氯盐环境下钢筋混凝土结构加速锈蚀与自然锈蚀的相似性研究

钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性丧失的首要原因，而氯盐环境又是混凝土中钢筋锈蚀的最主要诱因，由于自然锈蚀相对缓慢，建立与自然环境中钢筋混凝土结构锈蚀特征相似的钢筋加速锈蚀方法，对氯盐环境中混凝土结构寿命预测和耐久状态评估显得格外重要。而事实表明，采用现有加速锈蚀方法与自然锈蚀得到的钢筋锈蚀形态以及构件抗力性能演化规律是存在差异的。本研究针对目前加速锈蚀试验方法的缺陷，拟从通电锈蚀技术入手，沿着锈蚀产生、保护层胀裂及纵缝达到限定宽度三个阶段，通过深入研究电流密度、助锈材料选取和掺量以及通电方式等因素对混凝土结构锈蚀特征的影响规律，以钢筋锈蚀形态、钢筋与混凝土界面上锈蚀产物的组分和分布特征等作为相似性指标，在与自然锈蚀试件进行对比的基础上，确定影响自然与加速锈蚀相似性的主控因素，建立能与混凝土结构自然锈蚀特征较为吻合的快速锈蚀试验方法。

依托本项目，较为系统地研究了电流强度（密度）取值、通电方式、助锈掺料等通电加速锈蚀影响因素对混凝土中钢筋锈蚀形态、锈蚀产物组分等相似性指标的影响规律，分阶段验证了法拉第定律对混凝土中钢筋通电锈蚀量预估的准确性，发展和完善了混凝土中钢筋加速锈蚀的试验方法，揭示了控制通电锈蚀与氯盐环境下混凝土结构自然锈蚀特征相似性的主要影响因素，取得下列主要成果：电场作用下，保护层内氯离子浓度在数十小时内便从非稳态传输演变为稳态传输，比自由扩散作用下混凝土中氯离子传输效率高近千倍；影响通电加速锈蚀试验钢筋锈蚀形态的本质因素是钢筋周围混凝土电阻的均匀性，而影响钢筋表面锈蚀分布均匀性的主控因素为电极位置及其布置方式；保护层锈胀裂前影响钢筋锈蚀效率的主要因素是通电方式，助锈材料成份及浓度，而当顺筋裂缝达到一定宽度后两者的影响不再显著，助锈材料的影响几乎不复存在；混凝土中钢筋锈蚀产物的组分主要受通电方式、保护层开裂状态及电流大小影响，保护层胀裂前铁锈的组分主要为Fe2O3和Fe3O4，仅包含少量FeO ( OH )、FeO等，保护层胀裂后，尤其是当顺筋裂缝达到一定宽度后，钢筋的锈蚀特性与相同环境下裸筋的锈蚀相近，主要受环境温、湿度及氧含量影响；混凝土中钢筋锈蚀产物的力学性能指标受其组分的影响较小，其弹性模量值介于0.017 GPa—0.733GPa之间，随锈胀力增加而增大；混凝土中钢筋锈蚀物的体积膨胀率在2.26—3.0之间，受锈蚀方式影响较小；钢筋的锈蚀形态对混凝土保护层的胀裂过程具有明显影响，钢筋非均匀锈蚀较均匀锈蚀而言，保护层内裂、外裂及贯通时的锈蚀率偏低，且非角区钢筋更为显著。保护层胀裂前，通过合理控制电极布置、电流大小等变量可以达到与自然锈蚀相似的锈蚀效果，但当顺筋裂缝较宽后，应用此法成为向裸筋通电锈蚀，与自然锈蚀的相似性不易保证。