嵌入在混凝土中的钢筋暴露于氯化物的腐蚀行为：表面光洁度的影响外文翻译资料

 2022-07-08 14:38:02

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嵌入在混凝土中的钢筋暴露于氯化物的腐蚀行为：表面光洁度的影响

J.O. Rivera-Corrala,b，G. Fajardoa,*, G. Arliguieb, R. Orozco-Cruzc, F. Debyb, P. Valdeza

重要内容：

·研究了暴露于氯化物的混凝土中热处理和镀锌钢筋的腐蚀行为。

·这些研究是在两种水灰比（0.45和0.65）的混凝土试样上进行的，而不是在溶液中进行模拟

·腐蚀开始的时间（去钝化）和损伤的程度都受到钢筋类型的影响。

·在开始阶段和传播阶段进行监测可以更好地了解腐蚀发展。

关键词：

混凝土；腐蚀；钢筋加强试块；表面光洁度；镀锌钢；氯化物

摘要：

在实验室中，使用0.45he 0.65两种水灰比（w/c）的棱柱混凝土试样研究了具有不同表面光洁度（普通（CS），双相（TTS）和加铝（GS））的钢筋的腐蚀行为。将样本暴露于含氯化物环境中进行长达2.6年干湿循环试验。研究了腐蚀电位（Ecorr）和极化电阻（Rp）随时间的演变。还评估了钢筋的显微硬度，微观结构，氯化物含量和目测检查。发现不同的钢棒在两个w/c条件下去钝化之后遵循相同的顺序;即按此顺序：CS，TTS和GS。在初始阶段，TTS的腐蚀电流密度低于CS，在w/c比为0.45的试样中钢筋的传播阶段中观察到类似的行为。通过热浸镀锌获得的锌基涂层延长了CS棒的腐蚀开始时间以及增加了发生这种情况所需的氯化物的量。对于GS和TTS钢筋，观察到局部损伤，对于GS钢筋更为严重。

1.引言

钢筋的腐蚀在很大程度上取决于在水泥浆中形成的相的物理和化学稳定性以及在钢筋表面形成的氧化层的作用（钝化膜）[1]。这个过程将在钝化层被破坏时快速启动[2,3]。对于这种类型的保护，氯化物引起的腐蚀被认为是钢筋表面钝化膜局部腐蚀的主要原因[4]。这些离子可以在混合时进入到混凝土中，包含在拌合水或者骨料中。

尽管如此，氯化物污染的主要来源是海洋环境的暴露和许多国家广泛使用除冰盐。暴露在这种环境中的钢筋混凝土结构（RCS），导致氯离子穿过混凝土保护层。一旦足够多的氯化物超过钢筋位置的临界水平（通常称为临界氯化物含量（Ccrit）或氯化物临界值（Clth）），钝化膜就会被破坏（去钝化），并且腐蚀应该是发起[5-8]。（Clth）值受多种因素影响，如：混凝土配合比，水泥中C3A含量，氯化物含量，化学成分和钢筋表面性能[5,9-12]。

出于这些原因，已经在几个方面进行了尝试以减轻腐蚀导致的劣化。虽然一些研究人员致力于改善混凝土的性能[13,14]，但其他人已经提出了外部保护的替代方法，如阴极保护;并且正在进行一项研究，电化学氯化物萃取，电化学碱化或阴极预防[15-17]。关于钢筋，已经提出了涉及修改表面特性的不同保护选项。最常用的保护方法之一是热浸镀锌，其中普通钢棒涂有锌层。这形成了一种粘附膜，提供了防腐蚀和阴极保护的物理屏障。在开始阶段，这种保护是显而易见的; 然而，在发展阶段，氯化物存在的有效性仍存在不确定性，因为与原锌相比，腐蚀产物会导致体积增大1.5-3.6倍[18-20]。 据报道[18]，即使没有在混凝土表面上出现红锈迹，产生的产物也会导致试样出现裂缝。

此外，作为特殊热处理的结果，具有不同表面微结构的钢筋可商购获得。这种钢筋称为双相，主要由软铁素体基体和由马氏体组成的坚硬外层组成。然而，有可能微观结构发现中存在少量的贝氏体，珠光体和回火奥氏体相（见图1）[21]。 通过这种处理，钢筋能够同时获得良好的延展性和高抗性[22]，并且还可以降低生产成本[23]。

制造符合上述要求的钢筋条的原因很明显。然而，研究集中于评估机械行为，忽视了对腐蚀现象的反应。这反映在与用作混凝土钢筋的TTS钢筋的腐蚀行为有关的信息稀缺。另外，现有的信息会产生矛盾的结果。例如，Trejo [22]和Ismail [24]认为TTS棒材具有改善的耐腐蚀性能。这种行为归因于棒材表面没有珠光体“团块”（铁素体和碳化物层），其存在是在普通钢筋中正常。因此，碳化物（阴极）和铁氧体（阳极）之间的电偶形成将被消除。相比之下，Sarkar [25]，Kelesszlig;temur[26]和Nadlene [27]认为TTS钢筋比普通钢筋具有更高的腐蚀率，这是因为双相钢筋中马氏体百分比的增加增加腐蚀速率。

嵌入混凝土中的钢筋腐蚀损伤机制总是经历三个阶段：开始，去钝化和发展。大多数研究已经在启动阶段进行直到去钝化（或稍微超出），而很少关注于发展阶段。在制造之后，可以假设镀锌钢筋和双相钢筋表现出表面以给定厚度的金属涂层形式进行改性。这里，由氯化物引起的钢筋腐蚀被看作是导致初始直径降低（钢筋表面中的凹坑生长）的表面溶解。另外，当锌涂层被消耗时，钢筋表面处于含有高含量氯化物的介质中，这可能导致钢筋降解立即增加。因此，在这些条件下跟踪这些棒的电化学行为将提供有助于更好地理解腐蚀行为的信息。

在这项工作中，分析了经过氯化物腐蚀过程的双相钢筋（TTS）和镀锌钢（GS）表现出的电化学演变（Ecorr和icorr通过线性极化电阻-LPR的跟踪）。结果与普通钢筋在混凝土中的结果进行比较，在此称为CS。此外，钢筋-混凝土界面附近的氯含量（如氯离子阈值Clth的表示）和各种钢筋腐蚀引起的损伤程度进行了对比。

2.实验过程

2.1.原材料

本研究评估了三种类型的G42工业级钢筋（符合ASTM A615/615M [28]）：CS，TTS和GS。由CS和TTS钢块通过原子发射光谱法获得的化学组成如表1所示.GS棒由一组CS棒的热浸镀锌（根据ASTM A767/A767M [29]）制成。锌层的平均厚度为102微米。

2.2.微观结构和显微硬度

为了进行金相学表征并确定显微硬度，通过交叉切割从棒上取样。将样品抛光成镜面。为此，将样品安装在聚合物中，然后用具有不同粒径的碳化硅纸粗糙化：80,240,320,600,800,1200和2400。随后，使用1/4毫米研磨剂 钻石粘贴在旋转的磁盘上。 在测试之前，将样品洗涤，脱脂并在丙酮中超声清洗，用去离子水漂洗，在室温下干燥，并储存在真空罐中。

图1.普通钢（CS）和双相钢筋（TTS）中不同相位的示意图。

表格1

CS和TTS棒材的化学成分。

元素

C

Mn

P

S

Ni

Si

Cr

Mo

CS,wt.%

0.41

1.13

0.015

0.024

0.07

0.19

0.1

0.01

TTS,wt.%

0.37

0.67

0.021

0.027

0.11

0.21

0.17

0.02

为了获得图像，根据ASTM E407 [30]使用2％NITAL试剂蚀刻金相样品以揭示感兴趣的相。然后，在JSM-6490LV扫描电子显微镜（SEM）中观察样品。

维氏显微硬度由样品横截面上的压痕确定，使用具有面角136°的方形金字塔形金刚石压头的Newage硬度计，其被编程为在15s内施加9.807N的载荷。 压痕之间的间隔为，以确保相邻的测试不会相互干扰。图2和3分别显示了从CS和TTS棒取样的压痕。得到的值与ASTM E384的值进行比较[31]。

2.3.钢筋制备

将直径10毫米的棒切成180毫米的长度。由于CS和TTS棒的物理相似性，后一类型的一端标记用于标识目的（在目视检查结果（如“标识用于标识”）中进行标记）。随后，将电线连接到棒的一端以执行电化学测试。然后，为了促进和控制氯化物引起的腐蚀，在每个棒的中间部分（称为“暴露区域”）中勾画出长度等于50mm的区域。筑块的其余部分涂有环氧树脂涂料和绝缘胶带。

试样的设计考虑到钢筋的一端会暴露在环境中，并容易受到氯化物的作用，这可能导致该部分的腐蚀过程。Hartt最近证实了这些问题[32]，他们发现，如果研究区域外的腐蚀过程未发生改变，电化学结果可能会被误解。因此，棒材的准备工作以风化防护结束，以避免在电气连接中形成电偶（见图4）。为了实现这一点，使用聚氯乙烯（PVC）管作为模板将具有电连接的棒的端部嵌入聚合物树脂中，该模板被保持为额外的保护。在PVC管的底部，放置了一个螺纹连接器，可以更好地锚固混凝土试样。在顶部，放置了一个可移动的帽子，便于接触电线。

图2. 在CS棒的横截面上制作的压痕。

图3. 在TTS棒的横截面上制作的压痕。

2.4.样品的制备

一系列棱柱形混凝土试件的尺寸为175times;90times;150 mm，由两块相同类型和两个w/c比例（0.45或0.65）的嵌入式钢筋组成。试件的混凝土保护层厚度为40 mm（见图5），建议用于工厂控制条件下的预制混凝土以及在性能生命周期中暴露于外部氯化物源[33]。在试样制造期间，使用普通波特兰水泥（符合NMX C-414标准的CPO 40，类似于根据ASTM C150 [34]的类型I），其化学组成如表2所示。碎石灰石聚集体为标称尺寸为12毫米用于粗骨料，5毫米用于细骨料。粗粒和细粒料均符合ASTM C33规范[35]。表3列出了混合物的设计。

将样品浇铸在钢模中，然后储存在20℃和95％RH的房间中24小时。在这段时间之后，样品在20plusmn;1℃和100％RH的持续喷雾水的房间中脱模和固化28天。共制造了36个混凝土试样。在表4中，描述了用于识别标本的术语。

固化后，在混凝土试样的上下两端各距离20mm处涂上一层聚合物混凝土密封剂。通过这种方式，标本的优先暴露区域被划定了界限。

2.5.暴露条件

为了加速氯化物进入，将样品暴露于由部分浸入含有35g/L NaCl的溶液（从该点测量暴露时间）中4天组成的循环，随后在环境中干燥3天 在40℃和60％RH下室。

2.6.电化学测试

在暴露期间，腐蚀电位Ecorr[36]和LPR使用连接到个人计算机的恒电位恒电流仪获得。使用三电极配置，其中嵌入在混凝土中的棒起到工作电极的作用，不锈钢板起到辅助电极的作用，并且饱和甘汞电极（SCE）用作参考电极。对于LPR测量，工作电极以0.1mV/s的扫描速率极化至plusmn;20mV至Ecorr。使用不同的Stern和Geary常数B值来获得腐蚀电流密度（icorr = B / Rp）。对于CS和TTS棒的情况，被动状态下的值为52mV，活动状态下的值为26mV [37-39]。同时，对于GS棒，其值为被动状态下的20mV和活动状态下的39mV[40]。然而，一旦测量的Ecorr代表与CS样品相对应的核心，则使用与活性状态下的CS棒相同的B值[41]。

电化学测试每隔7天进行一次，并且对于两种w/c比率中的每一种，总是在浸泡期结束时（在第四天结束时）对三种类型的钢筋进行。

图4.钢筋风化防护示意图。

图5.混凝土试样的示意图（所有尺寸均以mm为单位）。

表2 化学成分，以wt％计

Na2O

MgO

Al2O3

SiO2

SO3

K2O

CaO

Fe2O3

PPL

0.86

1.16

3.97

16.7

5.46

0.8

66.42

2.46

4.12

表3 混凝土的设计和力学性能

组成

比重（kg / m3）

水泥

3

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