基于通電退化的再生混凝土中鋼筋可靠性評估

陳克凡，喬宏霞，王鵬輝，彭 寬，朱翔琛

（1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.重慶重交再生資源開發(fā)股份有限公司，重慶 401122）

20世紀(jì)以來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)成為世界上應(yīng)用 最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式［1］.雖然鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有可模性好、整體性好、耐火性好等優(yōu)點(diǎn)，但是不可否認(rèn)的是其抗裂性能較差［2］，鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫［3］，容易降低整個建筑物的安全性能.因此，應(yīng)及時掌握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕狀態(tài)，采用合理有效的方法對鋼筋進(jìn)行保護(hù).

分析混凝土中鋼筋銹蝕情況，對研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命非常重要.劉洋［4］驗證了脈沖預(yù)泵浦布里淵光時域分析（PPP?BOTDA）分布式光纖傳感技術(shù)用于鋼筋銹蝕實(shí)時、無損、分布式監(jiān)測的可行性；劉棟［5］研發(fā)了一種可用于混凝土內(nèi)監(jiān)測鋼筋銹蝕的固態(tài)參比電極；Puzanov等［6］提出通過測定混凝土電阻率來進(jìn)行鋼筋銹蝕狀況評估的無損檢測方法；Zivica［7］在1993年 提 出 了 一 種 通 過 開 發(fā)“腐 蝕 傳 感器”改進(jìn)的電阻法檢測混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)；Zivica［8］在2000年 研 究 了 電 阻 法 在 監(jiān) 測 混 凝 土 中 鋼筋狀態(tài)及其變化率中的應(yīng)用，并采用動電位法獲得了鋼筋銹蝕的定量數(shù)據(jù).

采用合理有效的防護(hù)措施，可以延長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命.張晏清［9］發(fā)現(xiàn)鋼筋表面涂布防護(hù)涂層有助于改善鋼筋防腐蝕性能；周欣等［10］發(fā)現(xiàn)山梨醇與二乙烯三胺縮聚物（SDC）的加入可有效降低碳鋼的腐蝕電流密度，提高碳鋼的點(diǎn)蝕電位；徐強(qiáng)等［11］發(fā)現(xiàn)納米硅滲透型防護(hù)劑處理的砂漿表面呈現(xiàn)明顯類核殼結(jié)構(gòu)點(diǎn)坑，處理6 h后混凝土氯離子電通量可降低50%以上；喬宏霞等［12?13］發(fā)現(xiàn)涂層技術(shù)可以減緩氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋的銹蝕速率，明顯有利于鋼筋的防銹；繆昌文等［14］發(fā)現(xiàn)羧酸銨能顯著減少堿性環(huán)境中氯鹽對鋼筋鈍化膜的破壞，對鋼筋混凝土起到良好的保護(hù)作用；Glass等［15］和Hassanein等［16］認(rèn)為外加電流陰極法是抑制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子腐蝕的有效手段，并且是修復(fù)受氯污染鋼筋混凝土的一種持久方法.

綜上，國內(nèi)外諸多學(xué)者對于鋼筋銹蝕狀態(tài)及防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，但是，對于鋼筋再生混凝土中鋼筋的研究較少［17?18］.本文選用鋼筋再生混凝土及摻加阻銹劑的鋼筋再生混凝土為研究對象，通過恒電流通電加速銹蝕試驗，分析鋼筋的極化曲線及交流阻抗等，運(yùn)用Weibull分布函數(shù)對再生混凝土中鋼筋的可靠度進(jìn)行評估.

1 試驗

1.1 原材料

甘肅省祁連山水泥廠生產(chǎn)的P42.5普通硅酸鹽水泥；蘭州某商砼公司提供的堆積密度為1 569 kg/m3的碎石以及堆積密度為1 639 kg/m3的中砂；甘肅德隆生態(tài)有限公司生產(chǎn)的最大粒徑為31.5 mm，堆積密度為1 423 kg/m3的再生粗骨料；甘肅省蘭州市某外加劑公司提供的聚羧酸系高效減水劑，摻量1）本文涉及的摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).為3%；復(fù)合型混凝土阻銹劑，摻量為4%；甘肅酒鋼集團(tuán)生產(chǎn)的直徑12 mm的HRB335鋼筋.

1.2 試驗方案

再生混凝土配合比見表1.拌制的再生混凝土坍落度為90 mm.將鋼筋表面的雜質(zhì)處理干凈，制成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的2組鋼筋再生混凝土試件，第1組試件為再生混凝土（RC）組，第2組試件為摻加阻銹劑的再生混凝土（RC?R）組，阻銹劑能在鋼筋表面形成一層分子化學(xué)保護(hù)膜，對已經(jīng)發(fā)生銹蝕或未發(fā)生銹蝕的鋼筋進(jìn)行保護(hù).利用科斯特電化學(xué)工作站測試2組試件初始極化曲線及交流阻抗.

表1 再生混凝土配合比Table 1 Mix proportion of recycled concrete

本文采用濕鹽砂通電方案，將埋入砂土中的鋼筋混凝土作為陽極，直徑12 mm的石墨碳棒作為陰極，選用量程為5 V和3 A的PS?3002D?Ⅱ型直流電源進(jìn)行恒電流通電.配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的MgSO4復(fù)合鹽溶液，對砂土進(jìn)行噴灑，用來模擬西部鹽漬土環(huán)境.在通電過程中不定期對砂土灑水，采用土壤濕度檢測儀控制砂土濕度，確保通電過程中砂土濕度適中一致；同時定期噴灑復(fù)合鹽溶液，以保證腐蝕離子濃度，通電加速銹蝕試驗示意圖 如圖1所示［19］.48 h為1個通電 加速銹蝕試驗循環(huán)，測試鋼筋極化曲線及交流阻抗，根據(jù)三參數(shù)極化曲線方程式（式（1））計算鋼筋的腐蝕電流密度icorr，根據(jù)文獻(xiàn)［20］中腐蝕電流密度與腐蝕狀態(tài)之間的關(guān)系（見表2）分析鋼筋的銹蝕狀態(tài).在通電288 h時，停止試驗，取出混凝土中鋼筋，對銹蝕鋼筋進(jìn)行掃描電鏡（SEM）觀測.

表2 鋼筋腐蝕電流密度與銹蝕狀態(tài)之間的關(guān)系［20］Table 2 Relationship between corrosion current density and corrosion state of steel bars［20］

圖1 通電加速銹蝕試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrification accelerated corrosion test

式中：i為外測極化電流密度；ΔE為極化電位；βa為陽極Tafel斜率；βc為陰極Tafel斜率.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 極化曲線

圖2為再生混凝土中鋼筋的極化曲線圖.從圖2（a）可以看出：RC組試件中鋼筋在未通電時，腐蝕電位為-0.08 V左右；隨著通電時間的增加，腐蝕電位逐漸向負(fù)極移動，表明腐蝕容易發(fā)生；在通電192 h后，腐蝕電位向正極移動，這是由于鋼筋表面形成的銹蝕層阻擋了鋼筋和氧氣的直接接觸，抑制了鋼筋的腐蝕；而在通電240 h后，腐蝕電位又朝著負(fù)極移動，這是由于鋼筋銹蝕層在混凝土中不斷擴(kuò)散，導(dǎo)致鋼筋與氧氣又發(fā)生接觸，鋼筋進(jìn)一步腐蝕.由圖2（b）可見：RC?R組試件中鋼筋在未通電時，腐蝕電位為-0.19 V左右；隨著通電時間的增加，腐蝕電位整體向負(fù)極移動；在通電144 h后，腐蝕電位達(dá)到-0.42 V；此后，腐蝕電位略向正極移動，說明腐蝕較難發(fā)生，這是由于阻銹劑的加入，使得鋼筋表面形成一層氧化層，隔斷了鋼筋與氧氣的接觸；在通電192 h后，腐蝕電位又朝著負(fù)極移動，這是由于鋼筋銹蝕物將氧化層破壞，導(dǎo)致鋼筋與氧氣又發(fā)生接觸，鋼筋進(jìn)一步腐蝕.

圖2 再生混凝土中鋼筋的極化曲線Fig.2 Polarization curves of steel bars in recycled concrete

圖3給出了再生混凝土中鋼筋腐蝕電流密度.結(jié)合圖3和表2可以看出：2組試件鋼筋腐蝕電流密度均隨著通電時間的增加不斷增加，RC組試件腐蝕電流密度增加速率先快后穩(wěn)再快，RC?R組試件腐蝕電流密度增加速率較慢且穩(wěn)定；2組試件在通電48 h后鋼筋腐蝕電流密度分別為0.278 3、0.145 6μA/cm2，均進(jìn)入中等腐蝕狀態(tài)；通電288 h后，RC組試件鋼筋腐蝕電流密度為0.901 6μA/cm2，即將進(jìn)入高腐蝕狀態(tài)，而由于阻銹劑對鋼筋的保護(hù)作用，RC?R組試件鋼筋腐蝕電流密度為0.491 6μA/cm2，仍然處于中等腐蝕狀態(tài)，雖然鋼筋銹蝕產(chǎn)物在不斷擴(kuò)散，但阻銹劑在其表面形成的氧化層有效減緩了鋼筋銹蝕速率.

圖3 再生混凝土中鋼筋腐蝕電流密度Fig.3 Corrosion current density of steel bars in recycled concrete

2.2 交流阻抗

圖4為RC組鋼筋交流阻抗圖.由圖4（a）可見，隨著通電時間的增加，Nyquist復(fù)數(shù)平面圖在通電96 h時右移，但是整體趨勢左移，極化阻抗不斷減小，說明鋼筋銹蝕在不斷發(fā)生.高頻區(qū)容抗弧半徑的大小代表鋼筋抵抗銹蝕的能力.試件未通電時，在高頻區(qū)有1/2個半圓的容抗弧，中頻區(qū)有1個小的容抗弧，此時鋼筋抵抗銹蝕能力較強(qiáng)；通電48 h時，復(fù)數(shù)平面圖左移，高頻區(qū)容抗弧變得不完整，中頻區(qū)有拖尾并逐漸變?yōu)橹本€，此時鋼筋正在發(fā)生銹蝕；通電96 h時，極化阻抗Z=Z'+jZ″增加，這可能是銹蝕產(chǎn)物在鋼筋表面形成了部分銹蝕層，導(dǎo)致極化阻抗增加；這種現(xiàn)象一直持續(xù)到192 h，此時極化阻抗開始不斷減小.由圖4（b）可見，在104~105Hz高頻區(qū)，相位角θ存在1個峰，即有1個時間參數(shù)（表征界面電容信息），鋼筋表面有腐蝕現(xiàn)象發(fā)生.

圖4 RC組鋼筋交流阻抗圖Fig.4 AC impedance diagrams of steel bars in RC group

圖5為RC?R組鋼筋交流阻抗圖.由圖5（a）可以看出：隨著通電時間的增加，復(fù)數(shù)平面圖整體趨勢左移，極化阻抗不斷減小，說明鋼筋銹蝕在不斷發(fā)生；試件未通電及通電48 h時，在高頻區(qū)有1個半圓的容抗弧，低頻區(qū)有1個小的容抗弧，此時鋼筋抵抗銹蝕能力較強(qiáng)；通電96 h時，復(fù)數(shù)平面圖左移，高頻區(qū)容抗弧變得不完整，只有大約1/2個半圓的容抗弧，且低頻區(qū)有拖尾并逐漸形成小的容抗弧，此時鋼筋正在發(fā)生銹蝕，這種現(xiàn)象一直持續(xù)到288 h.由圖5（b）可以看出：通電0、48、192 h時，在104~105Hz高頻區(qū)，相位角存在1個峰，即有1個時間參數(shù)，通電96、144、240、288 h時，除了在104~105Hz高頻區(qū)相位角存在1個峰外，在10-2~10-1Hz低頻區(qū)相位角也有1個完整的峰，即有2個時間參數(shù)，表明鋼筋表面及氧化層表面均有腐蝕現(xiàn)象發(fā)生.

圖5 RC?R組鋼筋交流阻抗圖Fig.5 AC impedance diagram of steel bars in RC?R group

分析可知鋼筋混凝土體系有1~2個時間參數(shù)，等效電路擬合如下：

①1個時間參數(shù)：

②2個時間參數(shù)：

式中：ω為角頻率；RC為初始氧化層阻抗；QC為初始氧化層電容；RS，C、QS，C分別為溶液與再生混凝土串聯(lián)的阻抗和電容；RCr/C、QCr/C分別為鋼筋銹蝕層或阻銹劑氧化層的阻抗和電容；Rt為阻銹劑氧化層腐蝕反應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移阻抗；QD為阻銹劑氧化層表面的雙電層電容；QW為Warburg阻抗.

2.3 銹蝕鋼筋微觀特征及銹蝕機(jī)理

圖6為再生混凝土中鋼筋的SEM圖.從圖6可以看出：RC組試件中鋼筋表面的銹蝕較嚴(yán)重，能明顯看到直徑較大的銹坑，并且銹蝕物呈現(xiàn)顆粒狀，分布較廣；RC?R組試件中鋼筋表面的銹蝕較輕微，表面呈現(xiàn)網(wǎng)格裂紋狀，伴隨著出現(xiàn)大量的微裂紋，有部分直徑較小的銹坑，這有可能是阻銹劑產(chǎn)生的氧化層被內(nèi)部鋼筋銹蝕物破壞所致.

圖6 再生混凝土中鋼筋的SEM圖Fig.6 SEM micrographs of steel bars in recycled concrete

3 鋼筋可靠度函數(shù)

在可靠度統(tǒng)計分析中，Weibull分布因其在對小樣本數(shù)據(jù)的預(yù)測中具有精確度高的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用［21?23］.本文采用兩參數(shù)Weibull分布來獲取再生混凝土鋼筋退化參數(shù).首先驗證鋼筋腐蝕電流密度能否服從Weibull分布，并估算其形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，建立鋼筋可靠度函數(shù)R（t）：

式中：R為可靠度；t為通電時間；m為形狀參數(shù)，表示密集程度；β為尺度參數(shù).

圖7為鋼筋腐蝕電流密度概率（P）圖.從圖7可以看出，2組試件中鋼筋的腐蝕電流密度均位于95%的置信區(qū)間內(nèi)，計算可得概率P＞0.05，表明鋼筋腐蝕電流密度服從Weibull分布.

圖7 鋼筋腐蝕電流密度概率圖Fig.7 Probability diagram of corrosion current density of steel bars

4 可靠性評估

本文以鋼筋腐蝕電流密度的變化作為鋼筋損傷變量D：

式中：icorr，t為通電t時間的腐蝕電流密度；icorr，N為腐蝕電流密度的閾值.根據(jù)表2，定義高腐蝕狀態(tài)為其閾值，故icorr，N=10.0μA/cm2.

用鋼筋損傷變量計算退化量ω0，取鋼筋的銹蝕程度為60%時達(dá)到鋼筋破壞閾值［24］.

本文利用最小二乘法計算形狀參數(shù)和尺度參數(shù).將其代入式（4），得到再生混凝土中鋼筋的可靠度曲線，如圖8所示.

圖8 再生混凝土中鋼筋的可靠度曲線Fig.8 Reliability curves of steel bars in recycled concrete

由圖8可知：通電前期，RC組試件可靠度下降較快，而RC?R組試件可靠度下降較慢；可靠度為60%時RC組和RC?R組鋼筋失效時間分別為880、2 060 h，表明添加阻銹劑后RC?R組混凝土可以有效地保護(hù)鋼筋；RC?R組失效時間為RC組的2.34倍，即阻銹劑可使鋼筋再生混凝土使用壽命延長至原來的2.34倍.

5 結(jié)論

（1）在288 h通電加速銹蝕試驗后，添加阻銹劑的RC?R組鋼筋腐蝕電流密度為0.491 6μA/cm2，RC組鋼筋腐蝕電流密度為0.901 6μA/cm2.根據(jù)Bode圖可以看出，RC組有1個時間參數(shù)，鋼筋表面發(fā)生腐蝕，RC?R組有1~2個時間參數(shù)，通電初始階段鋼筋表面發(fā)生腐蝕，隨著通電時間的增加，鋼筋及阻銹劑氧化層表面均發(fā)生腐蝕.

（2）對比2組試件經(jīng)過288 h通電加速銹蝕試驗后鋼筋的SEM圖發(fā)現(xiàn)，RC組鋼筋表面的銹蝕較嚴(yán)重，有顆粒狀銹蝕物的出現(xiàn)，RC?R組鋼筋表面呈現(xiàn)網(wǎng)格狀裂紋，銹蝕較輕微.

（3）使用Weibull分布函數(shù)對再生混凝土中鋼筋的可靠度進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)通電前期，RC組試件的可靠度下降速率較快，可靠度為60%時RC組和RC?R組鋼筋的失效時間分別為880、2 060 h，阻銹劑可使鋼筋再生混凝土的使用壽命延長至原來的2.34倍.