張鵬，李沛，曹忠露

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

鋼筋銹蝕是混凝土構(gòu)件耐久性能劣化的最主要原因之一[1-3]，使目標(biāo)結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕是實(shí)驗(yàn)室耐久性研究需首要解決的問(wèn)題。若不施加特殊方法，鋼筋銹蝕是一個(gè)緩慢的過(guò)程，而在較短期限內(nèi)獲得大量銹蝕鋼筋試件的有效方法就是對(duì)鋼筋進(jìn)行電化學(xué)通電加速銹蝕。然而，在加速銹蝕試驗(yàn)中，如何控制鋼筋銹蝕量，始終是研究鋼筋銹蝕引起的構(gòu)件耐久性能劣化時(shí)不可回避的問(wèn)題。

通電加速試驗(yàn)從兩方面促進(jìn)了混凝土內(nèi)鋼筋的快速銹蝕：首先，外加電場(chǎng)可加速氯離子在混凝土中的傳輸，使氯離子較快到達(dá)鋼筋表面和達(dá)到鋼筋銹蝕臨界值，鋼筋開(kāi)始銹蝕；其次，使鋼筋表面保持較高的腐蝕電流密度，加速離子交換，使鋼筋保持較高的銹蝕速率。本文中，運(yùn)用電場(chǎng)作用下的混凝土內(nèi)氯離子傳輸過(guò)程解析解，計(jì)算獲得氯離子誘發(fā)鋼筋的起銹時(shí)間，再基于Faraday電解定律，推導(dǎo)出通電銹蝕條件下的鋼筋銹蝕率計(jì)算公式，并最終得到試驗(yàn)驗(yàn)證。為通電加速試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室中的運(yùn)用提供參考依據(jù)。

1 氯離子誘導(dǎo)鋼筋起銹時(shí)間

自然條件下，氯離子向混凝土中的傳輸過(guò)程是由濃度梯度引起的，這是一個(gè)緩慢的過(guò)程。如果能對(duì)此過(guò)程增加一種或多種傳輸推動(dòng)力，則必將加快這一進(jìn)程。氯化物離子的負(fù)電荷在電場(chǎng)作用下被吸引到正電極，依據(jù)這一基本原理，直流電壓能加速氯離子在混凝土中的擴(kuò)散（圖1），且已有學(xué)者將其運(yùn)用到鋼筋的電化學(xué)通電加速銹蝕試驗(yàn)中[4-5]。

圖1 電場(chǎng)作用下的氯離子傳輸Fig.1 Chlorine ion transmission under the action of electric field

依據(jù)Fick定律，氯離子在混凝土中的傳輸模型表示為：

式中：C為傳輸時(shí)間t時(shí)刻距離侵蝕表面x處氯離子含量；J為傳輸過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的氯離子流量。

理想狀態(tài)下，氯離子流量可由Nernst-Planck表示：

式中：D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)；自為離子遷移率；準(zhǔn)為電場(chǎng)電位差[6]。

在外加電場(chǎng)作用下，正、負(fù)離子向相反的方向移動(dòng)，離子遷移率根據(jù)Nernst-Einstein方程計(jì)算：

式中：z為離子電價(jià)；F為法拉第常數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度[7]。

在勻強(qiáng)電場(chǎng)E作用下，由式（1）和式（2）可推導(dǎo)得到氯離子一維傳輸模型：

大型機(jī)械壓力機(jī)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在滑塊運(yùn)行到上死點(diǎn)的瞬間，齒輪副嚙合位置換向，須補(bǔ)償一個(gè)間隙量 （在沒(méi)有平衡裝置的機(jī)構(gòu)中特別明顯），間隙值太大容易造成打齒，嚙合時(shí)有沖擊，噪聲明顯增高。由于齒輪標(biāo)準(zhǔn)GB/T10095-2008中，齒輪的加工誤差和安裝誤差、齒厚公差、中心距公差等隨機(jī)變量對(duì)齒側(cè)間隙的影響成概率分布，大量生產(chǎn)中符合正態(tài)分布規(guī)律，但在實(shí)際裝配中可能出現(xiàn)最大法向間隙，所以合理地控制齒側(cè)間隙尤為重要。

Tang和Nilsson[8]依據(jù)穩(wěn)態(tài)邊界條件，給出其解析解：

式（5）表示，只要預(yù)先設(shè)定的通電銹蝕環(huán)境條件（如法拉第常數(shù)、氣體常數(shù)、絕對(duì)溫度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、混凝土表面氯離子濃度和電位差）均已知，通電t時(shí)刻鋼筋處混凝土內(nèi)氯離子含量是唯一確定的。當(dāng)氯離子含量達(dá)到某一臨界值時(shí)，鋼筋鈍化膜破壞，鋼筋開(kāi)始銹蝕。反過(guò)來(lái)，若通電銹蝕環(huán)境條件不變，如已知氯離子誘發(fā)鋼筋銹蝕的臨界值Cinit=C，由式（5）即能反算得到對(duì)應(yīng)鋼筋銹蝕臨界值的鋼筋起銹時(shí)刻tinit=t。

2 鋼筋銹蝕率計(jì)算

氯離子濃度達(dá)到臨界值而誘發(fā)鋼筋銹蝕，已知鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間tinit后，在加速氯離子傳輸?shù)耐瑫r(shí)，混凝土內(nèi)鋼筋開(kāi)始以較高的銹蝕速率銹蝕。

混凝土中鋼筋的銹蝕過(guò)程本質(zhì)上是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，反應(yīng)過(guò)程中電荷在陰、陽(yáng)極間不斷地遷移。通常，使用Faraday電解定律計(jì)算鋼筋銹蝕率，其基本含義：電極界面上發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)的質(zhì)量與通入的電量成正比[9-10]。

在鋼筋電化學(xué)銹蝕過(guò)程中，根據(jù)通過(guò)鋼筋的電流強(qiáng)度大小和通電時(shí)間，即可算出鋼筋的腐蝕質(zhì)量：

式中：△m為鋼筋質(zhì)量損失量，g；M為鐵的摩爾質(zhì)量，56 g/mol；I為腐蝕電流強(qiáng)度，A；t為銹蝕時(shí)間，s；Z為反應(yīng)電極化學(xué)價(jià)，即失去的電子數(shù)，取2。

通過(guò)鋼筋的電流強(qiáng)度也可由鋼筋表面的電流密度得出：

式中：i為銹蝕鋼筋表面電流密度，滋A/cm2；d為鋼筋直徑，cm；l為銹蝕鋼筋長(zhǎng)度，cm。

將鋼筋原始質(zhì)量 m=仔r2ρl與式（7）代入式（6）得：

式中：r為鋼筋半徑，cm；ρ為鐵密度，7.8 g/cm3。

假定在通電銹蝕狀態(tài)下，鋼筋沿截面均勻銹蝕，以及腐蝕電流保持恒定。在t逸tinit時(shí)刻，根據(jù)式（8），得到t時(shí)刻的鋼筋銹蝕率：

3 通電銹蝕試驗(yàn)

3.1 試塊設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證式（9），估算氯離子侵蝕下混凝土內(nèi)的鋼筋銹蝕量，共設(shè)計(jì)了18塊混凝土試塊，其中：保護(hù)層厚度20 mm、內(nèi)置準(zhǔn)10的混凝土12塊（圖2（a））；保護(hù)層厚度25 mm、內(nèi)置準(zhǔn)12的混凝土3塊（圖2（b））；保護(hù)層厚度25 mm、內(nèi)置準(zhǔn)20的混凝土3塊（圖2（c））。采用普通C30混凝土，試塊尺寸及鋼筋位置見(jiàn)圖2。

圖2 試塊設(shè)計(jì)Fig.2 Design of sample

3.2 通電設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中通過(guò)控制試塊鋼筋的表面電流密度，進(jìn)而運(yùn)用式（9）估算混凝土內(nèi)的鋼筋銹蝕率。試塊鋼筋通電加速銹蝕方法如圖1所示。試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的選取：法拉第常數(shù)F=96 484.6 C/mol，參考文獻(xiàn)[11]氯離子擴(kuò)散系數(shù)取D=5伊10-10m2/s，氣體常數(shù) R=8.31 J/（mol·K），絕對(duì)環(huán)境溫度 T=298 K，氯離子電價(jià)z=1，混凝土表面氯離子濃度取溶液濃度C0=0.025，電位差設(shè)定為E=1.5 V。

通電銹蝕前，為降低混凝土阻抗，先將試塊浸泡在質(zhì)量百分比為2.5%的NaCl中1個(gè)月，使試塊混凝土充分飽和。

試驗(yàn)以混凝土表面產(chǎn)生0.3 mm順筋銹脹裂縫為終止條件。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 鋼筋起銹時(shí)間

在3.2節(jié)設(shè)定的相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)前提下，計(jì)算獲得試驗(yàn)試塊鋼筋處氯離子含量隨通電時(shí)間t的變化曲線（見(jiàn)圖3）。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]，認(rèn)為本試驗(yàn)條件下誘導(dǎo)鋼筋銹蝕的氯離子臨界閥值為0.002 4。依據(jù)此值，可在圖3曲線中反算獲得其相應(yīng)的鋼筋起銹時(shí)刻：tinit，20=100 915 s=0.003 2 a（保護(hù)層厚度為20 mm試塊），tinit，25=157 680 s=0.005 a（保護(hù)層厚度為25 mm試塊）。事實(shí)證明，外加電場(chǎng)大大加速了氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸。

圖3 鋼筋起銹時(shí)間Fig.3 The initial timeof steel bar corrosion

4.2 鋼筋銹蝕狀況

通電銹蝕后試塊內(nèi)鋼筋的銹蝕狀況見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，鋼筋銹蝕是一由表及里的過(guò)程，鈍化膜被破壞后，鋼筋肋首先銹蝕。在銹蝕嚴(yán)重的情況下，鋼筋表面處出現(xiàn)較大的坑蝕。

圖4 鋼筋銹蝕狀況Fig.4 Statusof steel bar corrosion

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1?？傻贸?，實(shí)測(cè)的鋼筋銹蝕率 滋s與式（9）計(jì)算的鋼筋銹蝕率 滋c比值 滋s/滋c的平均值滋=1.07，變異系數(shù)δ=0.052，結(jié)果較符合。

表1 試驗(yàn)情況Table1 Test results

5 結(jié)語(yǔ)

1）外加電場(chǎng)大大加速了氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸，使得鋼筋在較短時(shí)間內(nèi)開(kāi)始銹蝕；

2）基于Faraday電解定律，推導(dǎo)并獲得了氯離子侵蝕條件下混凝土內(nèi)通電加速銹蝕鋼筋銹蝕率的計(jì)算公式；

3）本文的研究結(jié)果表明，混凝土內(nèi)鋼筋通電加速銹蝕試驗(yàn)是可控的。

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