混凝土結構中NO2-的不均勻性對鋼筋宏電池腐蝕行為的影響

曹忠露,陳浩宇,魏連雨,日比野誠(. 中交天津港灣工程研究院有限公司 材料工程研究所，天津 00; . 河北工業大學 土木工程學院，天津 0040; . 九州工業大學 混凝土研究室，北九州8048550，日本)

混凝土結構中NO2-的不均勻性對鋼筋宏電池腐蝕行為的影響

曹忠露1,2,3,陳浩宇1,魏連雨2,日比野誠3
(1. 中交天津港灣工程研究院有限公司 材料工程研究所，天津 300222; 2. 河北工業大學 土木工程學院，天津 300401; 3. 九州工業大學 混凝土研究室，北九州8048550，日本)

基于宏電池腐蝕理論，將陰極區鋼筋和陽極區鋼筋分別澆筑成兩個獨立的砂漿試塊，并用導線將其連接成循環電路，通過斷開和連接電路來控制鋼筋的微電池腐蝕和宏電池腐蝕，再將不同濃度的NO2-溶液分別添加到陰極試塊和陽極試塊中以模擬其滲透過程，通過比較NO2-作用前后陰陽極鋼筋之間宏電池腐蝕電流的大小，來評價陰陽極鋼筋表面NO2-的不均勻性對鋼筋宏電池腐蝕行為的影響。結果表明:當NO2-作用于處于腐蝕狀態的陽極鋼筋時，能夠增加陽極鋼筋的極化阻抗，減少陰陽極鋼筋間的宏電池腐蝕電位差，降低宏電池腐蝕電流，從而有效抑制宏電池腐蝕;當NO2-主要作用于處于腐蝕狀態的陰極鋼筋時，陰陽極鋼筋間的宏電池電位差的增大易使宏電池腐蝕電流增加，存在加速鋼筋宏電池腐蝕的危險。

NO2-;不均勻性;宏電池腐蝕;鋼筋;混凝土

市場上阻銹劑的種類較多，但由于它們對混凝土性質會產生不利影響，其應用受到了限制。在眾多阻銹劑中，亞硝酸鈣阻銹劑即與混凝土之間存在較好的物理化學兼容性[1]，又具有較高的阻銹效果[2-6]，故常被直接添加到新拌混凝土中，或被用于聚合物水泥基自修復涂層[7]和修復砂漿[8-10]中。

亞硝酸鈣通常作為摻入型阻銹劑，將其大量摻入到修復砂漿或涂層中，并涂抹在現役混凝土結構表面時，修復砂漿中的NO2-，在濃度差等因素的作用下，能夠從混凝土結構表面逐漸滲透擴散到鋼筋表面，進而發揮其阻銹功能。由于混凝土結構所處環境的多樣性和混凝土材料的異質性，鋼筋表面的氯離子含量和混凝土的碳化程度是不均勻的，這就導致鋼筋表面的部分區域腐蝕較嚴重而其他區域腐蝕較輕或處于鈍化狀態。鋼筋腐蝕的不均勻性導致鋼筋表面的部分區域作為腐蝕的陽極區，其他區域則相應作為腐蝕的陰極區，從而使鋼筋的微電池腐蝕和宏電池腐蝕產生差異性。同樣，由于混凝土材料的異質性，擴散和滲透到鋼筋表面的NO2-通常也是不均勻的，而且NO2-的作用區域有可能是陽極區，也有可能是陰極區，從而影響其對鋼筋微電池腐蝕和宏電池腐蝕的阻銹效果。

目前研究人員對NO2-阻銹效果的評價主要基于微電池腐蝕理論，很少基于宏電池腐蝕理論。在微電池理論中，陰極區和陽極區是交互共存的，腐蝕也是均勻的；而在宏電池理論中，陰極區和陽極區是分開的且相距較遠，腐蝕是不均勻的。當鋼筋處于宏電池腐蝕狀態時，陰、陽極之間的宏電池電位差和陰、陽極的極化比率和極化阻抗是控制宏電流的重要參數[9]。因此，基于宏電池腐蝕理論，研究NO2-的不均勻性對這些參數的影響，即能有效評價其對鋼筋宏電池腐蝕的阻銹效果，又能夠使我們理解NO2-的腐蝕抑制機理。

本工作將兩個獨立分開的陰極試塊和陽極試塊連接成循環電路，通過斷開和連接電路來控制鋼筋的微電池腐蝕和宏電池腐蝕，然后使NO2-分別擴散滲透到陽極試塊鋼筋表面和陰極試塊鋼筋表面，通過比較NO2-作用前后陰陽極鋼筋之間宏電池腐蝕電流的大小，來評價陰陽極鋼筋表面NO2-的不均勻性對鋼筋宏電池腐蝕行為的影響。

1 試驗

試驗選用φ19 mm×180 mm光圓鋼筋。為防止在試驗過程中，鋼筋端部大氣腐蝕對試驗結果可靠性和準確性的影響，鋼筋兩端部40 mm均用聚苯乙烯樹脂和環氧樹脂密封涂裹，使其裸露面積為59.7 cm2。鋼筋被澆筑于80 mm×80 mm×160 mm砂漿試塊的正中心位置，且四周均勻分布著4個直徑6 mm的小孔。通過往小孔中注入NO2-溶液來替代亞硝酸富集型修復砂漿，以模擬NO2-從混凝土結構表面擴散滲透到鋼筋表面的過程。

砂漿試塊的質量比為wW:wC:wS=0.7∶1∶5，由普通波特蘭水泥(密度為3.14 g/cm3)和海沙(使用前經過自來水沖洗，密度為2.58 g/cm3，吸水率為1.53%)制成。本試驗設計的W/C比和S/C比相對較高，其目的為:增加水泥砂漿的滲透性，降低NO2-滲透擴散到達鋼筋表面所需的時間,加速鋼筋腐蝕;使鋼筋表面的氯離子含量保持相對均衡，以易于比較NO2-對鋼筋宏電池腐蝕的影響。部分砂漿試塊在拌合澆筑時分別加入3%(質量分數，下同)和6%氯離子。所有砂漿試塊在澆筑1 d后脫模，然后繼續放在20 ℃恒溫室中進行水中養護至齡期,之后取出，在室溫中放置2周，使試塊的濕度與室內的濕度保持相對穩定。

選取腐蝕程度低的砂漿試塊作為陰極試塊，腐蝕程度高的砂漿試塊作為陽極試塊，并用導線將兩者連接，構成一個試樣體系以模擬在役混凝土結構中的陰極區鋼筋和陽極區鋼筋。試驗設計見表1。試樣體系放置于含有少量水的平底塑料器皿中。器皿中的水剛好超過試塊的下邊緣，使陰極試塊和陽極試塊之間形成電通性。首先將陰極試塊和陽極試塊間的導線斷開2周，此時陰極鋼筋和陽極鋼筋均處于微電池腐蝕狀態；然后將陰極試塊和陽極試塊間的導線連通2周，此時陰極鋼筋和陽極鋼筋均處于宏電池腐蝕狀態，這4周被定義為1個循環，本試驗共進行22個循環。本試驗中，陰極試塊與陽極試塊斷開和連接的時間均為2周。這是因為在斷開狀態下，2周時間便于鋼筋微電池腐蝕狀態的恢復和穩定；在連接狀態下，2周時間有利于鋼筋宏電池極化和宏電池電流的穩定。

混凝土中NO2-的不均勻性對鋼筋宏電池腐蝕的影響主要體現在兩方面：①NO2-作用于處于腐蝕狀態的陽極鋼筋(如表1中的Case 1)，②NO2-作用于處于腐蝕狀態的陰極鋼筋(如表1中的Case 2)。在Case 1中，起初陰極和陽極試件的小孔中均未加入任何溶液(如循環D)，接著陽極試件的小孔中逐漸加入NO2-溶液，其濃度從3 mol/L(如循環E)增加到5 mol/L(如循環F)和8 mol/L(如循環G)，以便分析陽極NO2-濃度對鋼筋宏電池腐蝕的影響。在Case 2中，起初陰極和陽極試件的小孔中均未加入任何溶液(如循環D)，接著陰極試件的小孔中加入8 mol/L NO2-溶液(如循環H)，目的是加速NO2-的滲透，以便更好地觀測宏電池電位差和電流的變化。循環類型見圖1。

表1 試驗設計Tab. 1 Experimental design

圖1 試驗的循環類型Fig. 1 Cycle types in the experiment

在試驗過程中，使用新日鐵技研會社開發的CM-SE1腐蝕診斷器測量鋼筋在微電池狀態和宏電池狀態下的(自)腐蝕電位(參比電極為Ag/AgCl，輔助電極為SUS304不銹鋼)、腐蝕阻抗、以及砂漿阻抗。由于腐蝕診斷器施加到鋼筋表面的電流是分布不均的，而且受鋼筋直徑和保護層厚度的影響較大，故鋼筋阻抗(單位：kΩ·cm2)和砂漿阻抗(單位：kΩ·cm2)與鋼筋直徑和保護層厚度之間存在一定的函數關系。本試驗中使用的鋼筋阻抗值和砂漿阻抗值分別通過該腐蝕診斷器的附屬軟件進行計算獲得。在試驗過程中，飽水脫脂棉放置于腐蝕診斷器探頭和砂漿試塊表面之間，以確保良好的電流傳導性。

結合本試驗的目的并兼顧實踐中對腐蝕的理解，釋放電子的陽極反應和消耗電子的陰極反應發生在臨近交互的區域，即為微電池腐蝕。此情況經常發生在氯離子均勻分布的鋼筋混凝土構件中。試驗中，當陰極試塊和陽極試塊處于斷開狀態時，微電池腐蝕處于主導地位，此時陰極鋼筋的腐蝕和陽極鋼筋的腐蝕被稱為微電池腐蝕。釋放電子的陽極反應和消耗電子的陰極反應發生在相距較遠的不同區域，即宏電池腐蝕。當腐蝕速率較高的鋼筋與腐蝕速率較低或處于鈍化狀態的鋼筋相連時，宏電池腐蝕將會發生。當陰極試塊和陽極試塊處于連接狀態時，宏電池腐蝕處于主導地位，此時陰極鋼筋和陽極鋼筋的腐蝕被稱為宏電池腐蝕。

為了區分微電池腐蝕電流密度和宏電池腐蝕電流密度，以及更好地理解它們之間的關系，鋼筋在斷開狀態下的腐蝕電流密度稱為微電池腐蝕電流密度，可由Stern-Geary等式計算獲得，即：

Jmi=B/Rp

(1)

式中:Jmi是微電池腐蝕電流密度(μA·cm-2);Rp是鋼筋阻抗(kΩ·cm2);B是Stern-Geary常數，當鋼筋處于腐蝕狀態時,B為26 mV，當鋼筋處于鈍化狀態時B為52 mV。

當陰極試塊和陽極試塊處于連接狀態時，流經陰極試塊和陽極試塊間的電流(即宏電流)，使用零電阻電流計測得。宏電池腐蝕電流密度由下式計算獲得，即：

式中:Jma是宏電池腐蝕電流密度(μA·cm-2);Ima是宏電池腐蝕電流(μA);Aa是陽極鋼筋的腐蝕面積(cm2)。陽極鋼筋被定義為釋放電子的鋼筋，可從宏電流的流動方向判斷得出。使用零電阻電流計直接測量宏電池腐蝕電流是非常有效的，其優點是被測量的電流通常是自然流動，并沒有受到測量系統或外部的干擾；其主要缺點是不包含在陰/陽極內部流動的電流，可能使測得的電流值小于實際的電流值。在某些環境中，尤其是當混凝土或砂漿阻抗特別高時，這種影響比較突出。因此，為了減少這種影響，使流經陰極試塊和陽極試塊間的宏電流更接近實際值，在本試驗中，陰極試塊和陽極試塊均小部分浸漬在水中，以增加砂漿的電導性。

2 結果與討論

2.1 NO2-作用于陽極鋼筋

由圖2可見:在Case 1條件下,在NO2-作用前(第1至6循環)，當陰極鋼筋和陽極鋼筋處于斷開(微電池)狀態時，陰極鋼筋的腐蝕電位為-49 mV，處于鈍化狀態，陽極鋼筋的腐蝕電位為-412 mV，處于活躍腐蝕狀態，陰陽極鋼筋間存在著顯著的電位差。此時陰極鋼筋和陽極鋼筋的微電池電流密度分別為0.002 3,0.063 2 μA/cm2。當陰極鋼筋與陽極鋼筋相連接時形成了宏電池腐蝕電路，陽極鋼筋腐蝕釋放的電子被轉移至陰極鋼筋并被陰極鋼筋所消耗，從而形成從陰極鋼筋流向陽極鋼筋的宏電池電流，進而導致陰極鋼筋的腐蝕電位從-49 mV降低至-383 mV,陽極鋼筋的腐蝕電位從-412 mV上升至-396 mV，非常接近陰極鋼筋的腐蝕電位，陰陽極鋼筋間的電位差大大的縮小。陽極鋼筋腐蝕電位的輕微增加和陰極鋼筋腐蝕電位的顯著降低，表明陽極鋼筋的腐蝕活性較大以至于產生的電子量遠大于陰極鋼筋消耗的電子量。隨著混凝土的阻抗從20 kΩ·cm2(第1循環)增加到70 kΩ·cm2(第6循環)，陰極和陽極鋼筋間的宏電流密度相應從0.405 μA/cm2(第1循環)降低至0.200 μA/cm2(第6循環)。從第7至9循環，陽極側砂漿試塊的小孔被填充了3 mol/L的NO2-溶液。經過NO2-的滲透和擴散，陽極鋼筋表面的NO2-濃度逐漸增加。由于NO2-能夠抑制陽極鋼筋的陽極反應，降低陽極鋼筋釋放電子的速率，促進鋼筋表面密實鈍化膜的形成，所以理論上，NO2-應該能夠提升陽極鋼筋的腐蝕電位、降低微電池腐蝕速率。然而，由試驗結果可見，在第6循環的斷開(微電池)狀態下，添加3 mol/LNO2-溶液到陽極側試塊的小孔中后，陽極鋼筋的腐蝕電位由第6循環斷開狀態下的-410 mV降低至第7循環斷開狀態下的-590 mV，然后又逐漸上升至第8循環斷開狀態下的-440 mV和第9循環斷開狀態下的-400 mV。陽極鋼筋的微電池腐蝕電流密度則由第6循環斷開狀態下的0.063 μA/cm2增加至第7循環斷開狀態下的0.228 μA/cm2，然后又逐漸降低至第8循環斷開狀態下的0.190 μA/cm2和第9循環斷開狀態下的0.180 μA/cm2。相對于陽極鋼筋腐蝕電位和微電池電流密度的變化，宏電池腐蝕電流密度由第6循環連接狀態下的0.20 μA/cm2增加至第7循環斷開狀態下的0.35 μA/cm2，然后又逐漸降低至第8循環斷開狀態下的0.06 μA/cm2和第9循環斷開狀態下的0.03 μA/cm2。值得注意的是，在第7至9循環，添加3 mol/L的NO2-溶液到陽極側試塊的小孔，增加了陽極鋼筋在斷開和連接狀態下的宏電池極化電位差，降低了陰極鋼筋在斷開和連接狀態下的宏電池極化電位差。

(a) Ecorr-t

(b) Jcorr-t圖2 Case 1條件下,鋼筋陰極和陽極的Ecorr-t和Jcorr-t變化曲線Fig. 2 Ecorr-t (a) and Jcorr-t (b) of anode and cathode for rebar in Case 1

從第10至14循環，陽極側試塊小孔中的NO2-溶液濃度增加到5 mol/L，以便加速NO2-的滲透擴散，使斷開狀態下陽極鋼筋的腐蝕電位進一步朝著正電位方向增加，微電池腐蝕電流密度進一步降低，連接狀態下宏電池腐蝕電流密度的進一步減小。至第14循環的斷開狀態，陽極鋼筋的腐蝕電位增加到-280 mV，微電池和宏電池電流密度分別被降低到0.067 μA/cm2和0.008 μA/cm2。從第15至22循環，陽極側試塊小孔中的NO2-溶液濃度被最終增加到8 mol/L，從而大大增加了NO2-的擴散滲透速率。最終在第22循環的斷開(微電池)狀態下，陽極鋼筋的腐蝕電位被提升到-180 mV，微電池和宏電池電流密度分別被降低到0.018 μA/cm2和0.000 8 μA/cm2。基于上述試驗結果，可以明確NO2-在提升銹蝕鋼筋腐蝕電位和降低鋼筋腐蝕速率上是有效的。

向陽極側試塊小孔中加入不同量NO2-溶液，陰極側試塊始終保持恒定不變的狀態，所以在整個試驗過程中陰極鋼筋消耗電子的能力是不變的，在陰極和陽極鋼筋間流動的宏電流主要由陽極鋼筋釋放電子的能力所決定。陽極鋼筋表面的NO2-能夠有效抑制陽極鋼筋的陽極反應，從而消弱陽極鋼筋釋放電子的能力。根據試驗結果，宏電池電流隨著陽極鋼筋表面NO2-含量的增加而逐漸降低。這不僅明確了NO2-對鋼筋宏電池腐蝕的抑制效果，還表明了此腐蝕由鋼筋的陽極反應所控制。

基于上述試驗結果，還可以發現在宏電池作用下，陰極區鋼筋的腐蝕電位被極化至較低值，陽極區鋼筋的腐蝕電位被極化至較高值，進而使陰極區鋼筋的腐蝕電位接近于陽極區鋼筋的腐蝕電位，陰極區鋼筋易被誤認為陽極區鋼筋，從而很難通過半電池電位法來測量判斷鋼筋的陰極區和陽極區。在宏電池腐蝕狀態下，使用腐蝕診斷器來測量混凝土結構中鋼筋的極化阻抗和腐蝕速率，能夠相對清晰地分辨出陰極區鋼筋和陽極區鋼筋。這與GONZLEZ等[10]的研究結論相吻合，也為工程上區分在役混凝土結構中鋼筋的陰極區和陽極區給出了技術指導。

2.2 NO2-作用于陰極鋼筋

由圖3可見：在Case 2條件下,在NO2-作用前(第1至6循環)，當陰極鋼筋和陽極鋼筋處于斷開(微電池)狀態時，陰極鋼筋的腐蝕電位為-517 mV，陽極鋼筋的腐蝕電位為-615 mV，兩者均處于活躍腐蝕狀態，且兩者間存在明顯的電位差。當陰極鋼筋與陽極鋼筋相連接(宏電池)時，由于宏電池腐蝕極化的影響，陰極鋼筋的腐蝕電位從-517 mV降低至-520 mV，陽極鋼筋的腐蝕電位從-615 mV上升至-532 mV，陽極鋼筋腐蝕電位的顯著增加和陰極鋼筋腐蝕電位的輕微降低，表明處于腐蝕狀態的陰極鋼筋的活性較大以至于消耗電子的能力遠大于陽極鋼筋釋放電子的能力。陰極和陽極鋼筋間的宏電流密度約為0.092 μA/cm2。從第7至22循環，陰極側砂漿試塊的小孔被填充了8 mol/L的NO2-溶液。隨著NO2-逐漸滲透擴散至陰極鋼筋表面，其阻銹效果逐漸顯現，陰極鋼筋在斷開(連接)狀態下的腐蝕電位逐漸從-517 mV上升至-230 mV。此時當陰極鋼筋和陽極鋼筋相連接，陰極鋼筋的腐蝕電位從-230 mV降低至-487 mV，陽極鋼筋的腐蝕電位從-590 mV上升至-490 mV，陰極鋼筋的極化電位差與NO2-作用前相比顯著增加，表明在NO2-的作用下，處于腐蝕狀態陰極鋼筋的腐蝕活性有所降低，陰極鋼筋需要較大的極化量才能消耗掉陽極鋼筋釋放的電子。由于陽極鋼筋的腐蝕電位保持相對恒定，陰極鋼筋腐蝕電位的提升，導致陰極和陽極鋼筋間宏電池電位差的增大，宏電池電位差從NO2-作用前的198 mV增大到NO2-作用后的340 mV。宏電池電位差的增大增加了宏電池腐蝕的驅動力，從而使宏電池腐蝕電流密度從0.092 μA/cm2增至0.159 μA/cm2。宏電池腐蝕電流的大小取決于陰陽極鋼筋的宏電池極化阻抗(阻抗力)和陰陽極鋼筋間的宏電池電位差(驅動力)。如果由陰陽極鋼筋間宏電池電位差的增大而引起的電流增量大于由陰極鋼筋極化阻抗增加而產生的電流減量，那么整個體系的宏電池腐蝕電流將呈現增加趨勢。需要注意，當NO2-作用于處于腐蝕狀態的陰極鋼筋后，雖然在微電池(陰極和陽極斷開)狀態下，陰極鋼筋的腐蝕電位大幅提高，NO2-的阻銹效果能夠得以確認，但是在宏電池(陰極和陽極連接)狀態下，陰極鋼筋的腐蝕電位并未提高，很難對NO2-的阻銹效果進行判定。由于現役混凝土實體結構中鋼筋間的相互連接使鋼筋一直處于宏電池腐蝕狀態，所以不均勻的NO2-含量，特別是NO2-主要作用于處于腐蝕狀態的陰極鋼筋時，將存在加速鋼筋宏電池腐蝕的危險。

(a) 自腐蝕電位-t

(b) 自腐蝕電流密度-t圖3 Case 2條件下,鋼筋陰極和陽極的Ecorr-t和Jcorr-t變化曲線Fig. 3 Ecorr-t (a) and Jcorr-t (b) of anode and cathode for rebar in Case 2

3 結論

在宏電池腐蝕狀態下，混凝土結構中NO2-的不均勻性對鋼筋宏電池腐蝕的影響很大。當NO2-僅作用于處于腐蝕狀態的陽極鋼筋時，能夠增加陽極鋼筋的極化阻抗，減少陰陽極鋼筋間的宏電池腐蝕電位差，降低宏電池腐蝕電流，從而有效抑制宏電池腐蝕。

當NO2-主要作用于處于腐蝕狀態的陰極鋼筋時，雖然在微電池狀態下，陰極鋼筋的腐蝕電位大幅提高，NO2-的阻銹效果能夠得以確認，但是在宏電池狀態下，由于陰陽極鋼筋間的宏電池極化作用，陰極鋼筋的宏電池腐蝕電位并未提高，很難對NO2-的阻銹效果進行判定。此外，陰陽極鋼筋間的宏電池電位差的增大易使宏電池腐蝕電流呈增加趨勢，從而存在加速鋼筋宏電池腐蝕的危險。

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Effect of Non-homogeneous Nitrite Ions on the Macrocell Corrosion Behavior of Reinforcing Steel Embedded in Concrete Structures

CAO Zhonglu1,2,3, CHEN Haoyu1, WEI Lianyu2, HIBINO Makoto3
(1. Tianjin Port Engineering Institute Ltd of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd, Tianjin 300222, China;2. School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 3. Concrete Laboratory, Kyushu Institute of Technology, Kitakyushu 8048550, Japan)

Based on macrocell corrosion theory, cathodic steel bar and anodic steel bar were casted in two separated cement mortar blocks in which nitrite solution with different concentrations were filled to simulate the penetration process of nitrite ions, then cathodic steel bar and anodic steel bar were connected or disconnected by lead wire to simulate the macrocell corrosion or microcell corrosion. The influence of non-homogeneous nitrite ions on the macrocell corrosion behavior of reinforcing steel was investigated by comparing the magnitude of macrocell current flowing between anodic and cathodic steels. The results indicated that the presence of nitrite only on the surface of anodic steel could increase the macrocell polarization resistance of anodic steel, reduce the macrocell potential difference, decrease the macrocell corrosion currrent and therefore effectively inhibit the macrocell corrosion. The presence of nitrite only on the surface of cathodic steel could enhance the macrocell potential difference, increase the macrocell corrosion currrent and therefore have a risk to accelerate the macrocell corrosion.

nitrite ion; non-homogeneity; macrocell corrosion; reinforcing steel; concrete

2015-12-01

中交一航局科技研發項目(2016)

曹忠露(1987-)，工程師，博士，從事混凝土材料和結構耐久性方面的研究，022-28340037，caozhonglu@126.com

10.11973/fsyfh-201707012

TG174.2

A

1005-748X(2017)07-0537-06