预应力筋应力水平对锈蚀特性的影响#

1、预应力筋应力水平对锈蚀特性的影响#    摘 要：预应力钢筋的锈蚀特性是研究预应力混凝土结构耐久性失效及防治的基础，为此，对人工气候环境条件下的不同应力水平的钢绞线和冷拉钢丝在锈蚀速率和表面锈蚀特征方面的差异进行了试验研究，试验结果表明随着应力水平的增大，钢绞线和冷拉钢丝的锈蚀电流密度增大，腐蚀敏感性提高，表面锈蚀越来越严重；不同类型钢筋锈蚀速率大小关系为：变形钢筋大于无应力钢绞线，钢绞线大于冷拉钢丝。关键词： 应力水平；钢绞线；冷拉钢丝；锈蚀速率0 引言目前，在混凝土中钢筋锈蚀相关研究中，国内外针对预应力钢筋（包括钢绞线和冷拉钢丝）锈蚀特性的研究文献可

2、查到的较少，研究主要针对预应力钢筋的腐蚀形态特征和力学性能退化问题1-4；中国矿业大学李富民5已对氯盐环境钢绞线腐蚀动力学行为进行了研究，并建立了钢绞线的腐蚀速率实用模型。本文针对人工气候环境条件下的不同应力水平对钢绞线和冷拉钢丝在锈蚀速率和表面锈蚀特征方面的差异进行了研究，并对差异进行了机理分析。1 试件设计（1）预应力钢绞线试件试件设计见图1。试件制作过程为：用掺盐5%的c30 混凝土浇筑300×200×1000mm 的试件并养护28天。试件中央留出120×170×400 的后浇槽，槽的一头预埋两根导线引至保护层外；试件两1端预留20mm直径的穿筋孔

3、道。在穿筋孔道内穿入s12.7(1× 7) 1860 级钢绞线并张拉锚固。为建立足够的预应力，采用补张拉插垫片法，首次张拉和补张拉的控制拉力分别为150kn（设计预应力=0.7fptk 的试件）、110kn（设计预应力=0.5fptk 的试件）和70kn（设计预应力=0.3fptk 的试件）。锚固好以后在穿筋孔道内灌注石蜡并注意槽两端接缝处预应力钢筋的防锈。在后浇槽内放置1根390mm长的s12.7(1× 7) 1860 级无应力钢绞线及1根390mm长的hpb235 级12 变形钢筋（二者用于与有应力钢绞线的对照）。等浇筑好的素水泥浆或细石混凝土水化2 小时后，再在其上浇

4、筑150mm 厚的c30 掺盐（氯离子浓度0.03）微膨胀细石混凝土，蓄水养护3d 后开始测试腐蚀电流密度、腐蚀电位及混凝土电阻。（2）预应力冷拉钢丝试件预应力冷拉钢丝试件为先张法试件。试件制作过程为：先张拉预张拉的冷拉钢丝到设计控制拉力，并用锚具锚固。两端各预留250mm 的对比冷拉钢丝（不需张拉），并预埋导线引至保护层外软件工程。用掺盐5%的c30混凝土浇筑500×80×1700mm 的试件并养护。蓄水养护3d 后开始测试腐蚀电流密度、腐蚀电位及混凝土电阻。试件所用混凝土配比为：水水泥砂子石子=0.6012.143.64，其中水泥采用徐州淮海水泥厂生产的巨龙牌r425

5、普通硅酸盐水泥，砂子取徐州本地产细河砂，石子取徐州本地产碎石，粒径10mm 到20mm，水取徐州自来水厂供应的普通自来水。2 试件分组本研究拟定如下三个应力水平：0.7fptk，0.5 fptk，0.3 fptk；另外，· 上一页· 1· 2· 3· 4· 5· 6· 下一页        种情况下均与0 应力水平作对照。试验用预应力钢绞线试件和冷拉钢丝试件编号与个数统计按下表进行。3 试验方法本试验中预应力筋的锈蚀采用在浇筑试件时向混

6、凝土中掺入水泥质量5的氯化钠，待试件在试验室内浇水养护3d 后，将所有试件转移到人工气候室内进行加速锈蚀（除pb7-1试件放置在实验室大厅内），人工气候的环境温度为（30±2），湿度为（85±5）%，在锈蚀过程中，气候环境保持相对恒定。4 钢筋锈蚀电流密度和腐蚀电位监测将试件同时放入人工气候室内，7d 后（试件内部的温、湿度条件与环境温、湿度条件基本趋于一致）进行钢筋锈蚀速率的测量，根据金属腐蚀学理论，本文采用金属腐蚀速度的电流指标，即用钢筋的锈蚀电流密度来表征钢筋的锈蚀速率。测量仪器采用电化学测试系统，如图3-3。该测试系统采用线性极化、弱极化来进行腐蚀监测，可以连续测量

7、材料的瞬时腐蚀速度和腐蚀电位。测试时，饱和cuso4 电极为参比电极，钢绞线或冷拉钢丝为工作电极，另外，由于试件内未设置不锈钢筋为辅助电极，因此需设置外接不锈钢筋，测量时将其裹在湿毛巾内然后平放在测试试件表面上，且其方向须与工作电极方向平行。5 试验教学方式结果及分析通过对试件中钢筋长达150 多天（22 周，每周一次，冷拉钢丝测量时间为18 周，每周一次）的监测，得到了每根钢筋的锈蚀电流密度的时变监测结果。为区分各钢筋，本文图中d 表示12 变形钢筋，ps 表示有应力钢绞线，ns 表示无应力钢绞线，pw 表示有应力冷拉钢丝，nw 表示无应力冷拉钢丝；另外用i 表示锈蚀电流密度，表示腐蚀电位。

8、5.1 锈蚀电流密度的时变特征人工气候室试件锈蚀电流密度的监测项目管理工程结果表明，在恒定气候条件下，钢绞线和冷拉钢丝锈蚀速率随时间总体都呈非线性下降趋势，初期下降快，往后下降速度越来越慢，然后基本趋于稳定。分析产生这种时变过程的原因有二，(a)是浇注初期混凝土内水分充足，腐蚀的电化学条件充分，因而锈蚀速率快，往后随着时间的推移，水分逐渐减少，但减少的速度越来越慢，因而锈蚀速率也逐渐减慢，且减慢速度也越来越小；(b)是由于钢筋表面锈蚀层的发展，其详细内容可参阅文献6中所述。5.2 hrb335 变形钢筋与钢绞线锈蚀速率的比较对比组钢绞线试件中变形钢筋和无应力钢绞线的锈蚀电流密度值，任一钢绞线锈

9、蚀速率试件内测得的变形钢筋和钢绞线锈蚀速率的比较图，变形钢筋的锈蚀电流密度大于无应力钢绞线的锈蚀电流密度，分析钢绞线的锈蚀速率比变形钢筋慢的原因有二：（1）钢筋化学成分的不同导致钢筋锈蚀速率的不同变形钢筋和钢绞线的化学成分见表2。上述元素中，碳是决定钢筋性能的主要元素；锰是作为脱氧去硫剂加入钢中，硅是炼钢时硅铁脱氧残留下的，同时锰和硅也作为低合金钢的合金元素，两者常被称作钢筋中的有益元素，但就其对钢筋抗蚀性能的影响而言，钢中含硅量小于1%时无影响，而含锰量超过0.8%时对钢的抗蚀性会有显著降低；硫和磷是钢中的有害杂质，在钢中偏析严重，其中硫会降低钢的抗蚀性，还能诱发点蚀。从表1 中可以看出，h

10、rb335 · 上一页· 1· 2· 3· 4· 5· 6· 下一页        钢筋的锰含量超过了0.8%，且明显高于钢绞线中的锰含量，就锰和硫元素含量之和来讲， hrb335 级钢筋的含量也明显高于钢绞线，从而显著降低了hrb335 级钢筋的抗蚀能力，使其锈蚀速率更快。（2）钢筋微观组织结构的不同导致钢筋锈蚀速率的不同另外，碳钢的基本组成为铁素体和渗碳体（fe3c），铁素体的电势比渗碳体低，在微电池中作为阳极而被腐蚀，渗碳体为阴极

11、，它在钢中的含量及分布对碳钢的腐蚀有很大影响。由于钢绞线的微观组织结构中更多的渗碳体含量使钢绞线钢丝具有更多的腐蚀微电池阴极，因而在腐蚀初期更容易在其表面形成钝化膜，而且而其光滑的外表面又使其钝化膜最为平整、完备，这使氯离子穿透钝化膜而建立蚀核的几率较小，于是，较少的蚀核充分腐蚀，继而迅速长大为蚀孔、蚀坑，这使得钢绞线比变形钢筋的局部坑蚀更为严重，从而导致其实际腐蚀面积也比变形钢筋小的多，从而最终导致其锈蚀速率慢于变形钢筋。5.3 应力水平对锈蚀速率的影响对比各应力下的钢绞线及冷拉钢丝的锈蚀电流密度值，见图6。其中钢绞线各应力水平下应力值分别为0mpa、657mpa、1031mpa、1389m

12、pa，冷拉钢丝各应力水平下应力值分别从比较结果可以看出，随着应力值的增加，钢绞线和冷拉钢丝的锈蚀电流密度值也在增大，应力为657mpa、1031mpa、1389mpa 的钢绞线平均锈蚀电流密度分别为0mpa 钢绞线的1.34 倍、1.45 倍、1.83 倍。对冷拉钢丝而言，应力为600mpa、1000mpa、1400mpa 的冷拉钢丝平均锈蚀电流密度分别为0mpa 冷拉钢丝的1.13 倍、1.51 倍、1.28 倍。其中由于试件ps7-1 放置于人工气候室外实验室大厅内，测量时间主要集中在冬季测量，因此其温湿度相对而言都比较低且相对不稳定，特别是温度比较低时锈蚀速率会变慢，因此致使应力为140

13、0mpa 的冷拉钢丝比1000mpa 的平均锈蚀电流密度低。5.4 钢绞线和冷拉钢丝锈蚀速率的比较对比无应力钢绞线和冷拉钢丝的锈蚀电流密度值，见图7。（1）钢绞线的锈蚀电流密度值明显大于冷拉钢丝的锈蚀电流密度值，且钢绞线的平均锈蚀电流密度值约为冷拉钢丝的3.32 倍，且对另外无应力钢绞线和冷拉钢丝而言，其平均锈蚀电流密度值的比值基本上也在3.0 左右，因此我们可以认为钢绞线的锈蚀速率要明显大于冷拉钢丝的锈蚀速率。（2）对于冷拉钢丝和钢绞线而言，由于都是高强预应力筋，且其微观组成结构是一样的，其性能也基本相同，因此钢绞线理论上相当于几股单根的冷拉钢丝的组合，其组合后的钢绞线的锈蚀速率却明显大于单

14、根冷拉钢丝的锈蚀速率，原因是为什么？下面的机理分析将具体阐述。6 机理分析6.1 缝隙腐蚀和电偶腐蚀的概念缝隙腐蚀是因金属与金属，金属与非金属的表面间存在缝隙，并有介质存在时而发生的局部腐蚀形态。缝隙腐蚀的发生，首先应具有一腐蚀条件的缝隙，其缝宽必须使侵蚀液能进入缝内，同时缝宽又必须窄道能是液体在缝内停滞，一般发生缝隙腐蚀最敏感的缝宽为0.0250.1mm。根据金属锈蚀的电化学原理，两种电位不同的金属接触时，则会导致电偶锈蚀效应（也称为接触锈蚀），接触后电位低的金属锈蚀速度将增大、电位高的锈蚀速度将受到抑制而减小。6.2 钢绞线腐蚀机理分析· 上一页· 1· 2&

15、#183; 3· 4· 5· 6· 下一页        br /> 本试验中所用钢绞线为7 股钢丝捻股而成的，捻股是将6 根外围钢丝绕着1 根中心钢丝（中心钢丝直径比外围钢丝大3.5%5%）进行强力绞捻，使各相邻钢丝之间形成线接触从而形成组合钢筋，如下图8 所示。从图中可以看出（a）图和（b）图之间的区别：（a）图为直束态钢丝，其外围钢丝仅仅接触到中心钢丝，而外围钢丝之间并没有接触，其间缝隙宽度肉眼可见且可以测量；而（b）图捻制态时，外围钢丝不仅接触到中心钢丝，而且相

16、互之间也紧密接触，其缝隙宽度肉眼已无法量测。钢绞线在混凝土内部时，随着氯离子的靠近，其首先到达钢绞线的表面，使其表面钝化膜溶解活化，然后发生锈蚀，当然由于锈蚀还需氧气和水分的参与，因此锈蚀首先发生在面向保护层侧。钢绞线缝隙内部来说，由于起初内部有预留为排除的氧气存在，因此缝隙内也发生锈蚀，也就是说缝内外的钢绞线表面上均发生金属的溶解和阴极的氧还原为氢氧离子的反应。随着氯离子靠近钢绞线的缝隙处，由于缝隙宽度满足氯离子进入的条件，因此大量氯离子不断的向钢绞线缝隙内涌入，而且由于缝内原有锈蚀物的充填，使得进入其内的氯离子不会轻易的外流，而缝隙内由于进入氯离子和水，使得氧气再很难进入。但是随着锈蚀的进

17、行，由于氧气很难再进入缝隙内部，这样的话，在经过一个短时间后，缝内的氧消耗完后，氧的还原反应不再进行，也就是说锈蚀无法进行。但这时由于缝内缺氧，而缝外富氧，形成了供养差异电池。然而fe 在缝内继续溶解，使得缝内溶液中fe2+过剩，为了保持平衡，氯离子迁移到缝内，同时阴极过程转到缝外。缝内已形成金属的盐类发生水解：钢绞线多股钢丝的存在导致电偶腐蚀的发生另一方面，从上面的分析可知，氯离子是先到达钢绞线的外表面然后才到达钢绞线的内表面的，因此在氯离子未到达钢绞线内钢丝表面阶段，混凝土中氯离子首先到达钢绞线外环钢丝的表面，使其表面的钝化膜溶解活化，使得其自腐蚀电位大大降低，而此时，钢绞线内钢丝表面仍处

18、于钝化状态。钢筋活化时电位大约为-0.44v，而钝化后电位上升为+0.5+1.0v，根据电化学腐蚀原理，两种电位不同的金属短接时，便有可能导致电偶腐蚀效应-通常又称为宏观腐蚀，由于钢绞线钢丝间紧密相连，从而形成以钢绞线外环钢丝为阳极，内钢丝为阴极的宏观钝化-活化电偶电池。这样，外环钢丝的锈蚀速率得到提高。随着氯离子侵入到钢绞线缝隙内，其内钢丝表面钝化膜也被破坏而随之活化，内钢丝也开始锈蚀。又由于钢绞线外环钢丝已经锈蚀了一段时间，而内钢丝的锈蚀才刚刚开始，因此可能还会有部分内钢丝表面仍处于钝化状态，因此在这种情况下，钢绞线外环钢丝和内钢丝间仍会形成宏观电偶锈蚀电池，并且仍是外环钢丝作锈蚀阳极，内

19、钢丝作锈蚀阴极，这样，外环钢丝的锈蚀速度还会继续得到一定的提高，而内钢丝虽然锈蚀速度得到一定的抑制，但是由于此时钢绞线内外钢丝间的电位差较小，因此这种抑制作用不足以使内钢丝不发生锈蚀，即内钢丝的锈蚀仍继续进行。当然，对于上面提及的锈蚀的钢绞线外环钢丝应为面向保护层方向的钢绞线钢丝，虽然钢绞线外环钢丝是由捻制而成螺旋形，但是由于面向保护层侧先腐蚀而背向保护层侧后腐蚀，因此钢绞线外环理论上可以等同于各根钢丝平行于内钢丝而直束态排列。从上面分析可知，钢绞线外环钢丝的锈蚀速率明显高于其单独放置在混凝土中的锈蚀速率，这从钢绞线和冷拉钢丝表面锈蚀情况可以得到验证（如图10）。图中，钢绞线钢丝表面锈蚀明显严

20、重于冷拉钢丝，两者锈蚀都有明显的坑蚀形态，钢绞线钢丝· 上一页· 1· 2· 3· 4· 5· 6· 下一页        坑较多，冷拉钢丝锈坑较少。这说明应力水平对钢绞线和冷拉钢丝的腐蚀敏感性有促进作用，预应力水平越高，预应力钢筋就越有可能产生腐蚀，也就是说腐蚀敏感度越高。也就是说，预应力筋应力水平越高，其越容易发生腐蚀。根据文献7可知，钢绞线在应力作用下较大可能发生氢致开裂型应力腐蚀。根据文献8，-600mv 是钢绞线的放氢电位上限

21、，而较大范围出现负于-900mv 的电位时才能够放出足够的氢引起钢绞线的氢致开裂。从本文的监测结果来看，所有钢绞线和冷拉钢丝试样的全程腐蚀电位（综合电位）都正于-600mv，而且随着应力水平增长，腐蚀电位越来越接近-600mv，因此其越来越接近发生应力腐蚀的可能，当然应力腐蚀往往伴随有普通腐蚀的发生，从而导致其腐蚀敏感度提高。另外，对于钢绞线来说，随着应力水平的增大，各股钢丝间绞合力越来越大，从而使得原来有可能未接触的部分进一步紧密接触，这样使得钢绞线发生接触腐蚀的部分增多，从而导致钢绞线的锈蚀程度越来越大。7 结论本文针对人工气候环境条件下的不同应力水平对钢绞线和冷拉钢丝在锈蚀速率和表面锈蚀特征方面的差异进行了研究分析，得到以下