水泥基復合夾芯墻板中鋼筋的銹蝕試驗研究

馬永炯 楊天霞 賀美欽

（1甘肅第三建設集團公司，甘肅 蘭州 730050；2蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050；3洛陽旌勝公路工程有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

建筑節能指在確保室內舒適環境的前提下，提高采暖、通風、空調、照明、炊事、家用電器和熱水供應等的能源利用效率，重點是提高采暖、空調系統的能源利用效率。目前，城市居民樓很多都是簡單的平屋頂，為了找出最好的保溫材料，通過考慮影響保溫材料的各個因素，包括材料的造價、熱傳導系數、材料的容重以及材料的厚度等，同時將材料的造價和節省的能源造價進行比較，充分說明了水泥基復合夾芯墻板的合理性和經濟性。水泥基復合夾芯墻板是建筑非承重內隔墻的一種裝配式墻體，根據夾芯材料的不同將水泥基復合夾芯墻板分為聚苯顆粒墻板、擠塑墻板、發泡保溫板、巖棉墻板等。水泥基復合夾心墻板與傳統的砌塊相比，具有質地輕（質量相當于一般砌塊墻體材料的1/3～1/4[2]，板材厚度僅120mm，相當于傳統墻體的一半）、整體性能好、施工工藝簡單、環保性能好、保溫隔熱以及隔音功能較好等特點，應用在墻體結構上不會使結構負荷太重，而且還會提高建筑物抗震性能和安全性能，減少墻體占用面積，提高建筑使用面積，節省資金[3]。但水泥基板里有鋼絲，鋼絲銹蝕后會引起水泥基板開裂，加上西部環境惡劣，溫差大、紫外線輻射強，易引起水泥基板開裂，開裂后更容易造成鋼絲銹蝕。目前，防止混凝土結構中鋼筋腐蝕是保證混凝土結構耐久性的主要因素，已經有大量的試驗研究。余志剛[4]通過試驗發現在鋼筋混凝土結構中加入阻銹劑能很好起到緩解鋼筋銹蝕的作用，提高鋼筋混凝土結構的耐久性。趙冰[5]通過在鋼筋表面涂覆環氧樹脂涂層，采用電化學分析表明涂層可以很好保護鋼筋以免銹蝕。喬宏霞[6]采用電化學工作站，以極化曲線出發對不同涂層鋼筋混凝土結構進行研究，得出不同涂層對鋼筋的保護性能不同。因此，如果能解決水泥基復合夾芯墻板表面及接縫處的裂縫問題，就能使其在我國北方冬季寒冷地區得到廣泛應用和推廣。

1 試驗

1.1 原材料

本次試驗所需的水泥基復合夾芯墻板尺寸為600×600×120mm3，選用巖棉為夾芯材料，以價低、耐水性好、強度高的低堿硫鋁酸鹽為面層膠結材料，增強材料為強度高、耐久性好、質輕的耐堿玻璃纖維網格布，保溫材料選用巖棉。外加劑選用防水劑、減水劑。制作幾組水泥基復合夾芯墻板試塊，將試塊放置1d后拆模，自然環境下標準養護時間為28d，然后脫模成品堆放。后期在已制備好的試件上截取尺寸為100mm×100mm×120mm的試塊進行數據采集，每30d對截取試塊中的鋼絲測極化曲線并對數據經行整理，研究水泥基復合夾芯墻板中鋼絲的銹蝕行為。圖1是水泥基復合夾芯墻板樣板示意圖。

1.2 試驗方案

蘭州新區位于我國西北部，處于蘭州、銀川、西寧三個城市之間。北部地勢相比南部較高，地形比較平坦，規劃面積約1744km2。根據《蘭州新區氣候環境分析報告》可知[7-9]，蘭州新區受地形影響，是明顯的大陸性季風氣候，屬半干旱地區。春季干旱少雨多風；夏季降雨較多，氣候適宜；秋季較涼爽，早晚溫差大；冬季干燥且寒冷，降雪較少。蘭州新區光照較充足，紫外線輻射強，降水較少，災害性天氣較多，有害物質SO2、NO2、PM10的排放量也較多[10]，所以選用這里作為研究西部保溫隔熱材料的地區具有合理性、代表性。將裁減下來的試件同工作墻板一起放在蘭州新區自然環境下，30d測其極化曲線采集一次數據，試驗歷經360d，研究水泥基復合夾芯墻板在西部地區的可實施性。

圖1 水泥基復合夾芯墻板樣板示意圖

1.3 試驗原理

圖2 三電極系統圖

此次試驗采用的儀器為C350電化學工作站，圖2為電化學工作站的三電極系統圖，三個電極分別為工作電極、參比電極和輔助電極，電池由兩個電極和電極之間的電解質構成。極化曲線指極化電位（E）與電極的外測電流I（或者lg|I|）之間關系的曲線，表征腐蝕原電池反應的推動力電位與反應速度電流之間的函數關系，腐蝕行為的評價指標選用腐蝕電位、腐蝕速率和腐蝕電流密度。腐蝕電流密度與腐蝕程度之間的關系如下表1。

表1 腐蝕深度與腐蝕電流密度的關系

數據處理主要依據高斯-牛頓-麥夸托迭代法進行曲線擬合，極化區的三參數極化曲線方程如下：

式中：i為外側極化電流；icorr為腐蝕電流密度；ΔE=EEcorr為極化電位；βa和βc分別為陽極和陰極塔菲爾（Tafel）斜率，是以10為底的對數（lg）值，用ba和bc分別表示陽極和陰極斜率，相互之間的線性關系如下：

腐蝕速率和腐蝕電流密度之間的關系如下：

式中：M-電極材料的分子量；V-腐蝕速率；ρ-電極材料密度；N-金屬離子的價數

2 試驗分析

2.1 腐蝕原理

陽極極化曲線是對鋼絲施加陽極電流，同時測量鋼絲的電位變化，以腐蝕電位為縱坐標，對數腐蝕電流密度為橫坐標而繪制。陽極極化曲線陡峭，說明電極溶解過程中的阻力較大，鋼絲處于鈍化狀態。腐蝕電位向正方向移動，鋼絲腐蝕很難發生，表明鋼絲的抗腐蝕能力較強；腐蝕電位負向移動，鋼絲容易被腐蝕，抗腐蝕能力較弱[16]。鋼絲的電化學腐蝕過程原理如下[17]：

陽極氧化反應：

陰極還原反應：

鐵銹生成過程：

Fe（OH）3脫部分水生成鐵銹。

2.2 試驗分析

圖3～圖7分別為水泥基復合夾芯墻板在室外干燥環境下測得的鋼絲0-360d的極化曲線、腐蝕電位、腐蝕電流密度以及腐蝕速率圖。

圖3 0-180d極化曲線

圖4 210-360d極化曲線

圖5 腐蝕電位

圖6 腐蝕電流密度

圖7 腐蝕速率

從圖3和圖4可見，自然環境下水泥基復合夾芯墻板中的鋼絲所測得的極化曲線0-180d陽極比較平緩，說明陽極電極溶解過程中的阻力較小，鋼絲容易發生腐蝕，而210-360d陽極比較陡峭，說明陽極電極溶解過程的阻力大，鋼絲不容易發生腐蝕；根據腐蝕電位沿著正負兩個方向的變動可以判斷水泥基復合夾芯墻板中的鋼絲被腐蝕的進度[17]。開路電位沿著正方向挪動，說明鋼絲抵抗能力較強，不容易被腐蝕；腐蝕電位沿負方向挪動，則反之。從圖5～圖7可以看出，0-30d時，腐蝕電位負方向移動，這是因為水泥基復合夾芯墻板里的鋼絲在西部惡劣的氣候（主要是O2和H2O的參與）影響下，鋼絲表面的鈍化膜被破壞[16]，發生銹蝕，而腐蝕電流密度icorr也從0.018μA·cm2上升到0.03μA·cm2；30-120d時，腐蝕電位繼續向負方向移動，腐蝕速率和腐蝕電流密度隨腐蝕電位的負向移動增大；120-180d時，腐蝕電位正方向移動，說明水泥基復合夾芯墻板的中鋼絲的銹蝕產物以及鋼絲表面產生新的鈍化膜減緩了新的腐蝕發生，腐蝕速率和腐蝕電流密度相應減小；180-270d時，腐蝕電位負方向移動，腐蝕電流密度、腐蝕速率隨著腐蝕電位的負向移動而增大，說明銹蝕產物并不能一直有效抑制腐蝕的發生，鋼絲繼續被銹蝕，腐蝕電流密度也線性增大到0.15μA·cm2，鋼絲處于低腐蝕狀態；270-330d時，腐蝕電位負方向移動，腐蝕速率和腐蝕電流密度相應增大，這是由于溫差較大，紫外線輻射強就會發生銹蝕，隨后會引起水泥基板開裂，開裂后更容易引起鋼絲銹蝕，腐蝕電流密度icorr呈持續從0.15μA·cm2線性上升到0.19μA·cm2，此時的水泥基復合夾芯墻板中的鋼絲還是處于低腐蝕狀態[18]；330-360d時，腐蝕電位正向移動，說明此時鋼絲表面產生的銹蝕產物鐵銹附著在鋼絲表面抑制鋼絲的繼續腐蝕，腐蝕速率和腐蝕電流密度也減小。從0-360d能夠看出，雖然水泥基復合夾芯墻板中的鋼絲一直被銹蝕，但整個試驗過程中水泥基復合夾芯墻板始終處于低腐蝕狀態。說明此構件在西部地區具有很好的適用性，可以實施應用并發展。

3 結論

1）水泥基復合夾芯墻板會出現裂縫是因為墻板里的鋼絲在西部惡劣的氣候影響下產生銹蝕，銹蝕產物增大鋼絲原來的體積，引起水泥基板開裂。

2）此次試驗發現水泥基復合夾芯墻板中的鋼絲在整個試驗過程中會產生銹蝕，腐蝕電流密度icorr最高達到0.19μA·cm2，根據表1的銹蝕深度與腐蝕電流密度的關系可知鋼絲的銹蝕狀態處于低腐蝕狀態，說明這種保溫隔熱構件在西部寒冷地區具有很好的適用性，能夠運用在西部建筑結構上并推動西部地區的發展。