拉應力和壓應力對砂漿中鋼筋腐蝕的影響

馮興國，盧向雨，陳 達，楊雅師，蘇曉棟

（1.河海大學 海岸災害與防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；3.江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212003）

近年來，荷載對混凝土結構中鋼筋銹蝕的影響已引起人們廣泛關注.Fang等［1］以周期性載荷研究了混凝土種類、鋼筋腐蝕程度、荷載歷程等對鋼筋／混凝土界面黏結強度的影響，發現該界面處的黏結強度由其荷載歷程決定.Vidal等［2－3］研究了恒定載荷作用下服役14a和17a的混凝土構件中裂紋處Cl－濃度、裂紋處鋼筋的腐蝕以及混凝土的力學性能等，結果表明混凝土結構的壽命與裂紋寬度無明顯關系，而取決于鋼筋／混凝土界面的結合力和臨界Cl－濃度到達混凝土覆蓋層中的深度.Apostolopoulos等［4］研究了S400 鋼筋在低周疲勞下的失效情況，發現當鋼筋質量損失為2%時，其失效所需的周期數將減少22%；當鋼筋質量損失為3%時，其失效所需的周期數將減少47%.Anhvu等［5］分析了預應力混凝土中鋼筋的應力腐蝕情況，結果表明鋼筋的點蝕常常會發展成應力腐蝕，同時點蝕引起的應力集中也會降低鋼筋的力學性能.此外還發現鋼筋的腐蝕失重會隨著應力的增加而有所增加，但腐蝕產物的成分不會發生變化.Valiente等［6］在分析失效的預應力混凝土輸水管線時，發現在混凝土覆蓋層沒有破壞的條件下鋼筋卻發生了明顯銹蝕，鋼筋的強度和延伸率也明顯降低.Ahn等［7］對比了恒定載荷和疲勞載荷作用下混凝土結構梁中鋼筋的腐蝕情況，發現疲勞荷載所導致的混凝土結構梁中鋼筋的銹蝕更為嚴重.貢金鑫等［8］研究了四點加載條件下混凝土結構中鋼筋的腐蝕情況，發現腐蝕介質與荷載具有明顯的協同效應，且荷載越高，腐蝕的協同效應越明顯.

綜上所述，荷載對鋼筋混凝土結構的耐久性具有重要影響，明確荷載對混凝土結構中鋼筋銹蝕的影響對評價混凝土結構安全性、預測混凝土結構壽命具有重要意義.然而，目前關于荷載對混凝土結構耐久性的影響都是以拉應力為主，關于壓應力影響的研究較少.本文對比了拉應力和壓應力下砂漿中鋼筋的腐蝕情況，結果表明在相同大小的應力作用下，承受壓應力的鋼筋銹蝕更為嚴重.

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

鋼筋試樣：φ10碳鋼鋼筋和不銹鋼鋼筋各1根，在它們的頂端分別焊接上銅線，并且用環氧樹脂密封整根鋼筋和焊接接頭.為進行腐蝕研究，待環氧樹脂干燥后在鋼筋試樣中間打磨出1個50mm（長）×5mm（寬）的暴露面并用丙酮除油.鋼筋試樣如圖1所示.

圖1 鋼筋試樣示意圖Fig.1 Illustration of the rebar sample（size：mm）

砂漿試樣：以P·O 32.5水泥和普通河砂為原料，按m（水泥）∶m（砂）∶m（水）＝1.0∶3.0∶0.6的配合比，將原料加到ULZ－15型砂漿攪拌機中攪拌10min，然后澆注到200mm×60mm×30mm的砂漿模具中并用鏟子將砂漿搗實.砂漿中均勻分布φ10碳鋼鋼筋和不銹鋼鋼筋各1根，24h后拆模，然后用飽含自來水的脫脂棉對砂漿試樣養護28d.除了有鋼筋暴露面一側的表面，砂漿試樣的其余表面均用環氧樹脂密封，待環氧樹脂固化后對砂漿試樣施加三點荷載.

1.2 試驗方法

通過千斤頂和彈簧，以三點加載方式給砂漿試樣分別施加500，2 500，5 000N 的拉應力和壓應力，加載裝置如圖2所示.將施加荷載的砂漿試樣浸泡于質量分數為3%的NaCl溶液中.

以飽和甘汞（SCE）為參比電極，鉑電極（Pt）為輔助電極，以PARSTST2273電化學工作站對各載荷下的鋼筋試樣進行開路電位、線性極化和交流阻抗測試.在開路電位±5mV 的范圍內以0.30mV／s的速率進行線性極化，并用CVIEW 圖形擬合軟件擬合極化電阻Rp值，計算鋼筋的腐蝕速率.以10mV 的擾動信號在105～10－2Hz范圍內進行交流阻抗測試.

圖2 加載裝置示意圖Fig.2 Illustration of loading apparatus

2 試驗結果與討論

2.1 開路電位

不定期測量承載鋼筋試樣的開路電位，碳鋼和不銹鋼鋼筋的開路電位Eoc隨時間的變化如圖3，4所示.由圖3 可見，隨著在3%NaCl溶液中浸泡時間的延長，各鋼筋試樣的開路電位都有所降低，這與混凝土覆蓋層中Cl－擴散密切相關.隨著浸泡時間的延長，通過混凝土覆蓋層滲透到鋼筋／混凝土界面的Cl－逐漸增加，進而使鋼筋的腐蝕電位逐步降低.同時隨著荷載的增加，承受拉應力和壓應力的鋼筋試樣其開路電位都明顯降低.由于本研究中應力增加較大，隨著應力的增加混凝土覆蓋層的缺陷增多，進而加速了Cl－在砂漿中的滲透速率；此外，應力會引起鋼筋表面鈍化膜破裂［9］，導致鋼筋／混凝土界面剝離，因此，隨著應力的增加，鋼筋的開路電位逐漸降低.相對于拉應力下的碳鋼鋼筋，承受壓應力的碳鋼鋼筋其開路電位明顯更負，由圖4也能得出同樣結論.Avelda?o等［10］在研究混凝土梁的腐蝕時也發現承壓梁中鋼筋的腐蝕電位更低，并且認為這是由于壓應力增加了混凝土覆蓋層的致密度，從而使混凝土中氧的擴散降低所致.但是隨后的試驗發現承受壓應力的梁其混凝土覆蓋層更易開裂，且其裂紋也較承受拉應力梁的裂紋更寬.這說明承受壓應力的鋼筋其銹脹作用更加明顯，因此，承壓鋼筋腐蝕電位更低應該與鋼筋的銹蝕程度有關，而非混凝土中氧的擴散受到限制所致.在相同荷載作用下，本研究中的不銹鋼試樣開路電位（圖4）明顯高于碳鋼試樣（圖3），說明在含腐蝕介質的混凝土環境中不銹鋼鋼筋的耐蝕性優于碳鋼鋼筋.

圖3 承載碳鋼鋼筋的開路電位Fig.3 Variation of OCP（Eoc）of carbon steel bar in mortar

圖4 承載不銹鋼鋼筋的開路電位Fig.4 Variation of OCP（Eoc）of stainless steel bar in mortar

2.2 腐蝕電流密度

當承載試樣在3%NaCl溶液中浸泡10，33，51d后，對其進行線性極化測試以計算鋼筋極化電阻Rp，并根據式（1）計算鋼筋試樣的腐蝕電流密度icorr：

式中：B 為常數，處于未脫鈍狀態的鋼筋，B 取52mV；對于已脫鈍的鋼筋，B 取26mV［11］，本研究B 取26mV.

碳鋼鋼筋和不銹鋼鋼筋的腐蝕電流密度icorr隨時間的變化如圖5，6所示.從圖5可以看出，隨著浸泡時間延長，由于滲透到鋼筋／混凝土界面處的腐蝕介質濃度增加，導致鋼筋失鈍加劇，即鋼筋的腐蝕加速，因而各鋼筋試樣的腐蝕電流密度均有所增加.隨著荷載的增加，碳鋼鋼筋的腐蝕電流密度逐漸增加，表明鋼筋的腐蝕逐漸加劇.與承受拉應力的碳鋼鋼筋相比，承受壓應力的碳鋼鋼筋其腐蝕電流密度增加更為明顯，表明相同荷載作用下壓應力對鋼筋腐蝕的影響較拉應力更加明顯，類似的規律也可在圖6中看到.另外，對圖5，6 進行比較后可以發現，不銹鋼鋼筋的腐蝕電流密度明顯低于碳鋼鋼筋的腐蝕電流密度，表明不銹鋼鋼筋的耐蝕性明顯優于碳鋼鋼筋.因此，腐蝕電流密度測試結果與開路電位測試結果相互印證，即：不銹鋼鋼筋具有良好的耐蝕性；鋼筋的腐蝕隨著承受荷載的增加而明顯加劇；相同應力水平下，壓應力對混凝土中鋼筋腐蝕的加劇作用更為明顯.

圖5 承載碳鋼鋼筋的腐蝕電流密度隨時間變化Fig.5 Variation of corrosion current density of carbon steel bar in mortar

圖6 承載不銹鋼鋼筋的腐蝕電流密度隨時間變化Fig.6 Variation of corrosion current density of stainless steel bar in mortar

2.3 交流阻抗

當承載試樣在3%NaCl溶液中浸泡51d后，對其進行交流阻抗測量，結果見圖7，8.可以發現所有試樣的Nyquist圖中均有2個時間常數；不論試樣承受的是拉應力還是壓應力，其阻抗模值都隨著應力的增加而明顯降低.對比發現，相同荷載條件下不銹鋼鋼筋的阻抗模值明顯高于碳鋼鋼筋，再次印證了在含腐蝕介質的混凝土中不銹鋼鋼筋的耐蝕性要明顯優于碳鋼鋼筋這一結論.

Koleva等［12］和Gürten等［13］通過圖9 所 示 的等效電路分析了混凝土中鋼筋的銹蝕狀態，其中Rs為溶液電阻；Rcon和Ccon分別為混凝土覆蓋層的電阻和電容；Rct和Q 分別表示鋼筋／混凝土界面的極化電阻和雙電層電容.

根據等效電路擬合所得混凝土覆蓋層電阻Rcon和鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct如圖10所示.從擬合結果可以看出，混凝土覆蓋層電阻Rcon明顯低于鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct.Morris等［14］用交流阻抗研究遷移性緩蝕劑時，也發現混凝土覆蓋層的電阻明顯低于鋼筋／混凝土界面的極化電阻.由圖10還可發現，隨著應力增加，不銹鋼鋼筋／混凝土界面和碳鋼鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct值都明顯降低，這與開路電位和腐蝕電流密度的試驗結果相一致，表明鋼筋的耐蝕性隨著承受荷載的增加而逐漸降低.此外，相同荷載作用下不銹鋼鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct明顯高于碳鋼鋼筋／混凝土界面的極化電阻，進一步證明在含腐蝕介質的混凝土中不銹鋼鋼筋的耐蝕性要明顯優于碳鋼鋼筋.

對比圖10中不同應力作用下Rcon和Rct可以發現，Rcon在不同應力作用下的變化相對較小，而Rct則隨著應力增加而明顯降低.因此，應力增加導致混凝土中鋼筋腐蝕速率增加的主要原因是鋼筋／混凝土界面受到破壞，導致鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct明顯降低所致.

圖7 承載碳鋼鋼筋在浸泡51d時的交流阻抗圖Fig.7 EIS results of carbon steel bar in mortars after immersed in NaCl solution for 51days

圖9 混凝土中鋼筋試樣的等效電路Fig.9 Equivalent electrical circuit for modeling the impedance data［12］

另一方面，在相同應力水平下，壓應力作用下的Rct值比拉應力作用下的Rct值小，這也同開路電位和腐蝕電流密度的測試結果相互印證，表明在相同荷載作用下，壓應力能更為明顯地加劇混凝土中鋼筋的銹蝕.這可能與拉應力和壓應力下鋼筋表面鈍化膜的不同破裂形式有關.研究表明拉應力下鈍化膜以微裂紋的破壞形式為主；壓應力下鈍化膜以褶皺形式破裂，且隨著壓應力的增加，大量鈍化膜會從基體脫附［9］.本研究中可能由于壓應力更容易導致鋼筋／混凝土界面剝離，進而顯著降低鋼筋／混凝土界面的極化電阻Rct，從而使相同荷載作用下的壓應力比拉應力更為明顯地加劇混凝土中鋼筋的腐蝕.

圖10 不同應力作用下混凝土覆蓋層電阻Rcon和鋼筋／混凝土界面的極化電阻RctFig.10 Fitting results of concrete resistance Rcon and polarization resistance Rct

3 結論

（1）隨著荷載的增加，混凝土中鋼筋的腐蝕速率逐漸增加；在含腐蝕介質的混凝土中不銹鋼鋼筋的耐蝕性明顯優于碳鋼鋼筋.

（2）相同荷載條件下，承受壓應力的鋼筋腐蝕電位比承受拉應力鋼筋的低，其腐蝕電流密度則更高，表明相同荷載下壓應力能更為顯著地加劇鋼筋腐蝕.

（3）應力作用導致鋼筋／混凝土界面的極化電阻降低，進而明顯加劇鋼筋的腐蝕.相同荷載作用下，承受壓應力的鋼筋／混凝土界面的極化電阻降低更加明顯，即其破壞更加嚴重，因而壓應力對鋼筋腐蝕的影響更加明顯.

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