基于通电退化的再生混凝土中钢筋可靠性评估

陈克凡，乔宏霞，王鹏辉，彭 宽，朱翔琛

（1.兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050；2.重庆重交再生资源开发股份有限公司，重庆 401122）

20世纪以来，钢筋混凝土结构成为世界上应用 最为广泛的结构形式［1］.虽然钢筋混凝土结构具有可模性好、整体性好、耐火性好等优点，但是不可否认的是其抗裂性能较差［2］，钢筋锈蚀导致混凝土产生裂缝［3］，容易降低整个建筑物的安全性能.因此，应及时掌握钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀状态，采用合理有效的方法对钢筋进行保护.

分析混凝土中钢筋锈蚀情况，对研究钢筋混凝土结构使用寿命非常重要.刘洋［4］验证了脉冲预泵浦布里渊光时域分析（PPP‑BOTDA）分布式光纤传感技术用于钢筋锈蚀实时、无损、分布式监测的可行性；刘栋［5］研发了一种可用于混凝土内监测钢筋锈蚀的固态参比电极；Puzanov等［6］提出通过测定混凝土电阻率来进行钢筋锈蚀状况评估的无损检测方法；Zivica［7］在1993年 提 出 了 一 种 通 过 开 发“腐 蚀 传 感器”改进的电阻法检测混凝土中钢筋锈蚀状态；Zivica［8］在2000年 研 究 了 电 阻 法 在 监 测 混 凝 土 中 钢筋状态及其变化率中的应用，并采用动电位法获得了钢筋锈蚀的定量数据.

采用合理有效的防护措施，可以延长钢筋混凝土结构使用寿命.张晏清［9］发现钢筋表面涂布防护涂层有助于改善钢筋防腐蚀性能；周欣等［10］发现山梨醇与二乙烯三胺缩聚物（SDC）的加入可有效降低碳钢的腐蚀电流密度，提高碳钢的点蚀电位；徐强等［11］发现纳米硅渗透型防护剂处理的砂浆表面呈现明显类核壳结构点坑，处理6 h后混凝土氯离子电通量可降低50%以上；乔宏霞等［12‑13］发现涂层技术可以减缓氯氧镁水泥混凝土中钢筋的锈蚀速率，明显有利于钢筋的防锈；缪昌文等［14］发现羧酸铵能显著减少碱性环境中氯盐对钢筋钝化膜的破坏，对钢筋混凝土起到良好的保护作用；Glass等［15］和Hassanein等［16］认为外加电流阴极法是抑制钢筋混凝土结构中氯离子腐蚀的有效手段，并且是修复受氯污染钢筋混凝土的一种持久方法.

综上，国内外诸多学者对于钢筋锈蚀状态及防护技术进行了大量研究，但是，对于钢筋再生混凝土中钢筋的研究较少［17‑18］.本文选用钢筋再生混凝土及掺加阻锈剂的钢筋再生混凝土为研究对象，通过恒电流通电加速锈蚀试验，分析钢筋的极化曲线及交流阻抗等，运用Weibull分布函数对再生混凝土中钢筋的可靠度进行评估.

1 试验

1.1 原材料

甘肃省祁连山水泥厂生产的P42.5普通硅酸盐水泥；兰州某商砼公司提供的堆积密度为1 569 kg/m3的碎石以及堆积密度为1 639 kg/m3的中砂；甘肃德隆生态有限公司生产的最大粒径为31.5 mm，堆积密度为1 423 kg/m3的再生粗骨料；甘肃省兰州市某外加剂公司提供的聚羧酸系高效减水剂，掺量1）本文涉及的掺量均为质量分数.为3%；复合型混凝土阻锈剂，掺量为4%；甘肃酒钢集团生产的直径12 mm的HRB335钢筋.

1.2 试验方案

再生混凝土配合比见表1.拌制的再生混凝土坍落度为90 mm.将钢筋表面的杂质处理干净，制成尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的2组钢筋再生混凝土试件，第1组试件为再生混凝土（RC）组，第2组试件为掺加阻锈剂的再生混凝土（RC‑R）组，阻锈剂能在钢筋表面形成一层分子化学保护膜，对已经发生锈蚀或未发生锈蚀的钢筋进行保护.利用科斯特电化学工作站测试2组试件初始极化曲线及交流阻抗.

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

本文采用湿盐砂通电方案，将埋入砂土中的钢筋混凝土作为阳极，直径12 mm的石墨碳棒作为阴极，选用量程为5 V和3 A的PS‑3002D‑Ⅱ型直流电源进行恒电流通电.配制质量分数为5%的NaCl与质量分数为5%的MgSO4复合盐溶液，对砂土进行喷洒，用来模拟西部盐渍土环境.在通电过程中不定期对砂土洒水，采用土壤湿度检测仪控制砂土湿度，确保通电过程中砂土湿度适中一致；同时定期喷洒复合盐溶液，以保证腐蚀离子浓度，通电加速锈蚀试验示意图 如图1所示［19］.48 h为1个通电 加速锈蚀试验循环，测试钢筋极化曲线及交流阻抗，根据三参数极化曲线方程式（式（1））计算钢筋的腐蚀电流密度icorr，根据文献［20］中腐蚀电流密度与腐蚀状态之间的关系（见表2）分析钢筋的锈蚀状态.在通电288 h时，停止试验，取出混凝土中钢筋，对锈蚀钢筋进行扫描电镜（SEM）观测.

表2 钢筋腐蚀电流密度与锈蚀状态之间的关系［20］Table 2 Relationship between corrosion current density and corrosion state of steel bars［20］

图1 通电加速锈蚀试验示意图Fig.1 Schematic diagram of electrification accelerated corrosion test

式中：i为外测极化电流密度；ΔE为极化电位；βa为阳极Tafel斜率；βc为阴极Tafel斜率.

2 试验结果与分析

2.1 极化曲线

图2为再生混凝土中钢筋的极化曲线图.从图2（a）可以看出：RC组试件中钢筋在未通电时，腐蚀电位为-0.08 V左右；随着通电时间的增加，腐蚀电位逐渐向负极移动，表明腐蚀容易发生；在通电192 h后，腐蚀电位向正极移动，这是由于钢筋表面形成的锈蚀层阻挡了钢筋和氧气的直接接触，抑制了钢筋的腐蚀；而在通电240 h后，腐蚀电位又朝着负极移动，这是由于钢筋锈蚀层在混凝土中不断扩散，导致钢筋与氧气又发生接触，钢筋进一步腐蚀.由图2（b）可见：RC‑R组试件中钢筋在未通电时，腐蚀电位为-0.19 V左右；随着通电时间的增加，腐蚀电位整体向负极移动；在通电144 h后，腐蚀电位达到-0.42 V；此后，腐蚀电位略向正极移动，说明腐蚀较难发生，这是由于阻锈剂的加入，使得钢筋表面形成一层氧化层，隔断了钢筋与氧气的接触；在通电192 h后，腐蚀电位又朝着负极移动，这是由于钢筋锈蚀物将氧化层破坏，导致钢筋与氧气又发生接触，钢筋进一步腐蚀.

图2 再生混凝土中钢筋的极化曲线Fig.2 Polarization curves of steel bars in recycled concrete

图3给出了再生混凝土中钢筋腐蚀电流密度.结合图3和表2可以看出：2组试件钢筋腐蚀电流密度均随着通电时间的增加不断增加，RC组试件腐蚀电流密度增加速率先快后稳再快，RC‑R组试件腐蚀电流密度增加速率较慢且稳定；2组试件在通电48 h后钢筋腐蚀电流密度分别为0.278 3、0.145 6µA/cm2，均进入中等腐蚀状态；通电288 h后，RC组试件钢筋腐蚀电流密度为0.901 6µA/cm2，即将进入高腐蚀状态，而由于阻锈剂对钢筋的保护作用，RC‑R组试件钢筋腐蚀电流密度为0.491 6µA/cm2，仍然处于中等腐蚀状态，虽然钢筋锈蚀产物在不断扩散，但阻锈剂在其表面形成的氧化层有效减缓了钢筋锈蚀速率.

图3 再生混凝土中钢筋腐蚀电流密度Fig.3 Corrosion current density of steel bars in recycled concrete

2.2 交流阻抗

图4为RC组钢筋交流阻抗图.由图4（a）可见，随着通电时间的增加，Nyquist复数平面图在通电96 h时右移，但是整体趋势左移，极化阻抗不断减小，说明钢筋锈蚀在不断发生.高频区容抗弧半径的大小代表钢筋抵抗锈蚀的能力.试件未通电时，在高频区有1/2个半圆的容抗弧，中频区有1个小的容抗弧，此时钢筋抵抗锈蚀能力较强；通电48 h时，复数平面图左移，高频区容抗弧变得不完整，中频区有拖尾并逐渐变为直线，此时钢筋正在发生锈蚀；通电96 h时，极化阻抗Z=Z'+jZ″增加，这可能是锈蚀产物在钢筋表面形成了部分锈蚀层，导致极化阻抗增加；这种现象一直持续到192 h，此时极化阻抗开始不断减小.由图4（b）可见，在104~105Hz高频区，相位角θ存在1个峰，即有1个时间参数（表征界面电容信息），钢筋表面有腐蚀现象发生.

图4 RC组钢筋交流阻抗图Fig.4 AC impedance diagrams of steel bars in RC group

图5为RC‑R组钢筋交流阻抗图.由图5（a）可以看出：随着通电时间的增加，复数平面图整体趋势左移，极化阻抗不断减小，说明钢筋锈蚀在不断发生；试件未通电及通电48 h时，在高频区有1个半圆的容抗弧，低频区有1个小的容抗弧，此时钢筋抵抗锈蚀能力较强；通电96 h时，复数平面图左移，高频区容抗弧变得不完整，只有大约1/2个半圆的容抗弧，且低频区有拖尾并逐渐形成小的容抗弧，此时钢筋正在发生锈蚀，这种现象一直持续到288 h.由图5（b）可以看出：通电0、48、192 h时，在104~105Hz高频区，相位角存在1个峰，即有1个时间参数，通电96、144、240、288 h时，除了在104~105Hz高频区相位角存在1个峰外，在10-2~10-1Hz低频区相位角也有1个完整的峰，即有2个时间参数，表明钢筋表面及氧化层表面均有腐蚀现象发生.

图5 RC‑R组钢筋交流阻抗图Fig.5 AC impedance diagram of steel bars in RC‑R group

分析可知钢筋混凝土体系有1~2个时间参数，等效电路拟合如下：

①1个时间参数：

②2个时间参数：

式中：ω为角频率；RC为初始氧化层阻抗；QC为初始氧化层电容；RS，C、QS，C分别为溶液与再生混凝土串联的阻抗和电容；RCr/C、QCr/C分别为钢筋锈蚀层或阻锈剂氧化层的阻抗和电容；Rt为阻锈剂氧化层腐蚀反应的电荷转移阻抗；QD为阻锈剂氧化层表面的双电层电容；QW为Warburg阻抗.

2.3 锈蚀钢筋微观特征及锈蚀机理

图6为再生混凝土中钢筋的SEM图.从图6可以看出：RC组试件中钢筋表面的锈蚀较严重，能明显看到直径较大的锈坑，并且锈蚀物呈现颗粒状，分布较广；RC‑R组试件中钢筋表面的锈蚀较轻微，表面呈现网格裂纹状，伴随着出现大量的微裂纹，有部分直径较小的锈坑，这有可能是阻锈剂产生的氧化层被内部钢筋锈蚀物破坏所致.

图6 再生混凝土中钢筋的SEM图Fig.6 SEM micrographs of steel bars in recycled concrete

3 钢筋可靠度函数

在可靠度统计分析中，Weibull分布因其在对小样本数据的预测中具有精确度高的特点而被广泛应用［21‑23］.本文采用两参数Weibull分布来获取再生混凝土钢筋退化参数.首先验证钢筋腐蚀电流密度能否服从Weibull分布，并估算其形状参数和尺度参数，建立钢筋可靠度函数R（t）：

式中：R为可靠度；t为通电时间；m为形状参数，表示密集程度；β为尺度参数.

图7为钢筋腐蚀电流密度概率（P）图.从图7可以看出，2组试件中钢筋的腐蚀电流密度均位于95%的置信区间内，计算可得概率P＞0.05，表明钢筋腐蚀电流密度服从Weibull分布.

图7 钢筋腐蚀电流密度概率图Fig.7 Probability diagram of corrosion current density of steel bars

4 可靠性评估

本文以钢筋腐蚀电流密度的变化作为钢筋损伤变量D：

式中：icorr，t为通电t时间的腐蚀电流密度；icorr，N为腐蚀电流密度的阈值.根据表2，定义高腐蚀状态为其阈值，故icorr，N=10.0μA/cm2.

用钢筋损伤变量计算退化量ω0，取钢筋的锈蚀程度为60%时达到钢筋破坏阈值［24］.

本文利用最小二乘法计算形状参数和尺度参数.将其代入式（4），得到再生混凝土中钢筋的可靠度曲线，如图8所示.

图8 再生混凝土中钢筋的可靠度曲线Fig.8 Reliability curves of steel bars in recycled concrete

由图8可知：通电前期，RC组试件可靠度下降较快，而RC‑R组试件可靠度下降较慢；可靠度为60%时RC组和RC‑R组钢筋失效时间分别为880、2 060 h，表明添加阻锈剂后RC‑R组混凝土可以有效地保护钢筋；RC‑R组失效时间为RC组的2.34倍，即阻锈剂可使钢筋再生混凝土使用寿命延长至原来的2.34倍.

5 结论

（1）在288 h通电加速锈蚀试验后，添加阻锈剂的RC‑R组钢筋腐蚀电流密度为0.491 6µA/cm2，RC组钢筋腐蚀电流密度为0.901 6µA/cm2.根据Bode图可以看出，RC组有1个时间参数，钢筋表面发生腐蚀，RC‑R组有1~2个时间参数，通电初始阶段钢筋表面发生腐蚀，随着通电时间的增加，钢筋及阻锈剂氧化层表面均发生腐蚀.

（2）对比2组试件经过288 h通电加速锈蚀试验后钢筋的SEM图发现，RC组钢筋表面的锈蚀较严重，有颗粒状锈蚀物的出现，RC‑R组钢筋表面呈现网格状裂纹，锈蚀较轻微.

（3）使用Weibull分布函数对再生混凝土中钢筋的可靠度进行评估，发现通电前期，RC组试件的可靠度下降速率较快，可靠度为60%时RC组和RC‑R组钢筋的失效时间分别为880、2 060 h，阻锈剂可使钢筋再生混凝土的使用寿命延长至原来的2.34倍.