混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋在應(yīng)力作用下的腐蝕特征

1、The 6th China Corrosion ConferenceThe Corrosion Behavior of Carbon Steel in Concreteunder Stress ConditionXingguo FENG, Yuming TANG, Xuhui ZHAO, Yu ZUO*School of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 100029, ChinaCorresponding author Email: zuoy, Tel:

2、 86-10-64423795, Fax: 86-10-64423795Abstract: Three-point loads were applied to samples for studying the influence of stress on corrosion behav-iour of carbon steels in motars. The corrosion potential, corrosion current density and electrochemical im-pedance spectroscopy (EIS) of carbon steels were

3、studied. In addition, the cracks on mortars surface were ob-served. The results showed that the effects of stress on corrosion behaviour of carbon steels in motars could be divided into two aspects. During the early immersed period, the stress mainly affected the permeation of solution. Furthermore,

4、 as the solution permeated to the steel surface and made the carbon steel begin to corro-sion, the stress mainly affected the strain state, which accelerated the corrosion of carbon steel in motars. As immersion time increased, the corrosion potential and corrosion current density maintained a relat

5、ively stable state.Then the corrosion potentials decreased with load magnitude and corrosion current density increased with load magnitude.Keywords: Concrete; Stress; Corrosion; EIS混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋在應(yīng)力作用下的腐蝕特征馮興國，唐聿明，趙旭輝，左禹*北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京，中國，100029通訊聯(lián)系人: zuoy, Tel: 86-10-64423795, Fax: 86-10-64423795摘 要：

6、本文通過對砂漿試樣施加三點(diǎn)載荷，觀察了不同載荷下砂漿中鋼筋的腐蝕和砂漿試樣表面的裂紋分布，測量了不同載荷下砂漿內(nèi)碳鋼的腐蝕電位、腐蝕電流密度隨著時間的變化，研究載荷對砂漿中鋼筋腐蝕的影響。結(jié)果表面，承載的砂漿試樣在溶液中浸泡一段時間后，大載荷下的素砂漿試樣出現(xiàn)了斷裂，小載荷下的則沒有斷裂。隨著載荷的增加，砂漿表面的裂紋明顯增加。在開始浸泡的70天內(nèi)，各載荷下鋼筋的腐蝕電位波動較大，此后各鋼筋試樣的腐蝕電位趨于穩(wěn)定，且隨著載荷的增加，鋼筋的腐蝕電位降低。線性極化法測量的各載荷下鋼筋的腐蝕速率結(jié)果表明，隨著載荷的增加，鋼筋的腐蝕速率明顯增加；隨著浸泡時間的延長，鋼筋試樣的阻抗明顯降低。浸泡250天

7、后，剖開砂漿試樣后觀察到的各載荷下鋼筋的腐蝕狀況可以發(fā)現(xiàn)，隨著載荷的增加，鋼筋的腐蝕明顯加劇，同電化學(xué)測試的結(jié)果相一致。關(guān)鍵詞：混凝土；應(yīng)力；腐蝕；EIS1 引言混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕問題已引起人們廣泛的關(guān)注1-9，目前有關(guān)鋼筋腐蝕的研究主要集中在氯離子1-5、混凝土碳化6等環(huán)境因素的影響。工程中的混凝土結(jié)構(gòu)承受各種各樣的載荷，但是有關(guān)載荷對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕影響的研究相對較少6-8。Jaffer4研究了不同載荷作用下鋼筋混凝土界面處的腐蝕的分布，發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥與鋼筋界面的裂紋處存在著腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散，而高性能混凝土的裂紋處則無此現(xiàn)象。資助信息：感謝國家自然科學(xué)基金(50731004)對本項(xiàng)

8、目研究支持。Fang7在周期性載荷作用下研究了混凝土種類、腐蝕程度、加載歷史對鋼筋混凝土界面粘接強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土界面處的粘接強(qiáng)度由其加載歷史決定。Vidai2,7用14年和17年載荷條件下的混凝土試樣，研究了裂紋處 Cl- 濃度、裂紋處鋼筋的腐蝕以及混凝土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展主要取決于混凝土覆蓋層厚度與鋼筋直徑的比值；混凝土結(jié)構(gòu)的壽命取決于鋼筋與混凝土界面的結(jié)合力和臨界 Cl- 所到達(dá)混凝土覆蓋層中的深度。Apostolopoulos9研究了S400混凝土用鋼筋在低周疲勞下的失效情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼筋質(zhì)量損失2%時，其失效所需的周期數(shù)將減少22%，當(dāng)1153978-1-935068-

9、89-1 2011 SciRes.鋼筋質(zhì)量損失為3%時，其失效的周期數(shù)將減少47%。本文研究了不同載荷下砂漿表面裂紋的分布，監(jiān)測各載荷下鋼筋的腐蝕電位與電流密度，分析了載荷和混凝土覆蓋層缺陷對鋼筋腐蝕的影響。The 6th China Corrosion Conference3.1砂漿表面的裂紋分布在浸泡196天后，將各種載荷作用下的素砂漿試樣取出，發(fā)現(xiàn)施加60%和80%極限載荷的素砂漿試樣已經(jīng)從試樣中部斷裂，其余素混凝土試樣都沒有斷裂。各砂漿試樣中部拉應(yīng)力一側(cè)的裂紋分布如圖1所示，可以看出，在未加載和20%極限載荷作用下的素砂漿中部沒有明顯的裂紋，40%、60%和80%極限載荷作用下的素砂漿

10、試樣都有明顯的裂紋，60%極限載荷下的試樣的裂紋明顯多于40%載荷作用下的試樣，且裂紋的寬度也大于40%載荷作用下的；當(dāng)載荷增加到80%時，可以發(fā)現(xiàn)裂紋密度比60%載荷下的低，但是其裂紋寬度明顯大于60%極限載荷作用下試樣中的裂紋寬度。2實(shí)驗(yàn)方法2.1試樣的設(shè)計(jì)在2004828mm的砂漿試樣內(nèi)，埋置10mm碳鋼和不銹鋼各一根，用HY-914膠密封碳鋼和不銹鋼，使其在砂漿試樣中的裸露長度為190mm長，4個試樣和一個未埋置鋼筋的砂漿試樣為一組，各組加上大小不同的三點(diǎn)式載荷，用千斤頂和壓簧定量載荷的大小，將加載的試樣浸泡在3.5%NaCl溶液中。以素砂漿(未加鋼筋)試樣在三點(diǎn)加載時的斷裂載荷為極限

11、載荷，將試樣分為未加載、20%、40%、60%和80%的極限載荷的五組試樣。2.2試樣的制備實(shí)驗(yàn)所用的碳鋼和不銹鋼鋼筋成分如表1所示, 酸洗除去碳鋼鋼筋表面氧化物，酸洗10 后的碳鋼用大量去離子水沖洗后吹干并置于干燥皿中待用。用粒徑小于4mm的河砂，按照水泥：沙：水=1：1：0.4（水中溶解有水泥質(zhì)量的3.0% NaCl）將原料加到ULZ-15型砂漿攪拌機(jī)中攪拌10分鐘后，澆注到PVC板制作的模具中。1天后拆模，用自來水浸泡的脫脂棉養(yǎng)護(hù)28天，然后給各組試樣加載。并將試樣浸泡在3.5%NaCl溶液中。2.3測試方法不定期測量各試樣的腐蝕電位，以飽和甘汞（SCE）為參比電極，不銹鋼為輔助電極，用

12、PARSTST2273電化學(xué)工作站對各載荷下試樣進(jìn)行線性極化測試。線性極化測量在開路電位5 mV的范圍內(nèi)進(jìn)行，并用CVIEW圖形擬合軟件擬合Rp值以計(jì)算腐蝕電流密度。Table 1. The chemical composition of the experimental steel表1. 實(shí)驗(yàn)所用鋼筋化學(xué)成分（wt%）Carbon steel 0.37 0.16 0.32 0.053 0.026-Fig 1. The photograph of the surface of mortars under tensile stress(a) Without stress, (b) 20%, (c

13、) 40%, (d) 60%, (e) 80%, 圖1. 素砂漿試樣拉應(yīng)力一側(cè)中心處表面微裂紋分布照片(a)未加載試樣, (b)20%極限載荷, (c)40%極限載荷,(d)60%極限載荷,(e)80%極限載荷3結(jié)果與討論978-1-935068-89-1 2011 SciRes.2.2腐蝕電位在浸泡過程中不定期測量各組碳鋼試樣相對于飽1154The 6th China Corrosion Conference和甘汞電極的腐蝕電位Ecorr，所得腐蝕電位Ecorr隨著時間的變化如圖2所示，可以看到，在整個過程中，隨著載荷的增加，鋼筋的腐蝕電位逐漸變負(fù)。在浸泡初期的70天內(nèi)，各載荷下碳鋼腐蝕電位

14、Ecorr相差較大，并且有明顯的波動。隨著浸泡時間的延長，各載荷下試樣的腐蝕電位Ecorr趨于穩(wěn)定，不同載荷的試樣腐蝕電位差減小。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，承受60%和80%極限載荷試樣的腐蝕電位在整個浸泡過程中波動較小。Ecorr / V(SCE)Time / dayFig 2. The fluctuation of carbon steel corrosion potential 圖2. 碳鋼鋼筋的腐蝕電位Ecorr隨著時間的變化2.3 線性極化法計(jì)算鋼筋的腐蝕速率根據(jù)線性極化的腐蝕電流公式(1) 計(jì)算各個鋼筋試樣的腐蝕電流密度 i，i = B / Rp (1)式（1）中i為腐蝕電流密度；Rp為

15、線性極化所得到的極化電阻；B為常數(shù)，處于未脫鈍狀態(tài)的鋼筋B取52mV，對于已脫鈍的鋼筋B取26mV10。本文中計(jì)算腐蝕電流密度i 時B=26mV，腐蝕電流密度i隨時間的變化如圖3所示。從圖3可以看出，隨著載荷的增加，鋼筋的腐蝕電流密度增加明顯。開始的一段時間內(nèi)，各載荷下試樣的腐蝕電流密度相差較大，承受80%極限載荷試樣的腐蝕電流密度幾乎是承受20%載荷試樣的4倍，承受60%極限載荷試樣的腐蝕電流密度也是承受20%載荷試樣的2倍左右。隨著浸泡時間的延長，各載荷下試樣的腐蝕電流密度趨于穩(wěn)定，且不同載荷間試樣的腐蝕電流密度差異減小，在3.5%NaCl溶液中浸泡250天后，承受80%極限載荷試樣的腐蝕

16、電流密度只有承受20%載荷試樣的2倍左右。i / Acm-2Time / dayFig 3. The fluctuation of samples corrosion current density 圖 3. 各載荷下試樣腐蝕電流密度隨著時間的變化2.4 各載荷下鋼筋的腐蝕程度圖5 是250天后，各載荷下試樣腐蝕狀況。從圖4可以看出，未加載的試樣，只有少許地方出現(xiàn)銹蝕(圖4a)，隨著載荷的增加表面銹蝕的區(qū)域增大，當(dāng)載荷增加到40%極限載荷時，鋼筋表面幾乎一半的區(qū)域出現(xiàn)了銹層(圖4 c)，當(dāng)載荷增加到80%極限載荷時，由于混凝土覆蓋層出現(xiàn)了順筋開裂，所以幾乎整個試樣表面都出現(xiàn)了銹蝕(圖4 e)。

17、在浸泡的初期，各試樣腐蝕電位波動較大,承受較大載荷鋼筋的腐蝕電流密度明顯較高。隨著浸泡時間的延長，溶液滲透到達(dá)鋼筋表面后碳鋼的腐蝕電位、腐蝕電流密度都趨于穩(wěn)定。此后，雖然較浸泡初期各試樣間的差距減小，但其腐蝕電位仍隨載荷增加而變Fig 4. Image of corrosion degree of carbon steel under each loading: (a) Without load (b)20% of fracture load (c)40% of fracture load(d)60% of fracture load (e)80% of fracture load圖 4. 浸

18、泡 250天后各載荷下試樣的腐蝕狀況：(a) 未加載試樣 (b)20%極限載荷 (c)40%極限載荷 (d)60%極限載荷 (e)80%極限載荷腐蝕電流密度隨著載荷增加而升高。因此，載荷負(fù)，對砂漿中鋼筋腐蝕的影響可以分為兩個階段。第一階段在浸泡開始的70天左右，載荷使砂漿表面裂紋增加從而使溶液在砂漿中滲透加速；第二階段為溶液1155978-1-935068-89-1 2011 SciRes.滲透到達(dá)鋼筋表面后，鋼筋的腐蝕電位、腐蝕電流密度都趨于穩(wěn)定，載荷使鋼筋的腐蝕電位降級，腐蝕電流密度增加。3The 6th China Corrosion ConferenceS.J. Jaffer, C.M

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