同济大学蒋正武教授可持续混凝土研究团队最新成果——氯离子环境中地下结构钢筋锈蚀的现场评价理论与实践

本文将为您分享同济大学蒋正武教授可持续混凝土研究团队近日于Cement & ConcreteComposites杂志（2019 IF=6.257，JCR工程技术一区，Top期刊）发表的最新研究成果Corrosion assessment ofreinforced concrete structures exposed to chloride environments in undergroundtunnels: Theoretical insights and practical data interpretations。

   氯离子引起的钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构最重要的耐久性问题之一。对于地铁隧道等地下结构，钢筋混凝土结构的外部与地下水或含水土体直接接触，而地下水也可以通过结构的接缝或混凝土的裂缝渗漏进入隧道内部，对结构内部的钢筋混凝土形成侵蚀。研究人员在对上海地铁隧道进行现场勘查时发现，区间隧道内部大部分的钢筋混凝土结构完好，但个别盾构管片的接缝、注浆孔等部位存在渗漏现象，渗漏水在隧道内部干燥的环境下发生蒸发，其中的侵蚀性离子发生富集，在个别钢筋混凝土管片上形成以NaCl为主的盐结晶现象。在这一背景下，对上海地铁盾构管片中钢筋的锈蚀状况进行现场评估，不但有助于了解地下结构中氯离子引起的钢筋锈蚀及其机理，也是上海地铁的安全运行的重要保障。 

图1 不同锈蚀状况下铁锈蚀反应的埃文斯图解：(a) 碱性环境下铁的钝化与小孔腐蚀；(b) 氯离子引起的锈蚀（小孔腐蚀）；(c) 碳化引起的锈蚀（均匀腐蚀）；(d) 阴极反应速率控制的腐蚀。

   本文以半电池电位法为主，并结合混凝土电阻率、碳化深度、氯离子含量及钢筋保护层厚度等方法，对渗漏、盐结晶等病害作用下，上海地铁隧道中的钢筋锈蚀情况进行了现场测试与评价。在使用半电池电位法在断钢筋锈蚀状况时，存在一个较大的不确定电位区间，因此，单纯地使用半电池电位法往往不能够准确、定量地判断钢筋的锈蚀状况。针对这一问题，研究者从电化学基本理论出发，明确了半电池电位的含义，并通过Evans图解阐明了不同锈蚀状况下，半电池电位与钢筋锈蚀速率之间的关系，揭示了现场测试过程中混凝土材料组成、宏电池腐蚀、保护层厚度等因素对半电池电位法测试结果的影响机理。在此基础上，结合现场测试结果，对不同的渗漏、盐结晶病害作用下上海地铁管片的钢筋锈蚀状况进行了评估，并对地下结构钢筋锈蚀状况判断过程中的关键技术进行了总结与归纳。 

图2 当管片表面比较干燥时，半电池电位的绝对值能够比较准确地反映盐结晶作用下钢筋的锈蚀状况：(a) 盐结晶由管片一侧接缝处的渗漏形成；(b) 盐结晶由管片两侧接缝处的渗漏形成；(c) 盐结晶形成并影响管片的一个角。分图两侧的细线代表管片的边界，分图内的粗线代表钢筋，粗线上的数字代表保护层厚度实测值，蓝色区域代表盐结晶覆盖的位置，圆形区域及内部的数字代表混凝土电阻率实测值，方形区域及内部的数字代表钢筋半电池电位实测值。

图3 当管片比较潮湿时，钢筋的半电池电位往往不能准确反映钢筋锈蚀状况与发生锈蚀的区域：(a) 管片两侧有盐结晶形成，管片整体呈现潮湿状态；(a) 管片单侧有盐结晶形成，并呈现潮湿状态。

   研究发现，对于比较干燥的（一般来说，混凝土电阻率高于100 kΩ·cm）盾构管片，钢筋半电池电位的绝对值能够反映其实际的锈蚀状况。管片混凝土的含水率越高（电阻率越低），钢筋锈蚀引起的半电池电位降低越不明显，而电位降低的影响范围反而越大。当混凝土表面存在明显的湿迹（一般来说，电阻率低于100 kΩ·cm）时，发生锈蚀的钢筋会与未锈蚀钢筋产生比较明显的静电耦合作用，在混凝土表面很难测试锈蚀区域与非锈蚀区域之间的电势差，这种情况下需要通过混凝土氯离子含量测试、甚至剔凿观察对钢筋锈蚀状况进行准确判断。需要注意的是，ASTM C876-15中给出的半电池电位范围（高于-200 mV评价为锈蚀概率低于10 %、低于-350mV评价为锈蚀概率高于90 %、二者之间评价为锈蚀状况不确定），只适用于单纯氯离子引起的钢筋锈蚀，并不能直接用于碳化引起的锈蚀、碳化与氯离子共同引起的锈蚀、或其他胶凝体系中的锈蚀状况判断。 

10.1016/j.cemconcomp.2020.103652