氯離子對混凝土鋼筋腐蝕行為的影響

李 敢，童水明，喻 強，劉 東

（1.湖北省黃黃高速公路管理處，湖北武漢 430074；2.武漢工程大學，湖北武漢 430073）

氯離子對混凝土鋼筋腐蝕行為的影響

李 敢1，童水明1，喻 強1，劉 東2

（1.湖北省黃黃高速公路管理處，湖北武漢 430074；2.武漢工程大學，湖北武漢 430073）

探究了氯離子對模擬混凝土孔隙液中鋼筋腐蝕行為的影響。結果表明：無氯離子存在時，鋼筋腐蝕速率都很小。氯離子的引入加大了鋼筋的腐蝕速率，溶液pH越高，金屬抗氯離子破壞能力越強；低pH時，金屬表面腐蝕形貌以局部腐蝕為主。

混凝土；鋼筋腐蝕；極化曲線；電化學阻抗譜

0 前 言

眾所周知，鋼筋混凝土在建筑結構材料和工程領域應用廣泛，對現代國民經濟建設的作用舉足輕重。導致混凝土結構破壞的原因主要是鋼筋的銹蝕，鋼筋混凝土結構的過早失效，給當今世界各國造成了嚴重的損失。

氯鹽是造成鋼筋銹蝕的主要因素之一，對混凝土構成嚴重威脅。氯離子的引入主要通過以下兩種方式：一類是在混凝土攪拌時使用了含氯鹽的原材料，另一類是從外部滲入。如沿海的鹽霧以及內陸的鹽堿地、高濃度的鹽湖；在進行道路除冰時，大量融雪劑的使用等。鋼筋混凝土構筑物中不可避免的含有氯離子，勢必造成鋼筋的腐蝕，從而破壞混凝土的穩定性，因此探究鋼筋在含Cl-環境中的腐蝕行為具有重要的理論和工程意義。

本文采用極化曲線和電化學阻抗譜技術以及微觀分析方法，探究了不同pH條件下，Cl-對模擬混凝土孔隙液中鋼筋的腐蝕行為。

1 實驗

實驗材料為Q345B碳鋼，實驗前將鋼試樣四周用環氧樹脂密封，只留下0.5 cm2表面作為工作區。每次電化學測試前，電極表面依次用800#、1 200#、1 500#的SiC砂紙磨平，丙酮除油，蒸餾水沖洗，吹干，備用。用飽和Ca（OH）2溶液來模擬混凝土孔隙溶液，其pH為12.5，通過NaHCO3和NaOH來調節pH。

采用三電極體系進行電化學測試，飽和甘汞和鉑電極分別做為參比電極和輔助電極，Q345B碳鋼為工作電極。采用動電位慢掃描方式進行極化曲線測試，速率為10 mV/min，電位區間為相對開路電位-15 mv～1.0 V。電化學阻抗測試（EIS）測試頻率為105～10-2Hz，擾動電壓振幅為5 mv。用工業顯微鏡觀察腐蝕形貌。

2 結果與討論

2.1體系無Cl-

圖1為Q345B鋼在模擬孔隙液中不同pH條件下的電化學阻抗譜，其阻抗越大，表示腐蝕過程越不易發生。由圖1（a）可知，pH為12.5時，當浸泡時間超過6 h后，阻抗弧已經變得非常大，表明Q345B鋼腐蝕速率非常小。這是由于電極表面形成了致密的保護膜，阻止了腐蝕的發生。調節溶液pH值為13.6，模擬鋼筋在更高堿性孔隙液中的腐蝕行為，如圖1（b）所示。由圖可知，當浸泡時間超過6 h后，電極表面也形成致密的鈍化膜。相比于pH12.5，此時鋼筋腐蝕速率更小。表明維持高堿性環境，更加有利于鋼筋防護。然而，很多情況下鋼筋混凝土會發生碳化而使溶液pH下降。圖1（c）為Q345B鋼在模擬碳化孔隙液為pH9.6時的電化學阻抗譜。由圖1（b）可知，6 h后，Q345B鋼表面還是會形成一定數量含鐵氧化膜，減緩金屬的腐蝕。

圖1　Q345B鋼在模擬孔隙液中的電化學阻抗譜

2.2體系加入Cl-

通過采用點蝕擊穿曲線，探究不同pH條件下Cl-對模擬混凝土孔隙液中鋼筋的腐蝕行為，其結果見圖2。如果電極的擊穿電位越正，表明電極抗Cl-破壞能力越強。由圖2（a）可知，當溶液pH為12.6，Cl-濃度為0.06M時，體系傾向于發生鈍化膜破裂。結果同時表明Cl-濃度在0.05M以下，鋼筋混凝土是安全的。當體系pH值增加到13.6，由圖2（b）可知，使鈍化膜容易破裂的Cl-濃度會增加到1.0M，表明在高堿性條件下的形成的鈍化膜具有更加致密的結構，有更好的保護性能，破壞已形成的鈍化保護膜需要更多的Cl-數量。而由圖2（c）可知，當溶液體系發生碳化后，如pH值降為9.6，即使少量的Cl-，濃度為0.005M時，電極依然容易發生膜破裂，實驗結束后，電極表面有點蝕坑。以上結果表明，溶液pH越高，抗Cl-腐蝕能力越強。

圖2 Q345B鋼在含Cl-模擬孔隙液中的點蝕擊穿曲線圖

圖3為Q345B鋼在含Cl-模擬孔隙液中浸泡24 h的形貌圖。由圖3（a）可知，在pH12.5+ 0.06MCl-的條件下，電極表面出現腐蝕產物堆積，還可以觀察到明顯的腐蝕坑。由圖3（b）可知，在pH13.6+1.0MCl-的條件下，電極表面并沒有出現點蝕坑，結合極化曲線結果，表明此時腐蝕為均勻腐蝕。由圖3（c）可知，在pH9.6+0.05MCl-的條件下，電極腐蝕以絲狀腐蝕為主，即使存在低濃度的Cl-，點蝕依舊容易發生。

圖3　Q345B鋼在含Cl-模擬孔隙液中浸泡24 h的形貌圖

2.3機理討論

在實際應用中，處在強堿性環境下的鋼筋表面會生成一層致密的鈍化膜，該鈍化膜主要是由具有尖晶石結構的Fe3O4-γFe2O3鐵氧化物的固溶體膜構成。此類膜對鋼筋有極強的保護作用，這就使得在通常情況下混凝土中鋼筋處于保護狀態、免受腐蝕的侵擾。

鋼筋鈍化膜在混凝土高堿性的孔隙液中形成，在低Cl-濃度條件下，鋼筋依舊可以保持鈍化。由于Cl-比O2和OH-更易于吸附并進入鈍化膜，當鋼筋基體表面Cl-達到并超過臨界氯離子含量時，處于自由狀態的Cl-便會與Fe離子形成可溶性絡合物。當pH值下降時，鈍化膜則處于活躍狀態并且變得不穩定，氯離子可以穿透混凝土結構并且吸附在鈍化膜表面，使得鈍化膜處pH急劇減小，逐步酸化，最終導致鈍化膜逐漸被破壞。在陽極生成的可溶性的鐵氯化物并擴散到溶液本體中，而FeCl2和FeCl3又重新離解為鐵離子和氯離子。造成混凝土鋼筋內部出現大陰極、小陽極的電位差，從而使得陽極反應得以順利的進行乃至加速進行，鐵離子則被轉移到了本體溶液中，從而導致混凝土中鋼筋發生腐蝕。

3 結 論

混凝土中鋼筋表面的高堿性環境，致使其表面形成一層致密的鈍化膜，該鈍化膜主要成分為鐵基氧化物，使得鋼筋具有較強的抗腐蝕能力。氯離子的引入加大了鋼筋的腐蝕速率，溶液pH越高，抗氯離子破壞能力越強。低pH時，金屬表面腐蝕形貌以局部腐蝕蝕為主。

［1］ 唐方苗，徐暉，陳雯，等.模擬混凝土孔隙液中鋼筋電化學腐蝕行為及pH值的影響作用［J］.功能材料，2011，42（2）：291-297.

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U445

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1008-3383（2016）09-0140-02

2016-06-08

李敢（1975-），男，湖南汨羅人，工程師，從事高速公路施工及法律、行政管理工作。

湖北省交通運輸廳科技項目（鄂交科教［2013］731號），國家自然科學基金項目（51401150）

劉東（1980-），男，湖北荊州人，博士，副教授，研究方向：材料失效與防護。