香港大学建立动力学模型预测非饱和胶凝材料中钢筋的腐蚀
2025-01-10 16:22:53
作者：张佳敏 来源： 腐蚀与防护
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香港大学田卒士团队对非饱和混凝土中钢筋锈蚀的机理进行了定量研究，并建立了一种新的动力学模型用于预测不同胶凝材料和腐蚀条件下钢筋的腐蚀速率。相关研究成果已发表在近期的《npj Materials Degradation》期刊上。
研究概述
此文通过实验，研究了钢筋在模拟孔隙溶液、饱和水泥基多孔介质和非饱和水泥基多孔介质中的腐蚀，探索了潜在的电化学机制，并量化了控制钢筋腐蚀速率的关键参数。基于小尺寸砂浆试件中氯离子引起钢筋锈蚀的实验数据，提出了锈蚀速率的动力学预测模型并进行了验证。所提出的模型可用于解释和量化阈值对饱和度的依赖性、不同环境下R-C关系线(腐蚀速率与混凝土电阻率的关系)的漂移等腐蚀现象。
研究内容
钢筋在非饱和胶凝材料中的腐蚀速率与在模拟孔隙溶液中的腐蚀速率、孔隙结构折减系数和饱和度折减系数有关。腐蚀速率模型机理如图1所示：经实验研究，给定钢筋在模拟孔隙溶液中的腐蚀速率主要受孔隙溶液的化学组成控制：
将钢筋在模拟孔隙溶液和饱和砂浆中的腐蚀速率之比定义为孔隙结构折减系数。该参数不仅与水泥基多孔介质的孔隙结构有关，还受到钢筋砂浆界面孔隙结构的影响。孔隙结构限制了钢筋与孔隙溶液的接触面积，同时显著抑制了腐蚀产物的迁移，从而降低了钢筋锈蚀速率。经实验研究，结果如下表所示，本文为简化计算，取均值0.193。将钢筋在非饱和胶凝材料中的腐蚀速率 与饱和胶凝材料中的腐蚀速率的比值定义为饱和度折减系数。低的离子扩散系数限制了亚铁离子在胶凝材料中的迁移，并导致钢筋周围的亚铁离子积累，阻碍了亚铁离子的进一步溶解。为了量化离子扩散控制机制，采用相对扩散系数（即非饱和胶凝材料的扩散系数与饱和胶凝材料的扩散系数的比值）建立非饱和体系中腐蚀速率与饱和度之间的关系：其中，为与胶凝材料的平均孔径有关的参数；相对扩散系数可以通过Archie公式预测：其中，为饱和胶凝材料的电阻率；为非饱和胶凝材料（饱和度）的电阻率；为与孔隙结构相关的材料参数。此文针对建立的腐蚀速率模型，分别对钢筋在模拟孔隙溶液、饱和砂浆和非饱和砂浆中的锈蚀进行了验证，实验设计及试件安装如图2所示，表2列出了详细的材料参数。采用不同氯盐掺量、激发剂种类和碱掺量的AAS砂浆试件以及基准OPC砂浆试件的数据对模型进行验证。经分析发现，腐蚀速率预测值与实测值的拟合直线斜率为0.989，为0.9598，证明所提出的腐蚀模型对胶凝材料具有较好的适用性，且不受胶凝材料种类的影响。此外，对比了其他文献中碳化和氯离子侵蚀引起腐蚀的预测速率和实测速率，拟合直线的斜率为0.831，为0.8508。说明所提出的腐蚀模型在一定程度上高估了腐蚀速率，但预测的腐蚀速率与实测腐蚀速率总体上是一致的。比较结果表明，所提出的模型能够预测氯盐和碳酸盐腐蚀条件下，且相对湿度变化环境中的钢筋混凝土构件的腐蚀速率。图2 实验设计及试件安装示意图：（a）在模拟孔隙溶液中的腐蚀行为，（b）在RH97%的饱和砂浆中的腐蚀行为，（c）在RH84%、69%和43%的非饱和砂浆中的腐蚀行为。根据建立的腐蚀模型可以推导出混凝土电阻率与钢筋锈蚀率在对数坐标系下的关系式，即R-C关系线：其中斜率为，这与孔隙结构参数有关；截距为
，这与孔隙溶液的化学组成、饱和水泥基材料的电阻率和孔隙率有关。与实验数据进行比较，如图3所示，表明R-C关系线作为一个与材料和环境相关的经验公式，可以通过本文建立的腐蚀动力学模型进行预测。R- C关系线的斜率主要受参数的影响，与实验检测的平均孔径呈正相关，如图3（b）所示；氯离子浓度的增加导致腐蚀速率的上升和电阻率的下降同时发生，而氢氧根离子浓度的下降导致腐蚀速率的增加和电阻率的降低，如表2所示。这两种影响共同作用，导致R-C关系线向左上方漂移(截距增大)。图3 采用本文提出的腐蚀速率模型预测R-C关系线：（a）实验数据点对AAS和OPC砂浆的预测R-C关系线，（b）R-C关系线斜率与平均孔径的关系
研究结论
此文基于实验数据揭示了离子扩散系数是非饱和胶凝材料中钢筋腐蚀的重要参数：在低饱和度下，限制了亚铁离子的迁移，加速了亚铁离子在阳极区域周围的积累以及减少了活化面积，共同控制腐蚀速率。提出了一个定量的腐蚀动力学模型来预测非饱和胶凝材料中钢筋的腐蚀速率。基于小尺寸AAS和OPC砂浆中钢筋锈蚀的试验数据，进一步了验证模型的可靠性和准确性。
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