熱浸鍍鋅鋼筋(HDGR)混凝土耐久性評估

蔣 荃 劉玉軍(中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024)

劉儒平2）（中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京， 100070）

鋼筋腐蝕是一個電化學(xué)過程，鋼筋鍍鋅后在電解液存在的條件下，電流將從鋼筋流向鋅。 鋅為正極，鋼筋為負極，鋅比鐵活潑先腐蝕，這樣通過犧牲陽極的途徑保護了陰極鋼筋不受腐蝕破壞，從而提高了混凝土耐久性和可靠性。尤其在流動的海水和鹽水中，氯離子對鋅腐蝕的影響要比對鋼筋腐蝕的影響小的多。

1 實驗方法

鍍鋅鋼筋的制作：將直徑為d=7.5mm的A3建筑用光圓鋼筋通過除銹、清洗、打毛后將鋼筋進行熱浸鍍鋅。 在鍍鋅過程中，鍍鋅槽要保持450—460℃。 在此溫度下，鋅和鐵的反應(yīng)先快后慢，反應(yīng)速度與鋼鐵種類有關(guān)。反應(yīng)中鋅與鐵生成的鋅鐵合金處于鍍層的內(nèi)側(cè)緊鄰鋼筋表面界面處，而純鋅鍍層固化在外表面。

試驗用立方體試件：水泥：標準沙：水＝1：3：0.5。 試件分為兩大組：一組埋有直徑為d=7.5mm的A3 建筑用光圓鋼筋；另一組埋有熱浸鍍鋅鋼筋。 二組試件尺寸均為30×30×90（mm）。 試件按GB8076-91 標準成型，成型時分別摻入水泥含量的1%、5%、7% NaCl，目的是提高體系中氯離子的含量，模擬強腐蝕環(huán)境。 成型后將試件放入標準養(yǎng)護室，養(yǎng)護至28 天時開始試驗。

主要實驗儀器：VersaStat Ⅱ恒電流恒電位儀；飽和甘汞電極作為參比電極；不銹鋼片作為輔助電極。 電化學(xué)試驗裝置如圖1。

電化學(xué)實驗：按照混凝土中鋼筋半電池電位的標準試驗方法（ASTM C876—80）進行試驗。 根據(jù)ASTM C876 標準-270mV 為鋼筋腐蝕電位[1]，試驗中用飽和甘汞電極（SCE）代替飽和硫酸銅電極（CSE）作為參比電極,-220mV 為鋼筋腐蝕電位[2]。 試驗中半電池電位測試結(jié)果主要作為定性判斷腐蝕狀態(tài)的根據(jù)。 鋼筋與混凝土中的孔溶液相接觸，孔溶液主要由飽和Ca（OH）2溶液組成。鋼筋在介質(zhì)溶液中會在界面處形成雙電層，并于界面兩側(cè)產(chǎn)生電位差，利于這一原理，可借助測得的電位差來了解鋼筋在介質(zhì)中的狀態(tài)。由于無法直接測得該電勢差值，只能通過參比電極與所測金屬的電位差相比較，得到一個相對值，即金屬在介質(zhì)中的相對電位。 通過測定鋼筋/混凝土與混凝土表面上的參比電極之間連成的系統(tǒng)所反映的電位差來評定鋼筋的銹蝕狀態(tài)。現(xiàn)行測試結(jié)果的判定參考標準見表1。

表1 評定鋼筋的銹蝕狀態(tài)現(xiàn)行判定參考標準

試件在成型時分別摻入水泥質(zhì)量的1%、5%、7% NaCl（分析純），目的是提高體系中氯離子的含量，模擬強腐蝕環(huán)境。養(yǎng)護28 天后將所有試件放入3.5%的氯化鈉水溶液中連續(xù)浸泡28 天，到測試時取出，測試后繼續(xù)浸泡在此鹽溶液中。

測試方法：將飽水海綿放置在試件表面上，然后將輔助電極置于含飽水的海綿上，參比電極的前端放置在輔助電極中心露出的飽水海綿上，以上均保持緊密接觸。將飽和甘汞電極和工作電極上的導(dǎo)線與恒電流恒電位儀上對應(yīng)的導(dǎo)線相連接。 靜置1-2 分鐘后，待恒電流恒電位儀上顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄其數(shù)據(jù)。 試驗中，取同組4 塊試件的平均數(shù)據(jù)作為測試結(jié)果。

2 結(jié)果分析

2.1 半電池電位法研究熱浸鍍鋅鋼筋在混凝土中的腐蝕電位

鋼筋混凝土試件在養(yǎng)護28 天后，將所有試件放入3.5%的氯化鈉水溶液中浸泡到測試時取出，測試后繼續(xù)浸泡在此鹽溶液中，每隔一段時間測量一次體系的半電池電位。 測量結(jié)果見圖2 與圖3，其中每次測量的電位值為四個相同試件的平均值。從半電池電位圖2 中普通鋼筋電位與時間的曲線可以看出，上述摻氯化鈉的各試件在氯化鈉溶液中浸泡8 天之內(nèi)，腐蝕電位平穩(wěn)，說明無腐蝕現(xiàn)象；在8～15 天內(nèi)的半電池電位下滑，說明有腐蝕趨勢。隨著在鹽水中浸泡時間的延長，各試件的腐蝕電位均呈降低趨勢。由表1 評定鋼筋銹蝕狀態(tài)現(xiàn)行判定參考標準，由圖2 可知：摻有1%NaCl的普通鋼筋試件開始腐蝕的時間為大約11 天。 從測試開始，含5%和7% NaCl的普通鋼筋試件的鋼筋腐蝕電位均小于－220mV，可見高濃度氯離子含量的增加抑制了鋼筋鈍化層的生成。可見在腐蝕性很強的環(huán)境中，對鋼筋鍍鋅是很有必要的。

圖3 為鍍鋅鋼筋的電位—時間曲線,曲線反映了這種鍍鋅鋼筋與普通鋼筋不同的電勢行為。這些曲線表明在鍍鋅鋼筋試件中的腐蝕電位很低，腐蝕電位的降低是由于鋅的腐蝕電位低造成的。鋅電勢變化范圍為－1000mV～―800mV，當(dāng)0～8 天時，腐蝕電位平穩(wěn)，說明基本無腐蝕現(xiàn)象；在8～18 天時，各試件的半電池電位下滑，說明隨著浸泡周期的延長，鍍鋅鋼筋所處的環(huán)境腐蝕性加強，試件的腐蝕性隨之加強，其中摻入7%NaCl的試件腐蝕趨勢最大。 摻入1%NaCl的試件腐蝕趨勢較為平緩；在18～24 天時，三組試件的腐蝕電位均呈上升趨勢，說明鍍鋅鋼筋腐蝕時所形成的腐蝕產(chǎn)物有一定的保護作用，降低了鋅鍍層腐蝕速度，使其抗腐蝕能力加強，隨著時間的延長，電位繼續(xù)趨于正移，鋼筋腐蝕受到抑制。

2.2 半電池電位法研究熱浸鍍鋅鋼筋在混凝土中的腐蝕電流密度

對分別摻有1%、5%、7%NaCl的混凝土中普通鋼筋與鍍鋅鋼筋混凝土進行腐蝕電流密度測量，獲得腐蝕電流密度（Icorr）隨時間的變化情況（如圖4～圖6）。

由圖4～圖6 知：在所有的混凝土試件中，當(dāng)混凝土中摻有相同含量的氯離子時，普通鋼筋的腐蝕電流密度Icorr 高于同期的鍍鋅鋼筋的腐蝕電流密度Icorr。 當(dāng)腐蝕電流密度Icorr＜0.1μA/cm2時，可視為鋼筋處于鈍化狀態(tài)[1]；由于試驗室測試鋼筋的活化狀態(tài)時，測試周期較短，一些學(xué)者提出當(dāng)Icorr＞0.01μA/cm2時，鋼筋開始腐蝕[3]。 鋼筋處于鈍化狀態(tài)時腐蝕電流密度Icorr＜0.01μA/cm2，混凝土中摻入5%、7%NaCl的普通鋼筋在測試開始階段就處于活化狀態(tài)，受到腐蝕。 而混凝土中摻入1%NaCl 時，直到11 天后，普通鋼筋混凝土中的鋼筋才開始腐蝕，這一結(jié)果與前述的電位測量的時間相符合。 對于同種鋼筋而言，同期的腐蝕電流密度Icorr 隨氯化鈉含量的增加而增加。

3 結(jié)論

1.熱浸鍍鋅鋼筋作為鋼筋自身的直接防腐措施，在氯鹽環(huán)境中能夠延長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。 鍍鋅鋼筋能夠充分推遲氯離子誘導(dǎo)腐蝕，惡劣環(huán)境中對鋼筋進行鍍層是必要的。

2.鍍鋅鋼筋的腐蝕電勢低于普通鋼筋的腐蝕電勢，鋅電勢變化范圍為－1000mV～―800mV，普通鋼筋的電勢變化范圍為－590mV～20 mV，這種模式的特點是由于鋅具有較高的負電勢，當(dāng)鋼鐵構(gòu)件遭受腐蝕時，鋅層作為陽極，自身首先溶解而犧牲，鐵作為陰極而得到保護，并且即使鋅層被劃傷，也能在一定范圍內(nèi)得到一定程度的自修復(fù)，使鋼筋繼續(xù)得到保護。

[1]劉志勇，孫偉.多種因素作用下混凝土碳化模型及壽命預(yù)測[J].混凝土,2003,（12）：3.

[2]徐善華等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化耐久性分析[J].建 筑技 術(shù) 開 發(fā),2002，29(8)：13.

[3]黃振安.混凝土碳化效應(yīng)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用.建井技術(shù),1996,(1):24.