形銅板( 2 塊銅板對(duì)稱放置, 圖2 中僅示意出其中一塊) , 形成電流回路, 如圖2 所示。通電后在電流作用下鋼筋表面被腐蝕。作為陰極的銅板消耗腐蝕過(guò)程中鋼筋釋放的多余電子。可調(diào)式穩(wěn)壓直流電源提供的電壓為0~60V, 電流為0~2A。電源正極與鋼筋相接, 負(fù)極與銅板相接。由于澆筑試件前在混凝土配料成分中加入了1%的NaCl, 這使得腐蝕沿鋼筋長(zhǎng)度上不均勻程度大為降低[10]。由目標(biāo)腐蝕率, 換算成相應(yīng)的腐蝕量, 這些都是理論值。根據(jù)法拉第定理, 腐蝕量是電壓、電流與通電時(shí)間的函數(shù)。這里目標(biāo)腐蝕率是希望得到的理論計(jì)算的腐蝕率, 本試驗(yàn)中為整數(shù), 但實(shí)際操作中往往有一些偏差, 所以理論腐蝕率與目標(biāo)腐蝕率并不一定完全一致; 實(shí)測(cè)腐蝕率與理論腐蝕率和目標(biāo)腐蝕率通常都有一定差異。按照理論腐蝕量及法拉第定理, 選擇適當(dāng)?shù)碾娏髅芏燃纯纱_定通電時(shí)間。按照粘結(jié)區(qū)段鋼筋與混凝土的接觸面積計(jì)算, 實(shí)測(cè)電流強(qiáng)度的平均值為9mA/cm2。
電解液腐蝕現(xiàn)象表現(xiàn)為: 若有活性不同的兩種金屬同時(shí)浸在同一電解質(zhì)溶液中, 金屬之間不直接接觸且存在一定的電勢(shì)差, 則活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬會(huì)發(fā)生電解腐蝕, 可用式( 1) 表示。
被腐蝕后金屬質(zhì)量損失mt 與平均電流強(qiáng)度I 、通電時(shí)間T、系數(shù)k 成正比, 而這里的系數(shù)k 與上述兩種金屬的特性有關(guān)。
這里, 兩種參與反應(yīng)的材料分別是鋼筋的金屬成分鐵和銅板的金屬成分銅, 腐蝕所導(dǎo)致的鋼筋的質(zhì)量損失的理論值可以按照式( 2) 計(jì)算。
式(2) 的根據(jù)是法拉第定律, 它有以下表達(dá)內(nèi)容[8]:
(1) 電解過(guò)程中形成或消耗的質(zhì)量與通過(guò)的電流成正比;
(2) 電解過(guò)程中形成或消耗的質(zhì)量與其摩爾質(zhì)量成正比;
(3) 電解過(guò)程中形成或消耗的質(zhì)量與在氧化狀態(tài)下產(chǎn)生期望所要求的每摩爾中的電子數(shù)量成反比。
電解中施加電荷的量取決于電流和通電時(shí)間。對(duì)于腐蝕過(guò)程, 每氧化1mol 鐵, 有2mol 電子釋放出來(lái), 消耗2×96 487C 電荷。由此, 質(zhì)量損失可由施加的電荷與摩爾質(zhì)量( 鐵為5.847)
再除以單位摩爾需要的電荷[12]。本試驗(yàn)中所用的電極材料分別是金屬活動(dòng)性較強(qiáng)的鋼筋和活動(dòng)性較弱的銅板, 電解質(zhì)溶液為濃度5%的NaCl 溶液。
為提高電解液腐蝕效率, 先將試件浸泡在電解質(zhì)溶液中3d。置直流穩(wěn)壓電源為恒電流輸出模式, 打開電源開關(guān), 記下初始電流值; 每隔3h 測(cè)量試件兩端的電壓, 根據(jù)歐姆定律, 可以得到此時(shí)電路中的電阻。電阻的變化反映了鋼筋與混凝土之間電阻率的變化。當(dāng)通電時(shí)間到達(dá)理論計(jì)算腐蝕率的對(duì)應(yīng)值( 式( 2) ) 時(shí), 斷開電路。
試驗(yàn)后將試件剖開, 取出鋼筋, 除銹后用精度為0.1g 的電子天平再稱鋼筋重量。由于腐蝕物已被清除, 此時(shí)稱得的鋼筋重量較腐蝕前的鋼筋的初始重量小。鋼筋的實(shí)際腐蝕率按照腐蝕前后測(cè)定的鋼筋的重量損失率得到, 見式( 3) 。
式中: Cm 為試驗(yàn)后測(cè)定的實(shí)際鋼筋腐蝕率; Qm 為實(shí)際腐蝕量;
G0 和G 分別為鋼筋腐蝕前后的重量; GB 為腐蝕前粘結(jié)段鋼筋的重量; g0 為腐蝕前粘結(jié)段鋼筋的單位長(zhǎng)度重量; lb 為粘結(jié)長(zhǎng)度。
2 結(jié)果與討論
2.1 鋼筋腐蝕
按照設(shè)計(jì)的目標(biāo)腐蝕率, 選定電流強(qiáng)度, 再確定通電時(shí)間。根據(jù)法拉第電流定律, 可以計(jì)算出鋼筋的理論腐蝕率; 通過(guò)測(cè)定鋼筋腐蝕前后的重量損失可以得到鋼筋的實(shí)際腐蝕率。上述兩種腐蝕率之間的相對(duì)誤差見圖3。圖中的四條曲線分別表示三種試件A、B、C 的兩種腐蝕率之間的相對(duì)誤差及其平均值。
由圖3 可見, 兩種腐蝕率之間相對(duì)誤差的平均值的最大值僅為5.8%, 這說(shuō)明理論腐蝕率與鋼筋的實(shí)測(cè)腐蝕率接近, 因此以基于法拉第定律的理論計(jì)算腐蝕率代替實(shí)測(cè)腐蝕率所引起的誤差在可以接受的范圍, 由此可知以電解液加速腐蝕方法獲得鋼筋腐蝕試件是有效的。理論計(jì)算腐蝕率與實(shí)測(cè)腐蝕率的偏差,一方面是由試驗(yàn)中對(duì)鋼筋重量的測(cè)定的誤差所引起, 另一方面也說(shuō)明法拉第定律中未考慮的混凝土保護(hù)層厚度等其他因素對(duì)鋼筋的腐蝕也有影響。兩種腐蝕率之間的誤差也顯示混凝土的滲透性在腐蝕過(guò)程可能起作用。Cairn 和Melville 采用幾種不
同方法測(cè)定腐蝕, 得出的結(jié)論認(rèn)為混凝土表面狀態(tài)對(duì)腐蝕有影響[17]。另一個(gè)可能影響腐蝕的因素是混凝土中粗骨料的不均勻性。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看, 腐蝕前如果將試件放在NaCl 溶液里浸泡, 則理論計(jì)算腐蝕率與實(shí)際腐蝕率的差異普遍降低。試驗(yàn)結(jié)果還顯示, 混凝土開裂后腐蝕速率加快, 因此開裂對(duì)腐蝕率有影響。Capozucca 的研究也表明, 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中腐蝕的產(chǎn)生和發(fā)展取決于多種因素, 其中包括腐蝕性環(huán)境因素[3]。本文的結(jié)果中, 理論計(jì)算腐蝕率與實(shí)測(cè)腐蝕率之間的最大誤差為22.3%,但這樣誤差只發(fā)生于一組試件, 其余的誤差都小于12%。實(shí)測(cè)腐蝕率與理論計(jì)算腐蝕率相比, 一些偏高, 另一些則偏低?？紤]所有腐蝕率的加權(quán)平均, 則實(shí)測(cè)腐蝕率的平均值比理論腐蝕率的平均值略小, 二者平均值的誤差僅為2.78%, 這一數(shù)值在試驗(yàn)研究中是可以接受的。
2.2 保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋腐蝕率的影響
圖3 中, 當(dāng)某點(diǎn)的數(shù)值為正, 表明實(shí)測(cè)腐蝕率大于理論計(jì)算腐蝕率。對(duì)保護(hù)層厚度較小時(shí)的A 試件, 目標(biāo)腐蝕率較低時(shí)實(shí)測(cè)腐蝕率小于理論計(jì)算腐蝕率, 而當(dāng)目標(biāo)腐蝕率較高( >7.3)
時(shí)實(shí)測(cè)腐蝕率大于理論腐蝕率。理論腐蝕率—實(shí)測(cè)腐蝕率線性擬合關(guān)系為式( 4) :
y=1.218x- 1.344 ( 4)
式中: y 為實(shí)測(cè)腐蝕率; x 為理論計(jì)算腐蝕率。
當(dāng)保護(hù)層厚度較大時(shí), 比如B、C 試件, 實(shí)測(cè)腐蝕率與理論腐蝕率的關(guān)系的線性擬合關(guān)系為式( 5) :
y=0.955x- 0.027 ( 5)
式中: y 為實(shí)測(cè)腐蝕率; x 為理論腐蝕率。
2.3 電解液腐蝕過(guò)程中試件電阻與累計(jì)腐蝕率的關(guān)系
圖4 顯示腐蝕過(guò)程電路中的電阻隨累積腐蝕率的變化。由前述可知, 實(shí)測(cè)腐蝕率與理論計(jì)算腐蝕率非常接近, 所以基于理論計(jì)算腐蝕率來(lái)建立圖4 的曲線是合理的。結(jié)果顯示電阻的數(shù)值隨混凝土保護(hù)層厚度增大而增大, 即保護(hù)層厚度最大的C試件電阻最大, 而保護(hù)層厚度最小的A 試件電阻最小。對(duì)保護(hù)層厚度較大的B、C 試件, 電阻在腐蝕的初期迅速增大, 在試件
表面出現(xiàn)裂縫后, 電阻又急速下降, 最終在其最小值附近趨于穩(wěn)定。電阻的最小值為107.5!, 發(fā)生在A 試件, 此時(shí)腐蝕率為
7.8%; 最大電阻為790!, 發(fā)生在C 試件, 此時(shí)腐蝕率為0.65%。
電阻由增加轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆档耐瑫r(shí), 觀察到混凝土表面有細(xì)小的裂縫出現(xiàn), 而裂縫的出現(xiàn)又導(dǎo)致電阻快速降低。對(duì)保護(hù)層厚度最小的A 試件, 電阻峰值并不明顯, 電阻僅從腐蝕初始值增大5%即轉(zhuǎn)而開始降低, 在其最小值附近趨于穩(wěn)定, 如圖4 所示。對(duì)此一種可能的解釋是, 混凝土保護(hù)層厚度較小時(shí)電路經(jīng)過(guò)混凝土的距離較短, 電路中電阻也較小, 且電解液更快地到達(dá)鋼筋, 因而裂縫較早出現(xiàn), 電阻就更早地由最大值轉(zhuǎn)而開始下降和趨向于穩(wěn)定值。
圖5 所示為Fang 等所做的光面鋼筋與變形鋼筋在電解液加速腐蝕過(guò)程中電阻的比較[10]。由圖5 可見, 變形鋼筋和光面鋼筋試件在腐蝕過(guò)程中電阻變化的總趨勢(shì)是一致的, 即從腐蝕開始是電阻值上升至其最大值, 然后快速下降, 到電阻最小值附近趨于穩(wěn)定。
本文所用試件中的鋼筋采用光面鋼筋, 避免了變形鋼筋表面肋條對(duì)腐蝕的影響; 光面鋼筋經(jīng)機(jī)械加工而表面較為規(guī)則,降低了腐蝕的不均勻性, 這也大大降低了由于鋼筋表面不規(guī)則所引起的加速腐蝕中腐蝕率計(jì)算上的誤差。需要強(qiáng)調(diào)的是, 采用表面經(jīng)過(guò)機(jī)械加工的光面鋼筋, 這僅僅是為了在研究中更為精確地評(píng)價(jià)電解液加速腐蝕方法對(duì)混凝土中鋼筋腐蝕的誤差范圍, 驗(yàn)證其有效性。實(shí)際的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中直接使用光面鋼筋的場(chǎng)合已不多見。鋼筋表面經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后, 雖然鋼筋的表面與實(shí)際的鋼筋表面有差別, 但本文著重于實(shí)測(cè)腐蝕率與理論腐蝕率之間的比較以及不同累積腐蝕率下電阻的變化規(guī)律,所以試件鋼筋與實(shí)際鋼筋的差異對(duì)分析結(jié)果并無(wú)顯著影響。
3 結(jié)論
對(duì)混凝土中鋼筋的電解液加速腐蝕結(jié)果顯示, 根據(jù)法拉第定律得到的理論計(jì)算腐蝕率與通過(guò)稱重法測(cè)得的實(shí)際腐蝕率之間的差異很小, 實(shí)測(cè)腐蝕率的平均值與理論腐蝕率的誤差僅為5.8%。這說(shuō)明電解液加速腐蝕方法應(yīng)用于混凝土中鋼筋的腐蝕并基于法拉第定律計(jì)算腐蝕率是可以接受的。由此, 在建立電阻- 累積腐蝕率的關(guān)系時(shí), 可用理論計(jì)算腐蝕率作為腐蝕率。本文證實(shí)電阻隨鋼筋的腐蝕率是變化的。電阻的數(shù)值隨混凝土保護(hù)層厚度增大而增大, 即保護(hù)層厚度大則電阻大, 而保護(hù)層厚度小則電阻小。對(duì)較大的混凝土保護(hù)層, 電阻從腐蝕開始即快速上升至最大值, 隨即又快速下降, 然后緩慢下降至其最小值附近趨于穩(wěn)定; 對(duì)最小的混凝土保護(hù)層, 相比于腐蝕開始時(shí)的電阻值, 其最大值僅增大5%。光面鋼筋與變形鋼筋在電解液加速腐蝕中電阻的變化趨勢(shì)是相似的。
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