混凝土内通电锈蚀钢筋锈蚀率计算

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摘要：钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性问题的首要原因，为在较短期限内获得大量锈蚀钢筋试件，国内外学者多采用通电加速锈蚀方法。本文中，研究氯离子侵蚀下的混凝土试块内钢筋的通电加速锈蚀问题，在运用Fick定律计算获得钢筋起锈时间的前提下，基于Faraday电解定律，推导并获得了钢筋锈蚀率的计算公式，并最终得到试验验证。为通电加速试验在实验室中的运用提供参考依据。

关键词：通电； 加速锈蚀；钢筋起锈时间；锈蚀率

中图分类号：TU511文献标识码： A

引言

钢筋锈蚀是混凝土构件耐久性能劣化的最主要原因之一[1,2,3]，使目标结构中的钢筋锈蚀是实验室耐久性研究需首要解决的问题。若不施加特殊方法，钢筋锈蚀是一个缓慢的过程，而在较短期限内获得大量锈蚀钢筋试件的有效方法就是对钢筋进行电化学通电加速锈蚀。然而，在加速锈蚀试验中，如何计算和控制钢筋锈蚀量，始终是研究钢筋锈蚀引起的构件耐久性能劣化时不可回避的问题。

通电加速试验从两方面促进了混凝土内钢筋的快速锈蚀：首先，外加电场可加速氯离子在混凝土中的传输，使氯离子较快到达钢筋表面和达到钢筋锈蚀临界值，钢筋开始锈蚀；其次，使钢筋表面保持较高的腐蚀电流密度，加速离子交换，使钢筋保持较高的锈蚀速率。本文中，运用电场作用下的混凝土内氯离子传输过程解析解，计算获得氯离子诱发钢筋的起锈时间，再基于Faraday电解定律，推导出通电锈蚀条件下的钢筋锈蚀率计算公式，并最终得到试验验证。为通电加速试验在实验室中的运用提供参考依据。

1 氯离子诱导钢筋起锈时间

自然条件下，氯离子向混凝土中的传输过程是由浓度梯度引起的，这是一个缓慢的过程。如果能对此过程增加一种或多种传输推动力，则必将加快这一进程。由电化学知识，氯化物离子的负电荷在电场作用下被吸引到正电极，依据这一基本原理，直流电压能加速氯离子在混凝土中的扩散（图1）。利用这一原理，有学者已将其运用到钢筋的电化学通电加速锈蚀试验中[4,5]。

图1电场作用下的氯离子传输

依据Fick定律，氯离子在混凝土中的传输模型表示为：

（1）

式中，为传输时间时刻距离侵蚀表面处氯离子含量；为传输过程中单位时间内通过单位面积的氯离子流量。

理想状态下，氯离子流量可由Nernst-Planck表示：

（2）

式中，为氯离子扩散系数；离子迁移率；为电场电位差[6]。

在外加电场作用下，正、负离子向相反的方向移动，离子迁移率根据Nernst-Einstein方程计算：

（3）

式中，为离子电价；为法拉第常数；为气体常数；为绝对温度[7]。

在匀强电场作用下，由式（1）和式（2）可推导得到氯离子一维传输模型：

（4）

Tang和Nilsson[8]依据稳态边界条件，给出其解析解：

（5）

式（5）表示，只要预先设定的通电锈蚀环境条件（如法拉第常数、气体常数、绝对温度、氯离子扩散系数、混凝土表面氯离子浓度和电位差）均已知，通电时刻钢筋处混凝土内氯离子含量是唯一确定的。当氯离子含量达到某一临界值时，钢筋钝化膜破坏，钢筋开始锈蚀。反过来，若通电锈蚀环境条件不变，如已知氯离子诱发钢筋锈蚀的临界值，由式（5）即能反算得到对应钢筋锈蚀临界值的钢筋起锈时刻。

2 钢筋锈蚀率计算

氯离子浓度达到临界值而诱发钢筋锈蚀，已知钢筋开始锈蚀时间后，在加速氯离子传输的同时，混凝土内钢筋开始以较高的锈蚀速率锈蚀。

混凝土中钢筋的锈蚀过程本质上是一个电化学过程，反应过程中电荷在阴、阳极间不断地迁移。通常，使用Faraday电解定律计算钢筋锈蚀率，其基本含义：电极界面上发生化学变化的物质的质量与通入的电量成正比[9][10]。

在钢筋电化学锈蚀过程中，根据通过钢筋的电流强度大小和通电时间，即可算出钢筋的腐蚀质量：

（6）

式中，为钢筋质量损失量（g）；为铁的摩尔质量（56g/mol）；为腐蚀电流强度（A），单位时间内通过钢筋锈蚀层的电量；为锈蚀时间（s）；反应电极化学价，即失去的电子数，取2。

通过钢筋的电流强度也可由钢筋表面的电流密度得出：

（7）

其中，为锈蚀钢筋表面电流密度（）；为钢筋直径（cm）；为锈蚀钢筋长度（cm）。

将钢筋原始质量与式（7）代入式（6）得：

（8）

其中，为钢筋半径（cm）；为铁密度（）。

假定在通电锈蚀状态下，钢筋沿截面均匀锈蚀，以及腐蚀电流保持恒定。在时刻，根据式（8），得到时刻的钢筋锈蚀率：

（9）

3 通电锈蚀试验

3.1试块设计

为验证式（9），估算氯离子侵蚀下混凝土内的钢筋锈蚀量，共设计了18块混凝土试块，其中：保护层厚度20mm、内置Φ10的混凝土12块（图2a）；保护层厚度25mm、内置Φ12的混凝土3块（图2b）；保护层厚度25mm、内置Φ20的混凝土3块（图2c）。采用普通C30混凝土，试块尺寸及钢筋位置见图2。

a、c=20mm、Φ10 b、c=25mm、Φ12 c、c=25mm、Φ20

图2试块设计

3.2通电设计

本实验中通过控制试块钢筋的表面电流密度，进而运用式（9）估算混凝土内的钢筋锈蚀率。试块钢筋通电加速锈蚀方法如图1所示。试验相关参数的选取：法拉第常数，参考文献[11]氯离子扩散系数取，气体常数，绝对环境温度，氯离子电价，混凝土表面氯离子浓度取溶液浓度，电位差设定为。

通电锈蚀前，为降低混凝土阻抗，先将试块浸泡在质量百分比为2.5%的NaCl中一个月，使试块混凝土充分饱和。

试验以混凝土表面产生0.3mm顺筋锈胀裂缝为终止条件。

4 试验结果与分析

4.1钢筋起锈时间

在3.2节设定的相关试验参数前提下，计算获得试验试块钢筋处氯离子含量随通电时间的变化曲线（图3）。根据参考文献[11]，认为本试验条件下诱导钢筋锈蚀的氯离子临界阀值为0.24%。依据此值，可在图3曲线中反算获得其相应的钢筋起锈时刻：（保护层厚度为20mm试块），（保护层厚度为25mm试块）。事实证明，外加电场大大加速了氯离子在混凝土内的传输。

图3钢筋起锈时间

4.2钢筋锈蚀状况

通电锈蚀后试块内钢筋的锈蚀状况见图4。可见，钢筋锈蚀是一由表及里的过程，钝化膜被破坏后，钢筋肋首先锈蚀。在锈蚀严重的情况下，钢筋表面处出现较大的坑蚀。

a、酸洗前 b、酸洗后

图4 钢筋锈蚀状况

4.3试验结果

试验结果见表1。可以得出，实测的钢筋锈蚀率与式(9)计算的钢筋锈蚀率比值的平均值，变异系数，结果较符合。

表1试验情况

试块

编号 设计钢筋表面电流密度（mA/cm2） 通电锈蚀

时间(a) 钢筋直径 实测

计算

S(10)1 0.2 0.30 10 9.30 13.77 0.68

S(10)2 0.2 0.64 10 38.56 29.55 1.31

S(10)3 0.2 0.27 10 14.33 12.39 1.16

S(10)4 0.2 0.64 10 38.43 29.55 1.30

S(10)5 0.2 0.81 10 33.5 37.44 0.89

S(10)6 0.2 0.50 10 30.28 23.05 1.31

S(10)7 0.2 0.33 10 16.86 15.19 1.11

S(10)8 0.2 0.30 10 9.20 13.77 0.67

S(10)9 0.2 0.77 10 40.19 35.58 1.13

S(10)10 0.2 0.81 10 36.42 37.44 0.97

S(10)11 0.2 0.38 10 19.65 17.48 1.12

S(10)12 0.2 0.80 10 38.20 36.97 1.03

S(12)1 1 0.011 12 2.2 2.32 0.95

S(12)2 1 0.021 12 6.5 6.19 1.05

S(12)3 1 0.027 12 8 6.65 1.20

S(20)1 1.5 0.011 20 2.5 2.30 1.09

S(20)2 1.5 0.021 20 7 6.14 1.14

S(20)3 1.5 0.027 20 7.5 6.60 1.14

注：试块编号“S”表示试块；“（10）”表示保护层厚度；“1、2、3…”表示试块顺序。

5.结语

1. 外加电场大大加速了氯离子在混凝土内的传输，使得钢筋在较短时间内开始锈蚀；

2. 基于Faraday电解定律，推导并获得了氯离子侵蚀条件下混凝土内通电加速锈蚀钢筋锈蚀率的计算公式；

3. 本文的研究结果表明，混凝土内钢筋通电加速锈蚀试验是可控的。

参考文献

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[6]Weber, W. J., McGinley, P. M., and Katz, L. E. (1991). “The nature and effects of sorption processes in subsurface systems.” Transport processes in porous media, J. Bear and M. Y. Corapcioglu, eds., NATO ASI Series E: Applied Sciences, Vol. 202, Kluwer, Dordrecht, The Netherlands, 543-582.

[7]Atkins, P. W. (1994). Physical chemistry, 5th Ed., Oxford University Press, Oxford, U.K.

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[9] 杨绮琴, 方北龙，童叶翔. 应用电化学[M]. 第2版. 广州：中山大学出版社，2005.

[10]Baweja D, Roper H, Sirivivatnanon V (2003), ‘Improved electrochemical determinations of chloride-induced steel corrosion in concrete ’, ACI Materials Journal, 100(3), 228-38.

[11]王腾.钢筋混凝土T形梁的耐侵蚀构造研究[D].长沙：中南大学，2010.