氯離子腐蝕混凝土中鋼筋的腐蝕

1、氯離子腐蝕混凝土中鋼筋的腐蝕-第1部分： 加速和自然環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)研究土木與環(huán)境工程學(xué)院，威特沃特斯蘭德大學(xué)，Johannesburg,南非土木工程系，開普頓大學(xué),Rondebosch,南非摘要： 平行腐蝕試驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了兩年，露出210梁（120×130×長375毫米）的一半在實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕（干濕循環(huán)）另一半在海洋潮濕區(qū)接受自然腐蝕。實(shí)驗(yàn)變量是裂縫寬度（0，初始裂縫，0.4、0.7毫米），覆蓋面C（20，40毫米），粘結(jié)劑類型（PC、PC礦渣，PC / FA）和水膠比（0.40，0.55）。結(jié)果表明，腐蝕速率（icorr）受以下方式實(shí)驗(yàn)變量的影響：腐蝕隨裂縫寬度的增加而增加，

2、并隨著混凝土的質(zhì)量和覆蓋深度的增加而降低。研究結(jié)果還顯示，混凝土在野外環(huán)境下的自然腐蝕的腐蝕性能不能推斷出其在實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕的性能。其他因素，如腐蝕進(jìn)程也應(yīng)考慮在內(nèi)。關(guān)鍵詞：腐蝕速率預(yù)測，氯離子侵蝕，加速腐蝕，自然腐蝕，腐蝕，混凝土裂痕1 引言 鋼筋銹蝕是溫度、海洋和工業(yè)環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要破壞機(jī)制之一。對于投資者和工程師來說，它已成為一個(gè)主要的耐久性問題。如果不減弱這種侵蝕性，它會加速鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的惡化，可能會導(dǎo)致一系列相關(guān)的嚴(yán)重后果，包括但不限于開裂和混凝土保護(hù)層剝落，鋼筋截面面積損失，降解的鋼-混凝土界面粘結(jié)，最終減少鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。另外在維護(hù)、修理或更換時(shí)，需要花費(fèi)很

3、高的費(fèi)用，而且會對害公共安全有威脅。即使在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的主要因素是二氧化碳入口（碳化引起的）或氯（氯離子引起的），后者是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的主要原因。值得注意的是，氯離子引起的腐蝕對所研究的結(jié)構(gòu)造成的損害是比較大的，并在一個(gè)相對較短的時(shí)間內(nèi)（在結(jié)構(gòu)滿足其目標(biāo)服務(wù)壽命），有可能成為最終導(dǎo)致失敗的因素（根據(jù)預(yù)先定義的極限狀態(tài)）。2、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)2.1、實(shí)驗(yàn)變量和混合比例平行腐蝕試驗(yàn)露出210束標(biāo)本（120×130×375毫米）的一半進(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)室腐蝕（循環(huán)3天用5%的NaCl溶液潤濕跟隨開普敦4天空氣干燥），另一半則被留在的海洋潮汐區(qū)自然腐蝕（表灣港）。使用五種

4、不同的混凝土使我們的橫梁的W / B比（0.40和0.55），和三種粘結(jié)劑（100% CEM I 42.5 N普通波特蘭水泥（PC），50 / 50 / 70 / 30的礦渣微粉和PC的PC / FA）。0.55w/b比是不能用于電腦制作標(biāo)本。高產(chǎn)量強(qiáng)度直徑為10毫米的鋼筋嵌入在每個(gè)光束。在表1中給出了混凝土配合比的總結(jié)和選定的具體性能。其他實(shí)驗(yàn)變量包括蓋深度（20和40毫米）和裂縫寬度（0，早期裂縫，0.4和0.7毫米）。早期裂縫是指由梁試樣三點(diǎn)荷載引起的裂縫，然后卸載。雖然以前的研究已經(jīng)表明，裂縫寬度0.3毫米容易自愈 1719 ，初始裂紋試樣由于缺乏AP適當(dāng)?shù)臏y試設(shè)備，量化裂縫自愈是不可

5、能的。此外，對于更深的覆蓋面（40毫米）再加上裂紋愈合的敏感性，可以預(yù)料的是，早期裂縫會對腐蝕離子的速率有微不足道的影響。因此，20毫米覆蓋面的初期裂痕的標(biāo)本僅用于實(shí)驗(yàn)室和野外標(biāo)本。鋼棒兩端均覆蓋有電鍍帶和環(huán)氧樹脂涂層提供了一種有效的暴露的表面面積大約86平方厘米（長約27.5厘米的圓周表面）。在鑄造之前、這種棒將會被清洗并且用一個(gè)直徑10毫米長150毫米的不銹鋼棒放置在每個(gè)光束在鑄造過程中（見圖1）作為反電極的腐蝕速率測量。材料（千克/立方米）粘合劑組合物100 % PC50/50 PC/GGBS70/30 PC/FAw/b 比0.400.400.550.400.55混合標(biāo)簽PC-40SL-

6、40SL-55FA-40FA-55Portland cement, PC (CEM I 42.5 N)500231168324236Ground granulated blastfurnace slag (GGBS)-231168-Fly ash (FA)-139101Fine aggregate: Klipheuwel sand (2 mm max.)529749855749855Coarse aggregate: Granite (13 mm max.)9601040104010401040Water200185185185185Superplasticizera (SP)2.1b (0.

7、4)c1.8 (0.4)0.3 (0.1)0.4 (0.1)-Slump (mm)1201051508520028-day compressive strength (MPa)58.2 (3.0)d48.1 (2.0)35.3 (0.9)50.7 (0.9)28.6 (1.9)2.2活性腐蝕狀態(tài)的誘導(dǎo)經(jīng)過28天的水養(yǎng)護(hù)（在23°2°C）和10天空氣干燥（溫度：25°C，相對濕度為：50°5%）在實(shí)驗(yàn)室，并在開裂前的梁試樣，陽極電流（IC）是用以啟動活性腐蝕率（即消除腐蝕起始階段）在所有210束標(biāo)本。設(shè)置用于啟動活性腐蝕在標(biāo)本中使用集成電路如圖1所示。理論

8、時(shí)間（t港 水平）和集成電路所需的驅(qū)動氯化物通過深度覆蓋的鋼級量估計(jì)使用能斯特-普朗克方程在下面的表格內(nèi)。能斯特-普朗克方程：t鋼水平= C D（ZF / RT）（E /x）1 D是擴(kuò)散的離子系數(shù)（平方米/秒）在混凝土，Z離子物種的價(jià)（1氯），F(xiàn)是法拉第常數(shù)（96500mol），R是氣體常數(shù)（8.314 J / mol.k），T絕對溫度（298 K），C是覆蓋深度（20或40毫米）和E是應(yīng)用電位（V）。擴(kuò)散系數(shù)（D）得到從測量28天氯電導(dǎo)指數(shù)（CCI）基于實(shí)證的相關(guān)性和CCI考慮效果海洋環(huán)境暴露，混凝土老化和粘結(jié)型 22 20即關(guān)聯(lián)模型可以估計(jì)時(shí)間的曝光依賴于表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)一般為USED粘

9、結(jié)劑類型（主要是普通PC，70 / 30和50 / 50的PC / FA PC /礦渣）和海洋暴露環(huán)境（潮、飛濺、噴霧）在南非的20 22 。第二部分，本文給出了更多的細(xì)節(jié)上的去從CCI擴(kuò)散系數(shù)的終止。CCI是每個(gè)表1混凝土從快速氯離子電導(dǎo)率測試 21,23 獲得。28天和90天的擴(kuò)散系數(shù)詐騙的fficients克里特用列于表2。為了確定陽極IC所需的誘導(dǎo)活性腐蝕速率在一個(gè)給定的覆蓋深度的標(biāo)本的五個(gè)混凝土混合物，和一系列的迭代后（時(shí)間D IC），當(dāng)時(shí)申請的IC芯片被固定在1.5小時(shí)限制的有效電流小于2安培。術(shù)語“有效的應(yīng)用電流”是用來指實(shí)際應(yīng)用的目前考慮到相應(yīng)的28天測電阻的（水）混凝土。IC

10、被限制到小于2安培，以確保氯化物達(dá)到鋼和MInimize鋼的質(zhì)量損失，如果任何。需要注意的是，所施加的電流理論上不會造成任何的鋼的質(zhì)量損失的重要；即使不通過實(shí)際測量確定啊F氯含量在鋼的水平，目的是推動氯化物在約1.5小時(shí)內(nèi)鋼液面（考慮保護(hù)層厚度和混凝土的質(zhì)量）。梁在同一粘結(jié)劑類型、鎢/硼比和蓋層深度的串聯(lián)中，適當(dāng)?shù)年枠O集成電路連續(xù)1.5小時(shí)。所施加的集成電路電流如下，在每一種情況下，重新分別為20毫米和40毫米的覆蓋深度：（一）pc-40：0.03和0.13，（b）fa-40：0.44和1.67，（C）fa-55：0.25和1.01，（d）sl-40：0.57和1.70，和（e）sl-55：0

11、.44和1.67，1.5個(gè)小時(shí)后，所有的72根梁進(jìn)行串聯(lián)，8.6一申請另一個(gè)2小時(shí)的有效電流這是E我原以為在一個(gè)約0.1所有標(biāo)本cm2，腐蝕率的結(jié)果，即假定整個(gè)暴露的鋼表面面積86 cm2偏振。腐蝕速率為0.1cm2通常采取表示從被動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃樱▎樱▊鞑ィ└g24,25。2.3。裂紋誘導(dǎo)與監(jiān)測為便于形成一個(gè)預(yù)腐蝕的橫向（彎曲）的裂紋在機(jī)器裝載時(shí)，一個(gè)1毫米厚的4毫米厚的毫米深的聚氯乙烯片材的縱向中心的縱向中心作為放置在每個(gè)光束的中心（橫向）在鑄造過程中，聚氯乙烯片材被嵌入在光束模具，并沒有保持在光束后，在24個(gè)小時(shí)的。誘導(dǎo)后的活動E腐蝕，梁（除不開裂的）預(yù)裂荷載下三點(diǎn)彎曲機(jī)。0.4和0.7

12、毫米的裂紋試樣，然后放置在個(gè)別裝載鉆機(jī)，他們整個(gè)實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間（圖2）。確保0.4毫米和0.7毫米的裂縫寬度保持不變，可拆卸的機(jī)械（demec）螺栓放在展在克里特島的表面裂紋之間的距離釘監(jiān)測每周使用100毫米demec計(jì)。在圖2所示的裝載臺，然后用于調(diào)整所需的裂縫寬度（通過螺栓和螺母。2.4暴露環(huán)境誘導(dǎo)活性腐蝕后，一半的標(biāo)本在暴露實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕，而另一半?yún)s被迫在海洋潮汐區(qū)接受自然腐蝕。暴露實(shí)驗(yàn)室-加速腐蝕實(shí)驗(yàn)室標(biāo)本（見圖3）用5%的NaCl溶液連續(xù)潤濕3天后緊接著在（溫度：25±2°C和相對濕度：50±5%）的條件下進(jìn)行為期4天的干燥實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場暴露-自然腐蝕該領(lǐng)域

13、的標(biāo)本在開普敦的潮汐海洋區(qū)（表灣海港）被暴露并進(jìn)行自然腐蝕-見圖4。在暴露的網(wǎng)站上顯示的測得的海水的鹽度（氯離子含量）大約是2%（在實(shí)驗(yàn)期間的隨機(jī)時(shí)間間隔情況下，平均10個(gè)樣本，標(biāo)準(zhǔn)偏差= 0.02%）。大氣溫度和相對濕度暴露領(lǐng)域的濕度范圍為1至37°，分別為83%和65。此類標(biāo)本被安置在高低潮痕為7行，總長度約5米的外海行（靠近海水）和內(nèi)地行（靠近陸地的）（見圖4）。因此認(rèn)為他們的暴露具有相似的海洋潮汐條件。在此類標(biāo)本曝光之前，除了有指定的覆蓋深度，所有此類標(biāo)本的外部，都是用環(huán)氧涂層從干燥的表面防止腐蝕劑的侵蝕（CL，O2和H2O），干燥的表面。這確保了氯化物和實(shí)驗(yàn)標(biāo)本一樣，只能從

14、指定深度覆蓋的表面侵入混凝土。2.5腐蝕速率和半電池電位測量恒電量技術(shù)進(jìn)行腐蝕速率測量。這是一個(gè)在在短時(shí)間內(nèi)，小開關(guān)被用于檢測鋼鐵和潛能的方法，確定極化電阻RP，26,27。RP與腐蝕電流有關(guān)，由船尾Geary系數(shù)B即腐蝕電流= BRP即方法B是斯特恩Geary系數(shù)13和52 MV取決于鋼的腐蝕狀態(tài)（即被動或主動）。腐蝕值為26 mV（主動）鋼和52 mV的被動鋼在混凝土的情況下，已經(jīng)被建立并且被大量研究人員使用 28，30 。因此，在這項(xiàng)研究中，使用了26個(gè)壓的值。腐蝕電流密度仍然被表示為D：icorr =Icorr/A。這里的A是指約86平方厘米所暴露出的鋼表面面積。我們是用HP 3497

15、0A數(shù)據(jù)采集單元和MATLAB®程序分析來收集數(shù)據(jù)的。半電池電位（HCP）的讀數(shù)，以銀/氯化銀（Ag/AgCl）為參考電極，是和腐蝕速率測量同時(shí)進(jìn)行的。對于一個(gè)給定的暴露和測定參數(shù)，三個(gè)標(biāo)本被雙周檢測為了腐蝕速率和HCP。對于每一個(gè)組合的粘合劑類型，覆蓋深度和裂縫寬度，對三個(gè)獨(dú)立的樣本讀數(shù)進(jìn)行了測量然后平均后得到的一個(gè)結(jié)果。在某些情況下，用格拉布離群試驗(yàn)將三個(gè)讀數(shù)中的某一個(gè)數(shù)值被排除（作為一個(gè)異常值） 31 。3、結(jié)果與討論腐蝕速率和HCP的結(jié)果是那些收集的試樣各自暴露在長達(dá)122周的環(huán)境（約2¼年）。這個(gè)樣本的符號用于表示的結(jié)果如圖5。任何腐蝕速率隨時(shí)間變化圖和HCP -

16、時(shí)間圖都用“周零”對應(yīng)的時(shí)間當(dāng)標(biāo)本分別放置在各自的暴露環(huán)境中，第一次測量是在在各自的環(huán)境中暴露2周后的測量。平均腐蝕率和平均HCP”作為本次論文的參考，分別對測量腐蝕速率和HCP的104周和120周之間的算術(shù)平均。這個(gè)時(shí)間間隔代表提出對各自的參數(shù)的時(shí)間發(fā)展趨勢的合理的平臺期。應(yīng)該指出的是，即使平均腐蝕率為野外標(biāo)本也阻止采后104周和120，這些都沒有被視為長期穩(wěn)定的腐蝕速率為實(shí)驗(yàn)室標(biāo)本的情況。時(shí)代的發(fā)展在這些SPE腐蝕率趨勢方面表現(xiàn)出了對一些增加可以忽略不計(jì)但這主要?dú)w因于季節(jié)性的天氣變化，在這種情況下，從夏天（與約27°C最高溫度）到冬季（與最大約15°C的溫度。“兩點(diǎn)移動

17、平均線被用來表示所有的腐蝕速率和HCP相對時(shí)間圖，為了減少尖銳的扭結(jié)和使趨勢明顯，但不改變實(shí)際趨勢。3.1早期腐蝕速率趨勢截?cái)郔C后的五小時(shí)，測得的所有標(biāo)本的腐蝕速率在0.10和0.13A/cm2之間；這是一種活性腐蝕是成功的誘導(dǎo)的跡象。然而，在進(jìn)行腐蝕速率和覆蓋深度之間沒有水膠比、粘結(jié)劑種類等一般的趨勢。2周后暴露在各自的環(huán)境，在所有試樣的腐蝕率低于一些標(biāo)本使用被動腐蝕狀態(tài)即B 0.10A/cm2撤離后所測得的IC。沒有一般的在腐蝕率的下降趨勢明顯，而規(guī)格IMEN試樣的初始的測量腐蝕速率。然而，在工程水泥混凝土試件40毫米覆蓋處，腐蝕速率下降到一個(gè)被動的狀態(tài)時(shí)的有意義的降低是會被記錄的（高達(dá)

18、60% sl-40原場標(biāo)本用40毫米覆蓋）和那些20毫米覆蓋（最多50% fa-40開裂現(xiàn)場標(biāo)本的20毫米覆蓋）。該IC和暴露于各自的環(huán)境后終止腐蝕率的下降可以歸因于一個(gè)或以下現(xiàn)象的組合：腐蝕支撐劑的可用性和溶解氧一樣有所降低（特別是對于未開裂的標(biāo)本）。如果在鋼級氯含量小于氯閾值，鋼的趨勢就會回復(fù)到一個(gè)被動的腐蝕狀態(tài)。即使鋼級的氯離子濃度不是由于試驗(yàn)的破壞性是在IC終止后測量的，陽極IC 在應(yīng)用3.5小時(shí)后，一些混凝土的氯離子含量可能未達(dá)到閾值水平是合理的。在IC終止之后，腐蝕速率（和潛能）的傾向在延緩并且恢復(fù)到平衡狀態(tài)（不一定是被動的腐蝕狀態(tài)）。 在實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束（122周），所有的標(biāo)本表現(xiàn)出

19、積極的腐蝕。3.2裂縫寬度、覆蓋深度和混凝土質(zhì)量對腐蝕速率的影響3.2.1裂縫寬度的影響以前的研究 49 表明，裂縫寬度（WCR）影響腐蝕速率隨Wcr腐蝕速率增加，在一定程度上依賴于具體的混凝土覆蓋面，質(zhì)量和電阻率的綜合影響。實(shí)驗(yàn)室和野外腐蝕速率的結(jié)果都遵循了這一趨勢。典型圖如圖6所示，圖6（a）和（c）沒有早期的數(shù)據(jù)破獲的標(biāo)本，因?yàn)檫@些只為20毫米覆蓋面。在暴露環(huán)境、覆蓋面深度和混凝土質(zhì)量（粘結(jié)劑型和W / B比）都相同，但裂縫寬度不同的情況下比較平均腐蝕率（周104-120），如圖7至11。從測量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析得到的最大和最小的腐蝕電流限制在這些數(shù)字（腐蝕電流，最大=腐蝕電流，平均1.96

20、，IC奧爾，min =腐蝕電流，平均1.96哪里是標(biāo)準(zhǔn)差的值，1.96是在95%的置信區(qū)間從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的t分布表得到）。此外，注意，在圖7至11，以下的觀察是令人費(fèi)解的，并且歸因于實(shí)驗(yàn)異常。因此，他們不會用這些數(shù)據(jù)來分析。 圖7（b），用20毫米的覆蓋pc-40初始裂紋試樣的腐蝕率竟高于0.4毫米的裂紋試樣。圖9（b），初始裂紋和無裂紋的fa-55試樣20毫米覆蓋平均腐蝕速率之間的關(guān)系。圖10（d）、統(tǒng)計(jì)分析（描述使用這些數(shù)據(jù)的誤差棒）表明，早期開裂的平均腐蝕速率和20毫米覆蓋的0.4毫米sl-40裂紋試樣是相等的。結(jié)果表明，盡管在暴露的環(huán)境中，對于一個(gè)給定的粘結(jié)劑、水膠比和覆蓋深度，腐蝕速率會隨著裂縫寬度的增加而增加（WCR）在沒有裂痕的