荷载与环境耦合因素作用下混凝土中钢筋锈蚀研究

摘要

钢筋锈蚀所导致的钢筋混凝土结构劣化是混凝土结构设计、建造与维护过程中主要考虑的因素。总所周知，暴露于海洋或除冰盐等侵蚀性环境中的钢筋混凝土结构容易出现氯盐诱导的钢筋锈蚀破坏。混凝土保护层由于钢筋腐蚀产物的膨胀而出现开裂、剥落，直至完全失效，这必然将花费巨大的代价对锈蚀钢筋混凝土结构进行维修或重建。因此，研究混凝土中钢筋锈蚀行为的时变规律对准确分析钢筋混凝土结构的损伤劣化机理并进行服役寿命预测意义重大且任务紧迫。
　　 目前，工程现场评估钢筋锈蚀程度使用最多的是目测与称重法，定性的半电池电位法与混凝土电阻率法也有一定应用。但是，传统的目测与称重方法不能表征钢筋早期的钝化与腐蚀过程，且测试过程对混凝土结构造成较大损伤;其次，定性的测试方法只能表征钢筋发生锈蚀的概率，且受外界环境影响很大。电化学方法能较好地弥补以上方法的缺陷，可以定量地无损地表征钢筋混凝土结构中钢筋早期的钝化行为与腐蚀行为。
　　 由于未考虑荷载的影响，单一环境因素作用下的钢筋锈蚀研究与实际工程环境不符。因此，实验结果无法对实际环境中钢筋混凝土结构的劣化机理与服役寿命做出科学预测。基于以上两个目前普遍存在的问题，本文做了初步的探索与研究。主要创新性结论如下:
　　 (1)模拟混凝土孔溶液中钢筋钝化与腐蚀过程的电化学方法表征。通过腐蚀电位(Ecorr)、线性极化法(LPR)、电化学阻抗谱法(EIS)、恒电流脉冲法(GPM)、循环极化法等电化学方法研究了模拟混凝土孔溶液pH值对钢筋的初始钝化行为与氯盐诱导的腐蚀行为的影响。研究结果表明，随着模拟混凝土孔溶液pH值的升高，钢筋钝化膜更容易生成，并且更为稳定和致密，钢筋耐氯盐侵蚀的能力也越强。因此，从钢筋钝化膜行为与稳定的角度考虑，实际工程应用中应适当控制矿物掺合料的掺量。
　　 (2)开发并完善了电迁移氯盐加速钢筋腐蚀的方法，并应用X-CT测试技术表征了钢筋-混凝土界面区缺陷对钢筋腐蚀发生与发展过程的影响机理。电迁移氯离子加速钢筋腐蚀法明显加速了混凝土内部钢筋的腐蚀进程，且比阳极通电加速钢筋腐蚀法更符合工程实际情况，是一种行之有效的加速腐蚀方法。结合常用的电化学方法(LPR、EIS与循环极化法)能在短时间内较好地表征钢筋的腐蚀行为，准确地预测钢筋的腐蚀概率与腐蚀速率。应用X-CT测试技术能直观地无损地表征钢筋-混凝土界面区的缺陷。腐蚀产物在钢筋表面的生成及向界面区孔缝扩散均可通过X-CT的灰度值得到直观表述，进一步证实了界面区的缺陷会利于氯盐诱导的钢筋腐蚀，并提供了容纳一定量腐蚀产物的空间。
　　 (3)通过电化学方法与微观测试技术系统研究了氯盐与弯曲荷载耦合因素作用下混凝土中钢筋的腐蚀行为。重点分析了应力比、氯盐种类与模拟海水对钢筋腐蚀行为的影响，比较了海洋环境中不同暴露区域(水下区、水位变动区与大气区)混凝土中钢筋的腐蚀程度，得出以下几个主要结论:
　　 i)腐蚀电位、极化电阻、混凝土电阻率与电化学阻抗谱的结果均表明，随着应力比的增加，混凝土内部钢筋的腐蚀程度逐渐增加。循环极化曲线表明，0.5应力比作用下混凝土试件内钢筋发生点蚀的概率明显大于0.3应力比的情况。不同暴露区域氯盐的传输过程有所差异，因而钢筋腐蚀的程度各不相同。一般情况下，水位变动区钢筋的腐蚀程度最大。混凝土受拉区加速腐蚀效应与钢筋-混凝土界面区加速腐蚀效应是影响弯曲荷载与氯盐耦合作用下混凝土试件中钢筋腐蚀速率与腐蚀形貌的两个主要因素。
　　 ii)由于不同暴露区内钙离子与镁离子对混凝土保护层的劣化作用不同，氯盐种类对不同暴露区内钢筋腐蚀行为的影响不完全一致。
　　 iii)模拟海水的侵蚀性不如5％NaCl溶液，尤其对于干湿循环作用下的水位变动区混凝土试件，这种对钢筋侵蚀性的差距更为明显。
　　 (4)通过大量实验与电化学基本原理，建立了氯盐与弯益荷载耦合作用下混凝土中钢筋的腐蚀速率分段时变唯象模型。着重分析了加速腐蚀阶段与腐蚀减缓阶段的不同电化学特征，并分别建立了相应的Butler-Volmer电化学动力学表达式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 混凝土中钢筋锈蚀机理

1．2．2 钢筋锈蚀阶段分析

1．2．3 影响钢筋锈蚀的因素

1．2．4 钢筋锈蚀的测试方法

1．3 研究存在的问题

1．4 本论文研究内容

1．4．1 研究方向

1．4．2 技术路线

第二章 模拟混凝土孔溶液中钢筋的钝化与腐蚀行为研究

2．1 概述

2．1．1 模拟混凝土孔溶液测试的优劣分析

2．1．2 模拟混凝土孔溶液的选取

2．2 原材料、试样和测试方法

2．2．1 模拟混凝土孔溶液配制

2．2．2 电极与腐蚀池

2．2．3 测试方法

2．3 钢筋在不同模拟混凝土孔溶液中的钝化行为

2．3．1 腐蚀电位与腐蚀电流密度

2．3．2 电化学阻抗谱

2．3．3 循环极化曲线

2．4 钢筋在不同模拟混凝土孔溶液中的腐蚀行为

2．4．1 腐蚀电位与腐蚀电流密度

2．4．2 电化学阻抗谱

2．4．3 恒电流脉冲法

2．4．4 宏观腐蚀形貌(OM)

2．4．5 微观腐蚀形貌(SEM／EDXA)

2．5 本章小结

第三章 通电加速氯盐传输作用下钢筋的腐蚀行为研究

3．1 概述

3．2 电迁移加速氯盐传输作用下钢筋在模拟液中的腐蚀行为

3．2．1 研究内容

3．2．2 原材料、试样和测试方法

3．2．3 结果与分析

3．3 电迁移加速氯盐传输作用下钢筋在混凝土中的腐蚀行为

3．3．1 研究内容

3．3．2 原材料、试样和测试方法

3．3．3 结果与讨论

3．4 X-CT表征钢筋-混凝土界面区缺陷

3．4．1 研究内容

3．4．2 原材料、试样和测试方法

3．4．3 结果与分析

3．5 本章小结

第四章 弯曲荷载对钢筋腐蚀行为的影响研究

4．1 概述

4．1．1 弯曲荷载的作用

4．1．2 不同暴露区域的影响

4．2 原材料、试件和测试方法

4．3 应力比对弯曲荷载作用下混凝土中钢筋腐蚀行为的影响

4．3．1 腐蚀电位与混凝土电阻率

4．3．2 极化电阻与腐蚀电流密度

4．3．3 电化学阻抗谱

4．3．4 LPR与EIS比较

4．3．5 循环极化曲线

4．3．6 不同暴露区域对钢筋锈蚀的影响

4．3．7 钢筋表面腐蚀形貌

4．4 氯盐种类对弯曲荷载作用下混凝土中钢筋腐蚀行为的影响

4．4．1 腐蚀参数比较

4．4．2 电化学阻抗谱

4．4．3 极化电阻与电荷转移电阻比较

4．4．4 钢筋-混凝土界面区微结构表征

4．5 模拟海水对弯曲荷载作用下混凝土中钢筋腐蚀行为的影响

4．5．1 腐蚀电位

4．5．2 极化电阻

4．5．3 电化学阻抗谱

4．5．4 钢筋表面腐蚀形貌

4．6 本章小结

第五章 弯曲荷载作用下混凝土中钢筋的腐蚀速率模型

5．1 概述

5．2 腐蚀速率模型

5．2．1 经验模型

5．2．2 氧气与电阻率模型

5．2．3 电化学模型

5．3 钢筋腐蚀速率模型的特征

5．3．1 考虑时变特征的时变模型

5．3．2 考虑氯盐腐蚀特征的点蚀模型

5．3．3 考虑腐蚀随机性的概率模型

5．4 模型建立的关键问题

5．5 弯曲荷载作用下钢筋腐蚀速率的分段时变模型

5．5．1 钢筋破钝化后的腐蚀过程(Ⅰ．加速腐蚀阶段)

5．5．2 钢筋腐蚀产物的积累过程(Ⅲ．腐蚀减缓阶段)

5．6 本章小结与展望

第六章 结论与展望

6．1 全文结论

6．2 创新点

6．3 后续研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表的论文

附录B 攻读博士学位期间参与的项目

附录C 攻读博士学位期间参加的国际博士生课程