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盐渍土环境下钢筋混凝土的腐蚀解密

2016-07-15 09:58:55
作者:张俊喜
来源:《腐蚀与防护》

通常情况下混凝土作为钢筋的外保护层,能够给钢筋提供一个强碱性的环境,使得钢筋表面形成钝化膜,在无碳化和外部侵蚀离子作用下,钢筋混凝土结构具有很长的服役寿命。然而在一些特殊环境,例如海洋环境、盐渍土环境,外部侵蚀性离子很容易透过混凝土多孔的结构由外向内扩散,使得钢筋在混凝土结构中的稳定性遭到破坏,最终腐蚀。

    通常情况下混凝土作为钢筋的外保护层,能够给钢筋提供一个强碱性的环境,使得钢筋表面形成钝化膜,在无碳化和外部侵蚀离子作用下,钢筋混凝土结构具有很长的服役寿命。


    然而在一些特殊环境,例如海洋环境、盐渍土环境,外部侵蚀性离子很容易透过混凝土多孔的结构由外向内扩散,使得钢筋在混凝土结构中的稳定性遭到破坏,最终腐蚀。


    电化学测量方法是钢筋混凝土腐蚀研究中常用且有效的方法之一。


  
  1、试样制备及试验方法


    1.1试样及溶液制备


    实验采用的水泥为425#R普通硅酸盐水泥,细骨料为普通河砂,使用前经方形筛子( 筛孔约1.3mm)过筛。混凝土试样的质量混合比为:水泥:水:砂:石= 1:0.6:2.328:3.49。钢筋电极取材于建筑用Q235光圆钢筋(Φ=12mm),两端用环氧树脂封装,其中一端面焊接引出包封的铜芯导线,中间预留5cm2的工作面,钢筋位于圆柱模具的中心,工作面与混凝土试件侧面平行,浇筑得到直径为40mm的钢筋混凝土试件,试件经实验室标准养护28d后脱模。


    盐渍土根据氯离子与硫酸根离子质量的比例分为:氯盐渍土(mCl-/mSO42->2)、亚氯盐渍土(1<mCl-/mSO42-<2)、亚硫盐盐渍土(0.3<mCl-/mSO42-<1)、硫盐盐渍土(mCl-/mSO42-<0.3)。本文依据盐渍土的分类规则,设置了不同梯度的侵蚀溶液,如表1所示:


    表1  侵蚀溶液成分表

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    1#溶液为去离子水,2#溶液为5%的NaCl溶液,3#溶液为模拟氯盐渍土侵蚀溶液,4#为模拟亚氯盐渍土侵蚀溶液,5#溶液为模拟亚硫盐盐渍土侵蚀溶液,6#溶液为模拟硫酸盐盐渍土侵蚀溶液,7#溶液为5%的Na2SO4溶液。


    1.2试验方法


    1.2.1电化学试验


    实验采用干湿循环的方法加速钢筋混凝土的侵蚀过程。干湿循环的制度以7d为一个周期(浸泡3d,58℃烘箱干燥3d,然后室温冷却1d),研究显示混凝土中钢筋的腐蚀电流的最大值总是出现在浸泡开始后约12h,而腐蚀电流的最小值总是出现在浸泡阶段结束和干燥阶段的开始时刻。依据这一点,本实验对钢筋混凝土的测试尽量选择在浸泡阶段3天中的第二天进行。


    电化学测量采用英国产ACM电化学工作站,测试采用三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为Pt电极。极化曲线测试扫描范围±70mV vs OCP,扫描速率1mV/s.极化曲线数据采用Corshow拟合分析。


    1.2.2氯离子扩散试验


    为了考察盐渍土环境中氯离子在混凝土中的扩散特征,设计了如图1所示的物料传递装置。装置左侧为溶液端,内部盛放不同梯度的盐渍土模拟液1200mL。装置的右侧为清液端,放入固定体积720mL的去离子水,定期取样测定清液端中氯离子的含量并计算其扩散量。装置的中间采用直径4cm、厚度2cm的混凝土薄片,外有聚四氟乙烯乙烯缠绕,以使混凝土片与装置内壁完美契合。整个装置连接部分采用环氧树脂胶固,保证装置密封性。

 

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    图1  试验离子扩散装置


    各个试验组溶液端成分的设定如表2所示:溶液端含有相同浓度的NaCl,不同梯度浓度的Na2SO4,其中S1组为对照组试验,溶液端只含有1mol/L的NaCl溶液。S2、S3组溶液端分别为模拟氯盐渍土溶液和模拟亚氯盐渍土溶液,S4组溶液端为模拟硫盐渍土溶液。试验定期从清液端取样,用ICP离子色谱(型号:ICS-2100,厂家:美国戴安)检测清液端的氯离子含量,以获取不同时间段各实验组清水端氯离子浓度。


    表2  试验溶液成分表

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2、结果与讨论


    2.1 极化曲线测试


    由图2可知,2周时均处于钝化期;4-6周处于初锈期,初锈期的长短与侵蚀环境有一定的关系;对于2-5#侵蚀环境下的钢筋混凝土,10周后基本处于锈蚀发展期。

 

a
   
(a)

b
   
(b)


   
图2  钢筋混凝土试件的腐蚀电位、腐蚀电流均值随干湿循环次数的变化


   
2.2 盐渍土环境氯离子在混凝土中的扩散研究


    图3为各试验组清水端氯离子含量在传质阶段随时间的变化曲线。可以看出,清水端的氯离子质量浓度随时间不断的增长,在不同溶液中的扩散量在90d里体现出明显的差异。

 

3
   
图3  清液端氯离子浓度随时间变化情况


    3、结论


    (1)对于不同的盐渍土模拟溶液,侵蚀溶液中氯离子与硫酸根离子质量浓度比例对钢筋混凝土侵蚀作用不同,极化曲线测试结果表明,钢筋混凝土在氯盐渍土中的腐蚀是一个动态的过程。干湿循环条件下,钢筋表面钝化膜破裂到活性腐蚀过程非常迅速,钢筋混凝土在氯盐渍土及亚氯盐渍土侵蚀环境中腐蚀速率整体较快;


    (2)氯离子与硫酸根离子共存条件下,处于氯盐渍土和亚氯盐渍土环境下的混凝土,其孔隙液中的自由氯离子含量会明显增加,自由氯离子的增加会促进钢筋的腐蚀。


    选自:《腐蚀与防护》Vol.36 2015.9


    作者:张俊喜,博士,教授,上海电力学院

 

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责任编辑:王元

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标签: 腐蚀, 盐渍土, 钢筋混凝土, 电化学

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