不同掺合料混凝土钢筋锈蚀的线性极化方法研究.pdf

2 0 1 1年 第 8 期 (总 第 2 6 2 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEoR ET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 8 0 0 8 不同掺合料混凝土钢筋锈蚀的线性极化方法研究 李悦 ，颜超 ，杜修 力，乔磊 ，张勇 ( 北京工业大学 建工学院， 北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要： 钢筋锈蚀导致混凝土过早开裂， 钢筋混凝土承载力降低 ， 是目前结构耐久性降低的主要原因。 通过线性极化方法对不同水灰比 和不同掺合料的混凝土钢筋锈蚀进行研究， 测得了钢筋混凝土的极化电阻、 锈蚀电流和锈蚀速率。 结果表明： 对于同一种胶凝材料， 随着水 灰比的降低极化电阻增大， 锈蚀电流和锈蚀速率减小； 矿渣和粉煤灰的掺人也提高了钢筋混凝土的抗锈蚀能力。 关键词 ： 线性 极化 ；掺合料 ；极化 电阻；锈蚀 电流；锈蚀速率 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 - 0 0 2 4 0 3 St u dy on l i n ea r pol ar i z a t i on me t hod of s t e el c or r os i on of di ffer e n t a dm i x t ur e s i n c on c r et e u Y u e ， Y AN C h a o ， DUXi u 一 1 i ， Q I A0L e i ， Z HA NG Y o n g ( Co l l e g e o f A r c h i t e c tu r e a n dCi v i l E n g i n e e ri n g ， B e ij i n gUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y， Be i j i n g 1 0 0 1 2 4， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： S t e e l c o r r o s i o nl e a d s t O e a r l y c r a c ko f c o n c r e t e a n dd e c r e a s e o f b e a r i n g c a p a c i tyo f r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， t h i s i s t h ema j o r r e a s o nf o r r e d u c t i o n o f s t r u c tur e d u r a b i l i ty I n t h i s p a p e r ， po l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e ， c o rro s i o n c u r r e n t a n d c o rro s i o n r a t e a r e o b t a i n e d t h r o ug h t h e s tu d y o fl i n e a r p o l a r i z a t i o nme t h o df o r r e i nf o r e e d c o n c r e t e c o rro s i o n o f d i f r e r e n t wa t e r c e me n t r a t i o s a n dd i f f e r e n t a d m i x t u r e s Th e r e s ul t s s h o w t h a t ： f o r s a me c e - me n t i t i o u s ma t e ria l ， wi t h t h e d e c r e a s e o fwa t e r - c e me n t r a t i o， p o l a r i z a t i o n r e s i s t an c e i n c r e a s e s， c o rros i o n c u rre n t an d c o rro s i o n r a t e d e c r e a s e； t h e mi x o f s l a g a n d fl y a s h a l s o i n c r e a s e s t h e r e s i s t anc e c a p a c i ty o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o r r o s i o n KeyW O r ds ： l i n e a r po l a r i z a t i o n； a d mi x t ur e； p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e ； c o rro s i o n c u r r e n t ； c o r r o s i o n r a t e 0 引 言 钢筋锈蚀是钢筋混凝土耐久性研究 中的一个十分 重要 的方 面。 提高钢筋的抗锈蚀能力对于钢筋混凝土结构的耐久性至关重 要。 目前对钢筋锈蚀研究的电化学方法有很多种， 比较常用的方法 主要有三种： 半电池电位法、 线性极化法和交流阻抗法 1 。 半电池 电位法只能定性判断钢筋发生锈蚀的可能性， 不能定量的检测 钢筋锈蚀圜； 交流阻抗法测试时间长 、 测量仪器复杂昂贵， 而且 数据处理困难； 线性极化法是检测钢筋锈蚀的一种简单、 快速、 无 损伤的技术， 此法主要基于斯特恩一 基尔提出的公式 ， 对被测钢筋 外加一个匣定电位， 保证扰动信号足够小， 使电压与电流之间满足 线性关系l3 J 。 线性极化法能给出可靠的腐蚀电流和腐蚀速率值。 目前国内杜爱玲 应用线性极化的方法研究了普通钢筋混 凝土的钢筋锈蚀， 但没有对掺有矿渣和粉煤灰的钢筋混凝土进行 研究。 史美伦5 1 应用线性极化和交流阻抗的方法对掺有矿渣的混 凝土钢筋锈蚀进行了研究， 但没有考虑粉煤灰对钢筋锈蚀的影响。 因此关于不同掺合料的混凝土钢筋锈蚀的线性极化研究并不充分。 本试验针对不同掺合料的混凝土钢筋锈蚀， 通过线性极化方法的 研究， 得到了不同水灰比和不同掺合料的混凝土钢筋锈蚀的规律。 1 试验 1 1 碌拣精 采用 P 0 4 2 5 级水泥， 水泥密度 3 1 g c m s ； 粉煤灰为符合 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ J0 2 6 基金项 目：北京市 自然基金重大课题( 8 1 0 0 0 0 1 ) 24 国标 G B T 1 5 0 6 -2 0 0 5 标准的F类 I 级粉煤灰， 密度 2 3 ed c m ； 矿渣为符合国标 GB T 1 8 0 4 6 -2 0 0 0标准的 $ 9 5 级矿渣粉 ， 密 度 2 5 g c m ； 中砂表观 密度 2 6 5 0 k g m ， 细度模 数为 2 8 ； 碎石 表观密度 2 7 0 0 k g m ， 颗粒级配符合 5 1 0 mlT l 连续级配要求 ； 减水剂采用聚羧酸系固体高效减水剂； 引气剂为磺酸烃的有机 盐类 。 1 2配合 比 本试验主要通过线I 生 极化方法， 考察不同水灰比、 不同掺合料 对钢筋锈蚀的影响。 根据试验要求 ， 坍落度控制在 1 6 0 2 0 0 i T u n 之间， 含气量控制在 4 5 ， 以保证有良好的流动性。 C3 0 ( ； 5 0 以及掺矿渣和粉煤灰的混凝土应用广泛， 因此混凝土配合比设 计结果如表 1 。 1 3试验 方 法 混凝土坍落度和含气量试验均按照 G B T 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 ( 普 通混凝土拌合物性能试验方法标准 中的试验规程进行 ； 强度 试验按照GB T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法 中 的强度试验规程进行 。 钢筋混凝土构件尺寸 1 0 0 m mx l O 0 m mx 3 0 0 m i l l ， 保护层厚 度为2 0 1 1 1 1 1 1 ， 在对角处各放置一根直径为6 i i ra， 长度为 3 0 0 mm 的光圆钢筋， 两头露出来的部分做防锈处理， 避免对试验的影响， 在标准养护室中养护 2 8 、 6 0 d 进行测量。 成型试件见图 1 ( a ) 。 美国阿美特克公司 P AR 2 2 7 3仪器对混凝土中的钢筋锈蚀 进行测量， 仪器基于线性极化原理。 试验采用两电极体系， 将工 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 配合比设计结果 序号 设计强度等级 水胶比 水泥 ( k g m ) 水 ( k g m ) 砂 ( k g m ) 石 ( k g m ) 矿渣 ( k g m ) 粉煤灰 ( k g m ) 减水剂 ( k g m ) 引气剂 ( k g m ) 作电极与待测的钢筋连接， 辅助电极和参比电极连接到另一根 钢筋上， 参比电极要更接近于工作电极用来保证电位的稳定， 两 个电极之间形成一个回路 ， 用来测量极化电阻、 锈蚀电流和锈 蚀速率 ， 测量原理图如图 l ( b ) 。 仪器扫描速率为 l mV s ， 扫描 电位范围从一 2 0 mV到+ 2 0 mV。 用相应的 P o w e r S u i t e 软件进行 数据处理和分析。 阳极过程中的塔菲尔常数， mV， 试验中为 1 0 0 mV； 9 c 阴极过程 中的塔菲尔常数 ， mV， 试验 中为 1 0 0 mV。 当实际的应用电压与开路电压很接近时， 通过指数幂级数 展开式简化， 得到关于电流和电压的方程( 2 ) ： - 2 3 ( 卢 ) ( E E ) ( ) ( 2 ) 把线性极化腐蚀试验数据绘制成电压和电流的曲线图， 把 曲线图的斜率成为极化电阻。 极化电阻通常缩写为 R 。 ， 单位为欧 姆 ， 表达式如下 ： R p - fl J 2 _ 3 ， c ( 郑 。 ) 】 ( 3 ) 通过转换得到腐蚀电流的表达式： ， 唧 【 2 3 ( f1 + fl ) ( 4) 腐蚀速率的表达式为式( 5 ) 【7 ： 腐蚀速率 = c ( E ) ( ) ( 5 ) ( a ) 成型试件 ( b ) 测量原理图 式中： E W样品当量质量， g ， 本试验中钢筋长度为 3 0 0 mn l ， 图1 试件测量 故计算得 EW为 7 5 9 g； 1 4 线性 极化 工作 原理 G 转换常数， 当腐蚀速率单位为毫英寸 年， 取 1 2 8 7 x 极化电阻拟合是应用线性回归分析计算出极化电阻， 然后 1 0 s ； 使用这个值来确定腐蚀电流和腐蚀速率。 这种计算是面向找到 d 密度， g mL， 本试验中为 7 8 5 g m L； 一 个体系的腐蚀速率， 并且它与斯特恩和盖瑞提出的理论方法 A钢筋与混凝土接触面积 ， c m 2 ， 本试验中钢筋与混凝 相关6 1 。 这种方法假定一个典型的腐蚀系统只涉及两个电化学 土接触长度为 2 6 0 I n lT l ， 故计算得 A为 6 5 2 c m 2 。 量 璺 ，篡 ： 芎 登 ， 2试 验 结 果 与 分 析 过 程 中 观 测 的 电 流 对 数 与 电 化 学 反 应 中 实 用 电 位 和 氧 化 还 原 一 。 电位的不同是直接相关的。 2 1 试验 结 果 由斯特恩一 基尔提出描述一种电化学氧化还原的腐蚀体系 通过试验测得钢筋混凝土的力学性能、 极化电阻、 锈蚀电 的方程( 1 ) 嘲： 流密度和锈蚀速率值见表 2 。 ， ( E ) = 1 0 1 0 ) 】 ( 1 ) 2 2 结果分析 式中： E 实际的应用电压 ； 从表 2中可以看出， 不同掺合料的钢筋混凝土试件的实配 I ( E) 应用电压为 E时对应的电流； 强度均满足设计强度要求。 在标准养护室养护 2 8 d后的锈蚀电 ， o 体系的开路电流； 流、 锈蚀速率都很小； 养护 6 0 d后锈蚀电流、 锈蚀速率的变化非 E 一体系的开路电压； 常微小， 说明在标准养护条件下钢筋锈蚀速度较慢。 表 2钢筋混凝土的力学性能和锈蚀信 息 序 号 一度 等 级 d 度 2 8 d 电 阻 6叫 电 阻 o dl 流 篙 篙 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 通过整理数据 ， 得 到 2 8 d极化 电阻的变化趋势 图， 如图 2 。 、 岛 勺 水 灰 比 图 2 2 8 d极化电阻的变化趋势 从图 2中可以得出， 对于 3 种不同的胶凝材料 ： 水泥、 水泥+ 粉煤灰 、 水泥 + 矿渣， 随着水灰比的降低同一种胶凝材料钢筋 混凝土的 2 8 d极化电阻增大， 因此锈蚀电流和锈蚀速率减小。 从 增幅上来看， 胶凝材料为水泥的2 8 d极化电阻的增幅最大， 掺人 矿 渣的次之 ， 掺人粉煤灰的增幅最小 。 同时 ， 水 灰 比低并不一定 意味着钢筋混凝土的极化电阻大， 因为掺合料也会对极化电阻 有很大的影响。 同时从图2中可以看出， 对于同一水灰比的钢筋混凝土试 件， 矿渣和粉煤灰的掺入都大大提高了极化电阻， 降低了锈蚀 电流和锈蚀速率 ， 原因在于两种混合料的掺入都提高了混凝土 的密实度和抗渗性， 导致钢筋锈蚀的电化学反应难以进行。 与掺 人粉煤 灰的钢筋混凝土试件相 比， 掺入矿渣的试件对极 化电阻 的提高程度更大， 锈蚀电流和锈蚀速率也相对更小， 掺人矿渣 对钢筋混凝土抗锈蚀能力 的提高更为显 著。 3结论 ( 1 ) 对于掺入混合料的钢筋混凝土， 在标准养护室养护 2 8 、 上接第 2 3页 出的未锈蚀钢筋锚固强度公式乘以式( 6 ) 的黏结强度退化系数 进 行验算 。 参考文献 ： 【 1 】 C E C S ： 2 2 0 - - 2 0 0 7 ， 混凝土结构耐久性评定标准f s 1 计划出版社， 2 0 0 7 2 】A N DR E S A， T O R R E S - A C OS T A， e t a1 R e s i d u a l l i f e o f c o r r o d i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n m a r i n e e n v i r o n m e n t J J o u r n a l o f m a t e r r i - a l s i n c i v i l e n g i n e e ri n g AS CE 2 0 03 3 】 张平生 ， 等锈损钢筋的力学性能【J J 工业建筑， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 9 ) 4 惠云玲 ， 等锈蚀钢筋性能试验研究分析fJ 1 工业建筑， 1 9 9 7 ， 2 6 ( 6 ) 5 】B 1 0 C e T X O S Ha M e a e r I p O q H O C T H H皿 e 巾o p Ma T H B H o c T H J l e 3 0 6 e T O H H b l X 6 a n o x H n H T np H pa 3 p y m e H HH 6 e T O Ha B pa C T g H y T O I 3 O He c e qe H r t a H3 B J B y a o B C T p O H T e b C T B O H Ap x H x e x T y p a ， 1 9 8 7 ( 8 ) 1 6 I6 陶峰 ， 等 服役钢筋混凝土构件承载力的试验研究 工业建筑 ， 1 9 9 6 ， 4 ( 2 6 ) 7 惠云玲 ， 等 混凝土受弯构件腐蚀前后构件性能试验研究报告 R 冶 金部建筑研究总院， 1 9 9 6 【 8 】牛荻涛 ， 等锈蚀钢筋混凝土梁承载力计算方法研究【 J J l建筑结构 ， 2 0 0 2 ( 1 0 ) 9 】王厌霖， 等 锈蚀钢筋混凝土构件协同工作性能及承载力分析 c 第 7 届全国建筑物鉴定与加固改造学术会议论文集， 重庆出版社， 2 0 0 4 【 1 0 A B U L K， A Z A D， e t a 1 R e s i d u a l s t r e n g t h o f c o r r o s i o n d a m a g e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms J A C I ma t e ri a l s j o u r n al， 2 0 0 7 ， 1 0 4 ( 1 ) 【 1 1 】 AN D R E S A T O R R E S - A C O S T A， e t a 1 Re s i d u a l fl e x u r e c a p a c i t y o f c o rr o d 一 2 6 6 0 d后 的锈蚀 电流 、 锈蚀速率都非常小。 ( 2 ) 对于同一种胶凝材料 ， 随着水灰比的降低钢筋混凝土 的极化 电阻增大 ， 抗 锈蚀 能力增强 ， 锈蚀 电流和锈蚀速率减小。 ( 3 ) 矿渣和粉煤灰的掺入都大大提高了极化电阻， 降低 了 锈蚀电流和锈蚀速率。 相对于掺入粉煤灰的钢筋? 昆 凝土， 掺入矿 渣的试件对极化电阻的提高程度更大， 试件的抗锈蚀能力更强。 参考文献 ： 1 张誉混凝土结构耐久性概论【 M J _ 上海科学技术出版社， 2 0 0 3 【 2 吴瑾 冈 筋混凝土结构锈蚀损伤一 检测与评估【 M 科学技术出版社 ， 2 0 o 5 【 3 】韩天文 钢筋锈蚀检测的电化学方法 J 1 建筑与发展， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 1 2 5 1 2 6 4 1 杜爱玲， 侯文涛 线性极化方法测量混凝土中钢筋的腐蚀速度【 J 】 电 化学， 2 0 0 0 ( 6 ) ： 2 9 7 3 0 3 5 】 史美伦， 张雄， 吴科如 微粒矿渣掺合料对混凝土中钢筋锈蚀影响的 电化学研究 J 1 _ 硅酸盐学报 ， 1 9 9 8 ( 6 ) ： 6 8 3 6 8 8 6 】F E L I U S ， GO N Z AL E Z J A， e t a 1 O n s i t e d e t e r mi n a t i o n o f t h e p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e i n a r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m C ff F h e I n t e r n a t i o n a l C o r r o s i o n F o r u m ， 1 9 8 7 【 7 】HE A M N， AI E L L O J E f f e c t o f me c h a n i c a l r e s t r a i n t o n t h e r a t e o f c o r r o s i o n i n c o n c r e t e J C a n a d i a n J o u r n al o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 8 ， 1 ( 2 5 ) ： 81 -8 6 作者简介 ： 李悦( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 博 士后 ， 教授 ， 研 究方向 ： 水泥混 凝土材 料、 建筑结构诊断与维修加固。 联系地址： 北京市朝阳区平乐园 1 0 0号 北京工业大学建工学院 ( 1 0 0 1 2 4 ) 联系电话 ： 1 3 3 8 1 3 0 7 4 6 6 e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m s J E n g i n e e ri n g s t r u c t u r e s ， 2 0 0 7 ， 2 9( 6 )： l 】 4 5 - 1 1 5 2 【 1 2 AML E H L， e t a1 C o r r o s i o n i n fl u e n c e o n b o n d b e t w e e n s t e e l a n d c o n c r e t e J A C I s t ruc t u r a l i o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 9 6 ( 3 ) ： 4 1 5 4 2 3 1 3 S T A NI S H K， e t a1 C o r r o s i o n e f f e c t s o n b o n d s t r e n g t h i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e J A C I s t ruc t u r a l io u mal， 1 9 9 9 ， 9 6 ( 6 ) ： 9 1 5 - 9 2 1 【 1 4 G B 5 0 0 1 0 - - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范【 s 】 1 5 徐有邻 各类钢筋黏结锚固性能的比较J 福州大学学报， 1 9 9 6 ， 2 4 ( 9 ) 1 6 陈留国 受腐蚀钢筋混凝土的黏结性能【 工业建筑， 2 0 0 4 f 1 7 A L S U L A I MAN I G J ， e t a 1 I n fl u e n c e o f c o rr o s i o n a n d c r a c k i n g o n b o n d b e h a v i o r a n d s t r e n gt h o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e m e mb e r j l J 1AC I s t rue t u r alj o u rua l ， 1 9 9 0 ， 8 7 ( 2 ) ： 2 2 0 2 3 I 1 8 A U Y E U NG Y， e t a 1 B o n d b e h a v i o r o f c o rr o d e d r e i n f o r c e me n t b a r s J 1 A C I ma t e ri a l s i o u ma l ， 2 0 0 0 ， 9 7 ( 2 ) ： 2 1 4 2 2 0 【 1 9 MA NG A T P S ， e t a 1 B o n d c h a r a c t e ri s t i c o f c o rro d i n g r e i n f o r c e m e n t i n c o n c r e t e b e a ms J Ma t e ri a l s a n d s t ruc t u r e s ， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 2 ) ： 8 9 9 7 f 2 0 C A B R E R A J G D e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e d u e t o r e i n f o r c e me n t s t e e l c o r r o s i o n J C e me n t a n d c o n c r e t e c o mp o s i t e s ， 1 9 9 6 ， 1 8 ( 1 ) ： 4 7 - 5 9 作者简介 联系地址 联 系电话 张永利( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 博士研究生， 主要从事混凝土结构耐 久性和地震模拟振动台试验系统的研究。 西安市雁塔路 l 3号 西安建筑科技大学土木工程学院 ( 7 1 0 0 5 5 ) 0 2 9 8 2 2 0 7 8 9 4 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 叭 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m