水泥锚杆腐蚀耐久性研究

艾星宇 　 梁 健,2 　 杨书琰 　 吴 昊

(1.重庆大学土木工程学院，重庆　400045；　2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学),重庆　400045)

1　概述

水泥锚杆在我国岩土锚固工程应用十分广泛，但是其服役环境常常含有腐蚀性介质、荷载等不利因素。锚杆会逐渐老化，损伤甚至破坏[1]。

钢筋混凝土结构耐久性问题得到了充分的研究[2,3]，而锚杆锚固结构则研究甚微。通过制备水泥锚杆试件，在长期浸泡、浸烘循环的加速制度下，浸泡在单一氯盐溶液和氯盐硫酸盐复合溶液中，通过测定试件中氯离子的含量，从而表征腐蚀情况，最终得出影响水泥锚杆耐久性的因素，提出相关建议。

2　水泥锚杆腐蚀耐久性研究

2.1　试验方法

试验主要通过氯盐/氯盐硫酸盐复合溶液浸泡水泥锚杆试件，测定其在30 d，90 d，180 d，270 d，360 d后构件中氯离子的浓度。腐蚀加速制度有长期浸泡与浸烘循环两种，浸烘循环的条件为砂浆锚杆试件首先在腐蚀溶液容器中浸泡20 h，再放入60 ℃烘箱烘10 h。试件浸泡达到要求的时间后，取出试样，烘干后开始进行取样，研磨，取砂浆粉末为试验材料，利用化学滴定方法测定氯离子浓度。

试件尺寸取为砂浆锚杆试件直径50 mm，高度100 mm。为保证试件上下底面不受氯离子侵蚀，试件上下底面采用环氧树脂密封。

试验采用的腐蚀条件如下：

1)5%NaCl溶液；

2)8%NaCl溶液；

3)12%NaCl溶液；

4)15%NaCl溶液；

5)15%NaCl溶液+5%Na2SO4溶液；

6)15%NaCl溶液+8%Na2SO4溶液；

7)15%NaCl溶液+12%Na2SO4溶液；

8)15%NaCl溶液+15%Na2SO4溶液。

2.2　实验结果与分析

2.2.1单一氯盐溶液腐蚀

1)长期浸泡。

腐蚀溶剂选为5%NaCl溶液、8%NaCl溶液、12%NaCl溶液、15%NaCl溶液，腐蚀时长为30 d，60 d，180 d，270 d，360 d，见图1。

在同一溶液不同浓度的长期浸泡下，试件内的氯离子浓度随着腐蚀的进行而增加，离构件表面越远的部分氯离子含量越低。深度较小的部分，其氯离子扩散速度较快，原因是扩散是基于内外浓度差，这部分的浓度差最高。因此增加水泥锚杆耐久性的途径之一就是增加保护层厚度，使得内部的氯离子扩散速度降低，从而保护锚筋。

离子扩散满足Fick定律。根据模型C(x,t)=C0[1-erf使用Matlab程序编制计算机程序，求解得到氯离子扩散系数，如图2所示。显然，氯离子扩散系数随着腐蚀龄期的增加而降低，随着腐蚀溶液浓度的增加而增加。

2)浸烘循环。

与浸泡腐蚀相似，使用Fick第二定律，计算求出氯离子扩散系数，见图3。由图3可知，结论与长期浸泡下类似。

因此可以得出以下结论。浸烘循环加速了腐蚀的速度，腐蚀溶液浓度越大，浓度差越大，腐蚀速度越快，氯离子浓度随着试件深度而减少，因此增加保护层可以延缓水泥锚杆内部的腐蚀。

2.2.2硫酸盐氯盐复合溶液腐蚀

1)长期浸泡。

腐蚀溶剂选为15%NaCl为基准溶液，配以5%，8%，12%，15%Na2SO4溶液形成复合溶液，腐蚀时长为90 d,180 d,270 d,360 d,如图4所示。

复合溶液相比于单一氯盐溶液而言，在相同深度的氯离子浓度降低。原因在于溶液中的硫酸根离子遇到了构件中的钙离子，两者反应生成了具有膨胀性的钙矾石与石膏，使得腐蚀通道变窄，起到了降低氯离子腐蚀的作用。

2)浸烘循环。

由单一氯盐溶液腐蚀对比可知，浸烘循环相比于长期浸泡加速了腐蚀速度。复合溶液长期浸泡下，90 d，180 d，270 d时，其氯离子浓度相比单一氯盐情况的浓度更低，原因在于溶液中的硫酸根离子遇到了构件中的钙离子，两者反应生成了具有膨胀性的钙矾石与石膏，使得腐蚀通道变窄，起到了降低氯离子腐蚀的作用。腐蚀到了末期时，氯离子浓度相较于单一氯盐高，这是由于腐蚀产生了大量的钙矾石与石膏晶体，在腐蚀前期它们起到了阻碍腐蚀通道的作用，而在腐蚀后期，晶体形成数量太多，膨胀导致腐蚀通道重新打开，形成了新的微裂缝腐蚀通道，从而使得腐蚀速度加快。因此水泥砂浆锚杆浸烘循环下复合溶液腐蚀下，腐蚀速度呈现先慢后快这一特征。

3　结语

1)浸烘循环制度是合理的加速机制，可以通过浸烘循环用较短的时间去模拟周期较长的腐蚀过程,降低耐久性研究的试验周期。

2)氯盐溶液腐蚀下，试件内外浓度差越大，腐蚀的速度越快，因此设计上可以考虑适当增加保护层厚度，推迟内部钢筋锈蚀的时间，提高结构总体的耐久性与寿命。

3)硫酸盐—氯盐复合溶液腐蚀下，腐蚀速度呈现先慢后快这一特征，原因在于，腐蚀前期，溶液中的硫酸根离子遇到了构件中的钙离子，两者反应生成了具有膨胀性的钙矾石与石膏，使得腐蚀通道变窄，起到了降低氯离子腐蚀的作用；而腐蚀后期，钙矾石、石膏晶体形成数量太多，膨胀导致腐蚀通道重新打开，形成了新的微裂缝腐蚀通道，从而使得腐蚀速度加快。因此硫酸盐起着在前期延缓水泥锚杆腐蚀的特性，而后期则加速了腐蚀速度。在复合盐类的服役环境下，水泥锚杆的性能要定期检测，以防到了腐蚀后期，水泥锚杆耐久性大幅下降。