鋼筋表面涂層破損對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響

徐夫軒 （重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

0 前言

處于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下的沿?；炷两Y(jié)構(gòu)在氯離子侵蝕作用下致使鋼筋銹蝕甚至保護(hù)層開裂，大大降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能。資料表明，1989年美國交通運(yùn)輸部門的一份報告估計，由撒鹽除冰和海水侵蝕所引起的美國州間高速公路、橋梁的鋼筋腐蝕破壞，經(jīng)濟(jì)損失累計高達(dá)1500億美元。由于混凝土耐久性不足造成的直接和間接損失，在歐美發(fā)達(dá)國家已構(gòu)成嚴(yán)重的財務(wù)負(fù)擔(dān)。為了減緩鋼筋銹蝕，在其表面涂覆一層環(huán)氧涂層阻擋侵蝕性物質(zhì)向鋼筋基體滲透，延長沿?；炷两Y(jié)構(gòu)的服役壽命。以港珠澳跨海大橋耐久性設(shè)計為例，對不同防腐措施的經(jīng)濟(jì)效益、腐蝕風(fēng)險、施工難度與全壽命成本四個方面進(jìn)行綜合評估分析，建議對處于高腐蝕風(fēng)險的潮差區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)采用環(huán)氧鋼筋防腐技術(shù)，以增加混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性安全儲備。Tang等發(fā)現(xiàn)在自然海洋環(huán)境中環(huán)氧涂層鋼筋的耐蝕性能比普通鋼筋好得多，但也有部分學(xué)者認(rèn)為環(huán)氧涂層鋼筋延長混凝土結(jié)構(gòu)正常使用壽命的能力有限，以上研究表明環(huán)氧鋼筋的保護(hù)作用是建立在涂層完整的基礎(chǔ)上，然而鋼筋表面涂層易在運(yùn)輸、綁扎及工作狀態(tài)下易產(chǎn)生細(xì)微破損，涂層缺陷/損傷都會嚴(yán)重影響涂層的屏蔽作用，因此提高環(huán)氧涂層延性、鋼筋基體與環(huán)氧涂層之間的附著力以及減少鋼筋表面涂層針孔率可以有效提高環(huán)氧涂層鋼筋的質(zhì)量。目前，研究成果主要集中于不同種類的表面涂層對混凝土結(jié)構(gòu)耐蝕性能的提升效果以及不同破損率對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。而針對不同破損率下鋼筋銹蝕速率的發(fā)展規(guī)律以及腐蝕演化過程的研究較少。故開展不同破損率下環(huán)氧涂層鋼筋混凝土試件在氯離子侵蝕作用下的腐蝕行為研究。

試驗(yàn)以通電的方式加速氯離子向鋼筋表面侵蝕，以鋼筋的弱極化曲線測試結(jié)果推導(dǎo)鋼筋腐蝕電位與腐蝕電流密度的演化，并揭示環(huán)氧涂層鋼筋銹蝕速率的發(fā)展過程，為環(huán)氧涂層鋼筋在海洋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)與理論支持。

1 試件設(shè)計及試驗(yàn)方案

試件尺寸與配合比設(shè)計見表1、表2。

試件設(shè)計 表1

混凝土配合比/(kg·m-3) 表2

截取15cm的環(huán)氧涂層鋼筋，使用刻刀制備表面損傷，破損率分別為0%、0.56%、1.12%、1.68%，并以 S-0、S-0.56、S-1.12、S-1.68 代表不同破損率的混凝土試件。應(yīng)注意截取環(huán)氧涂層鋼筋后應(yīng)采用Valspar涂料修補(bǔ)鋼筋兩端的裸露部分。

試件頂部安裝PVC水槽并倒入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氯化鈉溶液，將試件頂部與底部分別放置兩塊鈦板與電源負(fù)極、正極相連。之后將試件放入容器中，浸泡1天后進(jìn)行通電，通電電壓調(diào)節(jié)至10V，分別在通電 1、3、5、7、14、21、30 天后停止，靜置至鋼筋表面電位穩(wěn)定后進(jìn)行極化曲線測試。對測試結(jié)果進(jìn)行Tafel擬合獲取環(huán)氧鋼筋的腐蝕電位與腐蝕電流密度。基于三電極系統(tǒng)進(jìn)行測量，弱極化曲線測試中采用±70mV（相較開路電位）的電位，系統(tǒng)掃描速率是0.15mV/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為不同破損率的環(huán)氧涂層鋼筋在通電加速氯離子侵蝕30d后鋼筋的銹蝕情況。

圖1 不同破損率的環(huán)氧涂層鋼筋銹蝕情況

由圖1可見，無破損的環(huán)氧鋼筋表面光滑，表面無銹蝕產(chǎn)物堆積，帶損傷涂層試件的鋼筋基體發(fā)生明顯坑蝕現(xiàn)象且周圍涂層表面有銹蝕產(chǎn)物附著，造成該現(xiàn)象的原因?yàn)椋寒?dāng)環(huán)氧涂層鋼筋產(chǎn)生局部破損時，破損區(qū)域形成陽極區(qū)，裸露的鋼筋基體形成陰極區(qū)，造成大陰極小陽極狀態(tài)，鋼筋銹蝕過程加速。此外，Sylvia認(rèn)為由于陰極極化作用涂層的附著力降低，涂層會進(jìn)一步脫落，鋼筋銹蝕區(qū)域擴(kuò)展，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性降低服役壽命縮短。由于環(huán)氧涂層鋼筋腐蝕電位與腐蝕電流密度的演化過程可反映鋼筋在氯離子侵蝕作用下的銹蝕情況，如圖2、圖3所示。

圖2 不同破損率的涂層鋼筋腐蝕電位演化

圖3 不同破損率的涂層鋼筋腐蝕電流密度演化

對于無破損環(huán)氧涂層鋼筋混凝土試件，S-0試件的鋼筋腐蝕電位并未隨通電時間的增加產(chǎn)生明顯負(fù)移現(xiàn)象，S-0試件中的鋼筋腐蝕電位無較大變化，波動范圍集中于-244～-348mV之間，鋼筋處于中等銹蝕概率階段(-200mV～-400mV)，而鋼筋的腐蝕電流密度則小于0.1μA/cm（鈍化狀態(tài)），造成該現(xiàn)象的原因是：涂層包裹住的鋼筋并未與堿性的混凝土孔隙液接觸，鋼筋表面并未發(fā)生鈍化反應(yīng)產(chǎn)生鈍化膜，且由于鋼筋表面缺少氧氣與水分，腐蝕反應(yīng)發(fā)生條件不充分，故鋼筋雖處于活性狀態(tài)但腐蝕速率極低。

對于預(yù)制損傷涂層鋼筋的腐蝕電位表現(xiàn)為早期迅速下降在通電7d后趨于穩(wěn)定，腐蝕電流密度則表現(xiàn)為持續(xù)上升，破損率越大，腐蝕電流密度越大，其中S-1.68試件在通電14d后鋼筋銹蝕速度達(dá)到高銹蝕速率階段（icorr＞1μA/cm），而 S-0.56 與 S-1.12在通電30d后鋼筋銹蝕速度達(dá)到高銹蝕速率階段，說明當(dāng)Cl侵入到鋼筋表面時，Cl的存在使鋼筋表面難以形成一層穩(wěn)定的鈍化膜，導(dǎo)致早期的腐蝕電位快速下降，長期較低的腐蝕電位表示破損位置的鋼筋基體始終處于活性溶解狀態(tài)。隨著Cl在涂層破損處堆積，Cl濃度增加，但受到陽極區(qū)面積的限制故在相同通電時間下破損率越大，鋼筋銹蝕速率越大。比較不同破損率的環(huán)氧鋼筋在通電30d后的銹蝕速率發(fā)現(xiàn)，S-1.12試件鋼筋銹蝕速率較S-0.56試件僅增加了33%，而S-1.68試件鋼筋銹蝕速率較S-0.56試件增加了282%，故鋼筋銹蝕速度隨破損率的增加增幅越來越大。從不同破損率的環(huán)氧涂層鋼筋銹蝕的實(shí)際情況來看，S-1.12試件銹蝕產(chǎn)物集中于破損位置，S-1.68試件銹蝕產(chǎn)物除破損位置外，未破損位置的涂層表面亦有銹蝕的堆積。

3 結(jié)論

①完整的環(huán)氧涂層可以有效隔絕空氣、水分、腐蝕因子等物質(zhì)，鋼筋的銹蝕反應(yīng)過程被抑制，故無破損的環(huán)氧鋼筋不會在工作過程中發(fā)生銹蝕；

②破損處的鋼筋基體銹蝕擴(kuò)展方向朝向基體深處形成坑蝕，并且隨著破損率的增加鋼筋銹蝕速度增幅越大。