长安大学建筑工程学院 710064
摘要：近年来，钢筋锈蚀问题成为制约传统混凝土结构可持续发展的首要问题。为了在前人研究的基础上，深入从人工模拟海洋环境以及工业环境这两个突出情况下探究，此次挑战杯课题应运而生。为主线对受腐蚀钢筋混凝土构件性能展开研究。通过对力筋蚀坑分析以期得到更加直观立体的蚀坑时空分布。希望对钢筋腐蚀形态做一个直观的描述，促进我国建筑行业的发展。
关键词：蚀坑分布；3D光学影像测量；人工腐蚀
引言：近年来，随着土建行业的蓬勃发展，混凝土结构所处的环境更加复杂多变，如大气环境、海洋环境以及工业环境等均存在不同程度的侵蚀作用。研究表明：侵蚀环境作用下，混凝土内钢筋将发生锈蚀，造成结构承载性能退化和耐久性失效，严重影响结构的使用性能和安全性，钢筋锈蚀问题已成为制约传统混凝土结构可持续发展的突出问题。
一、钢筋锈蚀的危害
钢筋锈蚀的危害是比较大的，是最具危害性的因素之一。对于钢筋混凝土中的锈蚀主要从以下三个方面体现。一是降低了结构（或构件）的承载能力，减小了安全储备；二是能够对钢筋结构造成刚度降低的危害，更加容易变形，有可能直接导致混凝土的剥落，造成安全隐患。；三是降低了结构（或构件）的延性，甚至改变其破坏形态，从而导致伤亡事故。鉴于钢筋混凝土的锈蚀已成为世界性的问题，影响了钢筋混凝土结构的稳定性，这一问题的发生给国家经济造成了巨大的损失。
二、进行钢筋锈蚀实验研究
锈蚀钢筋混凝土结构的承载性能主要受钢筋腐蚀程度影响，锈损构件中受力筋的性能降低很大程度上由蚀坑形状、尺寸及分布位置决定，即力筋坑蚀时空分布特性决定。本试验力图通过侵蚀环境下钢筋和箍筋的加速腐蚀试验研究和理论分析，采用3D光学影像量测技术分析力筋的坑蚀时空分布特性，明确变形钢筋、光圆钢筋的腐蚀形态特征，提出坑蚀力筋截面几何损伤计算方法。
（一）实验原理
根据钢筋腐蚀的相关原理和钢筋混凝土中锈蚀的特点，钢筋混凝土要发生锈蚀必须同时具备三个要素:混凝土中的钢筋表面存在电位差，形成电池反应；钢筋表面结构遭到破坏，处于无保护状态；混凝土中的钢筋具备化学反应的水分子和氧气。另外加上钢筋本身的元素问题、混凝土中酸碱含量不均匀、钢筋接缝处的气体流入形成氧气浓度的差异等都会引起混凝土中钢筋不同部位的电极电压不同，形成锈蚀电池。所以，混凝土中钢筋锈蚀在自身的因素上是比较符合的。
从电池反应原理上来说，钢筋与周围的溶液之间可发生化学反应，形成原电池。如果混凝土中的钢筋发生化学反应就会开始锈蚀，在钢筋表面与周围溶液之间发生电池反应。由钢筋表面不同电极、溶液和线路组成了一个个不同的原电池。
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在正极，铁原子发生化学反应，失去电子：
Fe→Fe2++2e-
在负极，铁失去生物电子与氧气、水分子发生反应，产生氢氧根离子：
?O2+H2O+2e-→2OH-
正极失去电子的亚铁离子与氢氧根离子结合发生反应产生氢氧化亚铁，并且在水分子的帮助下进一步生成三氧化二铁，：
Fe+?O2+H2O→Fe(OH)2
Fe（OH）2+?H20+?O2→Fe（OH）3
2Fe（OH）3→Fe2O3+3H2O
在没有氧气的时候，混凝土中钢筋表面氧化后的铁离子与氯离子发生化学反应，产生铁复合离子：
Fe2++4Cl-→（FeCl4）2-
铁复合离子与水分子发生反应，产生氢氧化亚铁：
（FeCl4）2-+2H2O→4Cl-+2H++Fe（OH）2
在负极，氢离子发生还原反应，形成氧气：
2H++2e-→H2
在这化学反应中，正极和负极都位于钢筋表面，钢筋起到线路的作用，同时钢筋周围的混凝土起到电解液的作用。如果钢筋表面遭到破坏，在氧气、水等条件得到满足后，钢筋就会发生化学反应，就会被锈蚀。并且混凝土中的氯离子一旦进去到钢筋表面就会进一步锈蚀钢筋，反应中产生氢离子，更加造成正极附近酸碱度降低，加速钢筋的锈蚀。所以综上所述，氯盐环境对钢筋的锈蚀起到不可低估的作用。
（二）试验准备
实验正式开始前，我们安排小组内专人联系厂家，购买钢筋。钢筋分别为牌号为HPB400、HRB400的钢筋，直径为12mm，长度600mm。在实验开始阶段，我们首先截取一部分钢筋试样在万能试验机上进行力学性能测试，确定钢筋的屈服强度，冷弯性能、延伸率等延性指标，并游标卡尺测量钢筋的公称直径以测定试样的基本参数，确定实验原料的准确性。用标号为P80的砂纸对钢筋进行粗打磨，后用P320的砂纸进行细部处理，用游标卡尺测量钢筋直径。
（三）试验材料
氯化钠（27克/升）、氯化镁（2.3克/升）、硫酸镁（3.3克/升）、氯化钙（0.7克/升）混合溶液模拟海洋环境，PH值为6.2的弱酸性3.5%硫酸钠、硫酸钠、硫酸钾溶液，浓盐酸200毫升，浓硫酸200毫升，砂纸足量、直径12mmHRB钢筋和HPB钢筋，工业丙酮溶液和无水乙醇各500毫升。
试验材料
氯化钠（27克/升）、浓盐酸200毫升、直径12mmHRB钢筋、氯化镁（2.3克/升）、浓硫酸200毫升、直径12mmHPB钢筋、硫酸镁（3.3克/升）、工业丙酮、溶液500毫升、砂纸足量、氯化钙（0.7克/升）、无水乙醇500毫升
（四）自然锈蚀
实验操作中将试件分为ABC三组，ABC三组分别使用6根牌号为HRB400、HRB400 、HPB400直径为12mm的钢筋。在每一组中，将钢筋打磨干燥称重后分别放入PH值为8.1的弱碱性，盐度3.34%，氯化钠（27克/升）、氯化镁（2.3克/升）、硫酸镁（3.3克/升）、氯化钙（0.7克/升）混合溶液（模拟海洋环境），PH值为6.2的弱酸性3.5%硫酸钠、硫酸钠、硫酸钾溶液（模拟工业环境）中，每一种溶液中放3根，并对钢筋进行统一编号。在实验室中自然气候条件下分别对ABC三组进行腐蚀试验。
（五）平均锈蚀率
锈蚀完成后将试验组成员将钢筋按照规定的方法进行酸洗，酸洗后的溶液放入稀碱溶液进行中和，然后在清水中把它清洗干净，并且擦拭干净，搁置一段时间后用精确度高的秤把每件钢筋的质量（精确为0.1g）最后与钢筋原重做出简单运算得出平均锈蚀率并记录。
三、结论
由于实验所需3D光学影像测量仪精度较高，价格昂贵，目前还没有找到合适的仪器对钢筋进行3D成模的分析。试件保存在干燥恒温的恒温箱中，通过统计分析发现蚀坑大多呈现出月牙状、椭球状、棱锥状等形态。蚀坑的数目存在随机性和偶然性。本次项目的立项目的是将理论应用于工程实际，确定钢筋内部的应力形态和与其共同作用的混凝土的强度等级和原料配合比有着密切的关系。钢筋在应力状态下，内部的分子结构会发生变形，分子单位排列发生变化，自由电子增多，更加易于发生钢筋的电化学腐蚀。与钢筋一起作用的混凝土的强度等级不同，掺加的外加剂种类不同，原材料的配合比及水灰比不同，则混凝土中的孔隙率不同，原材料的成分不同，会对钢筋产生不同程度的电化学腐蚀。
参考文献：
[1]杜荣归，刘玉，林昌健，氯离子对钢筋腐蚀机理的影响及其研究进展（厦门大学化学化工学院化学系361005）
[2]仲伟秋, 孙国, 周凤臣. 基于碳化损伤的混凝土工业厂房耐久性评估. 工业建筑, 2003, 33( 3) : 21- 23
[3]屈文俊, 张誉. 侵蚀性环境下混凝土结构耐久寿命预测方法探讨. 工业建筑, 1999, 29( 4) : 40-44
论文作者:王伟光,罗雪,洪焕鹏,代鑫琪,薛浩
论文发表刊物:《防护工程》2017年第3期
论文发表时间:2017/7/3
标签：钢筋论文; 锈蚀论文; 混凝土论文; 溶液论文; 发生论文; 化学反应论文; 亚铁论文; 《防护工程》2017年第3期论文;