高強鋼筋在混凝土環境中的腐蝕行為

陶永康,李思銳

(四川省工業環境監測研究院，成都 610046)

熱軋帶肋鋼筋通常是橫截面為圓形，且表面帶肋的混凝土結構用鋼筋。它是鋼筋混凝土建筑結構的主要增強材料，在結構中承受著拉、壓應力和應變。隨著生產技術的進步以及人們對建筑結構質量要求的提高，建筑結構用鋼筋也得到了快速發展[1]。目前主要通過微合金化提高鋼筋的屈服強度，改善其力學性能[2]。除了改善鋼筋的力學性能，國外主要工業發達國家還強調提高鋼筋延展性能，改善其綜合性能[3]。

鋼筋混凝土結構是目前最常用的工程結構之一，但耐久性不足這一主要問題制約了其發展。混凝土結構的失效形式有混凝土碳化、開裂以及鋼筋腐蝕等，其中鋼筋腐蝕是混凝土結構失效的主要原因[4]。混凝土環境的pH為12～13，在此環境中，鋼筋表面會生成一層鈍化膜，使鋼筋免遭腐蝕。該鈍化膜具有雙層結構，內層以氧化不充分的Fe3O4為主，外層為氧化程度較高的γ-Fe2O3[5]。當pH小于10時，鋼筋表面鈍化膜將會破裂，進而導致鋼筋腐蝕。HUET等[6]用X射線光電子譜(XPS)研究了不同pH孔隙液中碳鋼表面鈍化膜的腐蝕行為，發現當pH大于10時，鈍化膜穩定存在，此時膜層以三價鐵為主。SANCHEZ等[7]在模擬孔隙液中研究了鈍化膜的自然生長過程和在恒電位極化條件下的生長過程，結果表明隨著極化電位的升高，鈍化膜的阻抗值明顯增加，鈍化膜中的載流子濃度明顯降低。

混凝土結構中鋼筋表面的鈍化膜還受各種環境因素的影響，如腐蝕介質(Cl-、SO42-等)、混凝土覆蓋層的碳化、溫度及混凝土結構的承載等都會影響鈍化膜。研究發現，Cl-含量的增加會降低鈍化膜的反應電阻，使鈍化膜不穩定，阻礙鈍化膜的生成[8]，SO42-也不利于鈍化膜的形成[9]。而加入NO3-可在鋼筋表面生成以Fe3O4和δ-FeOOH為主的鈍化膜，該鈍化膜能很好地保護混凝土環境中的鋼筋。此外，當混凝土結構鋼筋受到拉壓應力時，鋼筋表面的鈍化膜會被破壞，導致鋼筋腐蝕；當應力強度相同時，壓應力對鋼筋的腐蝕影響比拉應力更嚴重[10]。

目前的研究多針對碳鋼鋼筋在混凝土中的腐蝕行為，僅有少量關于高強鋼鋼筋銹蝕后力學性能的報道[11-12]，且鮮見關于高強鋼鋼筋腐蝕行為的研究。目前，混凝土鋼筋也已經發展到了HRB500E甚至HRB600E級高強鋼鋼筋階段，含有微合金元素的高強鋼鋼筋在混凝土環境中生成鈍化膜的時間,鈍化膜組成、結構,電化學性能必將與碳鋼鋼筋不同。本工作研究了HPB300、HRB400E、HRB500E鋼筋在模擬混凝土孔隙液中的腐蝕行為，并研究了Cl-濃度對不同鋼筋腐蝕行為的影響，以期為鋼筋在混凝土構筑物中的進一步應用提供理論基礎。

1 試驗

1.1 試樣

采用國內某鋼廠生產的HPB300、HRB400E、HRB500E級鋼筋，尺寸為φ12 mm，采用直讀光譜法對鋼筋的化學成分進行分析，見表1。

表1 三種鋼筋的化學成分Tab. 1 Chemical composition of three steel bars %

將試樣切割成長1cm小段，除30mm2工作面外，非工作面用環氧樹脂和硅膠密封，用于電化學測試。

1.2 溶液

模擬孔隙液采用飽和Ca(OH)2溶液，pH約為12.5，向模擬孔隙液中添加0.04 ，0.06，0.08 mol/L Cl-(采用NaCl)研究Cl-濃度對鋼筋腐蝕行為的影響。

1.3 電化學測試

利用萬用電表測試三種鋼筋試樣在孔隙液中的開路電位，并繪制開路電位-時間曲線。通過武漢科思特CS300電化學測試系統對其在不同溶液中的極化曲線進行測試。采用三電極體系，以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為輔助電極，試樣為工作電極。通過線性擬合，得出試樣的自腐蝕電流密度J，用自腐蝕電流密度表征試樣的腐蝕速率。

2 結果與討論

2.1 電化學試驗

2.1.1 開路電位

由圖1可見：在不含Cl-的模擬孔隙液中，三種試樣的開路電位均隨著測試時間的延長不斷增大，之后繼續延長測試時間，開路電位維持穩定狀態，表明三種試樣在孔模擬隙液中處于鈍化狀態。此外，HPB300和HRB400E試樣約經歷168 h達到鈍化狀態，而HRB500E試樣則在48 h便達到了鈍化狀態。這表明HRB500E試樣先于HPB300和HRB400E試樣達到穩定鈍化狀態。

圖1 三種鋼筋試樣在不含Cl-模擬孔隙液中的開路電位Fig. 1 Open circuit potentials of three steel bar samples in Cl- free simulated pore fluid

2.1.2 極化曲線

由圖2和3可見：隨著浸泡時間的延長，三種鋼筋試樣的自腐蝕電流密度降低，這表明鋼筋在溶液中進入了穩定的鈍化狀態。HRB500E試樣的自腐蝕電流密度在約48 h便達到了穩定，這與開路電位測試結果一致。此外，HRB500E試樣的自腐蝕電流密度最小，表明HRB500E試樣在溶液中的耐蝕性最好，鈍化性能最穩定。

(a) HPB300 (b) HRB400E (c) HRB500E

2.2 Cl-對鋼筋腐蝕行為的影響

由圖4可見：模擬孔隙液中加入Cl-后，所有鋼筋試樣的腐蝕速率均明顯增大，這說明Cl-的加入促進了鋼筋在模擬孔隙液中的腐蝕。當模擬孔隙液中Cl-含量為0.04 mol/L時，HPB300、HRB400E和HRB500E三種鋼筋的腐蝕電流密度分別為1.272，1.139，0.988 μA/cm2；加入0.06 mol Cl-后HPB300、HRB400E和HRB500E三種鋼筋的腐蝕電流密度中分別為1.297 ，1.174，1.092 μA/cm2；繼續增加溶液中Cl-的量，三種鋼筋的腐蝕電流密度繼續增加。可以看出，HRB500E試樣的腐蝕電流密度最低，即HRB500E試樣在含Cl-的模擬孔隙液中的耐蝕性最好。

圖3 三種鋼筋試樣在不含Cl-模擬孔隙液中的腐蝕電流密度Fig. 3 Corrosion current densities of three steel bar samples in Cl- free simulated pore fluid

圖4 Cl-對鋼筋腐蝕電流密度的影響Fig. 4 Influence of Cl- concentration on corrosion current dersity of reinforcement

2.3 HRB500E鋼筋耐蝕的原因

由表1可見：HPB300、HRB400E、HRB500E試樣的微合金元素含量(除C、Si、Mn、P、S、Fe)分別為0.093%、0.194%、0.229%，并且HRB500E試樣中的Cr和Ni含量均高于HPB300和HRB400E試樣的。而Cr和Ni是不銹鋼中的主要合金元素，因此，HRB500E試樣的耐蝕性更好與其微合金元素，特別是Cr和Ni元素含量更高有關。

根據圖5，按國標GB/T 6394-2017 《金屬平均晶粒度測定方法》評定HRP300鋼筋的晶粒度為8級，HRB400E鋼筋的為8.5級，HRB500E鋼筋的為9級，平均晶粒度等級HRB500E>HRB400E>HPB300。根據表1中結果，三種鋼筋中V的質量分數由大到小分別為HRB500E(0.046%)>HRB400E(0.009%)>HPB300(0.003%)。V具有細化晶粒的作用[13]，故HRB500E鋼筋的晶粒度等級最高。研究表明，低合金鋼和鋁材一般隨著基體材料晶粒減小，耐蝕性增加[14]。因此，HRB500E鋼筋的耐蝕性更好也可能與其晶粒度等級更高(晶粒更細小)有關。

(a) HPB300 (b) HRB400E (c) HRB500E

3 結論

(1) 在模擬孔隙液中，HPB300、HRB400E、HRB500E三種鋼筋均能達到穩定的鈍化狀態，具有較好的耐蝕性。

(2) 模擬孔隙液中加入Cl-后，鋼筋的鈍化狀態遭到破壞，鋼筋發生腐蝕；隨Cl-濃度增加，鋼筋腐蝕速率增加。

(3) HRB500E鋼筋在模擬孔隙液中的耐蝕性最好，這與其微合金含量多有關，尤其是Cr和Ni含量較多，此外HRB500E鋼筋中V含量較多導致其晶粒相對細小，這提高了其耐蝕性。