交流干擾下鋼筋在混凝土孔隙液中的腐蝕研究

劉衍科 楊建宇 蔣鵬霄

（1. 長沙理工大學土木工程學院，湖南 長沙 410000；2. 中國建筑第五工程局有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

隨著科技的不斷進步，各種高壓輸電線路隨處可見，由于地理環境等因素的影響，輸電線路不可避免的與埋地管道等金屬構件并行軌道，交流干擾隨之而來。在長達一百多年的研究中，人們發現盡管在相同電流密度下，交流腐蝕速度遠小于直流腐蝕的速率，但交流干擾對金屬腐蝕的危害仍然不可忽視 。近年來，人們對于埋地金屬管道的交流干擾進行了大量的研究，通過實驗現象、理論分析等方式總結出了法拉第整流模型 、堿化機理 、交流去極化機理 、振蕩機理 、電致擊穿機理 等典型的腐蝕模型。然而這些機理僅能解釋各自所觀察到的實驗現象，由于交流腐蝕比較復雜，因此模型難以統一。

鋼筋混凝土構件是世界上用途最廣的結構構件，其被用于各種結構設施當中，如房屋、橋梁、高壓變電站、高速鐵路等。而混凝土中的鋼筋一旦銹蝕，生成的氧化產物導致體積膨脹使混凝土脹裂，使鋼筋混凝土構件的耐久性下降甚至失效 。近期李俊豪 的研究認為在交流電的電磁感應下，地鐵隧道的結構鋼筋產生的感應電流遠大于直流制下產生的直流雜散電流。國內外大部分學者都認為，交流電會對埋地金屬管道危害程度較大，而忽視了交流電對鋼筋混凝土構件的腐蝕。因此本文運用開路電位、極化曲線、Mott-schottky測試和觀察試件腐蝕形貌等方式，研究交流電的影響下A3碳鋼在混凝土模擬溶液中的腐蝕行為，以用于交流干擾下的鋼筋混凝土構件提供參考。

1 實驗方法

電化學測試實驗材料選用A3碳鋼（原Q235碳鋼），其金相組織為鐵素體加珠光體組織組成。其主要的化學成分（質量分數）為C 0.22% ，Mn 1.4%，Si 0.35%，S 0.050%，P 0.045%，其余為Fe。實驗所用溶液為混凝土模擬孔隙液，其溶質為0.001mol/lL Ca（OH）2+0.2 mol/L NaOH+0.6 mol/L KOH的混合溶液 ，PH值約為13.5。溶液采用純凈水配置，配置溶液的化學試劑均采用分析純級。

電化學實驗裝置示意圖如圖1所示，交流電路通過臺灣普斯交流電源PS61005對試樣施加交流電流，電路中串聯一個10Ω的電阻，通過改變交流電壓大小來準確控制實驗所需的交流電流的大小，電路中所包含的電容起到“通交阻直”的作用，防止電化學工作站提供的直流電流對交流電路的干擾，其電容容量為470uf，耐壓值為25V；電化學工作站的工作電極線所串聯一個感抗為20H的電感元件，型號為EI57X30，其內阻值大約為220Ω，起到“通直阻交”的作用，能隔絕絕大部分的交流成分，防止交流電路對電化學工作站產生干擾。

圖1 實驗裝置示意圖

電化學實驗所用試樣尺寸為直徑8mm，長3cm的光圓鋼筋，使用環氧樹脂將鋼筋部分面積密封，從而使得電極的工作面積約為3cm2，實驗前將試樣放入無水乙醇清洗，吹干后待用。電化學工作站選用RST5000系列電化學測試系統，測試交流電下A3碳鋼在交流電下的電化學行為。實驗采用經典三電極體系。工作電極為暴露面積約為3cm2的A3碳鋼，由于溶液為高堿環境，飽和甘汞電極在高堿環境下不穩定，因此選用汞-氧化汞電極，輔助電極為石墨電極，測試電路如圖所示。測試時設置不同的電流梯度（0、50、100、200、500A/m2）對A3碳鋼電化學行為的影響。

在實驗正式開始之前，由于鋼筋在空氣中難免會生成一層氧化膜，因此首先將工作電極在-1V下極化3min，以去除空氣中生成的氧化膜的影響，接著讓工作電極在溶液中靜置0.5～1h，待開路電位穩定后，施加交流電，探究交流電對鋼筋開路電位的影響，然后待開路電位達到“較穩定”后，在施加電流的情況下進行動電位極化曲線的測試，掃描速度為0.001V/s，電位范圍為相對于參比電極-1～1.1V。

為了討論交流電對鋼筋鈍化膜的影響，另選一組鋼筋首先將工作電極在-1V下極化3min，以去除空氣中生成的氧化膜的影響，然后將工作電極在0.7V下充分極化一個小時，使工作電極生成一層致密的鈍化膜，接著讓工作電極在溶液中靜置0.5～1h，待開路電位穩定后，施加交流電流1h，接著撤去施加的電流，然后進行Mott-schottky測試，測試的電位區間為-1～1.2V，采樣間隔為0.05V，交流頻率為1000Hz，交流振幅為0.005V。

2 實驗結果與分析

2.1 開路電位分析

圖2為在不同交流電流密度下A3碳鋼在混凝土模擬溶液中的開路電位，由圖可知，在未通電的情況下A3碳鋼的自腐蝕電位大約為-0.85V，當交流電流密度增至100A/m2時，自腐蝕電位下降致-0.86V左右，而當電流密度增至500A/m2時，其自腐蝕電位下降至-1V左右，在施加交流電的情況下，碳鋼的開路電位負向偏移，且偏移幅度與交流電流密度一定程度上成線性關系，由此可見交流電流作用增加了碳鋼發生腐蝕的可能性，增加了其電化學活性。

圖2 在交流電影響下A3碳鋼半小時開路電位變化(a)和穩定后開路電位(b)

2.2 極化曲線分析

圖3為A3碳鋼在不同交流電流密度下的極化曲線，由圖可知，在未施加交流電流的情況下，極化曲線符合典型具有明顯鈍化區的極化曲線，鈍化區間較大，并且存在明顯的電流峰和電流谷，其反應過程相對復雜，而在施加50A/m2的交流電之后，曲線相對平滑，整體電流密度降低，并且隨著電位的增加，曲線上并未出現明顯的電流峰和電流谷，維鈍電流密度變大，鈍化區間變小，顯然導致了A3碳鋼的鈍化性能下降，當電流密度增至500A/m2時，曲線上的鈍化區域變得更為平緩，這表明了隨著交流電流密度的增加，A3碳鋼在混凝土模擬溶液中所形成的鈍化膜的破壞程度也隨之增加，其鈍化區間變小可能意味著，碳鋼所生成的鈍化厚度比原來小或者碳鋼生成了一種新的保護程度不及原來鈍化膜的氧化產物。

圖3 不同交流電流密度下A3碳鋼的極化曲線(a)和腐蝕速度(b)

2.3 Mott-schottky曲線分析

鋼筋的鈍化膜通常具有半導體的性質，當鈍化膜與溶液接觸時，半導體的鈍化膜與溶液會自發的形成一層空間電荷層，鈍化膜與溶液分別帶有相反的電荷，當鈍化膜內電荷過多，就會分布于膜與溶液中的空間電荷層內，當人為的施加電壓使得空間電荷層耗盡后，此空間電荷層的電容C與電極電位的關系符合Mott-schottky方程 。

其中，前端符號為正時，代表n型半導體，此時的N為ND，代表施主載流子密度；前端符號為負時，代表P型半導體，此時N為NA，代表受主載流子密度；e為電子電荷量（1.602189×10-19C）；E為電極電位，EFB為平帶電位；k為玻爾茲曼常數（1.38×10-23J/K）；T為絕對溫度（K）；室溫下kT/e約為25mv；ε為半導體的介電常數（對于鐵的氧化物來說取12 ）；ε0為真空介電常數, 其值為8.854×10-12F/m。

圖4為在交流電的影響下混凝土模擬溶液中A3碳鋼的M-S曲線，對于未通交流電的試件，可以觀察到4個區域，第一個區域為-1～-0.8V，表現為一條斜率接近為0的直線，其斜率為正，鋼筋所生成的鈍化膜呈現不明顯的n型半導體；第二個區域為-0.8～0.5V，曲線的斜率為正數，且斜率的絕對值先增大后減小，表現為明顯的n型半導體；第三個區域為0.5～1V，曲線的斜率為負數，斜率的絕對值先增大后減小，表現為明顯的P型半導體；最后一個區域為1～1.2V，曲線又慢慢接近于平行X軸的直線，表現為不明顯的P型半導體。

圖4 同交流電流密度下A3碳鋼的mott-schottky曲線

通過擬合圖中直線部分的斜率可以求出施主載流子密度ND，通過擬合的直線與X軸的交點坐標可以求出平帶電位EFB。

在未施加交流電的情況下，第二個區域直線的斜率較大，而在施加交流電后，第二個區域直線的斜率顯著降低，由Mott-schottky曲線方程可知，對于n型半導體而言，直線斜率越大，其施主密度ND越小，由圖5可以看出，隨著電流密度的增大，碳鋼的施主密度ND不同程度的增大，相關研究表明，ND越大鈍化膜的結構越不穩定，也就是說隨著交流電流密度的增大，A3碳鋼所形成的鈍化膜的穩定性也越差。

圖5 不同電流密度下A3碳鋼的ND(a)和EFB(b)

根據電話學反應動力學，一般來說，當平帶電位升高時，費米能級減小，半導體失去電子的能力降低，從而導致鈍化膜更加難以形成 。由圖4(b)可知A3碳鋼的平帶電位隨著電流密度的增大而增大，這表明交流電的施加會使鋼筋表面的鈍化膜更加難以形成，鋼筋更易于被腐蝕。

3 結語

（1）在交流電的作用下，A3碳鋼的開路電位整體程負移，且開路電位的移動幅度與交流電流密度程正相關，施加交流電后，A3碳鋼在混凝土模擬溶液中腐蝕的可能性增加；

（2）A3碳鋼的極化曲線在交流電的影響下變得更為平滑，隨著交流電流密度的增加，其鈍化區間明顯變小，維鈍電流密度明顯增大，這導致了A3碳鋼鈍化膜的保護性降低，這可能加速鋼筋的銹蝕；

（3）根據Mott-schottky曲線的結果，表明交流電流密度的增大會使施主載流子密度增大，鈍化膜的點缺陷增多，膜內缺陷密度增大，鈍化膜的結構也越不穩定，更容易發生腐蝕破壞。