摘要: 利用零電阻電流計(jì)測定了混凝土中鋼筋的宏電池腐蝕電流，結(jié)果表明宏電池腐蝕電流與混凝土中鋼筋的腐蝕程度有一定的相關(guān)關(guān)系，宏電池腐蝕電流一定程度上能夠評價(jià)混凝土中鋼筋宏電池腐蝕程度，但根據(jù)法拉第第二定律計(jì)算得到的失重率小于實(shí)際測得的失重率，這是由于同時(shí)發(fā)生的微電池腐蝕電流沒有通過電流計(jì)，同時(shí)檸檬酸二銨溶液除銹時(shí)溶解了鈍化膜。
關(guān)鍵詞: 宏電池腐蝕；腐蝕電流；失重率；法拉第第二定律
混凝土中鋼筋腐蝕引起的結(jié)構(gòu)物破壞，是我國土木建筑工程中普遍存在的問題。這種腐蝕常為電化學(xué)腐蝕，是陽極反應(yīng)(Fe→Fe2++2e-)與陰極反應(yīng)(1/2O2+H2O+2e-→2OH-)同時(shí)發(fā)生于鋼筋與電解質(zhì)界面上的電化學(xué)反應(yīng)。含氯鹽混凝土氯離子含量較高時(shí)易發(fā)生宏電池腐蝕而產(chǎn)生坑蝕，這種腐蝕由于腐蝕生成物的膨脹量相對較小，混凝土表面產(chǎn)生裂紋時(shí)鋼筋表面已出現(xiàn)很大的斷面破損，因此更具有潛在的危險(xiǎn)性。水灰比、碳化、裂縫寬度、保護(hù)層厚度、氯離子含量、含水量和氧的濃度等都會影響宏電池腐蝕的產(chǎn)生。如果能夠控制腐蝕電化學(xué)反應(yīng)中任何一種界面反應(yīng)，就能夠阻止鋼筋銹蝕。而控制界面反應(yīng)的最簡單和有效方法就是混凝土中摻入阻銹劑。亞硝酸鹽被認(rèn)為是解決鋼筋再鈍化問題的最好阻銹劑。
本文在混凝土中人為制作鋼筋混凝土的宏電池腐蝕電池，通過測定腐蝕電流評價(jià)鋼筋的宏電池腐蝕程度。宏電池腐蝕電流的測定對尋找影響宏電池腐蝕的因素，降低鋼筋混凝土產(chǎn)生宏電池腐蝕的機(jī)率具有重要的理論和工程實(shí)際意義。
1 試驗(yàn)概述
1.1 試件配合比和形狀
所使用的陽極部分鋼筋為直徑13mm、長140 mm的光圓鋼筋, 其化學(xué)成份如表1所示。埋入砂漿以前先用砂紙除去鋼筋表面的鈍化膜，用丙酮除去油污后用防銹膠帶包裹鋼筋的兩端使陽極鋼筋的裸露部分為50mm，然后放入干燥箱供試驗(yàn)使用。陰極為長25mm,直徑為13mmCr含量18.360%的不銹鋼；水泥:砂:水=1:3:0.7。采用氯化鈣和亞硝酸鈣分別作為
表1鋼筋的主要化學(xué)成份
腐蝕因子和阻銹成份，亞硝酸鹽采用35%濃度的亞硝酸鈣水溶液；氯鹽采用分析純氯化鈣,氯離子含量為水泥質(zhì)量的1%,摻量如表2所示。作為陽極的鋼筋和陰極的不銹鋼,通過試模內(nèi)固定鋼筋的塑料模具固定在尺寸為100×100×400mm的試模內(nèi)，此時(shí)保護(hù)層厚度達(dá)到20mm，經(jīng)澆注混合料，脫模后成為如圖1所示的長方體試件，陽極與陰極表面積之比為1/5。試件的兩端部用環(huán)氧樹脂涂抹以防止端部易產(chǎn)生腐蝕影響測定結(jié)果[5-6]。
表2 氯鹽與亞硝酸鹽含量圖 
1 砂漿試件尺寸(mm)
1.2 試件的養(yǎng)護(hù)
砂漿試件成型以后1天脫模, 用薄的塑料薄膜包裹其表面并在20℃溫度下封閉養(yǎng)護(hù)至28天后放入溫濕養(yǎng)護(hù)箱在60℃、98%RH的條件下加速鋼筋腐蝕14個(gè)月，在養(yǎng)護(hù)過程中澆注面始終朝上。
1.3 測定項(xiàng)目
1.3.1腐蝕電流的測定
試件陰、陽極和導(dǎo)線之間用導(dǎo)電性樹脂連接并利用零電阻電流計(jì)測定其間流通的電流，并以每天測兩次的平均值作為當(dāng)天的腐蝕電流值，作為觀察腐蝕過程的指標(biāo)。
1.3.2自然電極電位的測定
自然電極電位測定根據(jù)ASTMC876—91標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，每一個(gè)月測定一次，按規(guī)定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為(以硫酸銅電極為參考電極): E> -200mv 以大于90%的概率不會腐蝕
-200mv >E>-350mv 不確定
E< -350mv 以大于90%的概率會腐蝕
1.3.3鋼筋失重率的測定
除銹后的鋼筋質(zhì)量測定方法是從養(yǎng)護(hù)箱中取出來的試件劈裂后取出鋼筋浸泡在濃度為10%的檸檬酸二銨溶液除銹，然后切斷鋼筋的兩端各2cm，稱重以后通過上式計(jì)算，計(jì)算時(shí)假設(shè)腐蝕前原來的鋼筋密度及直徑是均勻的。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 鋼筋自然電位變化
圖2是試件陽極部位的自然電極電位測定結(jié)果。含氯鹽混凝土中鋼筋自然電位，基本上俳徊在-500mv左右,而同時(shí)含有亞硝酸鹽的鋼筋，其自然電位有明顯的提高，基本都在-150～-300mv之間。含1.28%亞硝酸根離子的混凝土中鋼筋電位比含0.64%亞硝酸根離子的混凝土中鋼筋電位高一些。說明只含氯鹽的混凝土中陽極鋼筋,其表面處于較為活潑的腐蝕狀態(tài)，而同時(shí)摻亞硝酸鹽的混凝土其腐蝕有明顯的抑制，亞硝酸鹽含量越高，抑制效果越好。
2.2 腐蝕電流與腐蝕程度的關(guān)系
圖3是試件A、B、C在宏電池腐蝕狀態(tài)下所產(chǎn)生的腐蝕電流隨時(shí)間變化曲線?？v坐標(biāo)刻度以對數(shù)形式表示，圖中虛線是各腐蝕電流的平均值。試件成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天內(nèi)，所有試件的腐蝕電流都較小，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)以后放入溫濕箱在60℃、相對濕度98%的條件下加速養(yǎng)護(hù)時(shí)試件A與B的腐蝕電流逐漸增加，尤其是只含氯鹽不含亞硝酸鹽的A試件其最高腐蝕電流曾達(dá)到199μA,三組試件平均腐蝕電流分別為111.9μA、13.9μA、0.58μA。說明混凝土中鋼筋腐蝕速度與周圍環(huán)境有很大關(guān)系,在較低溫度下氧氣較充足時(shí)C試件內(nèi)部鋼筋有時(shí)反而成為陰極而不銹鋼成為陽極使電流逆向流動。含0.64%亞硝酸根離子的試件對宏電池腐蝕有一定的抑制作用,但不足以完全抑制鋼筋腐蝕；而亞硝酸根含量達(dá)到1.28%時(shí),其腐蝕電流很小,只有0.58μA左右,基本完全抑制鋼筋腐蝕。試件的自然電位越大，其腐蝕電流越小，說明腐蝕
電流一定程度上能夠反映混凝土中鋼筋腐蝕速度。但總體來說,所有三組試件其腐蝕電流都較小，這是因?yàn)樵谶@次試驗(yàn)過程中作為陰極的不銹鋼埋在堿性的密實(shí)混凝土內(nèi)部，同時(shí)在高溫高濕的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)空氣循環(huán)不足，因此發(fā)生陰極反應(yīng)所需氧的供應(yīng)不充足，這可以從測定自然電位時(shí)打開溫濕箱取出試件后繼續(xù)加速腐蝕時(shí)腐蝕電流迅速增加中得到了驗(yàn)證；另外陽極與陰極的表面積之比比較大,宏電池成為陰極主導(dǎo)型的腐蝕類型,因此所表現(xiàn)出的腐蝕電流較小。
表3 腐蝕電流判定鋼筋腐蝕程度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
圖4是腐蝕電流密度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線。
從圖中可以看出，只含氯鹽試件其宏電池腐蝕電流密度為5.4μA/cm2，而同時(shí)含亞硝酸鹽的試件腐蝕電流都較小，分別只有0.58μA/cm2和0.0285μA/cm2。從試件劈裂后取出的鋼筋表面腐蝕狀態(tài)可以看到，試件A腐蝕嚴(yán)重,試件B部分腐蝕，試件C內(nèi)部鋼筋表面也有一些斑點(diǎn)。根據(jù)極化電阻得到的如表3所示歐洲混凝土委員會鋼筋腐蝕速度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]，試件C應(yīng)處于鈍化狀態(tài)，但由于加速養(yǎng)護(hù)時(shí)腐蝕電流不穩(wěn)定,同時(shí)混凝土中鋼筋表面伴有微電池腐蝕,因此鋼筋表面出現(xiàn)了不同程度的腐蝕斑點(diǎn)。
2.3 失重率與腐蝕電流的關(guān)系
根據(jù)法拉第第二定律:
式中, W為失重率（g）；M為鋼筋原子量（55.8）；Fa為法拉第常數(shù)（=96500C）；I為腐蝕電流（mA）。
齡期為14個(gè)月時(shí)積分腐蝕電流,得到試件A、B、C的失重率分別為1.175g、0.146g、0.006g。而實(shí)際測得的A、B、C試件失重率分別為3.1 g、0.51g、0.02g。實(shí)測的失重率比通過法拉第公式計(jì)算出來的失重率大,這是因?yàn)楹塞}混凝土中鋼筋腐蝕過程一般來說同時(shí)包含宏電池腐蝕和微電池腐蝕，本試驗(yàn)中測出來的只是由于宏電池腐蝕而產(chǎn)生的流經(jīng)電流計(jì)的電流，鋼筋表面同時(shí)產(chǎn)生的許多微電池腐蝕電流是經(jīng)過混凝土形成回路而未經(jīng)過導(dǎo)線，電流計(jì)中沒有體現(xiàn)出來，因此實(shí)測的失重率比通過腐蝕電流計(jì)算出來的失重率大。
3 結(jié)論
1.亞硝酸鹽對含氯鹽混凝土中鋼筋腐蝕具有很好的抑制作用，亞硝酸鹽含量越大抑制鋼筋腐蝕作用越明顯。即使是宏電池腐蝕,也具有很好的抑制作用。
2.腐蝕電流在一定程度上能夠反映混凝土中鋼筋的宏電池腐蝕速度和腐蝕程度。其腐蝕電流大小與自然電位、鋼筋失重率及肉眼觀察結(jié)果有一定的一致性。腐蝕電流越大，自然電位趨于負(fù)值，鋼筋腐蝕越嚴(yán)重。但是通過腐蝕電流計(jì)算出的失重率比實(shí)際產(chǎn)生的失重率小，這是因?yàn)榛炷林袖摻詈觌姵馗g產(chǎn)生過程中不可避免地伴有微電池腐蝕，而微電池腐蝕的電流回路是經(jīng)過混凝土與鋼筋所形成的，未能在零電阻電流計(jì)中體現(xiàn)出來，因此實(shí)際產(chǎn)生的鋼筋失重率較大。
3.在本次試驗(yàn)中所得到的腐蝕電流較小，主要是因?yàn)橐环矫孀鳛殛帢O的不銹鋼埋在較密實(shí)的堿性混凝土內(nèi)部，同時(shí)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)的空氣循環(huán)不充足，因此發(fā)生陰極反應(yīng)所需氧的供應(yīng)不充足；另一方面陽極與陰極表面積之比相對來說比較大,因此整個(gè)電池成為陰極主導(dǎo)型的腐蝕類型，因此表現(xiàn)出較小腐蝕電流。
4.混凝土中鋼筋宏電池腐蝕電流的首次測定對于評價(jià)混凝土的保護(hù)層厚度、陽極與陰極表面積比、水灰比、碳化程度、裂縫寬度以及各種離子濃度等對宏電池腐蝕的影響，降低宏電池腐蝕的出現(xiàn)機(jī)率有著積極的意義。
