氯盐环境下钢筋HRB400 的腐蚀行为与力学性能研究

郑恒伟， 钟 浪， 邬昌丽， 刘金鸿， 施佳欢， 余俊锋

(重庆科技学院， 重庆 401331)

0 前 言

钢筋混凝土是现代社会最重要的建筑产物之一，是利用钢筋的高抗拉强度特征与混凝土的高抗压强度特征组成的复合材料，广泛应用在现代建筑中[1，2]。 近几年，我国对海洋经济的发展愈发重视，然而氯化物对钢筋混凝土的危害性极大，在海洋含有大量氯化物的情况下，钢筋腐蚀而引发的桥梁、码头等大型建筑物耐久性不足的问题尤其突出，造成了巨大的经济损失，处于海洋中的钢筋混凝土腐蚀破坏的危害性和采取防护措施的重要性引起重视。

在混凝土的养护过程中，水泥通过水化反应生成以饱和氢氧化钙为主的孔隙液。 而在碱性溶液的长期作用下，钢筋表面能够生成稳定且具有保护性的钝化膜[1-3]。 钝化膜的存在能够在一定程度上抑制钢筋阳极溶解反应的进行，从而减缓钢筋受到其他外界因素的腐蚀，大大降低钢筋的腐蚀速率。 然而随着时间的推移，混凝土自身不断劣化，在以氯离子为代表的侵蚀性离子的作用下，钢筋的钝化膜将遭到破坏并失去对钢筋基体的有效保护，造成钢筋快速腐蚀，从而致使钢筋混凝土的使用寿命达不到设计要求。

虽然钢筋混凝土中会发生一系列的反应使得钢筋受到不同程度的腐蚀，从而减短了混凝土结构耐久性，但是由于混凝土的劣化历程尤为漫长，并且混凝土本身又是一个复杂多变的活性体系，因此在研究钢筋在不同环境下的腐蚀行为时，研究人员往往通过配制混凝土模拟液的方式来直接作用于钢筋试样[4-8]。 而模拟实验便是将钢筋置于混凝土模拟液中浸泡，使得其表面生成一层稳定的钝化膜，而后再就带有钝化膜的钢筋进行后续研究[6-8]。

关于钢筋混凝土腐蚀行为以及腐蚀后的耐久性问题，李敢等[9]利用电化学测试探究了氯离子对模拟混凝土孔隙液中钢筋腐蚀行为的影响，Guo 等[10]，Ma等[11]研究了各种环境中钢筋腐蚀疲劳扩展的机理，金南国等[12]采用自主通电加速钢筋锈蚀试验方法模拟了钢筋实际非均匀锈蚀情况，陈嘉帅等[13]利用外加直流电法对钢筋进行加速研究了锈蚀后的力学性能，张德尧等[14]研究了环境因素与荷载共同作用下产生的应力腐蚀对混凝土力学性能的影响。 相关的这些研究用不同的方法和环境等对钢筋混凝土腐蚀行为及耐久性问题进行了探讨，但研究方法与实际情况贴合较差，且对于钢筋裸露与镶入混凝土2 种情况下腐蚀行为及腐蚀后力学性能的区别研究较少。 因此，本工作采用浸泡腐蚀法研究了钢筋HRB400 在3.5%(质量分数)NaCl溶液中裸露和镶入混凝土2 种环境下腐蚀性能及腐蚀后的力学性能，通过对比分析两者钢筋锈蚀行为及锈蚀后的力学性能，希望能为工程安全使用提供借鉴。

1 试 验

1.1 试件制备

试件采用高强度纯钢筋HRB400 以及钢筋HRB400 和混凝土组成的钢筋混凝土2 种试件，试液采用3.5%(质量分数，下同)NaCl 溶液以及混凝土模拟液(饱和氢氧化钙溶液中加入3.5%NaCl 溶液)。 所用的钢筋HRB400 试样的直径为14 mm、长度为500 mm，是由同一厂家制备；钢筋混凝土试样首先以表1 中材料配合比进行搅拌，然后倒入直径为112 mm、长度为560 mm 的半圆柱体胶管中，把处理过且称好质量的钢筋横截面一半镶入混凝土中，最后对钢筋混凝土进行28 d养护。 试件钢筋HRB400 的密度为7 850 kg/m3，钢筋混凝土试件密度为2 400 kg/m3。 混凝土组成材料的配合比以及试样钢筋HRB400 的主要化学元素含量如表1、表2 所示。

表2 钢筋HRB400 主要化学成分(质量分数) %Table 2 Main chemical composition of rebar HRB400(mass fraction) %

1.2 试验方法

采用浸泡腐蚀法进行3 组试验研究3.5%NaCl 溶液对钢筋HRB400 在不同条件下的腐蚀行为及力学性能的影响。 试验1，钢筋HRB400 在3.5%NaCl 溶液中浸泡试验:以处理好的钢筋HRB400 为试验材料，使用电子秤称重(精确至0.001 g)并记录，然后浸泡在制作好的3.5%NaCl 溶液中，浸泡腐蚀时间为15，30，45 d。试验2，钢筋混凝土试样在3.5%NaCl 溶液中的浸泡试验:制作钢筋混凝土之前使用电子秤称取钢筋质量，再以制作好的钢筋混凝土作为试验材料，使用电子秤称取钢筋混凝土质量并记录，然后将钢筋混凝土浸泡在制作好的3.5%NaCl 溶液中，浸泡腐蚀时间为15，30，45 d。 试验3，将处理好的钢筋HRB400 放入混凝土模拟液饱和氢氧化钙溶液中(加入3.5%NaCl 溶液)进行浸泡，浸泡腐蚀时间为10，25，40 d。 3 组试验的试样经各个时间段浸泡腐蚀后，为除去表面的腐蚀产物，取出先在5%(体积分数)的稀盐酸溶液中浸泡1 h(钢筋混凝土试样先去除混凝土再对钢筋HRB400 进行除锈处理)，再经清水冲洗及无水乙醇干燥后称重并记录，以计算腐蚀率、失重率，最后使用液压式万能试验机对3组试样进行拉伸试验，测量3 组腐蚀试验后钢筋的力学性能，包括屈服强度、抗拉强度、伸长率。

2 结果与讨论

2.1 钢筋的腐蚀行为

2.1.1 失重率、腐蚀率

根据试验测出的各个时间段的试样质量，计算出各组试验试样的失重率、平均腐蚀率，计算方法为[15，16]:

式中:η(n，t) 为浸泡腐蚀t小时后第n根试件的失重率，%；ν(n，t) 为浸泡腐蚀t小时后第n根试件的每小时的平均腐蚀速率；A(n，t) 为浸泡腐蚀t小时后第n根试件的表面积；D(n，t) 为浸泡腐蚀t小时后第n根试件的直径；L(n，t) 为浸泡腐蚀t小时后第n根试件的长度；Δm(n，t) 为浸泡腐蚀t小时后第n根试件的质量损失；m(n，t0) 为第n根试件的初始质量；m(n，t)为浸泡腐蚀t小时后第n根试件的质量。

利用公式(1)计算得到了3 组试验试样失重率曲线见图1。 从图1 可以看出，高强度钢筋HRB400 在氯化钠环境下失重率随浸泡时间逐渐增加而增大，同时纯钢筋HRB400 在纯氯化钠溶液中腐蚀失重率最大。

图1 钢筋HRB400 的失重率-侵蚀时间曲线Fig.1 Weight loss rate VS erosion time of steel Bar HRB400

利用公式(2)，计算出钢筋HRB400 在3 种试验条件下的腐蚀速率数据见图2。 由图2 可知，钢筋HRB400 在3 种条件下每小时平均腐蚀速率随浸泡时间延长逐渐缓慢，同时可以看出在相同时间内钢筋HRB400 在纯氯化钠溶液中的腐蚀速率最快。

图2 钢筋HRB400 每小时的平均腐蚀率Fig.2 Hourly average corrosion rate of steel Bar HRB400

2.1.2 反应机理分析

钢筋HRB400 浸泡在纯氯化钠溶液中时，不与氯化钠反应，但是氯化钠溶液作为电解质溶液会使钢筋HRB400 发生吸氧腐蚀，进而加速钢筋快速锈蚀，其电极反应方程式如下:

钢筋HRB400 在氯化钠溶液中上部分反应较快，在上部分会生成大量肉眼可见的棕红色锈物(Fe2O3·nH2O)，反应方程如下:

试验2、3 都为钢筋HRB400 提供碱性环境，试验2中钢筋混凝土会发生水化反应生成大量氢氧化钙，其反应方程式:

相对于在中性环境下，钢筋HRB400 在碱性环境下会迅速钝化成膜，阻止本身进一步锈蚀，腐蚀速率会变缓慢。

2.2 钢筋的力学性能

2.2.1 屈服强度、抗拉强度

屈服强度是指钢材在受到外力拉力作用下，随着拉力的增大，钢材进入屈服状态开始丧失对变形的抵抗能力，并产生大量塑性变形而所对应的上下波动应力，上屈服强度是钢材发生屈服而力首次下降前的最大应力，下屈服强度是在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小应力。 抗拉强度是指钢材能够承受最大拉力所对应的应力，它表示抵抗破坏能力。 考虑到实际工程中，钢筋的上屈服强度值不够准确且不够稳定，给工程安全带来了很大隐患，所以本工作测试的钢筋屈服强度是以工程实际中以钢筋的下屈服强度为准，钢筋HRB400 下屈服强度和抗拉强度与腐蚀时间的关系如图3 和图4 所示，随氯化钠侵蚀时间不断延长，3种条件下钢筋的屈服强度以及抗拉强度都不断减小，其中钢筋在纯氯化钠溶液中浸泡相比其他两组试验时下屈服强度、抗拉强度在浸泡相同时间内的值是最大的。

图3 钢筋HRB400 的屈服强度与浸泡时间的关系Fig.3 Yield strength VS immersion time of steel Bar HRB400

图4 钢筋HRB400 的抗拉强度与浸泡时间的关系Fig.4 Tensile strength VS immersion time of steel Bar HRB400

2.2.2 伸长率

伸长率是钢材受拉力作用断裂时，伸长量与原有长度的百分比，它表示钢材塑性变形能力。 钢筋的伸长率与钢筋含碳量相关，钢筋的含碳量不同伸长率也会相应不同。 分别测试了3 组腐蚀试验后钢筋的伸长率如图5 所示。 其中钢筋HRB400 浸泡在混凝土模拟液(饱和氢氧化钙溶液中加入3.5%NaCl 溶液)中时，经过腐蚀后测量其伸长率发现，其值并不是随着浸泡时间增加而逐渐下降而是有升有降，相对于试验3，另外2 种条件下钢筋浸泡在纯3.5%NaCl 溶液中时，不管纯钢筋还是含有混凝土的钢筋的伸长率都是随着浸泡时间的延长而逐渐降低的。

图5 钢筋HRB400 的伸长率与浸泡时间的关系Fig.5 HRB400 elongation VS immersion time

2.2.3 力学性能结果分析

钢筋浸泡在纯氯化钠溶液中发生全面均匀锈蚀，对钢筋本身结构影响不大，因此试验1 中钢筋HRB400屈服强度、抗拉强度比另外2 组试验后钢筋的相应强度要大。 钢筋混凝土并不是完全密实的，钢筋在混凝土提供的碱性环境下，表面上会形成一层致密的钝化膜，阻止钢筋进一步的腐蚀。 由于混凝土并不是完全密实的，所以空气中的二氧化碳以及氯化钠溶液环境中的氯离子都会侵入到混凝土中，继而混凝土中会发生一系列的反应，其中碳化反应会减弱钢筋周围碱性环境[Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O]。 钢筋混凝土中发生的碳化反应会使钢筋周围碱性环境逐步减弱，又因氯离子侵入到钢筋表面的钝化膜上时，能够将钝化膜上的氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物破坏钢筋上的钝化膜。 二氧化碳的侵入会减弱钢筋所在的碱性环境，氯离子的侵入会局部破坏钝化膜使得钢筋表面上发生局部腐蚀，钢筋表面长时间的局部腐蚀会形成腐蚀坑，导致钢筋结构受到很大影响。 在对钢筋进行拉伸试验时钢筋表面上的腐蚀坑处会形成应力集中，使得钢筋的屈服强度、抗拉强度、伸长率较小。

3 结 论

(1)在3.5%NaCl 溶液中不管钢筋HRB400 裸露或镶入混凝土中还是在饱和氢氧化钙溶液中，随浸泡腐蚀时间延长，其失重率逐渐增大，平均每小时腐蚀速率逐渐缓慢，且钢筋HRB400 裸露情况下在3.5%NaCl 溶液中失重率最大，平均每小时腐蚀速率最快。

(2)在3.5%NaCl 溶液中不管钢筋HRB400 裸露或镶入混凝土中还是在饱和氢氧化钙溶液中，随浸泡腐蚀时间延长，其屈服强度、抗拉强度逐渐降低，且钢筋HRB400 裸露情况下在3.5%NaCl 溶液中屈服强度、抗拉强度最大。

(3)钢筋HRB400 裸露或镶入混凝土中2 种情况下在3.5%NaCl 溶液中腐蚀，其伸长率会随着浸泡腐蚀时间延长而逐渐降低，且在3.5%NaCl 溶液中钢筋HRB400 在裸露情况下伸长率比镶入混凝土中略大。

(4)钢筋HRB400 浸泡在饱和氢氧化钙(加入3.5%NaCl 溶液)中时，随浸泡腐蚀时间增加，其伸长率不是单一降低趋势，而是随浸泡时间逐渐延长呈现有升有降趋势。