香港大學建立動力學模型預測非飽和膠凝材料中鋼筋的腐蝕
2025-01-10 16:22:53
作者：張佳敏 來源： 腐蝕與防護
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香港大學田卒士團隊對非飽和混凝土中鋼筋銹蝕的機理進行了定量研究，并建立了一種新的動力學模型用于預測不同膠凝材料和腐蝕條件下鋼筋的腐蝕速率。相關研究成果已發(fā)表在近期的《npj Materials Degradation》期刊上。
研究概述
此文通過實驗，研究了鋼筋在模擬孔隙溶液、飽和水泥基多孔介質(zhì)和非飽和水泥基多孔介質(zhì)中的腐蝕，探索了潛在的電化學機制，并量化了控制鋼筋腐蝕速率的關鍵參數(shù)。基于小尺寸砂漿試件中氯離子引起鋼筋銹蝕的實驗數(shù)據(jù)，提出了銹蝕速率的動力學預測模型并進行了驗證。所提出的模型可用于解釋和量化閾值對飽和度的依賴性、不同環(huán)境下R-C關系線(腐蝕速率與混凝土電阻率的關系)的漂移等腐蝕現(xiàn)象。
研究內(nèi)容
鋼筋在非飽和膠凝材料中的腐蝕速率與在模擬孔隙溶液中的腐蝕速率、孔隙結(jié)構(gòu)折減系數(shù)和飽和度折減系數(shù)有關。腐蝕速率模型機理如圖1所示：經(jīng)實驗研究，給定鋼筋在模擬孔隙溶液中的腐蝕速率主要受孔隙溶液的化學組成控制：
將鋼筋在模擬孔隙溶液和飽和砂漿中的腐蝕速率之比定義為孔隙結(jié)構(gòu)折減系數(shù)。該參數(shù)不僅與水泥基多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)有關，還受到鋼筋砂漿界面孔隙結(jié)構(gòu)的影響。孔隙結(jié)構(gòu)限制了鋼筋與孔隙溶液的接觸面積，同時顯著抑制了腐蝕產(chǎn)物的遷移，從而降低了鋼筋銹蝕速率。經(jīng)實驗研究，結(jié)果如下表所示，本文為簡化計算，取均值0.193。將鋼筋在非飽和膠凝材料中的腐蝕速率 與飽和膠凝材料中的腐蝕速率的比值定義為飽和度折減系數(shù)。低的離子擴散系數(shù)限制了亞鐵離子在膠凝材料中的遷移，并導致鋼筋周圍的亞鐵離子積累，阻礙了亞鐵離子的進一步溶解。為了量化離子擴散控制機制，采用相對擴散系數(shù)（即非飽和膠凝材料的擴散系數(shù)與飽和膠凝材料的擴散系數(shù)的比值）建立非飽和體系中腐蝕速率與飽和度之間的關系：其中，為與膠凝材料的平均孔徑有關的參數(shù)；相對擴散系數(shù)可以通過Archie公式預測：其中，為飽和膠凝材料的電阻率；為非飽和膠凝材料（飽和度）的電阻率；為與孔隙結(jié)構(gòu)相關的材料參數(shù)。此文針對建立的腐蝕速率模型，分別對鋼筋在模擬孔隙溶液、飽和砂漿和非飽和砂漿中的銹蝕進行了驗證，實驗設計及試件安裝如圖2所示，表2列出了詳細的材料參數(shù)。采用不同氯鹽摻量、激發(fā)劑種類和堿摻量的AAS砂漿試件以及基準OPC砂漿試件的數(shù)據(jù)對模型進行驗證。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕速率預測值與實測值的擬合直線斜率為0.989，為0.9598，證明所提出的腐蝕模型對膠凝材料具有較好的適用性，且不受膠凝材料種類的影響。此外，對比了其他文獻中碳化和氯離子侵蝕引起腐蝕的預測速率和實測速率，擬合直線的斜率為0.831，為0.8508。說明所提出的腐蝕模型在一定程度上高估了腐蝕速率，但預測的腐蝕速率與實測腐蝕速率總體上是一致的。比較結(jié)果表明，所提出的模型能夠預測氯鹽和碳酸鹽腐蝕條件下，且相對濕度變化環(huán)境中的鋼筋混凝土構(gòu)件的腐蝕速率。圖2 實驗設計及試件安裝示意圖：（a）在模擬孔隙溶液中的腐蝕行為，（b）在RH97%的飽和砂漿中的腐蝕行為，（c）在RH84%、69%和43%的非飽和砂漿中的腐蝕行為。根據(jù)建立的腐蝕模型可以推導出混凝土電阻率與鋼筋銹蝕率在對數(shù)坐標系下的關系式，即R-C關系線：其中斜率為，這與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)有關；截距為
，這與孔隙溶液的化學組成、飽和水泥基材料的電阻率和孔隙率有關。與實驗數(shù)據(jù)進行比較，如圖3所示，表明R-C關系線作為一個與材料和環(huán)境相關的經(jīng)驗公式，可以通過本文建立的腐蝕動力學模型進行預測。R- C關系線的斜率主要受參數(shù)的影響，與實驗檢測的平均孔徑呈正相關，如圖3（b）所示；氯離子濃度的增加導致腐蝕速率的上升和電阻率的下降同時發(fā)生，而氫氧根離子濃度的下降導致腐蝕速率的增加和電阻率的降低，如表2所示。這兩種影響共同作用，導致R-C關系線向左上方漂移(截距增大)。圖3 采用本文提出的腐蝕速率模型預測R-C關系線：（a）實驗數(shù)據(jù)點對AAS和OPC砂漿的預測R-C關系線，（b）R-C關系線斜率與平均孔徑的關系
研究結(jié)論
此文基于實驗數(shù)據(jù)揭示了離子擴散系數(shù)是非飽和膠凝材料中鋼筋腐蝕的重要參數(shù)：在低飽和度下，限制了亞鐵離子的遷移，加速了亞鐵離子在陽極區(qū)域周圍的積累以及減少了活化面積，共同控制腐蝕速率。提出了一個定量的腐蝕動力學模型來預測非飽和膠凝材料中鋼筋的腐蝕速率。基于小尺寸AAS和OPC砂漿中鋼筋銹蝕的試驗數(shù)據(jù)，進一步了驗證模型的可靠性和準確性。
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