多向式强加电流的钢筋加速腐蚀方法优化研究_叶津剑.pdf

多向式强加电流的钢筋加速腐蚀方法优化研究叶津剑，童芸芸，王倩楠（浙江科技学院土木与建筑工程学院，浙江 杭州）摘 要 强加阳极电流的方法被广泛应用于钢筋的人工加速腐蚀，但串联或并联形式加速腐蚀电路往往由于电流分布的差异导致钢筋腐蚀程度不均匀。为了优化强加阳极电流的钢筋加速腐蚀方法，提出了一种多向式的混合连接电路形式并开展钢筋加速腐蚀试验，对比分析了混合连接、串联、并联 种加速腐蚀模式下，各组钢筋试件的电流情况、腐蚀电位与腐蚀电流密度的变化、腐蚀率以及腐蚀产物情况。结果显示，串联和并联电路形式中钢筋的电流分布存在差异导致钢筋腐蚀程度不一致；混合连接形式中，电流分布均匀且钢筋表面腐蚀程度相近，各钢筋试件锈蚀率接近理论值。通过多向式的混合连接电路可以实现均匀加速腐蚀钢筋或钢筋混凝土构件，有效优化了钢筋加速腐蚀的效果，为加速腐蚀钢筋或钢筋混凝土构件提供了参考。关键词 人工加速腐蚀；钢筋；电路形式；电流分布；腐蚀电位；腐蚀电流密度中图分类号 文献标识码 ：文章编号（），（，）：，：；收稿日期 通信作者 童芸芸（），博士，副教授，研究方向为近现代建筑材料耐久性能，：前 言随着钢筋混凝土材料的广泛应用，钢筋混凝土结构的耐久性逐渐成为研究人员的关注重点，其中钢筋锈蚀问题是导致钢筋混凝土结构耐久性降低的重要因素之一。钢筋的锈蚀会导致钢筋体积增大、混凝土开裂、承载能力下降，严重影响结构的安全性，因此针对钢筋的锈蚀问题开展相关研究有着极为重要的意义。强加阳极电流的方法被广泛应用于钢筋的人工加速腐蚀，早在 世纪初期包括 等、等、袁迎曙等在内的众多学者就通过试验针对加速腐蚀电流密度、加速腐蚀后钢筋混凝土粘结性能、加速腐蚀后钢筋力学性能等方面开展了研究分析，然而针对加速腐蚀过程中电流路线的研究却很有限。实际进行钢筋加速腐蚀试验时所需钢筋试件较多，无法使每根钢筋单独对应 个电源，故通常采用串联或并联的加速腐蚀连接形式批量对钢筋试件进行加速腐蚀，而不同的连接形式也存在着一定差异性。曾严红等通过试验指出，串联电路中钢筋只是起到导电的作用，可以认为是一根导线，故差异性不大，影响钢筋锈蚀的因素只与从钢筋表面流入溶液中的电流有关，在一定条件下与并联电路情况可以认为是一致的。杨晓明等认为串联电路与并联电路存在明显区别，串联电路中由于钢筋本身截面面积长度等因素也存在一定的电阻，电路中不能简单地认为通过每根钢筋的电流大小都是一样的，而是一种复杂的电流形式，这也导致理论上锈蚀效率一致的钢筋最终锈蚀情况存在差异。本工作从加速腐蚀过程中的电流分布出发，提出多向式的混合连接加速腐蚀电路形式，并与串联和并联加速腐蚀电路形式方案开展试验对比分析，通过改善电流在各钢筋之间及钢筋表面的电流分布，减少加速腐蚀过程中电流分布的差异，为钢筋的加速腐蚀提供参考。试 验 钢筋试件制备采用直径 的 光圆钢筋，用钢筋切割机将其切加工成长度 、直径 的圆柱形试样，利用砂纸去除钢筋表面氧化层及杂质，并用无水乙醇进行清洗。待钢筋试件干燥后，将导线焊接在钢筋试件上端表面，采用环氧树脂密封圆形钢筋试件上下两个表面，留出钢筋试件的侧表面，有效工作面积。电路设计分析钢筋人工加速腐蚀试验中采用串联、并联和混合连接 种形式的加速腐蚀电路形式，如图 所示。图 等效电路 串联形式等效电路如图 所示。多根钢筋通过导线首尾相连，置于一个大电化学池中。理想状态下串联电路中电流平均分配，通过每根钢筋进入到电解质溶液到达阴极的电流大小相同。但实际情况中无法达到理想状态，电流通过第 根钢筋后，部分电流参与了电化学反应进入电解质液，此时存在电荷转移电阻，随后通过溶液电阻 和阴极电荷转移电阻 至负极；其余电流则通过电极本身流向后续电路，由于钢筋自身电极电阻、溶液电阻、以及锈蚀产物发展对电阻的改变，必然导致每部分的电流大小存在差异；且一般采用普通矩形铁丝网片作为阴极，这也导致钢筋表面的电流密度分布不均匀，钢筋面对阴极一侧电流密度偏大，背侧电流密度偏小。并联形式中每根钢筋对应 条支路且置于同一个电化学池中如图 所示，各支路上电压必然相等，即使认为各支路中钢筋的电阻大小一致，但电解池中的溶液电阻 若存在差异势必影响通过各支路的电流大小。两电极之间的溶液电阻 与电极之间的距离、电极面积以及电极形式都有密切的联系，电阻大小难以得到控制导致最终各支路电流大小不同。同样采用矩形铁丝网片作为阴极，也将导致每根钢筋表面的电流分布不均匀。混合连接电路中，每根钢筋不仅单独对应 条支路，并拥有独立的电化学池和环形铁网片作为阴极（、），等效电流如图 所示。加速腐蚀过程中各支路之间不会相互干扰，溶液电阻、大小近似相同，最终使电流大小趋于一致。阴极采用环形铁丝网片则保证了在环形圆心处的钢筋表面电流密度分布均匀。人工加速腐蚀强加阳极电流的加速腐蚀装置由钢筋试件、可调节式直流电源、导线、电解质池、铁丝网片、万用表等组成。加速腐蚀过程中所施加的恒定电流密度为 ，通电时长为 ；电解质池中采用的溶液为氢氧化钙水溶液，利用 电极调节溶液 值至，模拟受到碳化作用影响的混凝土孔隙液，还原锈蚀钢筋在混凝土中的工作状态。种连接方式的加速腐蚀方案如图 所示。图 不同连接形式加速腐蚀装置示意 种连接形式中均调节电源电流大小为 。串联形式中，根钢筋试件首尾相接通过导线串联在电源正极并放置于同一电解质池中，采用矩形铁丝网片连接电源负极作为阴极；并联形式中，根钢筋试件通过 组导线并联至电源正极并放置于同一电解质池中，同样采用矩形铁丝网片作为阴极；混联形式中，根钢筋试件通过 组导线并联至电源正极，且 根钢筋试件置于 个独立的电解池中，采用相同的环形铁丝网作为 个电解池中的阴极。理想状态下，流经各钢筋试件的电流大小一致。组试验布置完成后在实验室环境中同时开始通电进行钢筋加速腐蚀模拟试验，持续通电 后关闭电源，完成钢筋的加速腐蚀。试验效果检测 阳极电流监测电流是加速腐蚀的关键因素，参与电化学反应的电流大小以及分布情况都将直接影响到加速腐蚀的进行，通过各钢筋与溶液界面处的电流直接影响到最后的锈蚀率，。故在进行加速腐蚀过程中采用万用表监测实际参与电化学反应的电流大小，调节万用表档位至微小电流测量读数档位，将待测钢筋试件预留测量导线断开接触万用表后进行读数测量，每隔 对各组各根钢筋试件进行电流大小检测记录。钢筋电化学参数测量通过测量金属的开路电位，可以推测出其发生腐蚀的概率和腐蚀程度。利用 电化学工作站中的开路电位（）测试功能对各钢筋试件的腐蚀电位进行检测，设置扫描时间 ，采样间隔 ，取扫描曲线后期数据稳定后读数作为该钢筋试件腐蚀电位。腐蚀电流密度也是量化腐蚀发展程度的重要参数，利用电化学工作站的线性扫描伏安法（）在开路电位 范围内以 的速度扫描，得到的斜率 （），由于没有混凝土包裹保护层电阻为 ，仅为溶液电阻 ，从而计算得到极化电阻，再通过 公式算出钢筋的腐蚀电流密度：（）式（）中常数 为 （钢筋为活性时的取值）；为极化钢筋的面积，取 。通过加速腐蚀前后钢筋试件的腐蚀电位和腐蚀电流密度的大小及变化情况了解其发生锈蚀的情况并评价其锈蚀严重程度，。钢筋质量损失随着加速腐蚀的进行，钢筋表面会逐渐生成一层红褐色物质。这主要是铁被氧化后形成的氢氧化铁、三氧化二铁等锈蚀产物，钢筋本体质量则会减少。钢筋的质量损失能直接反映钢筋的锈蚀情况。在加速腐蚀前，钢筋试件完成清洗干燥后对其进行第 次称重，加速腐蚀结束后剔除钢筋上下表面的环氧树脂以及导线，使用无水乙醇对钢筋表面进行清洗，除去铁锈和杂质后再对钢筋进行第 次称重，通过钢筋的质量损失可以进一步计算出钢筋试件的实际锈蚀率。微观形貌观测及锈蚀产物分析在钢筋加速腐蚀完成后，利用 台式扫描电镜（）对钢筋表面进行微观形貌观测，设定放大倍数 倍对钢筋锈蚀产物的分布趋势进行分析，对局部特征区域采用放大倍数为 倍更为细致观察锈蚀产物结构形态。同时对收集到的部分锈蚀产物进行成分检测，采用 能谱分析仪（）与 射线衍射仪（）检测钢筋表面锈蚀产物的主要成分及元素组成情况。通过分析钢筋表面锈蚀产物的分布情况、锈蚀产物的微观结构以及锈蚀产物的物质成分，综合评价钢筋加速腐蚀的效果。结果与讨论 阳极电流分布情况理想状态下，每根钢筋试件加速腐蚀期间通过的电流大小应稳定保持在 ，通过对每 通过钢筋的电流的测量发现实际情况中电流略有波动，各钢筋试件加速腐蚀期间中所通过的平均电流大小在表 中列出。如表 所示，串联与并联形式中 根钢筋对应通过电流的差异性相对较大。而混联形式中由于独立电解质池与环形铁丝网片的作用，有效地保证了各支路的电流稳定性，使通过各钢筋的电流均维持在（）。表 加速腐蚀期间钢筋试件的平均电流大小 钢筋编号串联形式并联形式混联形式为进一步了解电流在钢筋试件表面上的分布，通过 有限元分析软件分别模拟了 种连接方式下的加速腐蚀过程。种连接方式的电流密度在钢筋试件表面分布情况如图 所示。电流密度在钢筋试件表面的分布情况不相同主要是由于电流大小、电极间距离以及电极形式的不同。在串联与并联形式中，由于通过钢筋试件的电流大小就存在差异，故各钢筋表面的电流密度分布大小也不同，同组不同钢筋距离阴极铁丝网片的距离存在差异也导致了电流大小的不同。在图 中明显发现串联并联形式中，钢筋表面电流密度集中于钢筋面对阴极的一侧，而另一侧电流分布较少，这也将导致钢筋锈蚀主要将发生在钢筋的一侧影响到锈蚀的均匀性。反观混联形式中，环形的铁丝网片为加速锈蚀提供了良好的电流传递路径，使得电流在钢筋表面均匀分布，有利于获得均匀的锈蚀钢筋。图 不同连接形式钢筋表面电流分布 腐蚀电位与腐蚀电流密度通过初步对比加速腐蚀前后各组钢筋的电化学参数数据可以发现，钢筋试件的电化学参数发生显著改变。为更直观地了解腐蚀电位与腐蚀电流密度变化的差异，通过计算各组数据的标准差来反应其离散性。表 为各组腐蚀电位与腐蚀电流的变化。由表 可知，在加速腐蚀后各组钢筋试件的腐蚀电位都发生了不同程度的负移，串联形式中同组 根钢筋的变化情况较大，腐蚀电势变化量的标准差为，而并联形式和混联形式中钢筋腐蚀电位变化差异性不明显，其标准差分别为，。腐蚀电流密度变化与腐蚀电位情况类似。在串联、并联形式中同组 根钢筋的腐蚀电流密度偏差较大，其变化量标准差分别为，说明其钢筋发生的腐蚀情况存在明显差异性。而混联形式中同组 根钢筋的腐蚀电流密度变化为，离散情况不明显。结合上述腐蚀电位与腐蚀电流密度的变化情况，说明混联形式可以有效地确保加速腐蚀过程中各钢筋达到相同或接近的锈蚀情况。表 腐蚀电位与腐蚀电流密度变化 连接形式钢筋编号加速腐蚀前腐蚀电势 加速腐蚀后腐蚀电势 腐蚀电势变化 腐蚀电势变化量标准差加速腐蚀前腐蚀电流密度（）加速腐蚀后腐蚀电流密度（）腐蚀电流密度变化（）腐蚀电流密度变化量标准差串联形式并联形式混联形式 质量损失与锈蚀率通过在加速锈蚀前后进行质量的称量，计算各钢筋试件的质量损失情况，得到钢筋实际锈蚀率如表 所示。表 钢筋锈蚀率 连接形式第 根第 根第 根串联形式并联形式混联形式在理想状态下，按照法拉第定律可以计算出钢筋的锈蚀产物质量如式（），进一步按式（）、（）计算出理应达到的锈蚀率：锈蚀产物质量：（）式中，为铁的摩尔质量；为腐蚀电流强度，；为加速腐蚀试件，；为反应电极失去电子数；为法拉第常数。钢筋试件锈蚀率：（）（）式中：为原钢筋试件质量，；为钢筋表面电流密度，；为钢筋直径，；为钢筋长度，；为钢筋半径，；为铁的密度，。结果显示，理论计算值与试验测量值略有不同，特别注意到串联形式与并联形式中，加速腐蚀后各钢筋样品实际锈蚀率与理论锈蚀率之间存在较大的差异性。这也与通过各钢筋试件参与电化学反应的电流情况相对应，通过的电流越大，锈蚀率也相应越高；而通过的电流越小，锈蚀率则偏低。混联形式中，根钢筋试件的锈蚀率为，最大锈蚀率与最小锈蚀率之间仅相差，同时该组 根钢筋的实际锈蚀率与理论锈蚀率 非常接近，可以认为通过混联形式的钢筋加速腐蚀方案可以有效控制加速锈蚀率。锈蚀产物微观形貌和成分组成利用扫描电镜观察各组钢筋侧表面微观形貌，如图。可以发现在串联与并联形式中锈蚀产物主要出现