田冠飞
（中国建筑科学研究院 北京 100013）
摘 要：采用电解加速腐蚀方法，从试验手段界定了混凝土中钢筋开始发生腐蚀后混凝土结构的不同耐久性极限状态。以混凝土保护层锈胀裂缝宽度作为钢筋腐蚀程度（轻微腐蚀、中度腐蚀和严重腐蚀）判断依据，研究了混凝土强度等级、保护层厚度、钢筋净间距和钢筋所处位置等因素作用下的钢筋腐蚀率及保护层锈胀开裂形式。钢筋开始发生腐蚀后的各耐久性极限状态的界定，对确定性模型和随机概率模型进行预测分析时耐久性极限状态判定提供了试验依据。
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关键词 ：钢筋混凝土结构；氯离子；腐蚀
收稿日期：2015-5-6
前言
氯离子侵蚀导致混凝土结构腐蚀破坏的耐久性现象普遍存在且问题严重，而耐久性极限状态的界定对于混凝土结构耐久性研究和寿命预测评估研究非常重要。本文采用电解加速腐蚀的方法，以钢筋腐蚀导致混凝土保护层锈胀裂缝宽度大小作为不同腐蚀程度的判别条件，研究混凝土强度等级、保护层厚度、钢筋净间距和钢筋所处位置（中边或角边）等影响因素作用下的钢筋腐蚀率和开裂形式，并探讨是否可以根据钢筋腐蚀率界定钢筋开始发生腐蚀以后三种耐久性极限状态：轻微腐蚀、中度腐蚀和严重腐蚀[1]。
1 试验原理
对于实际结构工程，混凝土中钢筋腐蚀是一种复杂的电化学腐蚀现象[2]。氯离子侵入钢筋表面超过腐蚀临界浓度以后，钢筋表面局部去钝化成为阳极区，在那里发生阳极反应，即钢筋腐蚀，同时放出自由电子；而仍然钝化的钢筋其余表面，则成为阴极区，与上述阳极区构成腐蚀电池。阴极区接受来自阳极区的自由电子，进行阴极反应，使上述阳极反应得以继续进行，从而造成钢筋腐蚀现象[1]。
电解腐蚀[3]是利用外加电流进行的一种加速方法，在一定外加电压下、将直流电通过电解池、两极分别发生氧化反应和还原反应。如图1所示，阳极（铁棒）、阴极（铜棒）、电解液（NaCl溶液作为离子通道）、导线（作为电子通道），在外电流的作用下形成腐蚀电池回路。
电解腐蚀过程的电极反应，即在“电极/溶液”界面上所进行的电化学反应，可用下列反应方程式（1）～（2）描述[3]。对比电解电极反应和实际混凝土中钢筋腐蚀的电极反应，可以看出腐蚀产物一致，因而电解加速试验可以用来研究混凝土中不同腐蚀程度对应的钢筋腐蚀率及保护层锈胀开裂形式。不同的是，原电池中（实际情况）阴极是正极，阳极是负极，而对于电解加速腐蚀，与外电源负极相连发生还原反应的电极是阴极，同理和外电源正极相连的电极是阳极。因而在试验中，外电源的正极与待腐蚀钢筋相连接[4]。
2 试验方案和试件制备
2.1 试验方案
为研究不同因素对混凝土中钢筋锈蚀程度的影响，试验设计考虑的影响因子水平分别为：（1）混凝土强度等级：C20和C50；（2）保护层与钢筋直径比值（L/d）；1.5、2.5和4.0；（3）试件中的钢筋均布排列，数量分别为3、4和5根。以钢筋腐蚀导致保护层锈胀裂缝宽度值来作为不同腐蚀程度的判别控制条件：轻微腐蚀—保护层出现可见裂缝到宽度小于0.2mm范围内；中度腐蚀—保护层裂缝控制在0.2mm～0.5mm范围内；严重腐蚀—裂缝宽度控制在0.5mm～2.0mm或以上。试件共计54块，试验方案见表1[1]。
2.2 钢筋性能
试验用光圆钢筋为Q235普通钢，公称直径为10.0mm，长度略小于200.0mm，性能参数见表2。
2.3 混凝土配合比
本试验中设计了C20和C50强度等级的混凝土，配合比见表3。
2.4 试件制备
试验中所有保护层厚度和钢筋直径比值L /d和钢筋净间距与钢筋直径比值S/d（不同钢筋个数）共9种组合。
为使钢筋准确定位，分别在200mm3的钢模两端嵌入一对完全相同的定位模板。模板中的孔洞直径均为10.0mm，钢筋位置安排的原则是：首先保证L /d值，然后每个L /d值对应的3、4、5根钢筋均匀定位，所以在外部尺寸相同条件下（200mm×200mm），不同L/d值对应的S/d值有所不同。
以L/d=1.5，试件内3根钢筋为例，受腐蚀成型试件如图2所示。试验进行时，为防止腐蚀产物从试件两端（露钢筋头大约10mm）漏出，浸泡在电解液（5.0％的NaCl溶液）中的底端进行环氧树脂密封两次，然后用砂浆封堵，砂浆表面再用环氧树脂封堵。而通过导线与直流电源相连的顶端，由于试验中电解液液面不漫过试件混凝土上表面，所以顶端的钢筋与导线链接好以后，用环氧密封一次即可。
为方便起见，对受测钢筋混凝土试件及钢筋进行编号，编号示例说明如图3所示：混凝土强度等级为C20，腐蚀程度为轻微腐蚀，混凝土保护层厚度与钢筋直径比值L/d＝2.5，钢筋净间距与直径比值S/d=3.67，该试件中共有4根钢筋，这是第2根钢筋。
3 试验过程和测量方法
3.1 测量装置
成型试件经过56d室内养护后，将其放置在5.0％的NaCl溶液（作为电解液）中，溶液上液面不漫过试件上表面，试件的放置方式和数据采集如图4所示[1]。直流恒压电源正极串联阻值为1Ω的电阻与钢筋（作为阳极）相连接，电源负极与不锈钢板（作为阴极）相连接，恒压控制：18V。
3.2 钢筋腐蚀失重率的测量
当受测试件中某根钢筋达到所要求的腐蚀程度后（钢筋周围最大裂缝宽度达到所要求的控制条件：0mm～0.2mm，0.2mm～0.5mm，0.5mm～2.0mm或以上），立即切断通过该钢筋电流，待该试件中所有钢筋均达到所要求的腐蚀程度后，从电解液中取出，进行裂缝信息记录（包括裂缝形式和裂缝宽度）。
记录完裂缝信息后将试件破型，按次序取出钢筋，最后按《水运工程混凝土试验规程》（JTJ270-98）[5]将钢筋进行酸洗、烘干、冷却和称重。以混凝土强度等级为C50，L/d=1.5，严重腐蚀的试件为例，钢筋腐蚀导致保护层出现锈胀裂缝情况如图5所示，破型后的照片如图6所示。
3.3 试验结果
试验详细记录了混凝土强度等级，保护层厚度（L /d），钢筋净间距（S/d），以及钢筋所处位置等因素影响下，不同腐蚀程度对应试件保护层的裂缝信息（包括裂缝形式和裂缝宽度），C50 L/d＝2的情况如图7所示。混凝土强度等级、保护层厚度组合的六种情况对应的钢筋腐蚀失重率条形图如图8所示。
电解加速腐蚀过程中，按照法拉第定律进行理论计算的钢筋失重率与实测钢筋失重率有差别。通常是实测钢筋失重率小于理论计算值，这是因为除了阳极金属溶解外，还有其他副反应而析出另外一些物质，相应也消耗了一部分电量；其中有部分实际溶解铁的原子价比理论计算假设的要高。少数情况下，理论计算值小于实测值，这可能是由于部分实际溶解铁的原子价比计算假设的原子价要低；以及电解加速腐蚀过程中钢筋块状剥落，原因可能是材料组织不均匀或金属材料－电解液成分的匹配不当所引起。
4 试验结果分析
4.1 加速腐蚀速度
虽然采用电解加速腐蚀方法得到的腐蚀电流大小与实际情况不同，但就试验本身是可以进行各因素对电解腐蚀速度的影响程度对比。通过试验数据发现：C20试件中钢筋腐蚀速度平均是C50试件中对应的6倍左右，这是由于强度高的混凝土水灰比较低，微观结构致密，不易导致电解所需电解液的输移和传导，进而减缓了混凝土中钢筋腐蚀速度。处于角边的钢筋电解腐蚀速度是处于中边的腐蚀速度的1～2倍左右，这是由于处于角边的钢筋周围与电解液的接触机会比处于中边的高1倍左右[1]。
无论试件混凝土强度等级为C20还是C50，随着保护层厚度的增大，电解腐蚀平均速度降低，这是由于混凝土保护层增大对电解液输移传导的阻碍作用明显加强。说明混凝土保护层厚度是降低混凝土中钢筋腐蚀速度，延缓钢筋开始发生腐蚀时间的有效途径。随着混凝土保护层裂缝宽度的增大，电解腐蚀速度变快。这是由于较宽的裂缝为电解液和氧等的渗入钢筋表面参加阳极反应提供了更为便利的机会。
4.2 钢筋腐蚀失重率
相同腐蚀程度条件下，不同混凝土强度等级对钢筋腐蚀失重率无显著差别；不同L/d值对钢筋腐蚀失重率无显著差别；处于角边的钢筋腐蚀率大于处于中边的钢筋腐蚀率，配对样本T检验[6]见表4。研究发现，混凝土强度等级对钢筋腐蚀失重率几无影响，强度等级越高，相应抗拉强度越大，而混凝土开裂是由于钢筋锈胀导致保护层受拉胀裂。用Williamson的观点[7]来解释：钢筋与混凝土表面之间的混凝土抗拉强度受骨料粒径和振捣方法等因素的影响，与核心部位的混凝土抗拉强度不同，因而混凝土强度等级（抗拉强度）对锈胀开裂的钢筋腐蚀量（率）影响不大；还发现保护层厚度对钢筋腐蚀失重率影响很小，这是因为：保护层厚度越小，混凝土渗透性越大，渗透性代表了混凝土中微观孔隙的数量，因而保护层厚度越小，钢筋腐蚀产物在混凝土孔隙中的积聚量越多，积聚量增多和保护层厚度减小对引起锈胀顺筋开裂钢筋腐蚀量的影响会产生一定的抵消。
本文使用Shapiro-Wilk方法检验钢筋腐蚀率是否服从正态分布[8 ,9]，检验结果见表5。从正态性检验可以看出，除了钢筋处于中边，中度腐蚀的情况正态性水平较低（0.01），其余腐蚀程度和钢筋所处位置组合的情况，钢筋的腐蚀率成正态分布，而且正态性较强，均值和标准差见表6。
4.3 钢筋腐蚀导致混凝土开裂形式
混凝土强度等级不同，试件受钢筋腐蚀诱发的开裂形式大致相同。角边的锈胀裂缝较多，而中边的裂缝相对较少。保护层厚度越大，钢筋之间净间距越小，越容易出现层状贯穿性裂缝，导致保护层整体剥落。整理试验结果，钢筋腐蚀诱发混凝土锈胀开裂的裂缝形式归结为4种情况，如图9所示。
结论
（1）混凝土强度等级对电解加速腐蚀速度影响较大，强度越高，电解腐蚀速度越慢，但是对钢筋腐蚀失重率以及锈胀裂缝形式并没有显著影响。
（2）保护层厚度对于电解腐蚀速度影响也很大，保护层越厚，电解速度越慢，越容易出现层状贯穿裂缝，但是对钢筋腐蚀失重率没有显著影响。
（3）钢筋净间距对电解腐蚀速度和不同腐蚀程度对应的钢筋腐蚀失重率均无显著影响，但是对锈胀开裂的裂缝形式有一定影响，钢筋间距越密，越容易出现层状贯穿性裂缝，导致保护层大面积剥落。
（4）处于角边的钢筋电解腐蚀速度和腐蚀失重率均大于处于中边的钢筋，而且角边保护层锈胀开裂的裂缝型式不同于中边情况。
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参考文献：
[1] 田冠飞. 氯离子环境中钢筋混凝土结构耐久性与可靠性研究[D].北京：清华大学，2006.
[2] 翁永基. 材料腐蚀通论[M]. 北京：石油工业出版社，2004.
[3] 王建业，徐家文. 电解加工原理及应用[M]. 北京：国防工业出版社，2001.
[4] 何世钦. 氯离子环境下钢筋混凝土构件耐久性能的试验研究[D].大连：大连理工大学，2004
[5] 中华人民共和国交通部.《水运工程混凝土试验规程》JTJ 270-98. 北京：人民交通出版社.
[6] 陆璇. 应用统计[M]. 北京：清华大学出版社，1999.
[7] S J Williamson, L A Clark. An Investigation of the Amount ofCorrosion Required to Cause Cracking. Report from School of CivilEngineering, The University of Brimingham.
[8] 茆师松. 统计手册[M]. 北京：科学出版社，2003.
[9] 贺国芳，许海宝. 可靠性数据的收集与分析[M]. 北京：国防工业出版社，1995.
作者简介
田冠飞，从事混凝土耐久性可靠性研究和测试技术研究。
单位：中国建筑科学研究院
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