混凝土中变形与光圆钢筋腐蚀速率试验研究.pdf

第3 5 卷第4 期中国矿业大学学报 V o l , 3 5N o ．4 2 0 0 6 年7 月 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y J u l ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 - 1 9 6 4 2 0 0 6 0 4 - 0 4 8 8 - 0 4 混凝土中变形与光圆钢筋腐蚀速率试验研究 耿欧，袁迎曙，李富民，吴庆，张敬东 中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要为了比较含氯离子的混凝土中变形钢筋及光圆钢筋腐蚀特征和腐蚀速度的不同，制作了同 时含有变形和光圆2 种钢筋并掺加了质量为水泥质量3 ％的盐硼 N a C I 的混凝土试件，然后进 行了近一年的室外自然气候暴露试验．试验期间利用电化学线性极化法和试件腐蚀失重称量方 法测试了2 种钢筋的腐蚀速度；并分析和总结了它们的腐蚀特征．试验结果表明光圃钢筋的腐蚀 机理主要是微电池腐蚀，腐蚀形态比较均匀，平均腐蚀失重率比变形钢筋大；而变形钢筋腐蚀机 理主要是宏电池腐蚀，腐蚀主要发生在钢筋表面某几个局部区域，局部最大坑蚀深度约为光固钢 筋最大坑蚀深度的1 ．7 倍． 关键词混凝土；变形钢筋；光圆钢筋；腐蚀；电化学 中图分类号T U3 7 5文献标识码A E x p e r i m e n t a l ．S t u d yo nC o r r o s i o nR a t e so f D e f o r m e da n dP l a i nB a r si nC o n c r e t e G E N GO u ，Y U A NY i n g s h u ，L IF u m i n ，W UQ i n g ，Z H A N G J i n g d o n g S c h o o lo fA r c h i t e c t u r e C i v i lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oc o m p a r et h ec o r r o s i o nr a t e sa n dc o r r o s i o nc h a r a c t e r sO ft h ed e f o r m e da n d t h ep l a i nb a r si nc o n c r e t ec o n t a i n i n gc h l o r i d i o n ，t h er e i n f o r c e dc o n c r e t es p e c i m e n si nw h i c h N a C lw a sa d d e dw i t ht h er a t i oo fc e m e n t N a C lb e i n g10 0 3h a db e e np l a c e di nt h en a t u r a l w e a t h e rf o rf ly e a r ．T h ec o r r o s i o nr a t e sa n dt h ec o r r o s i o nc h a r a c t e r sw e r es t u d i e du s i n gt h ee l e c t r o c h e m i s t r yl i n e a rp o l a r i z a t i o nm e a s u r e m e n ta n dt h em e t h o do fw e i g h tl O S S ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec o r r o s i o nm e c h a n i s mo ft h ep l a i nb a ri Sam i c r o c e l lc o r r o s i o n t h ec o r r o s i o na p p e a r a n c ei sm o r ee v e n ；t h ea v e r a g ew e i g h tl o s s o ft h ep l a i nb a ri sg r e a t e rt h a nt h a to ft h ed e f o r m e db a r 。O nt h eo t h e rh a n d ，t h ec o r r o s i o nm e c h a n i s mo ft h ed e f o r m e db a ri Sam a c r o - c e l l c o r r o s i o n ；t h ec o r r o s i o ni sm a i n l yo c c u r r e di nt h ep a r t i a ld i s t r i c t s ．T h ec o r r o s i o nd e p t ho fp a r t i a ld i s t r i c t so ft h ed e f o r m e db a ri S1 ．7t i m e sa st h a to ft h ep l a i nb a r ． K e yw o r d s c o n c r e t e ；d e f o r m e db a r ；p l a i nb a r ；c o r r o s i o n ；e l e c t r o c h e m i s t r y 从2 0 世纪6 0 年代开始，由于混凝土中钢筋腐 蚀而引起的钢筋混凝土结构耐久性能的退化而带 来的巨大的经济损失引起了世界各国的高度重 视D - s ] ，对基于钢筋腐蚀引起的钢筋混凝土结构耐 久性退化也成为耐久性研究领域中的一个重点研 究方向；但在目前的研究中，钢筋腐蚀试验所采用 的钢筋原材料主要是H P B 2 3 5 光圆钢筋 以下简 称光圆钢筋 [ 6 | ，而在实际的钢筋混凝土工程中 收稿日期2 0 0 5 一0 9 2 2 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 7 8 1 0 0 作者简介耿欧 1 9 7 3 一 ，男，副教授，在读博士研究生，从事钢筋混凝土耐久性理论与工程检测加固技术等方面的研究 E - m a i l o u g e n g c u m t ．e d u ．e nT e l 0 5 1 6 - 8 3 8 8 4 4 2 2 万方数据 第4 期耿欧等混凝土中变形与光圆钢筋腐蚀速率试验研究 4 8 9 H R B 3 3 5 变形钢筋 以下简称变形钢筋 也是最常 用的钢筋种类之一[ 7 ] ，变形钢筋与光圆钢筋在材料 成分、质量、生产工艺、表面形态特征以及受力时与 混凝土之间的粘结工作特性都有着明显的不同，因 此用光圆钢筋试验得出的试验数据和试验结论，并 不一定能推广应用在变形钢筋之上．本文主要通过 对比试验来研究变形钢筋和光圆钢筋在腐蚀速度 和腐蚀形态上的差别，探讨变形钢筋的腐蚀机理和 腐蚀规律，使试验室中钢筋腐蚀的试验更符合钢筋 混凝土工程的实际情况，更好地为工程服务． 1 试件设计与制作 为了使变形钢筋和光圆钢筋的腐蚀条件尽可 能的相同，试验中把变形钢筋和光圆钢筋同时放置 在一个混凝土试件中，试件尺寸与钢筋位置如图1 所示，两种钢筋直径均为1 2m m ，水泥采用徐州淮 海水泥厂生产的R 3 2 ．5 级普通硅酸盐水泥，粗骨 料最大粒径为1 5m m ，砂为河砂；混凝土塌落度为 7 0m m ，钢筋保护层厚度为’1 5m m ，掺盐 N a C l 的 质量为水泥质量的3 ％，具体配合比见表1 ，每种试 件数量为3 块． 图1 试件制作示意图 F i g ．1 T h es k e t c ho fc o n c r e t es p e c i m e n 表1混凝土配合比 质量比 T a b l e lT h em i x t u r er a t i oo fc o n c r e t es p e c i m e n 圆钢筋 2 试验主要过程 1 钢筋的原始重量量测混凝土试件制作前， 从原始钢筋中部切取试样，用球磨机和砂纸除去试 样表面氧化皮、污垢；用自来水和洗涤剂冲洗后，再 用丙酮清洗；用干净软布擦拭干净，放入干燥器中 放置2 4h ；用电子天平称量钢筋重量；2 试样的制 作根据实际砂、石实际的含水率计算混凝土施工 配合比；支模板，安放钢筋，浇筑混凝土试件；3 养 护试件浇筑2d 后脱模，放人标准养护室内养护 2 8d ；4 腐蚀电流测量试件放入室外自然气候条 件下，每隔1 5d 进行腐蚀电位和腐蚀电流密度的 测量；5 钢筋最终腐蚀量的量测凿除保护层取出 钢筋，先用自来水冲洗，除去浮锈，清洗干燥后称 重；6 腐蚀数据的处理。 3试验结果及分析 ，， 3 ．1钢筋腐蚀电流密度 混凝土内钢筋腐蚀电位与腐蚀电流测量仪器 采用D F 一2 0 0 2 电化学工作站，测试原理采用”线性 极化法哺。9 ] ．测试时C u C u S O 。电极为参比电极，不 锈钢筋作辅助电极，H P B 2 3 5 变形和H R B 3 3 5 普通 钢筋为工作电极，测试时假定整个钢筋面积被均匀 极化，测试结果为被测钢筋整个钢筋表面上的平均 腐蚀电流密度，数据如图2 所示． 越 梅 据 脚 基 筐 l1 53 U 4 5 6 U7 59 01 U 5 1 2 U 1 3 5 1 5 0 1 6 5 t | d 图2腐蚀电流密度一时问关系 F i g ．2 T h er e l a t i o n so fc o r r o s i o nc u r r e n ta n dt i m e 从图2 中可以看出，除了试验刚开始阶段变形 钢筋的腐蚀电流密度比光圆钢筋腐蚀电流密度略 大一点外，其余均是变形钢筋腐蚀电流密度小于光 圆钢筋腐蚀电流密度；因此，从整个钢筋平均腐蚀 速度来看，光圆钢筋的腐蚀速度大于变形钢筋的腐 蚀速度． 3 ．2 裂缝形态与裂缝宽度 试件室外放置1 6 0d 后，光圆钢筋保护层开始 出现细微裂缝，2 0 0d 左右变形钢筋保护层也开始 出现裂缝，裂缝沿钢筋长度方向不断发展，形成和 钢筋长度一致的贯通裂缝，试验进行一年后钢筋裂 缝形态如图3 所示，裂缝宽度见表2 ． 图3 试件裂缝 F i g ．3 T h ec r a c k so ft h es p e c i m e n 表2试件裂缝宽度 T a b l e2T h ec r a c kw i d t h so ft h es p e c i m e n 注B X ．变形钢筋；G Y ．光圆钢筋． 万方数据 4 9 0 中国矿业大学学报第3 5 卷 光圆钢筋裂缝出现的时间比变形钢筋裂缝出 现的时间早，相同的时间内裂缝开展的宽度也比变 形钢筋裂缝开展宽度要大，这也从另一方面说明了 光圆钢筋的平均腐蚀速度要比变形钢筋平均腐蚀 速度要大． 3 ．3 腐蚀失重率与截面减小率 试验1a 后，凿开钢筋混凝土保护层，观察混 凝土内钢筋腐蚀产物的位置与分布形态，如图4 所 示．对于光圆钢筋，腐蚀产物沿钢筋长度分布比较 均匀，腐蚀产物渗入混凝土的范围也较大；而对于 变形钢筋，腐蚀产物主要分布在钢筋的某几个区域 内，其他区域腐蚀产物较少，甚至有的区域没有一 点铁锈，同时铁锈渗入混凝土的范围也不均匀．这 说明光圆钢筋腐蚀基本是均匀腐蚀，而变形钢筋腐 蚀则以不均匀的局部腐蚀为主． 图4混凝土内钢筋腐蚀形态 F i g ．4 T h ec o r r o s i o ns h a p e so fs t e e l b o v si nc o n c r e t e 混凝土保护层凿除后将钢筋取出，除去钢筋表 面铁锈，用电子天平称量剩余钢筋重量，用游标卡 尺测量钢筋腐蚀坑的深度，分别计算腐蚀失重率和 截面减小率，如表3 所示． 表3腐蚀失重率与截面腐蚀深度 T a b l e3 T h ew e i g h tl o s sr a t e sa n dc o z T o s i o nd e p t h s 试件 编号 B X 一1 B X - 2 B X 一3 G Y 一1 G Y 一2 G Y 一3 失重率／失重率平最大深平均深平均截面减 ％均值／％度／r a m度／m m少率／％ 1 。0 6 1 ．2 8 1 ．2 7 2 ．0 0 1 ．7 8 1 ．5 3 O ．5 2 0 ．4 0 0 ．2 8 O ．3 5 O ．1 5 0 ．2 2 从钢筋平均失重率来看，光圆钢筋平均失重率 约为变形钢筋1 ．5 倍，说明就整根钢筋而言，光圆 钢筋的腐蚀量比变形钢筋腐蚀量大；而从腐蚀坑的 深度和截面减少率来看，变形钢筋腐蚀深度和截面 减少率大于光圆钢筋，约为光圆钢筋的1 ．7 倍．对 钢筋混凝土结构而言，钢筋腐蚀影响钢筋混凝土构 件承载性能的关键有2 个方面钢筋与混凝土的粘 结性能的退化和钢筋截面的减小；从钢筋与混凝土 的粘结性能的退化角度来看，光圆钢簏腐蚀的危害 大于变形钢筋；而从钢筋截面的减小角度看，由于 影响构件承载力的是钢筋局部截面减少率，而不是 整根钢筋的平均失重率，因此变形钢筋腐蚀危害性 大于光圆钢筋；在不考虑粘结性能的情况下，仅从 截面减少率这一角度考虑，可以认为同样条件下变 形钢筋腐蚀速度约为光圆钢筋腐蚀速度的1 ．7 倍． 4 机理分析 混凝土中钢筋的腐蚀一般都属于吸氧型的电 化学腐蚀，腐蚀过程中，在阳极区铁原 F e 失去电 子成为二价铁离子 F e 2 ，由钢筋表面进入混凝 土孔隙中的水溶液；而电子则沿钢筋传递到阴极， 与混凝土孔隙液中溶解的氧气反应，生成氢氧根离 子 O H 一 [ 8 ’引． 根据钢筋腐蚀时阴极和阳极空间位置的分布 情况，钢筋腐蚀又可分为微电池腐蚀和宏电池腐蚀 2 大类，如图5 所示．图中厶，I 。分别为阳极、阴极 电流；j A A ，j A c 分别为阳极区的阳极、阴极电流； j 。A ，．『c c 分别为阴极区的阳极、阴极电流． 微电池腐蚀就是钢筋腐蚀时，其表面形成许许 多多的微小的阴极与阳极 阴阳极间形成原电池 ， 并且阴极与阳极的位置不固定，始终处于不断变化 之中．微电池腐蚀结果一般是使钢筋截面均匀减 少，因此结构性能退化时间较长，并且有一定的先 兆．宏电池腐蚀是钢筋腐蚀时其表面形成明显的阳 极与阴极区域，并且位置相对固定；随着腐蚀的进 行钢筋阳极区域的金属成分不断减少，而其他区域 钢筋基本不变． 图5钢筋腐蚀电池 F i g ．5 T h ec o r r o s i o nc e l lo fr e i n f o r c e m e n t si nc o n c r e t e 由上述试验中钢筋腐蚀形态与腐蚀位置分析 可以得出对于掺盐混凝土试件中光圆钢筋的腐蚀 机理主要以微电池腐蚀为主，而变形钢筋腐蚀机理 主要以宏电池腐蚀为主，形成这种差别的原因主要 万方数据 第4 期耿欧等混凝士中变形与光圆钢筋腐蚀速率试验研究4 9 1 有 1 材料成分的差异光圆钢筋为Q 2 3 5 钢，变 形钢筋为2 0 S i M n 钢，在变形钢筋中由于硅锰等合 金元素的掺入使钢筋得到一定的保护作用，而使变 形钢筋就整根钢筋而言平均腐蚀速度小于光圆钢 筋． 2 钢筋周围腐蚀微环境的不同对于光圆钢 筋而言，由于在整个钢筋表面混凝土保护层厚度、 氯离子含量和钢筋表面水的含量基本相同，因此在 整个钢筋表面腐蚀的机会相当，腐蚀发生在钢筋整 个表面，因此其腐蚀主要以均匀腐蚀为主；而变形 钢筋和光圆钢筋相比，在混凝土浇筑时易在个别变 形肋处形成微小的气泡而造成局部微小缺陷，使腐 蚀介质在此区域内容易长时间驻留，从而使钢筋局 部腐蚀作用强度加大，最终产生局部腐蚀现象；同 时变形钢筋变形肋处混凝土保护层厚度与肋间钢 筋保护层相比较薄，外界氧气、水到达变形肋处比 到达肋间钢筋表面容易，使变形钢筋产生局部区域 钢筋表面的钝化膜较其他部位破坏早，而产生局部 腐蚀；局部腐蚀产生后，对钢筋其他区域也能起一 定的保护作用，这也是就整个钢筋的平均腐蚀速度 而言变形钢筋小于光圆钢筋的一个重要原因． 3 钢筋混凝土粘结性能的影响变形钢筋与 混凝土的粘结性能大于光圆钢筋，当腐蚀产物出现 时，变形钢筋周围的混凝土对腐蚀产物的约束作用 大于光圆钢筋，从而推迟由于腐蚀产物体积膨胀而 使混凝土保护层出现裂缝的时间． 5 结论 1 掺盐混凝土试件中，光圆钢筋腐蚀以微电 池腐蚀为主，腐蚀形态表现为均匀腐蚀；而变形钢 筋以宏电池腐蚀为主，腐蚀形态表现为局部腐蚀． 2 光圆钢筋的平均腐蚀电流密度和平均失重 率均大于变形钢筋，而变形钢筋局部腐蚀深度和截 面减少率大于光圆钢筋． 3 光圆钢筋的腐蚀对钢筋混凝土粘结性能影 响较大，在不考虑粘结性能的情况下，变形钢筋的 局部腐蚀对结构的安全性的威胁更大，从钢筋截面 减少率角度考虑，可以认为变形钢筋腐蚀速度约为 光圆钢筋腐蚀速度的1 ．7 倍． 致谢本课题同时获中国矿业大学青年科研基金 项目 0 8 4 4 5 4 资助，特此致谢． 参考文献 [ 1 ] A 1 一S U L A l M A N IGJ 。I n f l u e n c eo fc o r r o s i o na n d c r a c k i n go nb o n db e h a v i o ra n ds t r e n g t ho fr e i n f o r c e d c o n c r e t em e m b e r s [ J ] ．A C IS t r u c t u r a lJ o u r n a l ， 1 9 9 0 ，8 7 2 2 2 0 2 3 1 ． [ 2 1A l _ ] B A H A RS ，A T T I O G B EEK ，K A M A LH ．I n v e s t i g a t i o no fc o r r o s i o nd a m a g ei nar e i n f o r e e dc o n c r e t es t r u c t u r ei nK u w a i t [ J ] ．A C IM a t e r i a l sJ o u r n a l ， 1 9 9 8 ，9 5 3 2 2 6 - 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