拉应力和压应力对砂浆中钢筋腐蚀的影响

冯兴国，卢向雨，陈 达，杨雅师，苏晓栋

（1.河海大学 海岸灾害与防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；3.江苏科技大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212003）

近年来，荷载对混凝土结构中钢筋锈蚀的影响已引起人们广泛关注.Fang等［1］以周期性载荷研究了混凝土种类、钢筋腐蚀程度、荷载历程等对钢筋／混凝土界面黏结强度的影响，发现该界面处的黏结强度由其荷载历程决定.Vidal等［2－3］研究了恒定载荷作用下服役14a和17a的混凝土构件中裂纹处Cl－浓度、裂纹处钢筋的腐蚀以及混凝土的力学性能等，结果表明混凝土结构的寿命与裂纹宽度无明显关系，而取决于钢筋／混凝土界面的结合力和临界Cl－浓度到达混凝土覆盖层中的深度.Apostolopoulos等［4］研究了S400 钢筋在低周疲劳下的失效情况，发现当钢筋质量损失为2%时，其失效所需的周期数将减少22%；当钢筋质量损失为3%时，其失效所需的周期数将减少47%.Anhvu等［5］分析了预应力混凝土中钢筋的应力腐蚀情况，结果表明钢筋的点蚀常常会发展成应力腐蚀，同时点蚀引起的应力集中也会降低钢筋的力学性能.此外还发现钢筋的腐蚀失重会随着应力的增加而有所增加，但腐蚀产物的成分不会发生变化.Valiente等［6］在分析失效的预应力混凝土输水管线时，发现在混凝土覆盖层没有破坏的条件下钢筋却发生了明显锈蚀，钢筋的强度和延伸率也明显降低.Ahn等［7］对比了恒定载荷和疲劳载荷作用下混凝土结构梁中钢筋的腐蚀情况，发现疲劳荷载所导致的混凝土结构梁中钢筋的锈蚀更为严重.贡金鑫等［8］研究了四点加载条件下混凝土结构中钢筋的腐蚀情况，发现腐蚀介质与荷载具有明显的协同效应，且荷载越高，腐蚀的协同效应越明显.

综上所述，荷载对钢筋混凝土结构的耐久性具有重要影响，明确荷载对混凝土结构中钢筋锈蚀的影响对评价混凝土结构安全性、预测混凝土结构寿命具有重要意义.然而，目前关于荷载对混凝土结构耐久性的影响都是以拉应力为主，关于压应力影响的研究较少.本文对比了拉应力和压应力下砂浆中钢筋的腐蚀情况，结果表明在相同大小的应力作用下，承受压应力的钢筋锈蚀更为严重.

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

钢筋试样：φ10碳钢钢筋和不锈钢钢筋各1根，在它们的顶端分别焊接上铜线，并且用环氧树脂密封整根钢筋和焊接接头.为进行腐蚀研究，待环氧树脂干燥后在钢筋试样中间打磨出1个50mm（长）×5mm（宽）的暴露面并用丙酮除油.钢筋试样如图1所示.

图1 钢筋试样示意图Fig.1 Illustration of the rebar sample（size：mm）

砂浆试样：以P·O 32.5水泥和普通河砂为原料，按m（水泥）∶m（砂）∶m（水）＝1.0∶3.0∶0.6的配合比，将原料加到ULZ－15型砂浆搅拌机中搅拌10min，然后浇注到200mm×60mm×30mm的砂浆模具中并用铲子将砂浆捣实.砂浆中均匀分布φ10碳钢钢筋和不锈钢钢筋各1根，24h后拆模，然后用饱含自来水的脱脂棉对砂浆试样养护28d.除了有钢筋暴露面一侧的表面，砂浆试样的其余表面均用环氧树脂密封，待环氧树脂固化后对砂浆试样施加三点荷载.

1.2 试验方法

通过千斤顶和弹簧，以三点加载方式给砂浆试样分别施加500，2 500，5 000N 的拉应力和压应力，加载装置如图2所示.将施加荷载的砂浆试样浸泡于质量分数为3%的NaCl溶液中.

以饱和甘汞（SCE）为参比电极，铂电极（Pt）为辅助电极，以PARSTST2273电化学工作站对各载荷下的钢筋试样进行开路电位、线性极化和交流阻抗测试.在开路电位±5mV 的范围内以0.30mV／s的速率进行线性极化，并用CVIEW 图形拟合软件拟合极化电阻Rp值，计算钢筋的腐蚀速率.以10mV 的扰动信号在105～10－2Hz范围内进行交流阻抗测试.

图2 加载装置示意图Fig.2 Illustration of loading apparatus

2 试验结果与讨论

2.1 开路电位

不定期测量承载钢筋试样的开路电位，碳钢和不锈钢钢筋的开路电位Eoc随时间的变化如图3，4所示.由图3 可见，随着在3%NaCl溶液中浸泡时间的延长，各钢筋试样的开路电位都有所降低，这与混凝土覆盖层中Cl－扩散密切相关.随着浸泡时间的延长，通过混凝土覆盖层渗透到钢筋／混凝土界面的Cl－逐渐增加，进而使钢筋的腐蚀电位逐步降低.同时随着荷载的增加，承受拉应力和压应力的钢筋试样其开路电位都明显降低.由于本研究中应力增加较大，随着应力的增加混凝土覆盖层的缺陷增多，进而加速了Cl－在砂浆中的渗透速率；此外，应力会引起钢筋表面钝化膜破裂［9］，导致钢筋／混凝土界面剥离，因此，随着应力的增加，钢筋的开路电位逐渐降低.相对于拉应力下的碳钢钢筋，承受压应力的碳钢钢筋其开路电位明显更负，由图4也能得出同样结论.Aveldaño等［10］在研究混凝土梁的腐蚀时也发现承压梁中钢筋的腐蚀电位更低，并且认为这是由于压应力增加了混凝土覆盖层的致密度，从而使混凝土中氧的扩散降低所致.但是随后的试验发现承受压应力的梁其混凝土覆盖层更易开裂，且其裂纹也较承受拉应力梁的裂纹更宽.这说明承受压应力的钢筋其锈胀作用更加明显，因此，承压钢筋腐蚀电位更低应该与钢筋的锈蚀程度有关，而非混凝土中氧的扩散受到限制所致.在相同荷载作用下，本研究中的不锈钢试样开路电位（图4）明显高于碳钢试样（图3），说明在含腐蚀介质的混凝土环境中不锈钢钢筋的耐蚀性优于碳钢钢筋.

图3 承载碳钢钢筋的开路电位Fig.3 Variation of OCP（Eoc）of carbon steel bar in mortar

图4 承载不锈钢钢筋的开路电位Fig.4 Variation of OCP（Eoc）of stainless steel bar in mortar

2.2 腐蚀电流密度

当承载试样在3%NaCl溶液中浸泡10，33，51d后，对其进行线性极化测试以计算钢筋极化电阻Rp，并根据式（1）计算钢筋试样的腐蚀电流密度icorr：

式中：B 为常数，处于未脱钝状态的钢筋，B 取52mV；对于已脱钝的钢筋，B 取26mV［11］，本研究B 取26mV.

碳钢钢筋和不锈钢钢筋的腐蚀电流密度icorr随时间的变化如图5，6所示.从图5可以看出，随着浸泡时间延长，由于渗透到钢筋／混凝土界面处的腐蚀介质浓度增加，导致钢筋失钝加剧，即钢筋的腐蚀加速，因而各钢筋试样的腐蚀电流密度均有所增加.随着荷载的增加，碳钢钢筋的腐蚀电流密度逐渐增加，表明钢筋的腐蚀逐渐加剧.与承受拉应力的碳钢钢筋相比，承受压应力的碳钢钢筋其腐蚀电流密度增加更为明显，表明相同荷载作用下压应力对钢筋腐蚀的影响较拉应力更加明显，类似的规律也可在图6中看到.另外，对图5，6 进行比较后可以发现，不锈钢钢筋的腐蚀电流密度明显低于碳钢钢筋的腐蚀电流密度，表明不锈钢钢筋的耐蚀性明显优于碳钢钢筋.因此，腐蚀电流密度测试结果与开路电位测试结果相互印证，即：不锈钢钢筋具有良好的耐蚀性；钢筋的腐蚀随着承受荷载的增加而明显加剧；相同应力水平下，压应力对混凝土中钢筋腐蚀的加剧作用更为明显.

图5 承载碳钢钢筋的腐蚀电流密度随时间变化Fig.5 Variation of corrosion current density of carbon steel bar in mortar

图6 承载不锈钢钢筋的腐蚀电流密度随时间变化Fig.6 Variation of corrosion current density of stainless steel bar in mortar

2.3 交流阻抗

当承载试样在3%NaCl溶液中浸泡51d后，对其进行交流阻抗测量，结果见图7，8.可以发现所有试样的Nyquist图中均有2个时间常数；不论试样承受的是拉应力还是压应力，其阻抗模值都随着应力的增加而明显降低.对比发现，相同荷载条件下不锈钢钢筋的阻抗模值明显高于碳钢钢筋，再次印证了在含腐蚀介质的混凝土中不锈钢钢筋的耐蚀性要明显优于碳钢钢筋这一结论.

Koleva等［12］和Gürten等［13］通过图9 所 示 的等效电路分析了混凝土中钢筋的锈蚀状态，其中Rs为溶液电阻；Rcon和Ccon分别为混凝土覆盖层的电阻和电容；Rct和Q 分别表示钢筋／混凝土界面的极化电阻和双电层电容.

根据等效电路拟合所得混凝土覆盖层电阻Rcon和钢筋／混凝土界面的极化电阻Rct如图10所示.从拟合结果可以看出，混凝土覆盖层电阻Rcon明显低于钢筋／混凝土界面的极化电阻Rct.Morris等［14］用交流阻抗研究迁移性缓蚀剂时，也发现混凝土覆盖层的电阻明显低于钢筋／混凝土界面的极化电阻.由图10还可发现，随着应力增加，不锈钢钢筋／混凝土界面和碳钢钢筋／混凝土界面的极化电阻Rct值都明显降低，这与开路电位和腐蚀电流密度的试验结果相一致，表明钢筋的耐蚀性随着承受荷载的增加而逐渐降低.此外，相同荷载作用下不锈钢钢筋／混凝土界面的极化电阻Rct明显高于碳钢钢筋／混凝土界面的极化电阻，进一步证明在含腐蚀介质的混凝土中不锈钢钢筋的耐蚀性要明显优于碳钢钢筋.

对比图10中不同应力作用下Rcon和Rct可以发现，Rcon在不同应力作用下的变化相对较小，而Rct则随着应力增加而明显降低.因此，应力增加导致混凝土中钢筋腐蚀速率增加的主要原因是钢筋／混凝土界面受到破坏，导致钢筋／混凝土界面的极化电阻Rct明显降低所致.

图7 承载碳钢钢筋在浸泡51d时的交流阻抗图Fig.7 EIS results of carbon steel bar in mortars after immersed in NaCl solution for 51days

图9 混凝土中钢筋试样的等效电路Fig.9 Equivalent electrical circuit for modeling the impedance data［12］

另一方面，在相同应力水平下，压应力作用下的Rct值比拉应力作用下的Rct值小，这也同开路电位和腐蚀电流密度的测试结果相互印证，表明在相同荷载作用下，压应力能更为明显地加剧混凝土中钢筋的锈蚀.这可能与拉应力和压应力下钢筋表面钝化膜的不同破裂形式有关.研究表明拉应力下钝化膜以微裂纹的破坏形式为主；压应力下钝化膜以褶皱形式破裂，且随着压应力的增加，大量钝化膜会从基体脱附［9］.本研究中可能由于压应力更容易导致钢筋／混凝土界面剥离，进而显著降低钢筋／混凝土界面的极化电阻Rct，从而使相同荷载作用下的压应力比拉应力更为明显地加剧混凝土中钢筋的腐蚀.

图10 不同应力作用下混凝土覆盖层电阻Rcon和钢筋／混凝土界面的极化电阻RctFig.10 Fitting results of concrete resistance Rcon and polarization resistance Rct

3 结论

（1）随着荷载的增加，混凝土中钢筋的腐蚀速率逐渐增加；在含腐蚀介质的混凝土中不锈钢钢筋的耐蚀性明显优于碳钢钢筋.

（2）相同荷载条件下，承受压应力的钢筋腐蚀电位比承受拉应力钢筋的低，其腐蚀电流密度则更高，表明相同荷载下压应力能更为显著地加剧钢筋腐蚀.

（3）应力作用导致钢筋／混凝土界面的极化电阻降低，进而明显加剧钢筋的腐蚀.相同荷载作用下，承受压应力的钢筋／混凝土界面的极化电阻降低更加明显，即其破坏更加严重，因而压应力对钢筋腐蚀的影响更加明显.

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