水泥基復(fù)合夾芯墻板中鋼筋的銹蝕試驗(yàn)研究

馬永炯 楊天霞 賀美欽

（1甘肅第三建設(shè)集團(tuán)公司，甘肅 蘭州 730050；2蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3洛陽旌勝公路工程有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

建筑節(jié)能指在確保室內(nèi)舒適環(huán)境的前提下，提高采暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明、炊事、家用電器和熱水供應(yīng)等的能源利用效率，重點(diǎn)是提高采暖、空調(diào)系統(tǒng)的能源利用效率。目前，城市居民樓很多都是簡(jiǎn)單的平屋頂，為了找出最好的保溫材料，通過考慮影響保溫材料的各個(gè)因素，包括材料的造價(jià)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、材料的容重以及材料的厚度等，同時(shí)將材料的造價(jià)和節(jié)省的能源造價(jià)進(jìn)行比較，充分說明了水泥基復(fù)合夾芯墻板的合理性和經(jīng)濟(jì)性。水泥基復(fù)合夾芯墻板是建筑非承重內(nèi)隔墻的一種裝配式墻體，根據(jù)夾芯材料的不同將水泥基復(fù)合夾芯墻板分為聚苯顆粒墻板、擠塑墻板、發(fā)泡保溫板、巖棉墻板等。水泥基復(fù)合夾心墻板與傳統(tǒng)的砌塊相比，具有質(zhì)地輕（質(zhì)量相當(dāng)于一般砌塊墻體材料的1/3～1/4[2]，板材厚度僅120mm，相當(dāng)于傳統(tǒng)墻體的一半）、整體性能好、施工工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保性能好、保溫隔熱以及隔音功能較好等特點(diǎn)，應(yīng)用在墻體結(jié)構(gòu)上不會(huì)使結(jié)構(gòu)負(fù)荷太重，而且還會(huì)提高建筑物抗震性能和安全性能，減少墻體占用面積，提高建筑使用面積，節(jié)省資金[3]。但水泥基板里有鋼絲，鋼絲銹蝕后會(huì)引起水泥基板開裂，加上西部環(huán)境惡劣，溫差大、紫外線輻射強(qiáng)，易引起水泥基板開裂，開裂后更容易造成鋼絲銹蝕。目前，防止混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕是保證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素，已經(jīng)有大量的試驗(yàn)研究。余志剛[4]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中加入阻銹劑能很好起到緩解鋼筋銹蝕的作用，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。趙冰[5]通過在鋼筋表面涂覆環(huán)氧樹脂涂層，采用電化學(xué)分析表明涂層可以很好保護(hù)鋼筋以免銹蝕。喬宏霞[6]采用電化學(xué)工作站，以極化曲線出發(fā)對(duì)不同涂層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得出不同涂層對(duì)鋼筋的保護(hù)性能不同。因此，如果能解決水泥基復(fù)合夾芯墻板表面及接縫處的裂縫問題，就能使其在我國(guó)北方冬季寒冷地區(qū)得到廣泛應(yīng)用和推廣。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

本次試驗(yàn)所需的水泥基復(fù)合夾芯墻板尺寸為600×600×120mm3，選用巖棉為夾芯材料，以價(jià)低、耐水性好、強(qiáng)度高的低堿硫鋁酸鹽為面層膠結(jié)材料，增強(qiáng)材料為強(qiáng)度高、耐久性好、質(zhì)輕的耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布，保溫材料選用巖棉。外加劑選用防水劑、減水劑。制作幾組水泥基復(fù)合夾芯墻板試塊，將試塊放置1d后拆模，自然環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d，然后脫模成品堆放。后期在已制備好的試件上截取尺寸為100mm×100mm×120mm的試塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每30d對(duì)截取試塊中的鋼絲測(cè)極化曲線并對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)行整理，研究水泥基復(fù)合夾芯墻板中鋼絲的銹蝕行為。圖1是水泥基復(fù)合夾芯墻板樣板示意圖。

1.2 試驗(yàn)方案

蘭州新區(qū)位于我國(guó)西北部，處于蘭州、銀川、西寧三個(gè)城市之間。北部地勢(shì)相比南部較高，地形比較平坦，規(guī)劃面積約1744km2。根據(jù)《蘭州新區(qū)氣候環(huán)境分析報(bào)告》可知[7-9]，蘭州新區(qū)受地形影響，是明顯的大陸性季風(fēng)氣候，屬半干旱地區(qū)。春季干旱少雨多風(fēng)；夏季降雨較多，氣候適宜；秋季較涼爽，早晚溫差大；冬季干燥且寒冷，降雪較少。蘭州新區(qū)光照較充足，紫外線輻射強(qiáng)，降水較少，災(zāi)害性天氣較多，有害物質(zhì)SO2、NO2、PM10的排放量也較多[10]，所以選用這里作為研究西部保溫隔熱材料的地區(qū)具有合理性、代表性。將裁減下來的試件同工作墻板一起放在蘭州新區(qū)自然環(huán)境下，30d測(cè)其極化曲線采集一次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)歷經(jīng)360d，研究水泥基復(fù)合夾芯墻板在西部地區(qū)的可實(shí)施性。

圖1 水泥基復(fù)合夾芯墻板樣板示意圖

1.3 試驗(yàn)原理

圖2 三電極系統(tǒng)圖

此次試驗(yàn)采用的儀器為C350電化學(xué)工作站，圖2為電化學(xué)工作站的三電極系統(tǒng)圖，三個(gè)電極分別為工作電極、參比電極和輔助電極，電池由兩個(gè)電極和電極之間的電解質(zhì)構(gòu)成。極化曲線指極化電位（E）與電極的外測(cè)電流I（或者lg|I|）之間關(guān)系的曲線，表征腐蝕原電池反應(yīng)的推動(dòng)力電位與反應(yīng)速度電流之間的函數(shù)關(guān)系，腐蝕行為的評(píng)價(jià)指標(biāo)選用腐蝕電位、腐蝕速率和腐蝕電流密度。腐蝕電流密度與腐蝕程度之間的關(guān)系如下表1。

表1 腐蝕深度與腐蝕電流密度的關(guān)系

數(shù)據(jù)處理主要依據(jù)高斯-牛頓-麥夸托迭代法進(jìn)行曲線擬合，極化區(qū)的三參數(shù)極化曲線方程如下：

式中：i為外側(cè)極化電流；icorr為腐蝕電流密度；ΔE=EEcorr為極化電位；βa和βc分別為陽極和陰極塔菲爾（Tafel）斜率，是以10為底的對(duì)數(shù)（lg）值，用ba和bc分別表示陽極和陰極斜率，相互之間的線性關(guān)系如下：

腐蝕速率和腐蝕電流密度之間的關(guān)系如下：

式中：M-電極材料的分子量；V-腐蝕速率；ρ-電極材料密度；N-金屬離子的價(jià)數(shù)

2 試驗(yàn)分析

2.1 腐蝕原理

陽極極化曲線是對(duì)鋼絲施加陽極電流，同時(shí)測(cè)量鋼絲的電位變化，以腐蝕電位為縱坐標(biāo)，對(duì)數(shù)腐蝕電流密度為橫坐標(biāo)而繪制。陽極極化曲線陡峭，說明電極溶解過程中的阻力較大，鋼絲處于鈍化狀態(tài)。腐蝕電位向正方向移動(dòng)，鋼絲腐蝕很難發(fā)生，表明鋼絲的抗腐蝕能力較強(qiáng)；腐蝕電位負(fù)向移動(dòng)，鋼絲容易被腐蝕，抗腐蝕能力較弱[16]。鋼絲的電化學(xué)腐蝕過程原理如下[17]：

陽極氧化反應(yīng)：

陰極還原反應(yīng)：

鐵銹生成過程：

Fe（OH）3脫部分水生成鐵銹。

2.2 試驗(yàn)分析

圖3～圖7分別為水泥基復(fù)合夾芯墻板在室外干燥環(huán)境下測(cè)得的鋼絲0-360d的極化曲線、腐蝕電位、腐蝕電流密度以及腐蝕速率圖。

圖3 0-180d極化曲線

圖4 210-360d極化曲線

圖5 腐蝕電位

圖6 腐蝕電流密度

圖7 腐蝕速率

從圖3和圖4可見，自然環(huán)境下水泥基復(fù)合夾芯墻板中的鋼絲所測(cè)得的極化曲線0-180d陽極比較平緩，說明陽極電極溶解過程中的阻力較小，鋼絲容易發(fā)生腐蝕，而210-360d陽極比較陡峭，說明陽極電極溶解過程的阻力大，鋼絲不容易發(fā)生腐蝕；根據(jù)腐蝕電位沿著正負(fù)兩個(gè)方向的變動(dòng)可以判斷水泥基復(fù)合夾芯墻板中的鋼絲被腐蝕的進(jìn)度[17]。開路電位沿著正方向挪動(dòng)，說明鋼絲抵抗能力較強(qiáng)，不容易被腐蝕；腐蝕電位沿負(fù)方向挪動(dòng)，則反之。從圖5～圖7可以看出，0-30d時(shí)，腐蝕電位負(fù)方向移動(dòng)，這是因?yàn)樗嗷鶑?fù)合夾芯墻板里的鋼絲在西部惡劣的氣候（主要是O2和H2O的參與）影響下，鋼絲表面的鈍化膜被破壞[16]，發(fā)生銹蝕，而腐蝕電流密度icorr也從0.018μA·cm2上升到0.03μA·cm2；30-120d時(shí)，腐蝕電位繼續(xù)向負(fù)方向移動(dòng)，腐蝕速率和腐蝕電流密度隨腐蝕電位的負(fù)向移動(dòng)增大；120-180d時(shí)，腐蝕電位正方向移動(dòng)，說明水泥基復(fù)合夾芯墻板的中鋼絲的銹蝕產(chǎn)物以及鋼絲表面產(chǎn)生新的鈍化膜減緩了新的腐蝕發(fā)生，腐蝕速率和腐蝕電流密度相應(yīng)減小；180-270d時(shí)，腐蝕電位負(fù)方向移動(dòng)，腐蝕電流密度、腐蝕速率隨著腐蝕電位的負(fù)向移動(dòng)而增大，說明銹蝕產(chǎn)物并不能一直有效抑制腐蝕的發(fā)生，鋼絲繼續(xù)被銹蝕，腐蝕電流密度也線性增大到0.15μA·cm2，鋼絲處于低腐蝕狀態(tài)；270-330d時(shí)，腐蝕電位負(fù)方向移動(dòng)，腐蝕速率和腐蝕電流密度相應(yīng)增大，這是由于溫差較大，紫外線輻射強(qiáng)就會(huì)發(fā)生銹蝕，隨后會(huì)引起水泥基板開裂，開裂后更容易引起鋼絲銹蝕，腐蝕電流密度icorr呈持續(xù)從0.15μA·cm2線性上升到0.19μA·cm2，此時(shí)的水泥基復(fù)合夾芯墻板中的鋼絲還是處于低腐蝕狀態(tài)[18]；330-360d時(shí)，腐蝕電位正向移動(dòng)，說明此時(shí)鋼絲表面產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物鐵銹附著在鋼絲表面抑制鋼絲的繼續(xù)腐蝕，腐蝕速率和腐蝕電流密度也減小。從0-360d能夠看出，雖然水泥基復(fù)合夾芯墻板中的鋼絲一直被銹蝕，但整個(gè)試驗(yàn)過程中水泥基復(fù)合夾芯墻板始終處于低腐蝕狀態(tài)。說明此構(gòu)件在西部地區(qū)具有很好的適用性，可以實(shí)施應(yīng)用并發(fā)展。

3 結(jié)論

1）水泥基復(fù)合夾芯墻板會(huì)出現(xiàn)裂縫是因?yàn)閴Π謇锏匿摻z在西部惡劣的氣候影響下產(chǎn)生銹蝕，銹蝕產(chǎn)物增大鋼絲原來的體積，引起水泥基板開裂。

2）此次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥基復(fù)合夾芯墻板中的鋼絲在整個(gè)試驗(yàn)過程中會(huì)產(chǎn)生銹蝕，腐蝕電流密度icorr最高達(dá)到0.19μA·cm2，根據(jù)表1的銹蝕深度與腐蝕電流密度的關(guān)系可知鋼絲的銹蝕狀態(tài)處于低腐蝕狀態(tài)，說明這種保溫隔熱構(gòu)件在西部寒冷地區(qū)具有很好的適用性，能夠運(yùn)用在西部建筑結(jié)構(gòu)上并推動(dòng)西部地區(qū)的發(fā)展。