曹忠露，張文鋒，李沛

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

海水環(huán)境混凝土部位劃分為水下區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)和大氣區(qū)，不同分區(qū)所處的全浸水狀態(tài)、全氣中狀態(tài)或水氣交變狀態(tài)被定義為水氣環(huán)境。混凝土結(jié)構(gòu)所處的水氣環(huán)境對(duì)其內(nèi)部鋼筋的腐蝕影響顯著[1-2]。水氣環(huán)境的變化不僅影響混凝土內(nèi)部的氧氣傳輸及濃度，還影響混凝土的含水率和電阻率，從而影響鋼筋的腐蝕速率。同一結(jié)構(gòu)不同部位所處的水氣環(huán)境的差異易引起混凝土內(nèi)部含水率和氧氣濃度的分布不均，進(jìn)而引起鋼筋腐蝕的不均勻，導(dǎo)致宏電池腐蝕的形成。

水氣環(huán)境對(duì)混凝土中鋼筋腐蝕的影響已有相關(guān)報(bào)道。RAUPACH M[3]的研究表明，只有當(dāng)鋼筋周圍的混凝土處于水飽和狀態(tài)，并且鋼筋表面附近的大部分氧氣已被腐蝕過(guò)程的陰極反應(yīng)消耗掉時(shí)，氧氣的擴(kuò)散才是限制鋼筋腐蝕速率的一個(gè)重要因素。HUSSAIN R R等[4-6]的研究發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部濕度或含水率較高時(shí)，水分能充填空隙，堵塞氧氣傳輸?shù)耐ǖ?，降低腐蝕反應(yīng)所需氧氣濃度。LOPEZ W和GONZALEZ J A等[7-8]的研究指出，存在一個(gè)臨界的孔隙飽和度，該飽和度使砂漿的電阻率為100 k贅·cm，低于該飽和度時(shí)，砂漿的電阻率足以有效地防止鋼筋的腐蝕。此外，Song X等[9]認(rèn)為，孔隙飽和度與陰極/陽(yáng)極面積比之間存在明顯的關(guān)系，氧氣的傳輸及濃度的差異會(huì)使鋼筋表面的部分區(qū)域變?yōu)殛帢O或陽(yáng)極，從而決定了陰極/陽(yáng)極面積比。SAG譈魪S A A等[10]的研究表明，當(dāng)混凝土柱體在干燥或部分潮濕時(shí)，鋼筋的陰極反應(yīng)主要是在活化極化控制下進(jìn)行的，而在完全濕潤(rùn)時(shí)幾乎由擴(kuò)散控制。

雖然在水氣環(huán)境影響鋼筋腐蝕方面已有相關(guān)研究并取得一定成果，但針對(duì)水氣環(huán)境對(duì)混凝土中鋼筋宏電池腐蝕影響的報(bào)道較少。水氣環(huán)境的變化對(duì)宏電池腐蝕電位差、宏電池腐蝕電流、宏電池腐蝕極化行為及其控制模式有何影響需進(jìn)一步闡明。另外，水氣環(huán)境變化對(duì)鋼筋微電池腐蝕和宏電池腐蝕的比例關(guān)系有何影響也需進(jìn)一步的探明。

為解決上述問(wèn)題，本文基于宏電池腐蝕理論，將陰極鋼筋和陽(yáng)極鋼筋分別澆筑在兩個(gè)獨(dú)立的混凝土試塊中，用導(dǎo)線的連接或斷開(kāi)來(lái)模擬宏電池腐蝕或微電池腐蝕，通過(guò)往混凝土試塊的預(yù)留孔中加水或?qū)⒒炷猎噳K完全浸入水中來(lái)改變混凝土的水氣環(huán)境，通過(guò)分析宏電池電位差、宏電池極化比率、宏電池電流密度和微電池電流密度，研究不同水氣環(huán)境對(duì)混凝土中陰、陽(yáng)極鋼筋宏電池腐蝕行為的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

本試驗(yàn)選用直徑18 mm，長(zhǎng)180 mm的光圓鋼筋。為防止試驗(yàn)過(guò)程中，鋼筋端部的大氣腐蝕對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確性的影響，鋼筋兩端部40 mm長(zhǎng)的部位均用聚苯乙烯樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂密封涂裹。試驗(yàn)用混凝土由拌合水、P.O42.5普通硅酸鹽水泥和石英砂配制而成，其配合比為W頤C頤S=0.7頤1頤5，混凝土試塊在拌合澆筑時(shí)分別以氯化鈉的形式摻入占水泥質(zhì)量0%和3%的氯離子。

1.2 方法

鋼筋被澆筑于80 mm伊80 mm伊160 mm混凝土試塊的正中心位置，且四周均勻分布著4個(gè)直徑6 mm的小孔，小孔邊緣與鋼筋表面距離為8 mm。向4個(gè)小孔注水可以增加鋼筋周圍混凝土的濕度。所有試件脫模前在模具中凝固硬化1 d，脫模后在水中養(yǎng)護(hù)2周。之后，在試驗(yàn)開(kāi)始之前，置于試驗(yàn)室環(huán)境下再干燥2周[11-15]。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)表1和圖1。每種組合包含1個(gè)陰極鋼筋試塊和1個(gè)陽(yáng)極鋼筋試塊，2個(gè)試塊被放置在含有少量水的平底塑料器皿中且與水接觸，試塊中的陰極鋼筋和陽(yáng)極鋼筋分別與導(dǎo)線連接，陰極鋼筋的導(dǎo)線和陽(yáng)極鋼筋的導(dǎo)線通過(guò)開(kāi)關(guān)控制其斷開(kāi)（微電池腐蝕）狀態(tài)和連接（宏電池腐蝕）狀態(tài)，每個(gè)連續(xù)的斷開(kāi)狀態(tài)和連接狀態(tài)作為一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。陰極試塊（A側(cè)）的氯離子含量為水泥質(zhì)量的0%，使得鋼筋處于鈍化狀態(tài)。陽(yáng)極試塊（B側(cè)）的氯離子含量為水泥質(zhì)量的3%，使得鋼筋處于腐蝕狀態(tài)。由于鋼筋的宏電池腐蝕行為受陰極鋼筋和陽(yáng)極鋼筋的面積比影響較大，故本文在恒定陰/陽(yáng)極鋼筋面積比為1的情況下，研究分析混凝土試塊的不同水氣環(huán)境變化對(duì)鋼筋宏電池腐蝕行為的影響。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

混凝土試塊的水氣環(huán)境通過(guò)向4個(gè)預(yù)留小孔中注水或?qū)⒃噳K浸入水中來(lái)改變。例如，對(duì)比循環(huán)D，循環(huán)E（圖1（b））通過(guò)往A側(cè)試塊的4個(gè)小孔中充滿水以增加A側(cè)陰極鋼筋周圍混凝土的含水率；循環(huán)G（圖1（d））將B側(cè)試塊完全浸沒(méi)在水中以使B側(cè)陽(yáng)極鋼筋周圍混凝土處于全浸水狀態(tài)。試驗(yàn)通過(guò)對(duì)陰極混凝土試塊和陽(yáng)極混凝土試塊所處水氣環(huán)境的改變，來(lái)近似模擬實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中混凝土水氣環(huán)境的差異，進(jìn)而試驗(yàn)闡明水氣環(huán)境變化對(duì)海工混凝土中鋼筋宏電池腐蝕的影響。

圖1 試驗(yàn)過(guò)程和循環(huán)類型Fig.1 Experimental process and cycle types

在試驗(yàn)過(guò)程中，使用新日鐵技研會(huì)社CM-SE1腐蝕診斷器測(cè)量鋼筋在微電池狀態(tài)和宏電池狀態(tài)下的半電池電位（參比電極為Ag/AgCl，輔助電極為SUS304不銹鋼）、腐蝕阻抗、以及混凝土的電阻抗。為了區(qū)分微電池腐蝕電流密度和宏電池腐蝕電流密度，以及更好的理解它們之間的關(guān)系，鋼筋在斷開(kāi)狀態(tài)下的腐蝕電流密度稱之為微電池腐蝕電流密度[11-16]，可由Stern-Geary等式計(jì)算獲得，即：icorr-mi=B/Rp，式中：icorr-mi為微電池腐蝕電流密度，滋A/cm2；Rp為鋼筋阻抗，k贅·cm2；B為Stern-Geary常數(shù)，當(dāng)鋼筋處于腐蝕狀態(tài)時(shí)取值為26 mV，當(dāng)鋼筋處于鈍化狀態(tài)時(shí)取值為52 mV。當(dāng)陰極試塊和陽(yáng)極試塊處于連接狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)陰極鋼筋和陽(yáng)極鋼筋間的電流（即宏電流），使用零電阻電流計(jì)測(cè)得。宏電池腐蝕電流密度由下式計(jì)算獲得，即：icorr-ma=Ima/Aa，式中：icorr-ma為宏電池腐蝕電流密度，滋A/cm2；Ima為宏電池腐蝕電流，滋A；Aa為陽(yáng)極鋼筋的腐蝕面積，cm2。

2 結(jié)果與討論

圖2給出了不同水氣環(huán)境下，陰/陽(yáng)極鋼筋的半電池電位、微電池電流密度、宏電池電流密度和混凝土電阻抗的時(shí)間演化曲線。依據(jù)文獻(xiàn)[16]給出的方法，計(jì)算微電池狀態(tài)下陰極鋼筋和陽(yáng)極鋼筋之間的電位差ΔEcorr1，宏電池狀態(tài)下陰極鋼筋和陽(yáng)極鋼筋之間的電位差ΔEcorr4，陰極鋼筋在宏電池狀態(tài)下的極化電位差ΔEcorr2，陽(yáng)極鋼筋在宏電池狀態(tài)下的極化電位差 ΔEcorr3，且 ΔEcorr1=ΔEcorr2+ΔEcorr3+ΔEcorr4；計(jì)算陰極鋼筋的宏電池腐蝕極化比率PRsteel-c=ΔEcorr2/ΔEcorr1，陽(yáng)極鋼筋的宏電池腐蝕極化比率PRsteel-a=ΔEcorr3/ΔEcorr1，混凝土阻抗的宏電池腐蝕極化比率PRcon=ΔEcorr4/ΔEcorr1，且PRsteel-c+PRsteel-a+PRcon=1。

圖2 不同水氣環(huán)境下，陰/陽(yáng)極鋼筋的半電池電位、微電池電流密度、宏電池電流密度和混凝土電阻抗的時(shí)間演化曲線Fig.2 Time evolution curves of the half-cell potential,micro-cell current density,and macro-cell current density of cathodic/anodic steel and the concrete resistance under different water-air environment

2.1 水氣環(huán)境對(duì)宏電池電位差和宏電池電流的影響

圖3給出了不同水氣環(huán)境下鋼筋宏電池電位差和宏電池電流的變化。在循環(huán)D時(shí)，A側(cè)陰極試塊和B側(cè)陽(yáng)極試塊均置于空氣中，在微電池狀態(tài)下A側(cè)和B側(cè)鋼筋間存在顯著的電位差，宏電池狀態(tài)下形成的宏電流亦十分顯著。當(dāng)B側(cè)陽(yáng)極試塊的小孔注水后（循環(huán)F），陽(yáng)極鋼筋附近混凝土的含水率增大，混凝土的電阻抗減小，陽(yáng)極鋼筋的半電池電位降低，進(jìn)而引起電位差的增大和宏電流的增加。當(dāng)B側(cè)陽(yáng)極試塊進(jìn)一步完全浸入水中后（循環(huán)G），陽(yáng)極鋼筋周圍的混凝土逐漸達(dá)到飽水狀態(tài)，氧氣的傳輸及其濃度受到影響，陽(yáng)極鋼筋的半電池電位進(jìn)一步降低并導(dǎo)致電位差的進(jìn)一步增大。循環(huán)G的宏電流略高于循環(huán)D的宏電流，表明陽(yáng)極鋼筋所處的水環(huán)境對(duì)抑制宏電流幾乎沒(méi)有作用。當(dāng)A側(cè)陰極鋼筋完全浸入水中而B(niǎo)側(cè)陽(yáng)極鋼筋置于空氣中時(shí)（循環(huán)I），陰極鋼筋附近的氧氣傳輸及濃度受到限制，大大削弱了陰極鋼筋的陰極反應(yīng)動(dòng)力，致使循環(huán)I時(shí)的電位差和宏電流明顯降低，故陰極鋼筋所處的浸水環(huán)境對(duì)抑制宏電流效果顯著。當(dāng)A側(cè)陰極鋼筋和B側(cè)陽(yáng)極鋼筋均完全浸入水中時(shí)（循環(huán)H），其電位差和宏電流與循環(huán)I大致相等，比循環(huán)D的宏電流低3個(gè)數(shù)量級(jí)，再次確認(rèn)了陰極鋼筋所處的浸水環(huán)境可有效地抑制宏電流。

圖3 水氣環(huán)境對(duì)宏電池電位差和宏電池電流的影響Fig.3 Influence of water-air environment on macro-cell potential difference and macro-cell current

2.2 水氣環(huán)境對(duì)宏電池腐蝕和微電池腐蝕的比例關(guān)系的影響

不同水氣環(huán)境（循環(huán)D、E、F、G、H和I）對(duì)微電池腐蝕電流密度icorr-mi和宏電池腐蝕電流密度icorr-ma的影響見(jiàn)圖4。當(dāng)水氣環(huán)境為循環(huán)D、E、F、G、H和I時(shí)，icorr-ma與icorr-mi的比率分別為6.31、0.41、2.94、1.46、0.03、0.10。對(duì)比循環(huán)D、F、G，陽(yáng)極鋼筋周圍混凝土含水率的增加可使icorr-ma與icorr-mi的比率減小，即陽(yáng)極鋼筋宏電池腐蝕所占比例隨著含水率的增加而降低。對(duì)比循環(huán)D、E、I，陰極鋼筋周圍混凝土含水率的增加可使icorr-ma與icorr-mi的比率顯著減小，增加陰極鋼筋周圍混凝土含水率要比增加陽(yáng)極鋼筋周圍混凝土含水率更能有效的抑制宏電池腐蝕。當(dāng)陰極鋼筋試塊和陽(yáng)極鋼筋試塊均完全浸入水中時(shí)（循環(huán)H）可最大限度地降低宏電池腐蝕電流。

圖4 水氣環(huán)境對(duì)宏電池腐蝕電流密度和微電池腐蝕電流密度的比例關(guān)系的影響Fig.4 Influence of water-air environment on the ratio of macro-cell current density to micro-cell current density

2.3 水氣環(huán)境對(duì)宏電池腐蝕極化比率及控制模式的影響

宏電池腐蝕極化比率及控制模式受陰極和陽(yáng)極鋼筋面積比的影響較大，本文在恒定陰極和陽(yáng)極鋼筋面積比為1的情況下，研究分析不同水氣環(huán)境對(duì)宏電池腐蝕極化比率及控制模式的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。宏電池腐蝕的控制模式根據(jù)宏電池腐蝕極化比率的大小，分為陰極控制、陽(yáng)極控制、陰陽(yáng)極混合控制和混凝土阻抗控制。不同控制模式的定義和判定參照文獻(xiàn)[16]。當(dāng)陰極鋼筋試塊和陽(yáng)極鋼筋試塊均置于空氣中（循環(huán)D）時(shí)，混凝土的極化比率較低，陰極鋼筋的極化比率遠(yuǎn)高于陽(yáng)極鋼筋的極化比率，宏電池腐蝕的控制模式主要為陰極控制。隨著陽(yáng)極試塊混凝土含水率的增大（循環(huán)F），陰極鋼筋的極化比率降低而陽(yáng)極鋼筋的極化比率增大。當(dāng)陰極鋼筋試塊置于空氣中而陽(yáng)極鋼筋試塊完全浸入水中（循環(huán)G）時(shí)，陰極鋼筋的極化比率接近陽(yáng)極鋼筋的極化比率，宏電池腐蝕的控制模式由陰極控制弱化為陰陽(yáng)極的混合控制。與循環(huán)D相比，當(dāng)陰極鋼筋試塊完全浸入水中而陽(yáng)極鋼筋試塊置于空氣中（循環(huán)I）時(shí)，陰極鋼筋極化比率進(jìn)一步增大，陽(yáng)極鋼筋極化比率進(jìn)一步降低，宏電池腐蝕的陰極控制模式進(jìn)一步加強(qiáng)。當(dāng)陰極鋼筋試塊和陽(yáng)極鋼筋試塊均完全浸入水中（循環(huán)H）時(shí)，陰極鋼筋極化比率又進(jìn)一步增大，陽(yáng)極鋼筋極化比率又進(jìn)一步降低，宏電池腐蝕的控制模式為典型的陰極控制。

圖5 水氣環(huán)境對(duì)宏電池腐蝕極化比率及控制模式的影響Fig.5 Influence of water-air environment on macro-cell polarization ratio and control mode

3 結(jié)語(yǔ)

在陰/陽(yáng)極鋼筋面積比為1情況下，陰極鋼筋和陽(yáng)極鋼筋周圍混凝土的水氣環(huán)境變化，對(duì)宏電池腐蝕電流、宏電池腐蝕極化比率及控制模式影響顯著。

僅陽(yáng)極鋼筋周圍的混凝土，由氣中環(huán)境轉(zhuǎn)為浸水環(huán)境后，并不能有效地抑制宏電池腐蝕電流。當(dāng)陰極鋼筋周圍的混凝土，由氣中環(huán)境轉(zhuǎn)為浸水環(huán)境后，陰極鋼筋的陰極反應(yīng)動(dòng)力大大減弱，導(dǎo)致宏電池腐蝕電流顯著降低。

僅陽(yáng)極鋼筋周圍的混凝土，由氣中環(huán)境轉(zhuǎn)為浸水環(huán)境后，陰極鋼筋的極化比率降低而陽(yáng)極鋼筋的極化比率增大，宏電池腐蝕的控制模式由陰極控制弱化為陰陽(yáng)極的混合控制。僅陰極鋼筋周圍的混凝土，由氣中環(huán)境轉(zhuǎn)為浸水環(huán)境后，陰極鋼筋極化比率增大而陽(yáng)極鋼筋極化比率降低，宏電池腐蝕的陰極控制模式進(jìn)一步加強(qiáng)。當(dāng)陰極鋼筋和陽(yáng)極鋼筋周圍的混凝土均為浸水環(huán)境后，陰極鋼筋極化比率進(jìn)一步增大，陽(yáng)極鋼筋極化比率進(jìn)一步降低，宏電池腐蝕的控制模式為典型的陰極控制。

陰極和陽(yáng)極鋼筋周圍的混凝土，由氣中環(huán)境轉(zhuǎn)為浸水環(huán)境后，宏電池腐蝕和微電池腐蝕的比率顯著降低，且陰極鋼筋周圍混凝土的浸水狀態(tài)要比陽(yáng)極鋼筋周圍混凝土的浸水狀態(tài)，更能有效地抑制宏電池腐蝕。當(dāng)陰極鋼筋和陽(yáng)極鋼筋周圍的混凝土均完全浸入水中后，可最大限度地抑制宏電池腐蝕。

研究成果闡明和揭示了陰/陽(yáng)極區(qū)混凝土水氣環(huán)境變化對(duì)鋼筋宏電池腐蝕和微電池腐蝕的影響和作用機(jī)理，對(duì)指導(dǎo)海工混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)不同部位的宏電池腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。