氯鹽對混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)及防治

張重

摘 要：針對氯鹽對混凝土中鋼筋的腐蝕問題，以粉煤灰、減水劑等作為混凝土原材料，以NaCl、Na2SO4作為腐蝕溶液，通過搭建三電極系統(tǒng)就NaCl、Na2SO4腐蝕鋼筋問題展開試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，單一的氯鹽對混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)有很大的腐蝕，但硫酸鹽的加入會在一定程度上抑制氯鹽的腐蝕，且Na2SO4濃度越高，對氯鹽的腐蝕抑制作用越大。

關(guān)鍵詞：氯鹽;電化學(xué);腐蝕;鋼筋結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU503 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-5922（2020）10-0031-04

Abstract：In view of the corrosion of steel bars in concrete caused by chlorine salt， NaCl and Na2SO4 were used as raw materials for concrete， and NaCl and Na2SO4 were used as corrosion solutions. A three-electrode system was established to carry out experimental research on the corrosion of steel bars caused by NaCl and Na2SO4 . The results show that single chlorine salt has great corrosion on concrete reinforced structure， but the addition of sulfate can inhibit the corrosion of chlorine salt to a certain extent， and the higher the concentration of Na2SO4 ， the greater the corrosion inhibition of chlorine salt.

Key words：chloride; electrochemistry; corrosion; steel structure

0 引言

在高堿性環(huán)境中，氯離子對鋼筋鈍化膜造成局部侵蝕。隨著時(shí)間的推移，逐步演變?yōu)殇摻钿P蝕問題，從而造成混凝土耐久性不足。根據(jù)部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國每年因鋼筋腐蝕造成的損失在6000～9000億元之間[1-3]。因此，如何做好混凝土的耐久性問題，已經(jīng)成為當(dāng)前思考的重點(diǎn)。而在混凝土耐久性問題中，氯離子被認(rèn)定為影響鋼筋混凝土使用壽命的重要損傷因子。為解決該問題，人們提出清除鋼筋表面的混凝土，同時(shí)對鋼筋進(jìn)行除銹和保養(yǎng)。但這種方式并沒有完全去除鋼筋內(nèi)部的氯離子，當(dāng)新的混凝土在補(bǔ)充的時(shí)候，很容易造成二次侵蝕[4-8]。在具體研究方面，目前還沒有完整的關(guān)于鹽類對鋼筋的腐蝕機(jī)理的研究。因此，本研究分析氯鹽和硫酸鹽對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕機(jī)理，旨在為氯離子的防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)主要原材料

本試驗(yàn)主要的原材料為硅酸鹽水泥（P.O42.5，四川宜賓珙縣特種水泥廠）、粉煤灰（二級，大唐西安熱電廠）、砂、水、減水劑（ KD 萘系高效減水劑）、鋼筋（級別HPB300，Φ6 號）、NaCl、Na2SO4。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合施工強(qiáng)度要求，文章將混凝土的基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)為表1所示。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)溶液濃度

本實(shí)驗(yàn)用鹽溶液采用表2的方案。

1.2.3 試件養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

遵循標(biāo)準(zhǔn)工藝，首先進(jìn)行人工攪拌，然后澆筑出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的試件（100mm×100mm×100mm），露出的鋼筋涂抹環(huán)氧樹脂，待試件成型24h后拆模，最后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)方法

選擇表2中的四種溶液對表1不同配比方案制備的混凝土進(jìn)行浸泡，實(shí)驗(yàn)周期為5個(gè)周期，每個(gè)周期浸泡60d。實(shí)驗(yàn)方法采用電化學(xué)法中的線性極化法、交流阻抗譜法就鋼筋混凝土在溶液中法腐蝕進(jìn)行分析[9-10]。實(shí)驗(yàn)測量儀器采用CS350 電化學(xué)工作站，混凝土腐蝕方案見圖1所示。

在圖1中，腐蝕鋼筋作為工作電極，普通不銹鋼片作為輔助電極，確保輔助電極的表面積大于工作電極，飽和氯化鉀甘汞電極作為參比電極。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配合比在NaCl溶液中腐蝕線性極化曲線

以溶液A為例，3種不同配合比試件同時(shí)浸泡于溶液A中，以60d為一個(gè)頻次，利用CS350電化學(xué)工作站檢測各頻次的鋼筋腐蝕狀況，然后利用CorrView軟件對極化曲線進(jìn)行活化處理，利用Taffle軟件對極化段進(jìn)行外推，采取非線性最小二乘法，利用CorrTest軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而計(jì)算出腐蝕速率（單位：）、自腐蝕電流等參量，得到表3的結(jié)果。參考極化電阻與腐蝕速率關(guān)系評價(jià)，同時(shí)結(jié)合表3結(jié)果看出，配比1試件的鋼筋在60～180d期間發(fā)生了中等腐蝕，在240～300d期間快速腐蝕;配比2試件的鋼筋在60～180d期間并未遭到腐蝕，在240～300d期間產(chǎn)生中等腐蝕;配比3試件的鋼筋在60～120d并未遭到腐蝕，在180～300d期間產(chǎn)生中等腐蝕。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，在不足60d的時(shí)間里，氯鹽溶液就已經(jīng)滲透配比1試件而接觸鋼筋表面，且誘發(fā)電化學(xué)腐蝕問題;經(jīng)過超過120d的時(shí)間，氯鹽溶液才滲透配比2，開始接觸鋼筋表面，并因?yàn)殡娀瘜W(xué)反映而出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象。而在此之前，鋼筋并未出現(xiàn)腐蝕問題;經(jīng)過120d的時(shí)間，配比3試件的鋼筋表面開始出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕。

2.2 同配比試件在不同溶液中腐蝕的線性極化分析

向NaCl溶液中加入Na2SO4溶液，得到混合溶液。將鋼筋混凝土試件浸泡混合溶液中，Na2SO4溶液會對鋼筋腐蝕過程產(chǎn)生不同的影響。而結(jié)合表3的結(jié)果，文章以配合比2的試件進(jìn)行研究，將試件投入到溶液B中，并以60d作為一個(gè)頻次，繪制同一試件在不同溶液中的極化曲線，具體如圖2所示。

結(jié)合圖2分析，可以得到兩個(gè)結(jié)論：一是配合比2試件浸泡于溶液B內(nèi)，鋼筋的腐蝕電位整體負(fù)向偏移，說明鋼筋的抗腐蝕性能不斷減弱;二是鋼筋腐蝕電位在60～120d期間負(fù)向移動(dòng)的幅度較小，在120～180d期間負(fù)向移動(dòng)的幅度較大，證明配合比2試件經(jīng)過120d后完全滲透至鋼筋表面。

增加Na2SO4溶液的濃度，將同一類型試件浸泡在C溶液中，同樣以60d作為統(tǒng)計(jì)頻次，得到圖3的極化曲線。

結(jié)合圖3看出，配合比2試件浸泡于溶液C中，鋼筋腐蝕電位的移動(dòng)方向呈現(xiàn)出“負(fù)向—正向—負(fù)向—正向”變化規(guī)律，且溶液C中的氯鹽成分經(jīng)過60d時(shí)間就滲透至鋼筋表面，并在180d時(shí)出現(xiàn)鈍化膜。出現(xiàn)上述的原因，是溶液C中的硫酸鹽濃度較高，硫酸鹽與混凝土水化物反應(yīng)生成的硫酸鈣富集于鋼筋表面，形成的鈍化膜能夠保護(hù)鋼筋免受氯鹽溶液的銹蝕;在硫酸根離子濃度降低到一定水平后，氯離子才開始與鐵離子反應(yīng)，實(shí)際上開始了氯鹽溶液對于鋼筋的銹蝕過程。

再次加大Na2SO4溶液，得到圖4的極化曲線。

結(jié)合圖4得出，鋼筋的腐蝕電位為正向-負(fù)向移動(dòng)，說明鋼筋的抗腐蝕性能先增后減。造成上述原因，是溶液D中的硫酸鹽濃度很高，能夠快速破壞混凝土結(jié)構(gòu)，為氯鹽溶液向內(nèi)侵入開辟了通道，氯鹽溶液滲透至鋼筋表面的時(shí)間縮短。但優(yōu)先接觸鋼筋的硫酸鹽會與鋼筋生成難溶的硫酸鈣，從而在鋼筋表面形成密實(shí)的保護(hù)層，能夠阻撓氯鹽溶液對于鋼筋的侵蝕。綜上，高濃度硫酸根溶液起到防護(hù)鋼筋表面的效果。

2.3 不同配合比下的鋼筋腐蝕的交流阻抗分析

以溶液A作為試驗(yàn)溶液，將三種不同配合比試件同時(shí)浸泡于溶液內(nèi)，以60d為一個(gè)頻次，利用CS350電化學(xué)工作站檢測鋼筋腐蝕的交流阻抗參數(shù)，據(jù)此繪制出極化電阻變化曲線。如圖5所示。

從整體來看，隨著極化電阻不斷增大，鋼筋的腐蝕程度減弱，腐蝕速率減小，各種配合比試件的鋼筋極化電阻均超過250Ω，因此，試件的鋼筋處于低腐蝕狀態(tài)。造成上述的原因，是隨著時(shí)間的發(fā)展，更多地鐵銹富集于鋼筋表面，這對于鋼筋腐蝕過程產(chǎn)生抑制作用，尤其在形成鈍化膜以后，鋼筋腐蝕速率達(dá)到最低，此時(shí)的鋼筋極化電阻的波動(dòng)最小。受到氯鹽溶液的作用，鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，從而構(gòu)建起新的腐蝕電池系統(tǒng)，此后鋼筋腐蝕速率回升，鋼筋極化電阻的波動(dòng)變大。

從不同配比對比來看，配合比2試件鋼筋的極化電阻曲線最為平緩，鋼筋極化電阻的變化幅度最小;配合比1試件鋼筋的極化電阻曲線起伏最大，鋼筋極化電阻的變化負(fù)擔(dān)最大。經(jīng)過相等的浸泡時(shí)間，配合比1試件鋼筋遭到嚴(yán)重腐蝕，腐蝕速率最大;而配合比2試件鋼筋的腐蝕程度最輕，腐蝕速率也最低，證明配合比2試件的抗腐蝕性能最優(yōu)，配合比1試件的抗腐蝕性能最差。

2.4 同配比試件下不同溶液的鋼筋腐蝕交流阻抗分析

以配合比2試件為對象，將其浸泡于溶液A～D中。在60d、180d、300d等時(shí)間節(jié)點(diǎn)利用CS350電化學(xué)工作站檢測鋼筋腐蝕的交流阻抗參數(shù)。據(jù)此繪制鋼筋腐蝕的交流阻抗譜，如圖6，圖7所示。

結(jié)合上圖6分析，經(jīng)過60d的浸泡，溶液中硫酸根離子的濃度越大，配合比2試件鋼筋的交流阻抗圓弧半徑隨之增大，說明鋼筋極化電阻與硫酸鹽溶液的濃度具有正相關(guān)性，增大耦合溶液中硫酸鹽濃度，能夠抑制氯鹽溶液對于鋼筋的銹蝕作用。同時(shí)對比分析浸泡于溶液B、C與浸泡于溶液A中鋼筋的交流阻抗譜發(fā)現(xiàn)，浸泡于溶液B、C中鋼筋的交流阻抗圓弧的半徑略小，證實(shí)混合溶液中鋼筋的腐蝕程度有所緩解，而且浸泡于溶液C中的鋼筋銹蝕程度更輕，說明硫酸鹽濃度越高，有助于抑制氯鹽溶液對于鋼筋的銹蝕作用。

3 結(jié)語

通過上述的研究看出，不同配比與不同濃度的鹽類中浸泡，對鋼筋混凝土的腐蝕不同。通過以上研究可以得出以下結(jié)論：①硫酸鹽對鋼筋混凝土的腐蝕是動(dòng)態(tài)變化的，且硫酸鹽的加入可在一定程度上抑制氯鹽對鋼筋混凝土的腐蝕;②單一的氯鹽可腐蝕鋼筋，且隨著時(shí)間的推移，腐蝕越來越嚴(yán)重。

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