伊拉克复合双高盐渍土对钢筋的腐蚀性特征试验分析研究

李 东，方浩亮，钱 明，张志豪

青岛中油岩土工程有限公司，山东青岛 266071

伊拉克两河流域属于大陆性亚热带半干旱型气候，该地区全年气温高，降雨量少，夏季最高温度达50℃以上，地表水分蒸发严重。沉积地层中广泛发育着高含硫酸盐、氯盐及水石膏的地层，其中伊拉克两河流域东岸，第四纪土层中单位含量可以同时达到几千或上万mg/kg（L），这种土层在国内极为罕见，其特性异于国内常见的盐渍土分类类型，具有极强的地域特征，本文将此盐渍土定名为“复合盐渍土”（简称盐渍土）。

盐渍土兼有土体自身的腐蚀和盐类的腐蚀两种腐蚀特性，其中盐类的腐蚀主要包括氯盐腐蚀和硫酸盐腐蚀。大量研究表明，氯盐是引起钢筋腐蚀的主导因素，针对单一氯盐腐蚀，其运移机理及腐蚀影响因素的研究已较为成熟[1-7]。

氯盐和硫酸盐同时存在的情况。陈友治等研究了酸性介质如CO2、H2S、HCl、SO2等介质共存对钢筋混凝土的腐蚀行为，发现在钢筋混凝土中含硫、氯的腐蚀介质侵蚀作用机理是大不相同的[8]。Dehwahh等研究了硫酸盐存在对混凝土中钢筋氯盐腐蚀效果的影响，研究表明，硫酸盐浓度低的时候氯盐对钢筋的腐蚀影响较小，但随着硫酸盐浓度的增加，氯盐腐蚀也增强[9]。易博等通过极化曲线法和电化学阻抗测试研究了普通盐渍土中不同的浓度及比例对钢筋的腐蚀作用[10]。

虽然有部分学者作了研究，但对氯盐和硫酸盐同时存在的腐蚀交互机制尚不明确。在伊拉克复合盐渍土地区，由于这两种盐类的大量存在，大量钢结构和混凝土结构中钢筋锈蚀严重，因此，开展复合盐渍土中高氯盐和高硫酸盐综合作用下对钢筋的腐蚀性研究非常重要。本文根据伊拉克工程项目中实测的氯盐和硫酸盐数据，配制了硫酸盐和氯盐溶液，采取直接浸泡腐蚀的方法，研究了盐分浓度及不同盐分反应时间对钢筋锈蚀的影响。

1 试验方法

1.1 试验仪器及材料

（1）试验使用φ16 mm新螺纹钢筋，表面无明显锈迹，其主要化学成分（质量分数，%） 为：C 0.28，Mn 0.67，Si 0.18，S 0.037，P 0.022，Fe 98.811。

（2）分析天平，精度为0.001；体式显微镜。

（3）NaCl、Na2SO4、去离子水，辅助材料。

1.2 试验方法

（1）将钢筋截至10 cm左右一根，约40根备用。用去离子水清洗干净，并用吹风机迅速吹干备用，防止氧化生锈，用分析天平称其质量。

（2）分别配制如下溶液各200 mL：去离子水、5%NaCl、 10%NaCl、 15%NaCl、 20%NaCl、 5%NaCl+5%Na2SO4、 5%NaCl+10%Na2SO4、 10%NaCl+5%Na2SO4、10%NaCl+10%Na2SO4、15%NaCl+5%Na2SO4、15%NaCl+10%Na2SO4、 5%Na2SO4、10%Na2SO4（均为质量分数），置入烧杯中，将钢筋放进腐蚀液中浸泡，每种溶液各备两组，其中一组用作平行实验。由于试验时间的限制，为加快反应速度，配置的浓度约为土体中的5～20倍。

（3）将浸泡着钢筋的烧杯用保鲜膜封口，以防止水分的蒸发导致盐浓度升高，再放于低温养护箱中调至室温（25℃）保存。

（4）配备好用于钢筋表面除锈的溶液（含500mL HCl、3.5 g六次甲基四胺和500 mL去离子水）。将各浸泡了5、10、15、20、30、45、65 d的钢筋用表面除锈液除锈，然后放在烘箱中干燥，用分析天平称量钢筋的质量，计算其质量损失率。

（5）利用体式显微镜拍照观察钢筋锈蚀程度，图表分析腐蚀时间、盐浓度、盐种类与钢筋腐蚀程度（质量减少来判别）的关系。

2 试验结果分析

2.1 不同盐不同浓度对钢筋的腐蚀影响

2.1.1 纯水和氯盐溶液浓度变化对钢筋的腐蚀影响

在钢筋腐蚀一段时间后，小心取出，用电吹风将其表面水分吹干，放于体式显微镜下拍照观察，见图1。从图1中可以看出，在纯水中锈层的覆盖是随着钢筋表面的纹路进行的；而在氯盐溶液中，钢筋表面的锈层是全覆盖的，并且随着盐浓度的增加，锈层越来越密实（由于电吹风吹干，钢筋表面有白色的盐晶体析出）。

图1 腐蚀30 d后钢筋的体式显微镜照片

钢筋在不同氯盐浓度、不同腐蚀时间下的质量损失率曲线如图2所示，由图2中曲线的趋势可以看出，钢筋的损失率随着Cl-质量分数的增加而呈现降低的趋势，尤其是在Cl-质量分数从0%→5%→10%的变化中，下降的趋势较明显，随着Cl-质量分数从15%增加到20%，其腐蚀速率的降低逐渐平缓。由体视显微镜观察到在纯水中钢筋的锈蚀是点蚀的；而在氯盐腐蚀液中，钢筋的锈蚀是面蚀的，一方面其表层包裹的锈层阻碍了Cl-与钢筋的接触，导致腐蚀速率的下降，另一方面它阻碍了溶解氧向钢筋表面的迁移，使反应环境呈现出弱氧环境。

2.1.2 复合盐溶液浓度变化对钢筋的腐蚀影响

图3是不同反应时间下，复合盐溶液中钢筋质量损失率曲线。由图3可以看出随着复合盐溶液盐浓度的增大，钢筋质量损失率基本呈降低的趋势。当溶液中盐浓度较低时，随着反应时间的加长，钢筋质量损失的速率比高浓度复合盐溶液中的要快。

图2 钢筋质量损失率随Cl-质量分安徽的变化曲线

图3 不同反应时间下钢筋质量损失率随复合盐浓度的变化曲线

2.2 不同盐类随反应时间对钢筋的腐蚀影响

钢筋在不同盐溶液中的质量损失如图5、6所示，在不同种类的盐溶液中，钢筋的质量损失率都随着反应时间呈上升的趋势，图中曲线的斜率为钢筋的腐蚀速率，在纯水中钢筋的腐蚀速率是先比较平缓再快速上升。

图4 在不同盐溶液中腐蚀30 d后钢筋的体式显微镜照片

图5 单盐溶液中钢筋质量损失率随时间的变化曲线

图6 复合盐溶液中钢筋质量损失率随时间的变化曲线

通过对钢筋在不同腐蚀液中的质量损失率y（%）和反应时间x（d）的关系进行拟合，得到如下拟合公式：

（1）纯水中：

y=6.292 04×10-6x3-8.130 26×10-4x2+3.688×10-2x-8.693×10-2

（2）含5%Cl-的盐溶液中：

y=1.631 77×10-6x3-2.622 08×10-4x2+1.736×10-2x-8.352 78×10-4

y=1.794 62×10-6x3-2.367 04×10-4x2+1.436×10-2x-2.317×10-2

（4） 含5%NaCl和5%Na2SO4的复合盐溶液中：y=-5.468 12×10-5x2+9.3×10-3x+8.32×10-3

（5） 含10%NaCl和5%Na2SO4的复合盐溶液中：y=-4.510 54×10-6x2+4.88×10-3x+3.845×10-2

（6） 在含10%NaCl和10%Na2SO4的复合盐溶液中：

y=-1.743 73×10-5x2+4.79×10-3x+2.633×10-2

由以上拟合公式可以看出：单盐中拟合曲线的多项式最高幂是3次，而在复合盐中最高幂是2次，反映出在实验条件下的腐蚀时间内，复合盐溶液中钢筋的腐蚀速率慢于单盐溶液中，这可能是水中盐浓度过高导致水溶液中溶解氧的含量减少所致。有研究证明水中含盐量与溶解氧是呈负相关的，所以在溶解氧主导的钢筋锈蚀的环境中复合盐溶液的腐蚀速率受到抑制。

3 结论

（1）通过体视显微镜对钢筋锈蚀表面的观察，可以看出在纯水中钢筋的锈蚀产物是随着螺纹钢的纹路进行覆盖的；而在盐溶液中它的覆盖方式是在表面形成一种“保护膜”，盐溶液中腐蚀为面蚀，发生在整个钢筋表面，且随着盐浓度的增高腐蚀受到抑制。

（2）在纯水和单盐腐蚀液中，钢筋的锈蚀产物是黄色的铁锈（氧化亚铁）；但在复合盐渍土中，钢筋锈蚀后有红褐色的铁锈氧化铁生成，不同的反应时间下，随着复合盐溶液盐浓度的增大，钢筋质量损失率基本呈降低的趋势。

（3）通过对各腐蚀溶液中的钢筋质量损失率与时间关系的曲线的拟合发现，复合盐溶液中钢筋的腐蚀速率慢于单盐溶液中，可能是由于高浓度复合盐溶液中溶解氧的减少使得腐蚀速率受到抑制。

（4）通过以上研究发现，伊拉克地区复合盐渍土腐蚀性总体弱于依照相关规范判定的结果。具体工程中遇到的土的腐蚀性可结合复合盐渍土含盐类型和组分与文中研究曲线进行判别。

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