磁场作用下钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀研究

时间：2024-08-31

李伟凡杨建宇蒋鹏霄

（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

钢筋混凝土结构是世界上应用最广泛的工程结构之一，被广泛应用于房屋、高压变电站、高铁轨道等重要工程领域，然而钢筋混凝土结构在服役期间，其耐久性受到诸多因素的影响[1]。在此过程中，结构遭受诸多物理、化学作用导致结构劣化与破坏，进而造成结构性能降低，提前达到使用寿命。钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性劣化最主要的原因之一，严重影响结构的安全和使用[2]，钢筋锈蚀引发的结构耐久性问题日益突出。

随着工程实践的推进，磁场环境已经融入我们的住行当中，混凝土结构的钢筋锈蚀问题与磁场作用的影响密切相关，特别是处于强磁场环境和强电场环境中尤为显著，如地铁隧道、磁悬浮、变电站等基础设施。对其钢筋的耐腐蚀性能产生一定的影响，这种新型的钢筋锈蚀环境对于结构建筑物的耐久性而言也会成为一种新的挑战。

磁场对于金属腐蚀的研究多种多样，部分研究表明，磁场对钢筋锈蚀有抑制作用。Chiba将铁丝浸在3%NaCl溶液，发现磁化抑制了铁丝的溶解[3]；Masato表明磁场可以抑制铜和铁在硝酸溶液中腐蚀[4]。然而部分研究得出的结论完全相反，即磁场加速钢筋锈蚀。周巍提出变化磁场作用下加速了钢筋的锈蚀[5]；Kelly经过试验表明，磁场会增加硫酸盐溶液中钛的腐蚀速率[6]；有学者指出，当外加永磁场时，在酸性氯化物溶液中处理过的钢丝力学性能比未加磁场时下降速度更快，且点蚀在磁场中易发生在钢丝表面处[7]；Costa认为，磁化后的试件比未磁化的试件腐蚀程度更严重[8]；此外，磁场还可以影响腐蚀产物的组成[9]；

国内外众多学者在磁场对金属腐蚀方面研究居多，对于钢筋混凝土结构中钢筋的影响少有研究，基于以上背景，通过开路电位、极化曲线测量以及腐蚀形貌观察等技术研究磁场对混凝土孔隙液中钢筋腐蚀行为的影响，并分析了磁场对腐蚀影响的机理。以期为磁场环境下钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀研究提供参考依据。

1 实验方法

1.1 腐蚀形貌实验

腐蚀形貌实验材料为HRB400钢筋，其主要合金元素成分和含量如表1所示。使用切割机将钢筋均匀分割成6根120mm长小段并编号B0/B30/B60/B90/B120/B150，试验开始前参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[10]对钢筋进行酸洗除锈，将钢筋浸泡在12%盐酸中，用钢刷将钢筋表面铁锈清理干净，再用澄清石灰水清洗纲筋去除表面残留盐酸，最后烘干备用。钢筋导线连接在钢筋一端20mm内，外面用防水胶带缠绕，胶带外涂抹两层环氧树脂密封，使钢筋外露工作长度为100mm。混凝土模拟孔隙液使用饱和的溶液。待环氧树脂完全固化后，将钢筋分别单独放置装有混凝土模拟孔隙液的烧杯中，使钢筋工作部分完全浸没在溶液中，并分别施加0/30/60/90/120/150mT的磁场，磁场由Nd-Fe-B永磁体提供，进行预钝化三天。预钝化结束后，在混凝土模拟孔隙液中添加NaCl固体配置成含有3.5%氯离子的溶液用于通电加速钢筋锈蚀。将试样钢筋作为电极阳极，不锈钢作为电极阴极进行串联连接，使用恒流电源施加10mA直流电进行7d通电加速，每组试件之间设置一块铁板隔绝剩余磁场避免对其他试件造成影响，钢筋通电锈蚀试验装置如图1所示。7d通电加速锈蚀后，观察锈蚀产物形态和溶液颜色并记录，取出钢筋使用钢刷将表面锈蚀产物洗刷去除，观察其钢筋表面锈蚀形貌并记录。

图1 钢筋通电锈蚀试验装置

表1 钢筋化学成分表（质量分数%）

1.2 电化学测试

电化学测试在RST5000电化学工作站上进行，并采用三电极系统，将钢筋加工成5mm高的圆柱形试样后进行表面打磨抛光，并使用无水乙醇清洗，使用环氧树脂密封部分表面积使其保留1工作面积。钢筋试样为工作电极，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），试验介质使用饱和的溶液作为混凝土模拟孔隙液。若无特别说明，文中所有电位均相对于SCE。电化学测试前，使用砂纸对工作电极进行逐级打磨。试验温度为室温（约20℃）。试验分别在0/30/60/90/120/150mT的磁场条件下进行，将试样在-1.2V电位下阴极极化3min，用以去除电极表面在空气中形成的氧化膜，然后静置2h待其电位稳定后测其开路电位，随后进行动电位极化曲线测试。以1mV/s扫描速率测试动电位极化曲线，扫描范围是相对于开路电位-0.5～1.5V，使用软件Origin2021拟合极化曲线动力学参数。

2 实验结果与分析

2.1 钢筋锈蚀试验分析

图2为通电7d不同磁感应强度下钢筋锈蚀实验图。图2（a）中钢筋为B0钢筋，图2（f）中钢筋为B150钢筋，从图2（a）～图2（f）中钢筋所受磁感应强度大小依次从0mT增加至150mT。通过观察溶液颜色和深浅变化发现，图（a）中溶液呈深红褐色，随着磁感应强度的增加，图（d）中溶液颜色变为黄褐色，当磁感应强度增加至150mT时图f中溶液变为浅黄色，从图（a）～图（f）中溶液的变化可以看出，溶液颜色的深浅随着磁感应强度的增加而逐渐变淡，溶液由深红褐色逐渐淡化为浅黄色；

图2 通电7d不同磁场强度下钢筋锈蚀实验图

观察钢筋锈蚀产物的分布发现，图2（a）中钢筋试样产生的锈蚀产物大量脱落于杯底，少量锈蚀产物吸附在钢筋试样表面，图2（f）中钢筋试样产生的锈蚀产物大量吸附在钢筋表面，只有少量锈蚀产物脱落在杯底中。从图2（a）～图2（f）锈蚀产物在溶液中的分布可以得出，随着磁感应强度的升高脱落于杯底的锈蚀沉淀逐渐减少。

从图2的实验现象可以分析得出，随着磁感应强度的升高，溶液颜色变化由深红褐色逐渐变为黄褐色，最后淡化为浅黄色，这是因为钢筋锈蚀产物主要由疏松多孔的红锈（磁铁矿）组成[11]，在钢筋锈蚀产物中还会夹杂着部分未被氧化的Fe，并且具有顺磁性、和Fe具有磁性，在磁场的作用下会受到磁场梯度力的作用。而钢筋在Nd-Fe-B永磁体产生的磁场的作用下会被磁化，使得钢筋带有一定磁性，具有磁性的钢筋能产生的一定磁场，和在钢筋所产生的磁场中受到磁场梯度力的作用趋向于钢筋的运动，磁场梯度力模型示意图如图3所示。钢筋受到的磁感应强度越大，其磁化程度越强，因此产生的磁感应强度变大，对于和产生的吸附作用增强，使得掉落于杯底的锈蚀产物沉淀和游离在溶液中的和减少，溶液颜色变浅。

图3 磁场梯度力模型示意图

图4为清洗后的钢筋试样，从图中可以观察到，B0钢筋试样表面基本完全发生锈蚀，锈蚀面积占比大，只有少量面积未发生锈蚀，以均匀锈蚀为主；B30钢筋试样上半部分基本完全锈蚀，下半部分钢筋部分发生锈蚀；B60钢筋试样上半段基本完全发生锈蚀，下半段钢筋未发生锈蚀；B90至B150钢筋试样主要出现局部锈蚀，锈蚀面积逐渐减少。

图4 清洗后钢筋锈蚀形貌图

通过观察清洗后钢筋锈蚀形貌图发现，随着磁场强度的增加，钢筋锈蚀面积逐渐减小，锈蚀分布由均匀锈蚀逐渐变为局部锈蚀。这是因为钢筋锈蚀的本质是电化学过程，即钢筋表面不同位置存在一定的电位差，在该电位差的驱动下钢筋发生氧化还原反应进行平衡电位差。

钢筋作为电化学腐蚀反应中的阳极，失去电子发生氧化反应，生成亚铁离子：

辅助电极作为电化学腐蚀反应中的阴极发生还原反应，阳极失去的电子将在辅助电极上与其他物质反应生成OH-：

阳极反应产生的Fe2+与水泥基材料中的一系列物质发生反应从而生成铁锈。由于外加电流的作用，钢筋锈蚀速度远大于自然锈蚀，锈蚀产物无法在短时间内完全氧化，生成的锈蚀产物大量为黑色的Fe3O4：

在磁场的作用下，钢筋表面吸附大量Fe3O4和Fe2O3，从而抑制钢筋锈蚀反应正向进行。通电加速钢筋锈蚀产生的大量Fe3O4具有磁性，在磁场环境中更易会受到磁场梯度力的作用，使大量铁锈紧密吸附于钢筋表面，阻碍钢筋与外界环境之间进行物质转移，从而减少了钢筋表面的锈蚀面积。

2.2 电化学试验分析

图5为不同磁感应强度下钢筋的开路电位图。从图5（a）可以清晰的发现，磁场的施加会导致钢筋的开路电位正移。随着磁感应强度的增加，开路电位不断正移，从0mT磁感应强度下的产生的-392mV逐步正移至150mT下产生的-356mV。从图5（b）中可以发现，在施加30mT磁感应强度时开路电位正移了4mT，随着磁感应强度的增加，开路电位增幅逐渐增大，到120mT时增幅减小。开路电位测试方法仅适用于定性确定腐蚀反应的难度，开路电位越正，腐蚀反应越难发生。不同磁感应强度环境下在钢筋混凝土中钢筋的开路电位变化表明，磁场使得钢筋的开路电位正移，腐蚀倾向越小。

图6为钢筋在饱和氢氧化钙溶液中，不同磁感应强度下测得的Tafel曲线，通过曲线测得钢筋试样的腐蚀电位、腐蚀电流密度如表2所示。在磁场作用下，从图7（a）中可以看出，随着磁感应强度的增加，整体看来钢筋的腐蚀电位升高，钢筋初始受到磁场影响时腐蚀电位迅速上升，随后磁感应强度的增加，腐蚀电位上升平缓；从图7（b）中可以发现，腐蚀电流密度随着磁感应强度的增加而逐渐减小。因为腐蚀电位反应腐蚀难易程度，腐蚀电位正移说明腐蚀更难进行，腐蚀电流密度的减小能反应腐蚀速率降低，这说明在模拟混凝土孔隙液中，磁场能够抑制钢筋的腐蚀倾向和降低其腐蚀速率。

图6 不同磁感应强度下钢筋Tafel曲线

图7 不同磁感应强度下钢筋的腐蚀电位图（a）和腐蚀电流密度图（b）

表2 不同磁感应强度下钢筋的腐蚀电位和腐蚀电流密度

根据本次电化学试验发现，在模拟混凝土空隙液中，磁场在一定程度上能起到抑制钢筋锈蚀的作用，其试验结果与上述钢筋锈蚀试验结果一致。在模拟混凝土空隙液中，磁场对钢筋锈蚀产生抑制作用的原理是，外部磁场环境将钢筋磁化，使钢筋带有一定的磁性，钢筋从而能产生磁场。钢筋的锈蚀产物在磁场环境中会产生磁场梯度力，使其吸附在钢筋表面，从而在一定程度上阻碍钢筋与外界环境之间进行物质交换，并且会抑制钢筋锈蚀反应正向进行，从而对钢筋锈蚀起到抑制作用。