MMFX-2鋼筋性能綜述和抗腐蝕性現場實驗

Scott A.Newbolds，Shuo Li

（1.博立頓大學 土木工程學院，美國 堪薩斯州 66002；2.美國印第安納州交通廳，美國 印第安納州 47906）

0 引言

水泥混凝土橋面鋪裝鋼筋腐蝕不僅是一個普遍存在的問題，還是一個復雜的過程。通常，預防或延緩水泥混凝土橋面鋪裝鋼筋腐蝕的方法有兩種，一是減緩氯離子在混凝土中的遷移，二是使用替代鋼筋。影響氯離子在混凝土中遷移的主要因素有混凝土保護層厚度、混凝土抗開裂能力和混凝土擴散性能。增加混凝土保護層厚度將加大氯化物到達鋼筋的距離。減少橋面鋪裝的裂縫有助于減緩氯離子遷移。改善混凝土微結構不僅可以改善擴散性能，還能減緩腐蝕電流[1]。輔助膠凝材料如硅灰與氫氧化鈣相互作用可形成額外的膠凝物，以填充孔隙而減小混凝土孔隙性，這反過來使得氯離子更難在混凝土中遷移[2]。

鋼筋的改進可采用抗腐蝕性能更好的合金、環氧樹脂涂層鋼筋或非金屬筋材。有關混凝土非金屬筋材的資料可以在有關文獻中找到[3]。鋼筋表面環氧樹脂涂層如果使用得當，能提供良好的抗腐蝕性能[4]。然而，在印第安納州的有關調查中，研究人員發現在裂縫和保護層較薄區域的環氧樹脂涂層鋼筋出現腐蝕[5]。通過對新建橋面鋪裝過程的進一步監測，研究人員還發現在鋼筋鋪設過程中，環氧樹脂涂層鋼筋每英尺出現多達9個針孔。這些調查結果不僅引起了印第安納交通廳對有關問題的重視，還促使他們修訂了相關的標準。目前，印第安納交通廳要求在施工前，環氧樹脂涂層鋼筋不能在陽光下暴露太長時間，以防紫外線損傷涂層；在環氧樹脂涂層鋼筋運輸、鋪設和混凝土澆筑過程中，要非常小心以防涂層受損；適當增加環氧樹脂涂層的容許厚度。

采用環氧樹脂涂層鋼筋的繁瑣條件促使工程師們尋找其替代物，其中一個顯而易見的選擇是不銹鋼。然而，不銹鋼價格昂貴，為標準鋼筋的9倍左右[6]。MMFX微米復合鋼是近年來研究開發出的一種低碳、高鉻替代鋼合金[7-8]，其微觀結構不同于珠光體鋼。珠光體鋼結構主要是鐵素體和鐵碳化物晶粒交替層，會產生微原電池而形成腐蝕發生源。MMFX是不含碳化物的微米復合鋼，主要含被存留的穩定的奧氏體敷果的馬氏體板條。由于MMFX鋼的這種結構避免了微原電池的形成，開發人員認為MMFX鋼提供了更好的抗腐蝕性能。為此，印第安納州交通廳修建了MMFX鋼加筋混凝橋面進行腐蝕現場腐蝕評價。根據印第安納州交通廳有關部門的要求，筆者對現有的MMFX鋼的研究成果進行了綜合分析，并對現場試驗數據進行評價分析[9]?？紤]到中國水泥混凝土橋面鋪裝鋼筋腐蝕將變得日益嚴重，尤其是冬季道路融冰鹽的應用越來越大，筆者特將有關的綜合分析和試驗整理成文，以饗讀者。

1 混凝土中鋼筋腐蝕

1.1 鋼筋腐蝕機理

從本質上說，鋼筋腐蝕是一種電化學過程即兩個單獨又相關的電化學反應的結果[10]。在鋼筋腐蝕反應中，電流在鋼筋兩點之間形成封閉環路中流通。這種腐蝕反應恰如干電池中發生的電化反應，其結果被稱為電化腐蝕。由于鋼筋腐蝕過程的兩個電化學反應一個發生在陽極，另一個發生在陰極，所以被分別稱之為陽極反應和陰極反應，化學反應方程如式（1）、式（2）：

式（1）為陽極反應即鐵的氧化，涉及電子損失；式（2）為陰極反應即氧還原，涉及獲得電子。陽極反應損失的電子，沿著鋼筋流動到陰極并在陰極反應中被使用；陰極反應生成的氫氧根離子通過混凝土孔隙溶液流動，這些流動的電子和離子流就構成腐蝕電流。在陽極（即實際金屬損失的位置），亞鐵離子（Fe2+）溶解在混凝土孔隙溶液中，且電子沿鋼筋流向陰極；在陰極，所獲得的電子和所溶解的氧及其水相結合形成氫氧根離子（OH-）。而金屬的損失只會在陰極反應發生時得以繼續，也就是說，鋼筋腐蝕的發生需要溶解氧和水。

緊隨著陽極和陰極兩個反應，亞鐵離子Fe2+進一步反應而還原成三價鐵如式（3）、式（4）：

以上過程永不休止，鋼筋表面的鈍化膜將最終被打破。此外，在氯離子存在或孔隙水pH值低于11.5時，亞鐵和三價鐵產物沒有防護性[1]，酸化反應接著發生，從而產生Fe(OH)2（即鋼鐵腐蝕的主要產物）和H+如式（5）：

由于H+會加速陽極反應，結果導致進一步氧化如式（6）：

Fe(OH)3是一種疏松多孔鐵銹，最終將轉變成一種結晶形式如式（7）：

Fe2O3（三氧化二鐵，俗稱鐵紅）是一種紅棕色鐵銹，和少量O2作用就生成Fe3O4（四氧化三鐵，俗稱鐵黑），即一種黑色鐵銹。因此，鐵銹是鋼筋腐蝕反應的副產物，Fe2O3和Fe3O4是兩種主要鐵銹形式。要注意的是，鐵銹不一定是在陽極形成，常常沉積其他位置而非發生金屬損失地方。對于鋼筋腐蝕評估和防護來說，關鍵問題有兩個，一是鋼筋腐蝕是否會發生，二是一旦發生，腐蝕速度多大。

1.2 腐蝕起源和擴展

鋼筋的納米結構組成差異會導致在鋼筋表面形成陽極區和陰極區。普通碳鋼是由兩個晶化合物組成：鐵素體（α-鐵）和滲碳（Fe3C即碳化鐵）。這些結構組成差異使得鋼筋易于腐蝕。鐵素體相趨于變成陽極，滲碳體相趨于變成陰極。一旦鋼筋暴露在濕氣中（水或離子溶液），電流能夠在陽極和陰極之間流動，也就開始發生腐蝕。其他表面差也能產生局部的陰極和陽極，包括局部應力和局部環境。

影響鋼筋腐蝕速度和可用來減緩腐蝕過程的因素主要有3個：首先，溶解氧的獲得是可以控制的一個因素［式（2）］，如果其供給不能得到連續不斷的補充，陰極反應速度就會放慢。對于混凝土中鋼筋來說，氧的供給被混凝土保護層有效地減緩。相反，保護層裂縫為氧到達鋼筋提供了一個直接通道。其次，混凝土電阻控制離子（Fe2+和OH-）在混凝土中的流動，從而影響腐蝕速度?；炷岭娮韪邥r，這些離子的流動將會緩慢，鋼筋腐蝕速度降低。第三，鋼筋腐蝕速度也受鋼筋表面鈍化層的影響。鋼筋能和氧反應以在鋼筋表面形成不溶性金屬氧化物薄層（約10 nm）。如果該薄層保持完整，它將使鋼筋變得電被動并因而被稱為鈍化層。鈍化層可有效地減緩金屬溶解速度并使其降低到可忽略不計的水平。這種鈍化層的形成就是不銹鋼耐腐蝕特性所在。

對于普通碳鋼來說，鈍化層也可以在高pH溶液中形成。而混凝土孔隙溶液是一種高pH溶液，混凝土中的鋼筋也因此被鈍化層保護。最初形成的氧化物膜是亞鐵離子（Fe2+）基氧化物，它進一步和溶解氧發生反應形成三價鐵離子（Fe3+）基氧化物，其對氯化物離子更有抵抗力。這里要強調的是，鈍化層只有在其穩定時才能提供保護，而影響鈍化層穩定性的兩個常見因素是碳酸化（這減小了混凝土孔隙溶液的堿度）和氯離子。如果溶液的pH值低于11.5，氧化物形成但不黏附到表面，氯離子與亞鐵氧化物發生反應并在鈍化層中形成可溶性化合物氯化鐵[FeCl]x。這種化合物容易溶解在溶液中，從而導致鈍化層失去穩定發生坑蝕。而氯離子的存在干擾了氧化亞鐵向三價鐵氧化物的轉化，但這僅當氯離子濃度相對于氫氧根離子濃度更高時才發生。因此，氯離子濃度和氫氧根離子濃度的比率非常重要，它決定是否鋼筋坑蝕的發生。

2 MMFX-2鋼合金性能

2.1 材料特性

使MMFX鋼合金變得獨特的是它的微觀結構。如前所述，MMFX鋼合金的微觀結構不同于珠光體鋼，珠光體鋼結構主要是鐵素體和鐵碳化物晶粒交替層，會產生微原電池而形成銹蝕發生源。MMFX鋼合金是不含碳化物的微米復合鋼，主要含被存留的穩定的奧氏體敷果的馬氏體板條，這種結構避免了微原電池的形成。MMFX-2是MMFX的新一代產品，本質上比傳統的鋼特別是A615[11]碳鋼強度更大，碳含量低（0.05%～0.09%），鉻含量高（8%～10%）。Scully和Hurley檢驗了316LN奧氏體不銹鋼、2101LDX雙相不銹鋼、MMFX-2鋼、A615碳鋼和316LN不銹鋼包層碳鋼結構組成[12]，其結果列于表1。對于碳素鋼和MMFX鋼來說，其主要的差異在于 Cr、C、S和 Mn 含量。

表1 不同鋼材化合物組成重量[12] %

2.2 強度特性

有關研究人員研究了MMFX和MMFX-2鋼的強度性能[6，13]。例如，在文獻[6]中，研究人員在作業現場采集了混凝土新型鋼材的樣品，包括316LN不銹鋼，MMFX-2鋼和316LN不銹鋼包層鋼，并對其力學性能進行了試驗。所有鋼筋尺寸型號均為5號鋼，有關的試驗結果見表2。仔細觀察表中數據，不難得到以下3點：首先，MMFX-2鋼比其他兩種鋼材呈現出更大的屈服強度和抗拉強度，但MMFX-2鋼沒有呈現明確定義的屈服點；其次，MMFX-2鋼材呈現比其他兩種鋼材更小的伸長；第三，MMFX-2鋼材比其他鋼重量輕一些。雖然所有的鋼筋級別均屬于Grade 60級，MMFX和MMFX-2鋼屈服強度和抗拉強度更大，但伸長較其他鋼筋小。

表2 作業現場鋼筋樣本力學性能[6]

2.3 應力-應變特性

由于MMFX-2鋼可能沒有明確定義的屈服點，另外，混凝土結構配筋的應力-應變特性將影響采用MMFX-2鋼的結構特性和設計，從而使得全面了解MMFX-2鋼的應力-應變特性變得非常重要。Hill等人對幾種常用鋼材的應力-應變特性進行了拉伸試驗研究[14]，包括環氧樹脂涂層鋼（ECS）、不銹鋼包層鋼（SSC），MMFX鋼和碳纖維增強聚合物筋（CFRP）等。圖1是根據Hill等的試驗結果重新繪制的以上4種配筋的應力-應變曲線，其中ECS和SSC鋼呈現類似于普通碳鋼應力-應變典型曲線，在屈服點之前曲線呈線性變化，而在屈服點之后曲線呈非線性變化，屈服點非常明顯。MMFX鋼的應力-應變曲線在初始階段呈線性變化，然后呈高度非線性變化，且屈服點不明顯。CFRP筋應力-應變關系一直呈線性變化，直到試件斷裂。

圖1 ECS、SSC、MMFX和CFRP的應力-應變曲線（根據文獻[14]重繪）

2.4 腐蝕特性

由于MMFX-2鋼有9.3%的Cr，這就減少或消除了在其微觀結構中碳化物的形成。因為常規不銹鋼需要至少12%的Cr，MMFX-2不能被歸類為不銹鋼。然而，9.3%的Cr含量能夠增加抗腐蝕能力。此外，MMFX-2微觀結構由馬氏體板條和未相變奧氏體的納米片組成，這就減少或消除了導致腐蝕的微原電池的形成。有的研究人員認為[10]，MMFX-2的這種微觀結構降低了氧或氫還原反應時交換電流密度，從而減少了腐蝕速度。生產廠家也指出，MMFX鋼的氯化物閾值是A615碳鋼的4～8倍，腐蝕速度是A615碳鋼的1/3～2/3倍。

3 MMFX-2腐蝕性能現場評價

3.1 試驗橋面

為了更好地了解MMFX-2鋼抗腐蝕能力，印第安納州交通廳特在美國公路US-41的位于同一樁號的南北兩座橋梁上，鋪設了水泥混凝土試驗橋面鋪裝，對其配筋的抗腐蝕性能進行長期評價。US-41公路雙向共4個車道，分隔行駛。MMFX-2鋼筋使用在南行橋梁橋面鋪裝中（見圖2），于2004年完成施工。而北行橋面鋪裝采用環氧樹脂涂層鋼筋，于2005年完成施工。南行的橋料是一個三跨連續鋼梁，跨度分別為 15.24 m（50′）、18.28 m（60′）和15.24 m（50′）。現場取樣試驗包括按91 cm×91 cm（3′×3′）網格測定橋面鋪裝表面半電池電位及其按12.7 mm（1/2″）間隔直到表面以下100 mm（4″）采集的粉末測定氯離子擴散性能。有關的試驗每兩年進行一次。

圖2 MMFX鋼筋混凝土試驗橋面

3.2 試驗性橋面

第一次試驗是采集有關的基準數據，并在施工竣工不久就完成，第二次試驗是在施工竣工后兩年時進行的。如圖3所示，是兩次試驗測定的MMFX-2鋼筋橋面鋪裝的半電池電位分布，其中縱坐標增加方向為行車方向。根據ASTM C876[15]，當半電池電位大于-200 mV時，表示鋼筋無腐蝕的概率為90%；半電池電位位于-350～-200 mV時，表明鋼筋是否腐蝕不確定；半電池電位小于-350 mV時，表示鋼筋發生腐蝕的概率為90%。根據施工竣工后不久采集的基準數據，半電池電位讀數的1.4%小于-350 mV，即1.4%的橋面發生鋼筋腐蝕。鑒于基準數據是在施工竣工不久、開放交通之前采集的，1.4%讀數表明發生鋼筋腐蝕還是有些超出筆者的期望。但是，這一百分比還是比較小，并說明橋面鋪裝98.6%范圍的鋼筋處于不確定腐蝕或無腐蝕。根據施工竣工兩年后采集的數據，可以看出和基準數據之間的變化不大，半電池電位讀數小于-350 mV的比例為1.8%，僅增加了0.2%。這一比例再一次表明，橋面鋪裝98.2%范圍的鋼筋處于不確定腐蝕或無腐蝕。也就是說，在施工竣工兩年期間鋼筋腐蝕很少。

圖3 MMFX鋼試驗性橋面半電池電位（mV）圖

圖4 MMFX鋼試驗性橋面氯離子測定數據

如圖4所示，是在施工竣工不久及其竣工兩年后測定的橋面鋪裝混凝土中氯離子含量，其中鋼筋位置位于橋面鋪裝表面下62.5 mm。圖3中數據表明，在施工竣工不久測定的氯化物含量即基準數據不僅非常小，而且在整個深度范圍內不足以引起鋼筋去鈍化，且遠低于氯離子臨界濃度。氯離子臨界濃度與碳鋼的腐蝕有關，弗吉尼亞州采用的MMFX鋼氯離子臨界濃度為碳鋼氯離子臨界濃度的3.5倍[16]。施工竣工兩年期間內，氯離子濃度有所增加，尤其是在橋面鋪裝上部（12.5～25 mm范圍）氯離子濃度顯著增加。但在橋面配鋼筋位置上下，氯離子濃度仍然遠小于其臨界濃度。當然，這些試驗結果只反映兩年時間的變化，但清楚表明隨著時間增加，氯離子在混凝土橋面鋪裝中的擴散將越來越深，氯離子水平將不斷增加。

根據印第安納州MMFX-2鋼試驗橋面鋪裝的測試結果，半電池電位讀數的基準數據和施工竣工兩年后數據變化不大，這說明兩年之內實驗性MMFX-2橋面鋪裝的鋼筋腐蝕發生很少。另外，施工竣工兩年后氯離子實驗結果表明混凝土中氯化物含量還沒有達到鋼筋去鈍化水平。然而，在橋面鋪裝上部（12.5～25 mm范圍）氯離子濃度在兩年期間顯著增加。這表明隨著時間增加，氯離子在混凝土橋面鋪裝中的擴散將越來越深而到達鋼筋位置，氯離子水平將不斷增加。

因此，筆者建議當在氯化物影響較大的場合，如果希望提供二次腐蝕保護時，可考慮使用MMFX鋼。當然，也可根據有關的壽命周期成本分析結果決定是否采用MMFX鋼。

4 結論和建議

總的來說，現有的研究一致認為同普通碳鋼相比，MMFX-2鋼的屈服強度和抗拉強度更高、抗腐蝕性更好，但沒有明顯的屈服點。有分歧的是MMFX-2鋼和環氧樹脂涂層鋼之間的相對成本效益相對有效性，但印第安納州的調查表明，環氧樹脂涂層鋼筋確有腐蝕問題。