混凝土中钢筋杂散电流与氯离子耦合锈蚀行为.pdf

2 0 1 4 年 第 5 期 (总 第 2 9 5 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 5 0 0 4 混凝土中钢筋杂散电流与氯离子耦合锈蚀行为 陈梦成 ，罗睿 ，王凯，夏峰 ( 华东交通大学 土木建筑学院 ，江西 南昌 3 3 0 0 1 3 ) 摘要 ： 为了明确地铁混凝土结构中钢筋锈蚀行为 ， 成型 1 5 组 内置 1 根钢筋的砂浆试件， 采用电化学测试技术模拟研究了地 铁混凝土结构 中钢筋锈蚀过程。 结果表 明： 地铁混凝土结构 中的钢筋锈蚀可分为初始腐蚀快速发展及腐蚀稳定发展 2 个阶段 。 地 铁服役环境 中杂散电流和氯离子对其锈蚀发展有显著影响 ， 杂散电流强度和氯离子浓度越大 ， 锈蚀越快。 金相显微观察表明， 地 铁混凝土结构中钢筋锈蚀 ， 主要是 由于杂散电流引发 ， 且与氯离子共同构成耦合作用， 导致其钢筋加速破钝 ， 产生严重锈蚀 。 关键词 ： 砂浆 ；钢筋锈蚀 ；杂散电流 ；氯离子；腐蚀发展 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 1 5 0 4 Co r r o d i n g b e h a v i or o f s t e e l i n c on c r e t e u n d e r t h e a c t i o n s o f s t r a y c u r r e n t a n d c h l o r i d e i on CHEN M e n gc he n g， LUO Ru i ， WANG Ka i ， XI AFc n g ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n ga n dAr c h i t e c t u r e ， E a s t C h i n a J i a o t o n gUn i v e r s i t y， Nanc h a n g 3 3 0 0 1 3 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： I n o r d e r t o d e fi n e t h e b e h a v i o r o f s t e e l c o r r o s i o n i n c o n c r e t e s t r u c t u r e o f me t r o ， f o r me d 1 5 g r o u p s o f mo r t a r s p e c i me n s wh i c h we r e i ns e r t e d wi t h o n e s t e e 1 Th e s p e c i me ns a d op t e d e l e c tro c h e mi c a l t e s t i n g t e c h no l o g y t o s i mu l a t e a n d s tud y t he c o r r o s i n g p r o c e s s of s t e e l i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s o fme t r o Re s ul t s s h o we d t ha t the s t e e l c o r r o s i o n i n c o nc r e t e s t r u c tur e s c a n b e d i v i d e d i n t o t wo s t a ge s， t h e i ni t i a l r a p i d d e v e l op me n t and t h e s u b s e q ue n t s t a b l e de v e l o p me nt I n the s e r v i c e e n v i r o n me nt of me tro， s tra y c u r r e n t a nd c h l o rid e i o n ha v e s i g n i fi c a n t e f - f e e t o n i t s c o r r o s i o n d e v e l o pme nt ， the gre a t e r the s tra y c u r r e n t i n t e ns i t y a nd c h l o rid e i o n c o nc e n t r a t i o n， t h e s o o ne r t h e s t e e l c orro d eM e t a l l o g r a ph i c mi c r os c op y o b s e rva t i o n s h o ws t h a t ， Th e c o r r o s i o n o f s t e e l i n me tr o s t ruc tur e s i s ma i nl y c a us e d b y s t r a y c u r r e n t ， an d f o r m a c o u pi i ng e f f e c t wi th c h l o rid ei o n， whi c hl e a dt oa c c e l e r ate dd e p a s s i v a t i o n o fs t e e l ， an d g e n e r a t e s e v e r e c o rro s i o n K e y wor d s ： mo rta r ； s t e e l s c o rro d i n g ； s tr a y c u r r e n t ； c h l o rid e i o n ； c o r r o s i o n d e v e l o p me n t 0 引 言 随着城市化进程不断加速 ， 地铁因具有快速 、 客运量 大 、 占土地资源少等优点 ， 广泛应用 于现代城市轨道交通 中， 以缓解当地城市交通 压力 。 但地铁运 营过程 中易产生 杂散 电流 ， 与地铁基础 土壤 中氯离子共 同诱发地铁混凝 土 结构 中钢筋发生 电化学腐蚀 ， 严重影响其服役性能和疲劳 寿命 1 1 。 杂散 电流( S t r a y C u r r e n t ， 简称 s c) ， 主要是指采用直流 供电牵引方式的地铁列车在运行时， 由走行轨泄漏到地铁 车站 、 区间隧道道床及其周 围土壤 中的散乱 电流 。 在地铁 迷流流经的区域 ， 地铁隧道区间的埋地金属管道和混凝土 结构 中的钢筋易遭 到杂散 电流 的腐蚀 ， 例如 ， 北京地铁第 一 期工程投人运营数年后 ， 其 主体结构中钢筋就发生 了严 重杂散电流腐蚀【 。 近年来 国内外学者展开了对地铁混 凝土 主体结构杂散 电流腐蚀 的研究 ， 干伟 忠等分析 了杂 散电流对地铁混凝土结构中钢筋的腐蚀机理及其危害【 3 1 。 B e r t o l i n i 等采用外加低电压直流电模拟杂散电流， 分析了 杂散 电流腐蚀机理与临界腐蚀条件4 1 。 周晓军等采用高 电 压直流 电也进行 了类似模拟试验研究 ， 并指 出混凝土 中钢 筋杂散 电流腐蚀特征不同于一般条件下发生的 自然腐蚀 ， 混凝土电阻率 、 水灰 比和地铁周围介质对其均有显著影响_5 1 。 但值得注意的是 ， 目前 已开展的试验研究 ， 主要着眼于杂 散电流单独作用对地铁混凝土结构中钢筋锈蚀的影 响， 而 与地铁混凝土结构真实服役状态不符嘲 。 事实上 ， 地铁工程 混凝 土结构往往处 于距地 表较深 、 富含氯 离子的地层中 ， 诱发钢筋锈蚀 的原因也不单是杂散电流单独作用 ， 还应考 虑地铁基础土壤 中氯离子的协同作用嘲 。 耿健同 采用 内参氯 化钠 ， 同时加 载直流电的方 法 ， 模 拟杂散电流与氯离子共 存 的试验环境 ， 研究 了杂散电流与氯离子共 同作用下 ， 钢筋 混凝土的劣化特征。 本试验采用腐蚀电位 ( E c o r r ) 、 线性极化法的电化学测 试技术 ， 对砂浆中钢筋电化学腐蚀过程中腐蚀 电位( E c o r r ) 和腐蚀电流密度 ( i c o r r ) 进行提取和分析 ， 通过分析在含不 同浓度氯离子溶液和不同强度杂散电流下钢筋腐蚀速率， 研究氯离子及杂散电流强度对钢筋锈蚀行为的影 响 ， 以期 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 1 - 1 2 基金项目：国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 资助项目( 2 0 1 1 C B 6 1 2 2 1 0 、 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 国家 自 然科学基金资助项目( 5 1 0 0 2 0 5 0 、 5 0 9 6 8 0 0 6 ) 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 为后续进一步研究地铁混凝土结构劣化机理 以及服役寿 命预测和损伤评估奠定基础。 1 试 验 概 况 1 1 原料及试件 试件用水泥采用 P O 4 2 5 级水泥 ( 华新水 泥厂产 ) ， 砂 为中国 I S O标准砂( 厦门艾思欧标准砂有限公 司) ， 普通 自 来水 ， 按配合 比水泥： 砂： 水为 l ： 3 ： 0 5 成型尺寸为 1 0 0 n l r n x 1 0 0 n 3 1 T I X 1 0 0 n l n l的砂 浆 试件 。 试 件 中埋 置 一 根直 径 为 1 2 i n i n的光 圆钢筋 。 在钢筋一端焊接上导线并用环氧树脂 封闭焊点， 使暴露的总面积为 3 9 9 4 c m2 o 钢模振捣密实成型 ， 2 4 h后脱模。 露天覆草浇水养护 2 8 d 。 1 2试 验 方 法 试件中距钢筋 2 0 n 3 1 1 一面为腐蚀面 ， 其余侧面均匀涂 抹环氧树脂备用 。 杂散电流采用可控硅直流 电源所提供 的 直流电进行模 拟 ， 步骤如下 ： 首先 ， 将试件置于盛有含不 同 浓度 N a C I 溶液 的腐蚀箱 中， 浸泡 1 2 d ， 以保证在施加杂 散电流前保护层已有一定的湿度， 为电子在其中迁移提供 载体。 腐蚀箱中 N a C I 溶液静止液面与试件上表面齐平 ， 然 后将插入砂浆的钢筋用导线与电源正极相联 ， 不锈钢板与 电源负极相联。 这样通过调节可控硅直流 电源， 即可在钢筋 和上述钢板 问施加不 同强度的模拟杂散电流 ， 本试验施加 的模拟杂散 电流强度分 1 0 、 3 0 、 4 0 A m2 o N a C 1 溶液浓度分 0 、 3 5 、 5 0 ( 质量分数 ， 下同) 。 电化学方法采用三电极法 ， 以钢筋 为工作 电极 、 不锈钢板 为辅助 电极 、 饱 和甘 汞电极 作 为参 比电极置于阳极与阴极之 间( 测试示意图见图 1 ) 。 所有 电极均连接在 P S 2 6 8 A( 北京 中腐公 司 ) 电化学测 量 系统上。 极化 曲线测试方法采用动电位扫描法 ； 即每一次电 位输入时相应 的有一个对应 的电流 ， 电流密度为电流除以 钢 筋表面积 ； 根据 电化学基础知识可知 ， 当电流密度为零 时对应 的电位为零 电流 电位 ， 在零 电流电位 附近( 1 0 mV 以内) 极化曲线呈线性 ， 其斜率为极化 电阻 。 。 环 氧树 腐蚀箱 图 1 电化学测试试验示意 钢筋腐蚀电流密度 ， 据 s t e m g e a r y 方程式罔 可得 到 ： ；： h a b c ：墨 一 2 3 0 3 ( b a + b ) A E R。 式 中： 尺 。 极化电阻； B 总常数 ， B 钮 B 2 3 0 3 ( B + B ) ； 1 6 B 、 B 。 阳极和阴极曲线的塔菲尔常数 。 2 结果与讨论 2 1 腐蚀 电位 图 2是 自腐蚀 电位时变规律 。 由图 2 可 见 ， 钢筋起始 自腐蚀 电位均在一 5 0 m V附近 ， 表明经过长时间养护 ， 砂浆 中钢筋的表面已经产生钝化膜 ， 在砂浆 内部 的碱性环境 中 ， 钢筋状态保持稳定 。 在杂散 电流与氯离子耦合作用下 ， 砂 浆 中钢筋 自腐蚀电位逐渐低 于一 2 7 6 m V， 根据 A S T M C 8 7 6 标准 9 ， 自腐蚀 电位低 于一 2 7 6 m V的样 品具有 9 0 的腐蚀 概率 ， 表 明此 时钢筋 的钝化膜破裂 ， 已经 由钝化态转变 为 活化态。 在 3 5 N a O H + 3 0 A m 2 S C条件下砂浆 中钢筋在通 电 4 h时开始脱钝 ， 在 5 N a C I + 4 0 A m 2 S C条件下 的砂浆 中钢筋在 0 5 h 之前 已经脱钝 ， 而在 5 N a C l + 3 0 A m S C， 3 5 N a C I + 3 0 A m 2 S C， 5 N a C I + 1 0 A m 2 S C这 3种条 件下砂 浆 中钢筋脱钝时间则在 1 2 h 之 间。 说明杂散电流强度越 大， 氯离子浓度越高 ， 脱钝越快。 吕 、 甚 惶 皿 吕 、 题 惶 皿 O 5 1 0 1 5 2 0 2 5 时 间 h ( a ) 杂散 电流强 度 影 响 U l U 1 2U 2 时间 ， h ( b ) 氯 离 子浓 度 影 响 图 2自腐蚀电位演变 2 2 腐蚀 电流密度 l 0 、 3 0 、 4 0 A m 2 S C不 同杂 散 电流强 度( 与 5 N a C l 共存 ) 下钢筋腐蚀速率演变规律如图 3 ( a ) 所示 。 由此可见 ， 在杂散 电流作用 2 2 h 后 5 Na C l + 4 0 A m2 S C的腐蚀 电流 密度 为 1 3 3 0 5 9 A m2 是 5 N a C l + 3 0 A m2 S C的 1 2 3 倍 ， 是 5 N a C I + 1 0 A mz S C的 3 9 4 倍 ， 说明在相 同氯离子浓度下 ， 杂散电流强度越大腐蚀速率越 高 ， 在相同时间内达到的腐 蚀程度越高。 3 5 N a O H， 3 5 Na c 1 ， 5 N a c 1 不 同氯离子 浓度 ( 与 3 0 A m2 S C共存) 下钢筋腐蚀速率演变规律如图3 ( b ) 所示。 由此可见， 在杂散电流作用 2 2 h后 5 N a C I + 3 0 A m S C的 腐蚀 电流密度为 1 0 8 4 3 1 2 A m 是 3 5 N a O H + 3 0 A m Z S C 的 4 7 9 倍 ， 是 3 5 N a C I + 3 0 A m 2 5 C的 1 3 4 倍 。 说明在相 同 杂散电流强度下 ， 氯离子浓度越大腐蚀速率越高 ， 在相 同 O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 1 0 1 5 2 O 2 5 时间 ， h ( a ) 杂 散 电流 强度 影 响 时 I可 h ( b ) 氯 离子 浓 度影 响 图 3 腐蚀电流密度演变 时间内达到的腐蚀程度越高。 从钢筋混凝土的电化学腐蚀机理来看 ： 当一定量外界 氯 离子侵入钢筋表面或其他 因素作用下破坏混凝土 内部 的高碱性环境 ， 使钢筋表面 的钝化膜破裂 ， 此时钢筋 由钝 化状态转化为活化状 态 10 ” 。 钢筋混凝土界面存在疏松的 过渡区 ， 这一区域为锈蚀形成初期提供 了相对 自由的生长 空 间。 但是 ， 这一区域是非常有限的 ， 当锈蚀继续进行并将 孔隙全部填充时 ， 钢筋周围的混凝土开始对锈蚀产物产生 约束力 f l2 - ， 这种约束力使锈蚀产物被严重压缩 ， 从而使锈 蚀产物愈加密集， 使氧、 侵蚀介质等在界面处的输运受到 一 定的影响。 随着钢筋进一步锈蚀 ， 锈胀力达到混凝土承受 极 限时 ， 出现锈胀裂缝 ， 宏观裂缝的出现 ， 形 成了氧 、 侵蚀 介质等输运的快速通道 ， 裂缝的出现及扩展提供 了应力释 放 ， 使锈蚀物处于半 自由生长状态 。 腐蚀 电流密度能表 示钢筋锈蚀速率状态 ， 即腐蚀电流密度越大钢筋锈蚀速率 越大。 由图 3可看 出钢筋锈蚀可分为腐蚀速率快速增长和 腐蚀速率稳定增长两个阶段。 5 Na C 1 + 1 0 A m 2 S C腐蚀速率 变化缓慢因为杂散 电流强度不高 ； 3 5 N a O H + 3 0 A m 2 S C 腐 蚀速率基本不变因为氯离子浓度为零使杂散电流没有 良好 的离子通路 ； 3 5 N a C l + 3 0 A mz S C在杂散电流作用 1 0 h 后 腐蚀速率进入稳定增长阶段 ； 5 N a C l + 3 0 A m2 S C在杂散电 流作用 7 h后腐蚀速率进入稳定增长阶段 ： 5 N a C l + 4 0 A m S C在杂散电流作用 5 h 后腐蚀速率进入稳定增长 阶段。 在相同氯离子浓度下杂散电流强度越大 ， 腐蚀速率越 早进入稳定增长阶段 ； 在相同杂散 电流强度下氯离子浓度 越大， 腐蚀速率越早进入稳定增长阶段。 2 3 极化 曲线分析 图 4 为不 同氯离子浓度条件下钢筋极化 曲线 时变规 律 。 由图 4 可看出 ， 随着时间的增加 ， 不 同条件下的极化曲 线均出现负移， 表明在氯离子与杂散电流耦合作用下， 随着 电位E ( mV ) ( a ) 3 0 A m 杂散电流单独作用 电位E ( m V1 ( b ) 3 0 A m 杂 散 电流与3 5 Na C 1 耦合 作用 电位E ( mV) ( c ) 3 0 A m 杂散 电流与5 Na C I 耦 合作 用 图 4 氯离子与杂散 电流耦合作用下钢筋极化曲线变化 时间的延 长 ， 反应朝着利于钢筋溶解的方向进行 ， 并 发生 以下反应 ： Fe 一 2 e F e 斗 O2 + 2 H2 0+ 4e 4 OH一 图 4中极化 曲线斜率表征的是腐蚀反应进行 的顺 利 程度 ， 从 图 4 ( a ) 可 以看 出 ： 在 2 0 h以前 ， 极化 曲线仅 出现 缓慢的负移 ， 极化 曲线的阳极斜率基本一致且都 出现平 台， 电化学 的腐蚀特性没有发生 改变 ； 在 电化学腐蚀 2 0 h后 ， 极 化曲线 的阳极斜率逐 渐变大 ， 平 台逐渐消失 ， 表明钢筋 的钝化膜破裂 ， 发生阳极溶解反应的阻力变小。 图 4 ( b ) 显 示 出浸泡 2 4 h 后 ( 杂散电流与氯离子耦合作用 0 h ) 的极化 曲线的阳极斜率较小 ； 3 8 h对应的极化曲线的阳极斜率 基本一致 ， 阳极溶解阻力变小 ， 钢筋锈蚀更易发生。 图 4 ( c ) 中也显示 出浸泡 2 4 h 后 的极化曲线 阳极斜率较小 ， 2 8 5 h 对应的极化 曲线阳极斜率基本一致 ， 从 2 h 开始 ， 阳极溶解 阻力变小 ， 钢筋锈蚀更易发生。 2 4 金相图片分析 图 5 为试件在未经腐蚀、 3 0 A m 2 杂散电流单独作用 、 3 0 A m 杂散电流与 3 5 N a C 1 耦合作用、 3 0 A mz 杂散电 流与 5 Na C 1 耦合作用 4 种环境中， 钢筋靠保护层一侧表 面经金相显微镜 ( D MM 2 2 0 C) 放 大照片。 由图 5 ( b ) 可见 ， 钢筋仅出现轻微的锈蚀， 并没有出现明显的蚀坑； 图 5 ( c ) 1 7 4 2 0 8 6 4 2 0 一 gu v 、 船鼹脚基 蝼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m