雜散電流與氯鹽作用下埋地混凝土中鋼筋銹蝕研究

鹿 婷，金祖權，陳兆毅，李祥翔，胡 源，杜占濤

(1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266520；2.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000)

隨著沿海城市人口增長與建設高速發展，地鐵工程正在加速推進.沿海地鐵部分途經區域不可避免與海水形成地下水連通，造成地鐵車站和區間鋼筋混凝土襯砌、地下室底板、軌枕等與含有海水的鹽漬土接觸，鹽漬土中的氯離子將通過擴散、毛細吸附等傳輸至混凝土內部鋼筋表面，導致鋼筋銹蝕、膨脹、混凝土保護層剝落破壞[1].

地鐵在運行過程中行走軌的電阻一般在5～100 Ω·km范圍內；但隨著運營年代的增加以及惡劣的外界環境影響，將不可避免地出現絕緣老化、軌道接縫受損等問題，從而出現回流行走軌對道床的絕緣下降，行走軌電阻增大導致鋼軌泄露電阻減小和列車處走行軌電位升高，從而向道床及車站、隧道結構泄漏電流，形成雜散電流[2].雜散電流的存在將直接導致混凝土中鋼筋產生電化學腐蝕，并加快鹽漬土中氯離子向混凝土中快速遷移，使得地鐵鋼筋混凝土受到雜散電流與氯鹽復合作用，耐久性能受到嚴重威脅[3].此外，雜散電流對鋼筋的腐蝕往往集中于某些局部位置，如保護層相對薄弱的地方，這些部位的鋼筋將很快銹斷[4].

Luca Bertolini[5]討論了直流/交流電流與氯離子耦合作用對混凝土中鋼筋腐蝕的影響，指出直流雜散電流對鋼筋腐蝕要遠遠大于交流雜散電流.耿健[6]利用直流電場模擬雜散電流，并分析了雜散電流下氯離子向混凝土內部的傳輸規律.張二猛[7]研究發現雜散電流產生的電場能使更多氯離子以自由態存在并快速遷移，對混凝土的耐久性能產生不利影響.吳泉水[8]發現雜散電流會加快氯離子向混凝土內部遷移的速率，導致鋼筋銹蝕速度加快、混凝土保護層提前開裂.王凱[9]研究了雜散電流對氯離子向混凝土內傳輸速度影響，建立了考慮雜散電流密度、氯離子濃度的混凝土中氯離子傳輸模型.陳夢成[10]采用直流電模擬雜散電流，并利用電化學測試技術分析了混凝土中鋼筋銹蝕演變.周曉軍[11]對埋置在水和土壤兩種腐蝕介質中的鋼筋混凝土試塊施加不同的電壓值，測定鋼筋發生電化學腐蝕時的電化學當量和腐蝕速率.張威[12]研究發現，雜散電流與氯離子耦合作用下混凝土中鋼筋破鈍電位降低，鋼筋提早進入腐蝕狀態.郭振華[13]采用現場收集的隨時間變化的雜散電流信號和等電荷量的直流電進行鋼筋銹蝕試驗，采用XCT無損檢測獲得混凝土中鋼筋銹蝕時變規律.陳迅捷[14]研究了在一般環境、氯化物環境、凍融-氯化物環境中，雜散電流對普通鋼筋混凝土和高性能混凝土的腐蝕程度影響.陸晨浩[15]通過模擬腐蝕試驗，探討了摻合料種類、含量等對混凝土中鋼筋雜散電流腐蝕的影響規律.丁慶軍[16]對有無雜散電流環境下水泥石的氯離子固化能力進行研究，結果表明雜散電流能夠將水泥石中鈍化的氯離子轉化成活潑的氯離子.杜應吉[17]研究發現活性摻合料可以通過提升混凝土中鋼筋的鈍化膜電阻和累積電量來提高混凝土阻抗，從而增強地鐵工程中鋼筋混凝土的抗雜散電流能力.

綜上所述，研究者大多通過直流/交流電模擬雜散電流并與氯鹽耦合，開展了鋼筋混凝土腐蝕加速試驗.但由于雜散電流泄漏程度不同、鹽漬土受海水污染程度不同，鋼筋混凝土受到的雜散電流密度、腐蝕離子濃度存在顯著差異.本文采用青島沿海土壤中摻加氯鹽構建鹽漬土環境、利用10～30 V直流恒壓電流模擬雜散電流，分析混凝土中鋼筋腐蝕電化學參數、鋼筋銹脹應力演變，探究雜散電流密度、鹽漬土中氯離子濃度對混凝土中鋼筋銹蝕的影響.

1 試驗

1.1 混凝土原材料與配合比

中國建筑材料科學研究總院生產的P·I 42.5基準水泥、S95級礦粉、I級粉煤灰作為膠凝材料，主要化學成分如表1所示.細度模數為2.7、含泥量1.7%的青島大沽河河沙為細骨料，5～25 mm花崗巖碎石為粗骨料，減水率為30%的江蘇蘇博特JM-PCA(I)型聚羧酸減水劑用于調節混凝土的工作性，混凝土配合比及28 d抗壓強度如表2所示.

表1 膠凝材料的主要化學組成/%

表2 混凝土配合比/kg·m-3

1.2 直流恒壓電流模擬雜散電流加速腐蝕試驗

按表2所示成型100 mm×100 mm×300 mm的鋼筋混凝土試件，混凝土中預埋直徑為25 mm的HRB400型螺紋鋼筋，保護層厚度為25 mm；鋼筋混凝土標準養護28 d后取出并埋置于裝滿土壤(含水率為10%)的塑料箱中，土壤氯離子含量設為0、1.5%，試驗方案如表3所示.采用直流電模擬雜散電流，恒電壓設置為10 V、20 V、30 V.電源正極連接試件中的鋼筋，碳棒作為負極并直接插入土壤.

表3 試驗方案

1.3 鋼筋銹脹應變測試及應力計算

采用直徑為25 mm的HRB400型螺紋鋼筋，沿鋼筋長度方向水平切開挖出直徑為15 mm的半圓形凹槽.對鋼筋進行酸洗除銹后放入飽和氫氧化鈣溶液中和，隨后用清水沖洗并放入烘箱烘干水分.待鋼筋完全干燥后取出，在鋼筋內壁中部環貼應變片作為測試片，在內壁端部縱貼應變片作為溫度補償片，試驗采用120-5AA混凝土應變片，貼片位置如圖1(a)所示.

圖1 直流電模擬雜散電流對鋼筋腐蝕試驗

將兩部分鋼筋用環氧樹脂粘貼在一起，在其中一端綁扎導線后，兩端均用環氧樹脂密封，防止水分進入鋼筋內部.通過測量鋼筋內壁環向應變可以計算鋼筋外壁銹蝕產生的銹脹力，根據作用力與反作用力理論，作用于鋼筋外壁的壓力與鋼筋的銹脹力大小相同方向相反.故可求得鋼筋銹脹力為[18]

(1)

式中：q為鋼筋外壁壓力，MPa；εhs為鋼筋內壁環向應變；Es為鋼筋彈性模量，GPa；μ為鋼筋泊松比；r為鋼筋外半徑，mm；r1為鋼筋內半徑，mm.

1.4 混凝土中鋼筋腐蝕電化學測試

本試驗使用PARSTAT 4000A電化學工作站測試混凝土中鋼筋的電化學阻抗譜(EIS).電化學測試采用三電極法，飽和甘汞電極作參比電極，碳棒作輔助電極，混凝土中的鋼筋作工作電極.在電化學測試中，掃描頻率為10 mHz～1 MHz，施加的交流電壓為10 mV，恒電位加速腐蝕過程中每隔12小時測試一次.

1.5 銹蝕產物形貌及成分觀測

對雜散電流腐蝕7 d的鋼筋混凝土試件破型，宏觀觀察鋼筋銹蝕狀態和溢銹狀況.采用掃描電鏡觀測混凝土中鋼筋銹蝕產物的形貌，使用X射線衍射儀對銹蝕產物進行物相分析.對鋼筋酸洗除銹，觀察鋼筋形貌變化.

2 結果與討論

2.1 混凝土中鋼筋銹蝕形貌分析

隨著腐蝕持續進行，混凝土出現貫穿上保護層的順筋裂縫，且隨著模擬雜散電流密度和土壤氯離子含量增大，裂縫越寬、溢銹現象更加明顯.對混凝土試件破型取出鋼筋，如圖2(a)和(c)所示.鋼筋近、遠保護層面均發生銹蝕，但銹蝕最先發生在近保護層面，逐步向遠保護層面延伸.對銹蝕鋼筋酸洗，由圖2(b)和(d)可看出，鋼筋近保護層面均出現明顯的點蝕、坑蝕及難以洗掉的大塊銹蝕產物；遠保護層面均出現點蝕現象.采用超景深顯微鏡對鋼筋銹坑進行定量測試，如圖3所示.10～30 V電壓作用下混凝土中銹蝕鋼筋最大銹坑深度分別為437、1 083、1 592 μm，銹蝕面積分別為4 065 229，9 440 315和9 824 563 μm2；含有0和1.5%氯離子濃度的土壤里腐蝕混凝土中鋼筋的最大銹坑深度和面積分別為1 083 μm、9 440 315 μm2，1 267 μm、9 765 501 μm2.因此，雜散電流和氯離子導致混凝土中近保護層和遠保護層鋼筋表面均發生銹蝕，但近保護層鋼筋腐蝕更為嚴重；混凝土中鋼筋表面呈現出明顯的點蝕現象.雜散電壓由10 V增加到30 V，銹坑深度和銹蝕面積分別增加了264.3%和141.2%；土壤中含有氯離子使得鋼筋銹蝕更加嚴重，銹坑深度和銹蝕面積分別增加了17%和3.4%.

圖2 鋼筋酸洗前后形貌圖

圖3 鋼筋銹坑測試圖

鋼筋銹斑電鏡圖如圖4(a)～(d)所示，隨著模擬雜散電流密度增大、土壤氯離子含量增加，鋼筋銹蝕速度加快、相同時間內產生的銹蝕產物增多，這些銹蝕產物相互擠壓、堆積致使銹斑越來越密實.觀察鋼筋銹蝕產物微觀形貌有塊狀、粒狀、片層狀、密實針狀，根據EDS測試獲得銹蝕產物中的O/Fe值在1.19～1.74之間，結果如表4所示.XRD測試結果表明銹蝕產物中主要存在針鐵礦(α-FeO(OH))、四方纖鐵礦(β-FeO(OH))和磁鐵礦(Fe3O4)，也存在少量的纖鐵礦(γ-FeO(OH)).這是由于鋼筋混凝土試塊埋置在土壤中，土壤中氧氣含量較低，在雜散電流加速腐蝕下，氧氣消耗速度更快，鋼筋銹蝕產物氧含量明顯降低，銹蝕產物以二價鐵離子為主.對比DC1、DC2、DC3和DC2、DC4作用下鋼筋銹蝕產物的O/Fe值，隨雜散電流密度增加以及氯鹽作用下，銹蝕產物的O/Fe值變大，這是由于增大模擬雜散電流密度和土壤氯離子含量使混凝土銹蝕裂縫變寬，空氣能夠沿裂縫快速滲透至銹蝕產物處，使得鋼筋銹蝕產物從Fe3O4轉變為Fe2O3.除此之外，XRD還檢測出銹蝕產物中存在氯化物，這是由于土壤中Cl-滲透至鋼筋表面生成FeCl2所致.

圖4 鋼筋銹蝕產物主要形貌及XRD衍射圖譜

表4 銹蝕產物的原子比(%)

2.2 混凝土中鋼筋銹脹應力演變

2.2.1 雜散電流密度影響

對10～30 V雜散電流腐蝕作用下混凝土中鋼筋內表面銹脹應變進行測試，并計算銹脹應力如圖5(a)～(f)所示.混凝土中鋼筋內表面均能采集到由于鋼筋銹蝕施加的銹脹應力而產生的應變，鋼筋內表面4個測點的應變演變速度、拐點不完全一致，表明了鋼筋受到非均勻銹蝕應力作用.鋼筋內表面應力-應變隨著鋼筋銹蝕程度的增加，先增加后減小，銹脹力拐點的出現意味著混凝土開始出現開裂、應力釋放現象.依據首個應變拐點判別鋼筋-混凝土界面區開裂時間，在10～30 V電壓構建三種雜散電流密度環境下的開裂時間分別為75.5 h、69 h、63.5 h，鋼筋內表面的測點應變峰值分別為176.6 με、259.8 με、188.3 με，計算鋼筋銹蝕導致混凝土開裂的臨界銹脹應力分別為2.1 MPa、3.1 MPa、2.3 MPa.因此，鋼筋混凝土在雜散電流作用下將發生非均勻銹蝕，雜散電流密度越大、鋼筋銹蝕速度越快、混凝土銹脹開裂時間越短.

圖5 鋼筋-混凝土界面膨脹應變和銹脹應力

2.2.2 氯離子含量影響

對氯離子含量為1.5%土壤中鋼筋混凝土腐蝕，其鋼筋應變及計算的銹脹應力如圖5(g)和(h)所示.未受到氯離子污染土壤中，鋼筋導致混凝土銹脹開裂時間為69 h；在土壤氯離子含量為1.5%的環境中，鋼筋混凝土銹脹開裂時間縮短至48 h.顯然，土壤中的氯離子在濃度差與電場作用下加速向混凝土內部鋼筋表面遷移，氯離子與雜散電流復合作用使得鋼筋銹蝕加速，鋼筋更容易銹蝕.此外，在氯鹽與雜散電流復合作用下，鋼筋混凝土銹脹開裂應力為4.5 MPa，而在雜散電流作用下的銹脹開裂應力為3.1 MPa；也即是氯離子存在使得鋼筋銹蝕產物更為致密，其產生的銹脹應力更大.

2.3 鋼筋腐蝕電化學參數演變

鹽漬土中鋼筋混凝土在10～30 V雜散電流作用下，測試其電化學參數演變如圖6所示.腐蝕初期，混凝土中鋼筋的Nyquist圖中低頻區曲線斜率上揚，Bode圖中低頻區最大相位角均在70°左右，表明此時鋼筋處于鈍化狀態.鋼筋混凝土腐蝕72 h、36 h、12 h后，DC1、DC2、DC3混凝土中鋼筋Nyquist圖的容抗弧急速減小，相位角減小至30、45、25°，表明鋼筋已經出現了嚴重的銹蝕現象.土壤中摻加1.5%的氯離子后，DC4試件腐蝕12 h后，其相位角迅速降至25°，相比于未污染土壤中鋼筋混凝土提前了24 h.

圖6 不同環境中鋼筋的Nyquist圖和Bode圖

由于Nyquist圖和Bode圖只能通過圖形拓撲結構定性地分析鋼筋腐蝕情況，無法獲得腐蝕的具體信息.本試驗使用Zsimpwin擬合軟件，選擇R(QR)(QR)等效電路圖對阻抗譜擬合獲得鋼筋極化電阻Rp，如圖7(b)所示.根據Stern-Geary公式可計算得到不同腐蝕齡期的腐蝕電流密度，如圖7(c)所示.

隨著混凝土中鋼筋腐蝕進行，鋼筋的極化電阻隨腐蝕齡期的增加而降低，腐蝕電流密度不斷增大，表明鋼筋的腐蝕速度逐漸加快；增大模擬雜散電流密度和土壤氯鹽含量，腐蝕電流密度顯著提升，表明二者對鋼筋腐蝕具有加速作用.

3 結論

(1)雜散電流作用下混凝土中近保護層鋼筋首先銹蝕，銹蝕面鋼筋呈現部分點蝕并伴隨有非均勻銹蝕現象，隨著腐蝕進行鋼筋近保護層發生大面積銹蝕并延伸至遠保護層面，增大雜散電流密度和土壤氯離子含量加速混凝土中鋼筋腐蝕速率；

(2)鹽漬土混凝土中鋼筋在雜散電流作用下銹蝕產物主要是針鐵礦、四方纖鐵礦和磁鐵礦并伴隨有氯化亞鐵存在；隨雜散電流密度增加和土壤氯離子含量增大，鋼筋銹蝕產物更加密實，但更寬的銹蝕裂縫使得環境中氧氣更易滲透至鋼筋，銹蝕產物的O/Fe值增加；

(3)通過測量鋼筋內壁環向應變可實時獲得混凝土中鋼筋銹脹應力演變，雜散電流作用下混凝土中鋼筋銹脹應力大致在2～3 MPa，鹽漬土中氯鹽存在使得鋼筋銹脹應力提高了1.5 MPa左右；

(4)模擬雜散電流的恒電壓由10 V提高至20 V和30 V，混凝土中鋼筋嚴重銹蝕時間分別提前了36、60 h，混凝土銹脹開裂時間提前了6.5、12 h；土壤中氯離子含量由0提高至1.5%，鋼筋發生嚴重銹蝕時間提前了24 h，凝土開裂時間提前了21 h.