交流干扰下钢筋在混凝土孔隙液中的腐蚀研究

时间：2024-08-31

刘衍科杨建宇蒋鹏霄

（1. 长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410000；2. 中国建筑第五工程局有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

随着科技的不断进步，各种高压输电线路随处可见，由于地理环境等因素的影响，输电线路不可避免的与埋地管道等金属构件并行轨道，交流干扰随之而来。在长达一百多年的研究中，人们发现尽管在相同电流密度下，交流腐蚀速度远小于直流腐蚀的速率，但交流干扰对金属腐蚀的危害仍然不可忽视。近年来，人们对于埋地金属管道的交流干扰进行了大量的研究，通过实验现象、理论分析等方式总结出了法拉第整流模型、碱化机理、交流去极化机理、振荡机理、电致击穿机理等典型的腐蚀模型。然而这些机理仅能解释各自所观察到的实验现象，由于交流腐蚀比较复杂，因此模型难以统一。

钢筋混凝土构件是世界上用途最广的结构构件，其被用于各种结构设施当中，如房屋、桥梁、高压变电站、高速铁路等。而混凝土中的钢筋一旦锈蚀，生成的氧化产物导致体积膨胀使混凝土胀裂，使钢筋混凝土构件的耐久性下降甚至失效。近期李俊豪的研究认为在交流电的电磁感应下，地铁隧道的结构钢筋产生的感应电流远大于直流制下产生的直流杂散电流。国内外大部分学者都认为，交流电会对埋地金属管道危害程度较大，而忽视了交流电对钢筋混凝土构件的腐蚀。因此本文运用开路电位、极化曲线、Mott-schottky测试和观察试件腐蚀形貌等方式，研究交流电的影响下A3碳钢在混凝土模拟溶液中的腐蚀行为，以用于交流干扰下的钢筋混凝土构件提供参考。

1 实验方法

电化学测试实验材料选用A3碳钢（原Q235碳钢），其金相组织为铁素体加珠光体组织组成。其主要的化学成分（质量分数）为C 0.22% ，Mn 1.4%，Si 0.35%，S 0.050%，P 0.045%，其余为Fe。实验所用溶液为混凝土模拟孔隙液，其溶质为0.001mol/lL Ca（OH）2+0.2 mol/L NaOH+0.6 mol/L KOH的混合溶液，PH值约为13.5。溶液采用纯净水配置，配置溶液的化学试剂均采用分析纯级。

电化学实验装置示意图如图1所示，交流电路通过台湾普斯交流电源PS61005对试样施加交流电流，电路中串联一个10Ω的电阻，通过改变交流电压大小来准确控制实验所需的交流电流的大小，电路中所包含的电容起到“通交阻直”的作用，防止电化学工作站提供的直流电流对交流电路的干扰，其电容容量为470uf，耐压值为25V；电化学工作站的工作电极线所串联一个感抗为20H的电感元件，型号为EI57X30，其内阻值大约为220Ω，起到“通直阻交”的作用，能隔绝绝大部分的交流成分，防止交流电路对电化学工作站产生干扰。

图1 实验装置示意图

电化学实验所用试样尺寸为直径8mm，长3cm的光圆钢筋，使用环氧树脂将钢筋部分面积密封，从而使得电极的工作面积约为3cm2，实验前将试样放入无水乙醇清洗，吹干后待用。电化学工作站选用RST5000系列电化学测试系统，测试交流电下A3碳钢在交流电下的电化学行为。实验采用经典三电极体系。工作电极为暴露面积约为3cm2的A3碳钢，由于溶液为高碱环境，饱和甘汞电极在高碱环境下不稳定，因此选用汞-氧化汞电极，辅助电极为石墨电极，测试电路如图所示。测试时设置不同的电流梯度（0、50、100、200、500A/m2）对A3碳钢电化学行为的影响。

在实验正式开始之前，由于钢筋在空气中难免会生成一层氧化膜，因此首先将工作电极在-1V下极化3min，以去除空气中生成的氧化膜的影响，接着让工作电极在溶液中静置0.5～1h，待开路电位稳定后，施加交流电，探究交流电对钢筋开路电位的影响，然后待开路电位达到“较稳定”后，在施加电流的情况下进行动电位极化曲线的测试，扫描速度为0.001V/s，电位范围为相对于参比电极-1～1.1V。

为了讨论交流电对钢筋钝化膜的影响，另选一组钢筋首先将工作电极在-1V下极化3min，以去除空气中生成的氧化膜的影响，然后将工作电极在0.7V下充分极化一个小时，使工作电极生成一层致密的钝化膜，接着让工作电极在溶液中静置0.5～1h，待开路电位稳定后，施加交流电流1h，接着撤去施加的电流，然后进行Mott-schottky测试，测试的电位区间为-1～1.2V，采样间隔为0.05V，交流频率为1000Hz，交流振幅为0.005V。

2 实验结果与分析

2.1 开路电位分析

图2为在不同交流电流密度下A3碳钢在混凝土模拟溶液中的开路电位，由图可知，在未通电的情况下A3碳钢的自腐蚀电位大约为-0.85V，当交流电流密度增至100A/m2时，自腐蚀电位下降致-0.86V左右，而当电流密度增至500A/m2时，其自腐蚀电位下降至-1V左右，在施加交流电的情况下，碳钢的开路电位负向偏移，且偏移幅度与交流电流密度一定程度上成线性关系，由此可见交流电流作用增加了碳钢发生腐蚀的可能性，增加了其电化学活性。

图2 在交流电影响下A3碳钢半小时开路电位变化(a)和稳定后开路电位(b)

2.2 极化曲线分析

图3为A3碳钢在不同交流电流密度下的极化曲线，由图可知，在未施加交流电流的情况下，极化曲线符合典型具有明显钝化区的极化曲线，钝化区间较大，并且存在明显的电流峰和电流谷，其反应过程相对复杂，而在施加50A/m2的交流电之后，曲线相对平滑，整体电流密度降低，并且随着电位的增加，曲线上并未出现明显的电流峰和电流谷，维钝电流密度变大，钝化区间变小，显然导致了A3碳钢的钝化性能下降，当电流密度增至500A/m2时，曲线上的钝化区域变得更为平缓，这表明了随着交流电流密度的增加，A3碳钢在混凝土模拟溶液中所形成的钝化膜的破坏程度也随之增加，其钝化区间变小可能意味着，碳钢所生成的钝化厚度比原来小或者碳钢生成了一种新的保护程度不及原来钝化膜的氧化产物。

图3 不同交流电流密度下A3碳钢的极化曲线(a)和腐蚀速度(b)

2.3 Mott-schottky曲线分析

钢筋的钝化膜通常具有半导体的性质，当钝化膜与溶液接触时，半导体的钝化膜与溶液会自发的形成一层空间电荷层，钝化膜与溶液分别带有相反的电荷，当钝化膜内电荷过多，就会分布于膜与溶液中的空间电荷层内，当人为的施加电压使得空间电荷层耗尽后，此空间电荷层的电容C与电极电位的关系符合Mott-schottky方程。

其中，前端符号为正时，代表n型半导体，此时的N为ND，代表施主载流子密度；前端符号为负时，代表P型半导体，此时N为NA，代表受主载流子密度；e为电子电荷量（1.602189×10-19C）；E为电极电位，EFB为平带电位；k为玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）；T为绝对温度（K）；室温下kT/e约为25mv；ε为半导体的介电常数（对于铁的氧化物来说取12 ）；ε0为真空介电常数, 其值为8.854×10-12F/m。

图4为在交流电的影响下混凝土模拟溶液中A3碳钢的M-S曲线，对于未通交流电的试件，可以观察到4个区域，第一个区域为-1～-0.8V，表现为一条斜率接近为0的直线，其斜率为正，钢筋所生成的钝化膜呈现不明显的n型半导体；第二个区域为-0.8～0.5V，曲线的斜率为正数，且斜率的绝对值先增大后减小，表现为明显的n型半导体；第三个区域为0.5～1V，曲线的斜率为负数，斜率的绝对值先增大后减小，表现为明显的P型半导体；最后一个区域为1～1.2V，曲线又慢慢接近于平行X轴的直线，表现为不明显的P型半导体。

图4 同交流电流密度下A3碳钢的mott-schottky曲线

通过拟合图中直线部分的斜率可以求出施主载流子密度ND，通过拟合的直线与X轴的交点坐标可以求出平带电位EFB。

在未施加交流电的情况下，第二个区域直线的斜率较大，而在施加交流电后，第二个区域直线的斜率显著降低，由Mott-schottky曲线方程可知，对于n型半导体而言，直线斜率越大，其施主密度ND越小，由图5可以看出，随着电流密度的增大，碳钢的施主密度ND不同程度的增大，相关研究表明，ND越大钝化膜的结构越不稳定，也就是说随着交流电流密度的增大，A3碳钢所形成的钝化膜的稳定性也越差。

图5 不同电流密度下A3碳钢的ND(a)和EFB(b)

根据电话学反应动力学，一般来说，当平带电位升高时，费米能级减小，半导体失去电子的能力降低，从而导致钝化膜更加难以形成。由图4(b)可知A3碳钢的平带电位随着电流密度的增大而增大，这表明交流电的施加会使钢筋表面的钝化膜更加难以形成，钢筋更易于被腐蚀。