混凝土耐久性论文第四篇：环氧涂层钢筋混凝土试件在氯离子侵蚀作用下的腐蚀行为研究
摘要：通过与完好涂层钢筋进行对比，研究不同破损率的环氧涂层钢筋在氯离子侵蚀作用下的腐蚀速率，在腐蚀电位与腐蚀电流密度的基础上，推导不同破损率的环氧涂层钢筋在不同时间段的腐蚀速率，结果表明：完整的环氧涂层对钢筋基体具有良好的防护效果，在氯离子侵蚀的各个时间段内均未发生锈蚀。而预制破损涂层钢筋试件在氯离子作用下从钝化状态转变为腐蚀活化状态，且随着破损率的增加钢筋锈蚀速度增幅越大。
关键词：环氧涂层钢筋; 破损率; 氯离子; 极化曲线;
0前言
处于严重腐蚀环境下的沿海混凝土结构在氯离子侵蚀作用下致使钢筋锈蚀甚至保护层开裂，大大降低混凝土结构的耐久性能[1]。资料表明，1989年美国交通运输部门的一份报告估计，由撒盐除冰和海水侵蚀所引起的美国州间高速公路、桥梁的钢筋腐蚀破坏，经济损失累计高达1500亿美元。由于混凝土耐久性不足造成的直接和间接损失，在欧美发达国家已构成严重的财务负担。为了减缓钢筋锈蚀，在其表面涂覆一层环氧涂层阻挡侵蚀性物质向钢筋基体渗透，延长沿海混凝土结构的服役寿命[2]。以港珠澳跨海大桥耐久性设计为例，对不同防腐措施的经济效益、腐蚀风险、施工难度与全寿命成本四个方面进行综合评估分析，建议对处于高腐蚀风险的潮差区混凝土结构采用环氧钢筋防腐技术，以增加混凝土结构的耐久性安全储备。Tang[3]等发现在自然海洋环境中环氧涂层钢筋的耐蚀性能比普通钢筋好得多，但也有部分学者认为环氧涂层钢筋延长混凝土结构正常使用寿命的能力有限，以上研究表明环氧钢筋的保护作用是建立在涂层完整的基础上，然而钢筋表面涂层易在运输、绑扎及工作状态下易产生细微破损，涂层缺陷/损伤都会严重影响涂层的屏蔽作用，因此提高环氧涂层延性、钢筋基体与环氧涂层之间的附着力以及减少钢筋表面涂层针孔率可以有效提高环氧涂层钢筋的质量。目前，研究成果主要集中于不同种类的表面涂层对混凝土结构耐蚀性能的提升效果以及不同破损率对混凝土结构耐久性的影响。而针对不同破损率下钢筋锈蚀速率的发展规律以及腐蚀演化过程的研究较少。故开展不同破损率下环氧涂层钢筋混凝土试件在氯离子侵蚀作用下的腐蚀行为研究。
表1试件设计
试验以通电的方式加速氯离子向钢筋表面侵蚀，以钢筋的弱极化曲线测试结果推导钢筋腐蚀电位与腐蚀电流密度的演化，并揭示环氧涂层钢筋锈蚀速率的发展过程，为环氧涂层钢筋在海洋混凝土结构中的应用提供数据与理论支持。
1 试件设计及试验方案
试件尺寸与配合比设计见表1、表2。
截取15cm的环氧涂层钢筋，使用刻刀制备表面损伤，破损率分别为0%、0.56%、1.12%、1.68%，并以S-0、S-0.56、S-1.12、S-1.68代表不同破损率的混凝土试件。应注意截取环氧涂层钢筋后应采用Valspar涂料修补钢筋两端的裸露部分。
试件顶部安装PVC水槽并倒入质量分数为10%的氯化钠溶液，将试件顶部与底部分别放置两块钛板与电源负极、正极相连。之后将试件放入容器中，浸泡1天后进行通电，通电电压调节至10V，分别在通电1、3、5、7、14、21、30天后停止，静置至钢筋表面电位稳定后进行极化曲线测试。对测试结果进行Tafel拟合获取环氧钢筋的腐蚀电位与腐蚀电流密度。基于三电极系统进行测量，弱极化曲线测试中采用±70m V（相较开路电位）的电位，系统扫描速率是0.15m V/s。
2 试验结果分析
图1 不同破损率的环氧涂层钢筋锈蚀情况
图1为不同破损率的环氧涂层钢筋在通电加速氯离子侵蚀30d后钢筋的锈蚀情况。
由图1可见，无破损的环氧钢筋表面光滑，表面无锈蚀产物堆积，带损伤涂层试件的钢筋基体发生明显坑蚀现象且周围涂层表面有锈蚀产物附着，造成该现象的原因为：当环氧涂层钢筋产生局部破损时，破损区域形成阳极区，裸露的钢筋基体形成阴极区，造成大阴极小阳极状态，钢筋锈蚀过程加速[4]。此外，Sylvia[5]认为由于阴极极化作用涂层的附着力降低，涂层会进一步脱落，钢筋锈蚀区域扩展，最终导致混凝土结构的耐久性降低服役寿命缩短。由于环氧涂层钢筋腐蚀电位与腐蚀电流密度的演化过程可反映钢筋在氯离子侵蚀作用下的锈蚀情况，如图2、图3所示。
对于无破损环氧涂层钢筋混凝土试件，S-0试件的钢筋腐蚀电位并未随通电时间的增加产生明显负移现象，S-0试件中的钢筋腐蚀电位无较大变化，波动范围集中于-244～-348m V之间，钢筋处于中等锈蚀概率阶段(-200m V～-400m V)[6,7]，而钢筋的腐蚀电流密度则小于0.1μA/cm2（钝化状态），造成该现象的原因是：涂层包裹住的钢筋并未与碱性的混凝土孔隙液接触，钢筋表面并未发生钝化反应产生钝化膜，且由于钢筋表面缺少氧气与水分，腐蚀反应发生条件不充分，故钢筋虽处于活性状态但腐蚀速率极低。
图2 不同破损率的涂层钢筋腐蚀电位演化
图3 不同破损率的涂层钢筋腐蚀电流密度演化
对于预制损伤涂层钢筋的腐蚀电位表现为早期迅速下降在通电7d后趋于稳定，腐蚀电流密度则表现为持续上升，破损率越大，腐蚀电流密度越大，其中S-1.68试件在通电14d后钢筋锈蚀速度达到高锈蚀速率阶段（icorr>1μA/cm2），而S-0.56与S-1.12在通电30d后钢筋锈蚀速度达到高锈蚀速率阶段，说明当Cl-侵入到钢筋表面时，Cl-的存在使钢筋表面难以形成一层稳定的钝化膜[8]，导致早期的腐蚀电位快速下降，长期较低的腐蚀电位表示破损位置的钢筋基体始终处于活性溶解状态。随着Cl-在涂层破损处堆积，Cl-浓度增加，但受到阳极区面积的限制故在相同通电时间下破损率越大，钢筋锈蚀速率越大。比较不同破损率的环氧钢筋在通电30d后的锈蚀速率发现，S-1.12试件钢筋锈蚀速率较S-0.56试件仅增加了33%，而S-1.68试件钢筋锈蚀速率较S-0.56试件增加了282%，故钢筋锈蚀速度随破损率的增加增幅越来越大。从不同破损率的环氧涂层钢筋锈蚀的实际情况来看，S-1.12试件锈蚀产物集中于破损位置，S-1.68试件锈蚀产物除破损位置外，未破损位置的涂层表面亦有锈蚀的堆积。
3 结论
(1)完整的环氧涂层可以有效隔绝空气、水分、腐蚀因子等物质，钢筋的锈蚀反应过程被抑制，故无破损的环氧钢筋不会在工作过程中发生锈蚀；
(2)破损处的钢筋基体锈蚀扩展方向朝向基体深处形成坑蚀，并且随着破损率的增加钢筋锈蚀速度增幅越大。
参考文献
[1]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].第2版,北京:科学出版社,2014.
[2]侯保荣.海洋钢筋混凝土腐蚀与修复补强技术[M].北京:科学出版社,2012.
[3]Tang F J,Chen G D,Brow R K.Chloride-induced corrosion mechanism and rate of enamel-and epoxy-coated de formed steel bars embedded in mortar[J].Cement and Concrete Research,2016,82:58.
[4]董伟.环氧涂层钢筋在海工混凝土结构中的腐蚀行为研究[D].长安大学,2019.
[5]Keler S,Angst U,Zintel M,et al. Defects in epoxy-coated reinforcement and their impact on the s e rvice life of a concrete structure[J].S tructural Concrete.2014,16(3):398-405.
[6]王凤平.腐蚀电化学[M].第2版,北京:化学工业出版社,2017.
[7] GB/T50344-2019,建筑结构耐久性技术规程[S].
[8]刘玉,杜荣归,林昌健.氯离子对模拟混凝土孔隙液中钢筋腐蚀行为的影响[J].电化学,2008,11(3):333-336.
