氯离子腐蚀混凝土中钢筋的腐蚀

1、氯离子腐蚀混凝土中钢筋的腐蚀-第1部分： 加速和自然环境下的实验研究土木与环境工程学院，威特沃特斯兰德大学，Johannesburg,南非土木工程系，开普顿大学,Rondebosch,南非摘要： 平行腐蚀试验已经进行了两年，露出210梁（120×130×长375毫米）的一半在实验室加速腐蚀（干湿循环）另一半在海洋潮湿区接受自然腐蚀。实验变量是裂缝宽度（0，初始裂缝，0.4、0.7毫米），覆盖面C（20，40毫米），粘结剂类型（PC、PC矿渣，PC / FA）和水胶比（0.40，0.55）。结果表明，腐蚀速率（icorr）受以下方式实验变量的影响：腐蚀随裂缝宽度的增加而增加，

2、并随着混凝土的质量和覆盖深度的增加而降低。研究结果还显示，混凝土在野外环境下的自然腐蚀的腐蚀性能不能推断出其在实验室加速腐蚀的性能。其他因素，如腐蚀进程也应考虑在内。关键词：腐蚀速率预测，氯离子侵蚀，加速腐蚀，自然腐蚀，腐蚀，混凝土裂痕1 引言 钢筋锈蚀是温度、海洋和工业环境中钢筋混凝土结构的主要破坏机制之一。对于投资者和工程师来说，它已成为一个主要的耐久性问题。如果不减弱这种侵蚀性，它会加速钢筋混凝土结构的恶化，可能会导致一系列相关的严重后果，包括但不限于开裂和混凝土保护层剥落，钢筋截面面积损失，降解的钢-混凝土界面粘结，最终减少钢筋混凝土结构的使用寿命。另外在维护、修理或更换时，需要花费很

3、高的费用，而且会对害公共安全有威胁。即使在钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的主要因素是二氧化碳入口（碳化引起的）或氯（氯离子引起的），后者是在钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的主要原因。值得注意的是，氯离子引起的腐蚀对所研究的结构造成的损害是比较大的，并在一个相对较短的时间内（在结构满足其目标服务寿命），有可能成为最终导致失败的因素（根据预先定义的极限状态）。2、实验细节2.1、实验变量和混合比例平行腐蚀试验露出210束标本（120×130×375毫米）的一半进行加速实验室腐蚀（循环3天用5%的NaCl溶液润湿跟随开普敦4天空气干燥），另一半则被留在的海洋潮汐区自然腐蚀（表湾港）。使用五种

4、不同的混凝土使我们的横梁的W / B比（0.40和0.55），和三种粘结剂（100% CEM I 42.5 N普通波特兰水泥（PC），50 / 50 / 70 / 30的矿渣微粉和PC的PC / FA）。0.55w/b比是不能用于电脑制作标本。高产量强度直径为10毫米的钢筋嵌入在每个光束。在表1中给出了混凝土配合比的总结和选定的具体性能。其他实验变量包括盖深度（20和40毫米）和裂缝宽度（0，早期裂缝，0.4和0.7毫米）。早期裂缝是指由梁试样三点荷载引起的裂缝，然后卸载。虽然以前的研究已经表明，裂缝宽度0.3毫米容易自愈 1719 ，初始裂纹试样由于缺乏AP适当的测试设备，量化裂缝自愈是不可

5、能的。此外，对于更深的覆盖面（40毫米）再加上裂纹愈合的敏感性，可以预料的是，早期裂缝会对腐蚀离子的速率有微不足道的影响。因此，20毫米覆盖面的初期裂痕的标本仅用于实验室和野外标本。钢棒两端均覆盖有电镀带和环氧树脂涂层提供了一种有效的暴露的表面面积大约86平方厘米（长约27.5厘米的圆周表面）。在铸造之前、这种棒将会被清洗并且用一个直径10毫米长150毫米的不锈钢棒放置在每个光束在铸造过程中（见图1）作为反电极的腐蚀速率测量。材料（千克/立方米）粘合剂组合物100 % PC50/50 PC/GGBS70/30 PC/FAw/b 比0.400.400.550.400.55混合标签PC-40SL-

6、40SL-55FA-40FA-55Portland cement, PC (CEM I 42.5 N)500231168324236Ground granulated blastfurnace slag (GGBS)-231168-Fly ash (FA)-139101Fine aggregate: Klipheuwel sand (2 mm max.)529749855749855Coarse aggregate: Granite (13 mm max.)9601040104010401040Water200185185185185Superplasticizera (SP)2.1b (0.

7、4)c1.8 (0.4)0.3 (0.1)0.4 (0.1)-Slump (mm)1201051508520028-day compressive strength (MPa)58.2 (3.0)d48.1 (2.0)35.3 (0.9)50.7 (0.9)28.6 (1.9)2.2活性腐蚀状态的诱导经过28天的水养护（在23°2°C）和10天空气干燥（温度：25°C，相对湿度为：50°5%）在实验室，并在开裂前的梁试样，阳极电流（IC）是用以启动活性腐蚀率（即消除腐蚀起始阶段）在所有210束标本。设置用于启动活性腐蚀在标本中使用集成电路如图1所示。理论

8、时间（t港 水平）和集成电路所需的驱动氯化物通过深度覆盖的钢级量估计使用能斯特-普朗克方程在下面的表格内。能斯特-普朗克方程：t钢水平= C D（ZF / RT）（E /x）1 D是扩散的离子系数（平方米/秒）在混凝土，Z离子物种的价（1氯），F是法拉第常数（96500mol），R是气体常数（8.314 J / mol.k），T绝对温度（298 K），C是覆盖深度（20或40毫米）和E是应用电位（V）。扩散系数（D）得到从测量28天氯电导指数（CCI）基于实证的相关性和CCI考虑效果海洋环境暴露，混凝土老化和粘结型 22 20即关联模型可以估计时间的曝光依赖于表观氯离子扩散系数一般为USED粘

9、结剂类型（主要是普通PC，70 / 30和50 / 50的PC / FA PC /矿渣）和海洋暴露环境（潮、飞溅、喷雾）在南非的20 22 。第二部分，本文给出了更多的细节上的去从CCI扩散系数的终止。CCI是每个表1混凝土从快速氯离子电导率测试 21,23 获得。28天和90天的扩散系数诈骗的fficients克里特用列于表2。为了确定阳极IC所需的诱导活性腐蚀速率在一个给定的覆盖深度的标本的五个混凝土混合物，和一系列的迭代后（时间D IC），当时申请的IC芯片被固定在1.5小时限制的有效电流小于2安培。术语“有效的应用电流”是用来指实际应用的目前考虑到相应的28天测电阻的（水）混凝土。IC

10、被限制到小于2安培，以确保氯化物达到钢和MInimize钢的质量损失，如果任何。需要注意的是，所施加的电流理论上不会造成任何的钢的质量损失的重要；即使不通过实际测量确定啊F氯含量在钢的水平，目的是推动氯化物在约1.5小时内钢液面（考虑保护层厚度和混凝土的质量）。梁在同一粘结剂类型、钨/硼比和盖层深度的串联中，适当的阳极集成电路连续1.5小时。所施加的集成电路电流如下，在每一种情况下，重新分别为20毫米和40毫米的覆盖深度：（一）pc-40：0.03和0.13，（b）fa-40：0.44和1.67，（C）fa-55：0.25和1.01，（d）sl-40：0.57和1.70，和（e）sl-55：0

11、.44和1.67，1.5个小时后，所有的72根梁进行串联，8.6一申请另一个2小时的有效电流这是E我原以为在一个约0.1所有标本cm2，腐蚀率的结果，即假定整个暴露的钢表面面积86 cm2偏振。腐蚀速率为0.1cm2通常采取表示从被动转变为主动（启动）（传播）腐蚀24,25。2.3。裂纹诱导与监测为便于形成一个预腐蚀的横向（弯曲）的裂纹在机器装载时，一个1毫米厚的4毫米厚的毫米深的聚氯乙烯片材的纵向中心的纵向中心作为放置在每个光束的中心（横向）在铸造过程中，聚氯乙烯片材被嵌入在光束模具，并没有保持在光束后，在24个小时的。诱导后的活动E腐蚀，梁（除不开裂的）预裂荷载下三点弯曲机。0.4和0.7

12、毫米的裂纹试样，然后放置在个别装载钻机，他们整个实验的持续时间（图2）。确保0.4毫米和0.7毫米的裂缝宽度保持不变，可拆卸的机械（demec）螺栓放在展在克里特岛的表面裂纹之间的距离钉监测每周使用100毫米demec计。在图2所示的装载台，然后用于调整所需的裂缝宽度（通过螺栓和螺母。2.4暴露环境诱导活性腐蚀后，一半的标本在暴露实验室加速腐蚀，而另一半却被迫在海洋潮汐区接受自然腐蚀。暴露实验室-加速腐蚀实验室标本（见图3）用5%的NaCl溶液连续润湿3天后紧接着在（温度：25±2°C和相对湿度：50±5%）的条件下进行为期4天的干燥实验。现场暴露-自然腐蚀该领域

13、的标本在开普敦的潮汐海洋区（表湾海港）被暴露并进行自然腐蚀-见图4。在暴露的网站上显示的测得的海水的盐度（氯离子含量）大约是2%（在实验期间的随机时间间隔情况下，平均10个样本，标准偏差= 0.02%）。大气温度和相对湿度暴露领域的湿度范围为1至37°，分别为83%和65。此类标本被安置在高低潮痕为7行，总长度约5米的外海行（靠近海水）和内地行（靠近陆地的）（见图4）。因此认为他们的暴露具有相似的海洋潮汐条件。在此类标本曝光之前，除了有指定的覆盖深度，所有此类标本的外部，都是用环氧涂层从干燥的表面防止腐蚀剂的侵蚀（CL，O2和H2O），干燥的表面。这确保了氯化物和实验标本一样，只能从

14、指定深度覆盖的表面侵入混凝土。2.5腐蚀速率和半电池电位测量恒电量技术进行腐蚀速率测量。这是一个在在短时间内，小开关被用于检测钢铁和潜能的方法，确定极化电阻RP，26,27。RP与腐蚀电流有关，由船尾Geary系数B即腐蚀电流= BRP即方法B是斯特恩Geary系数13和52 MV取决于钢的腐蚀状态（即被动或主动）。腐蚀值为26 mV（主动）钢和52 mV的被动钢在混凝土的情况下，已经被建立并且被大量研究人员使用 28，30 。因此，在这项研究中，使用了26个压的值。腐蚀电流密度仍然被表示为D：icorr =Icorr/A。这里的A是指约86平方厘米所暴露出的钢表面面积。我们是用HP 3497

15、0A数据采集单元和MATLAB®程序分析来收集数据的。半电池电位（HCP）的读数，以银/氯化银（Ag/AgCl）为参考电极，是和腐蚀速率测量同时进行的。对于一个给定的暴露和测定参数，三个标本被双周检测为了腐蚀速率和HCP。对于每一个组合的粘合剂类型，覆盖深度和裂缝宽度，对三个独立的样本读数进行了测量然后平均后得到的一个结果。在某些情况下，用格拉布离群试验将三个读数中的某一个数值被排除（作为一个异常值） 31 。3、结果与讨论腐蚀速率和HCP的结果是那些收集的试样各自暴露在长达122周的环境（约2¼年）。这个样本的符号用于表示的结果如图5。任何腐蚀速率随时间变化图和HCP -

16、时间图都用“周零”对应的时间当标本分别放置在各自的暴露环境中，第一次测量是在在各自的环境中暴露2周后的测量。平均腐蚀率和平均HCP”作为本次论文的参考，分别对测量腐蚀速率和HCP的104周和120周之间的算术平均。这个时间间隔代表提出对各自的参数的时间发展趋势的合理的平台期。应该指出的是，即使平均腐蚀率为野外标本也阻止采后104周和120，这些都没有被视为长期稳定的腐蚀速率为实验室标本的情况。时代的发展在这些SPE腐蚀率趋势方面表现出了对一些增加可以忽略不计但这主要归因于季节性的天气变化，在这种情况下，从夏天（与约27°C最高温度）到冬季（与最大约15°C的温度。“两点移动

17、平均线被用来表示所有的腐蚀速率和HCP相对时间图，为了减少尖锐的扭结和使趋势明显，但不改变实际趋势。3.1早期腐蚀速率趋势截断IC后的五小时，测得的所有标本的腐蚀速率在0.10和0.13A/cm2之间；这是一种活性腐蚀是成功的诱导的迹象。然而，在进行腐蚀速率和覆盖深度之间没有水胶比、粘结剂种类等一般的趋势。2周后暴露在各自的环境，在所有试样的腐蚀率低于一些标本使用被动腐蚀状态即B 0.10A/cm2撤离后所测得的IC。没有一般的在腐蚀率的下降趋势明显，而规格IMEN试样的初始的测量腐蚀速率。然而，在工程水泥混凝土试件40毫米覆盖处，腐蚀速率下降到一个被动的状态时的有意义的降低是会被记录的（高达

18、60% sl-40原场标本用40毫米覆盖）和那些20毫米覆盖（最多50% fa-40开裂现场标本的20毫米覆盖）。该IC和暴露于各自的环境后终止腐蚀率的下降可以归因于一个或以下现象的组合：腐蚀支撑剂的可用性和溶解氧一样有所降低（特别是对于未开裂的标本）。如果在钢级氯含量小于氯阈值，钢的趋势就会回复到一个被动的腐蚀状态。即使钢级的氯离子浓度不是由于试验的破坏性是在IC终止后测量的，阳极IC 在应用3.5小时后，一些混凝土的氯离子含量可能未达到阈值水平是合理的。在IC终止之后，腐蚀速率（和潜能）的倾向在延缓并且恢复到平衡状态（不一定是被动的腐蚀状态）。 在实验周期结束（122周），所有的标本表现出

19、积极的腐蚀。3.2裂缝宽度、覆盖深度和混凝土质量对腐蚀速率的影响3.2.1裂缝宽度的影响以前的研究 49 表明，裂缝宽度（WCR）影响腐蚀速率随Wcr腐蚀速率增加，在一定程度上依赖于具体的混凝土覆盖面，质量和电阻率的综合影响。实验室和野外腐蚀速率的结果都遵循了这一趋势。典型图如图6所示，图6（a）和（c）没有早期的数据破获的标本，因为这些只为20毫米覆盖面。在暴露环境、覆盖面深度和混凝土质量（粘结剂型和W / B比）都相同，但裂缝宽度不同的情况下比较平均腐蚀率（周104-120），如图7至11。从测量结果的统计分析得到的最大和最小的腐蚀电流限制在这些数字（腐蚀电流，最大=腐蚀电流，平均1.96

20、，IC奥尔，min =腐蚀电流，平均1.96哪里是标准差的值，1.96是在95%的置信区间从一个标准的t分布表得到）。此外，注意，在图7至11，以下的观察是令人费解的，并且归因于实验异常。因此，他们不会用这些数据来分析。 图7（b），用20毫米的覆盖pc-40初始裂纹试样的腐蚀率竟高于0.4毫米的裂纹试样。图9（b），初始裂纹和无裂纹的fa-55试样20毫米覆盖平均腐蚀速率之间的关系。图10（d）、统计分析（描述使用这些数据的误差棒）表明，早期开裂的平均腐蚀速率和20毫米覆盖的0.4毫米sl-40裂纹试样是相等的。结果表明，尽管在暴露的环境中，对于一个给定的粘结剂、水胶比和覆盖深度，腐蚀速率会随着裂缝宽度的增加而增加（WCR）在没有裂痕的