3.2　有壓滲透作用下預留裂縫的鋼筋混凝土腐蝕劣化機理和破壞速率

根據《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）中的混凝土抗滲試驗，制作水膠比為0.38和水膠比為0.33的頂面直徑為175mm、底面直徑為185mm、高度為150mm的截頭圓錐體抗滲試件，同時在試件中預埋經除銹磨光處理的鋼筋試件，其中鋼筋長度100mm，直徑5mm。鋼筋置于約為試件高度的1/2處，距混凝土試件頂面70mm，如圖3.4所示。

試件成型后，標準養護7d除去3個水膠比為0.38的用于參比的試件之外，其他試件都沿垂直鋼筋方向使用混凝土抗壓強度測試儀劈裂。劈裂時加載應注意觀察，在表面產生微小裂紋時就停止加載，防止表面裂紋過大，無法模擬微裂紋的試驗效果。劈裂效果如圖3.5所示。劈裂后重新拼接完好，繼續標準養護至齡期為28d時，將試件加載到抗滲試驗儀器上，進行有壓循環滲透試驗。

在將上述制作完成的抗滲試件進行標準養護至齡期為28d時，加載到抗滲試驗儀器上。將試件除頂面與底面以外其余表面封蠟，保證腐蝕溶液只會從抗滲試件的底面滲透入混凝土試件的內部，貫穿整個試件，使腐蝕溶液從頂面排出，形成循環壓力。封蠟完成后將混凝土試件壓入鋼制磨具，在壓入鋼制模具中時使用千分儀測量使之表面預留的最大劈裂裂縫寬度在0.2mm之內，將超過該裂縫寬度的試件棄置，如圖3.6所示。

試驗為了模擬海水中的腐蝕環境，將使用表3.3中的溶液作為腐蝕溶液，其中各個腐蝕離子的含量是由某地沿海地區的實測不同的腐蝕情況而定的，見表3.4。試驗中使用碳酸氫鈉配置含碳酸根離子的腐蝕溶液是為了模擬海洋環境中，碳酸根離子緩慢釋放的過程。

由于本次試驗模擬的是沿海水下的混凝土結構，故選擇水下30m深度的壓強作為滲透壓，即0.3MPa。

為了考量預埋鋼筋在混凝土中的銹蝕情況，本試驗將在齡期每隔6d時使用陽極電位儀采集預埋鋼筋的半電池電位，直至一年齡期。同時觀察試件表面尤其是裂縫處的混凝土破壞情況。

齡期到達一年之后，將試件從抗滲儀卸下，重新劈裂，在裂縫面取混凝土砂漿進行X射線衍射分析和掃描電鏡分析等進行微觀分析。通過分析混凝土試件砂漿中的各化學組分以及觀察水泥在水化反應中的各類產物和在腐蝕作用的下的水化產物，從而推斷混凝土的劣化破壞機理。

3.2.1　鋼筋陽極電位的檢測與銹蝕情況

試驗中采用半電池電位法來進行電位檢測，是通過測量鋼筋的自然腐蝕電位來判斷鋼筋的銹蝕程度的一種方法。選擇硫酸銅作為參比電極與鋼筋連接形成一個原電池，混凝土作為電解質，其試驗裝置如圖3.7所示。此時鋼筋電位反映了金屬的抗腐蝕能力。鋼筋在鈍化區間內時，電位絕對值小；逐漸活化銹蝕時，電位的絕對值將升高。根據《水運工程混凝土試驗規程》（JTJ 270—1998），當半電池負向電位大于-350m V時，鋼筋有90%的概率呈活化狀態，將被評定為銹蝕。

將預埋在混凝土中的鋼筋半電池電位每6d檢測一次，將108d的半電池電位測出，其中水膠比為0.33的試件1組的檢測結果見表3.5和圖3.8；水膠比為0.38并引氣的試件2組的檢測結果見表3.6和圖3.9。在圖、表中，無裂縫組代表在試驗之初沒有將其劈裂用作對照的試件，低濃度組代表低濃度氯鹽-硫酸鹽溶液即溶液1作為腐蝕介質的情況，高濃度組代表高濃度氯鹽-硫酸鎂溶液2試件中鋼筋的半電池電位，復合碳酸組則代表高濃度氯鹽-硫酸鎂-碳酸溶液3中腐蝕滲透的試件中鋼筋的半電池電位情況。

從圖3.8中可以大致得到如下結論：

（1）在不預留裂縫的情況下，鋼筋半電池電位變化較小，鋼筋基本沒有銹蝕，同時也沒有腐蝕液滲出。

（2）在低濃度氯鹽-硫酸鹽溶液中，鋼筋半電池電位絕對值先升高再降低，最終趨于平緩的狀態，在試驗初期腐蝕液滲出，后期因試件自愈合裂縫封閉腐蝕液不再滲出。

（3）在高濃度氯鹽-硫酸鎂溶液和高濃度氯鹽-硫酸鎂-碳酸溶液中，鋼筋半電池電位絕對值很快升高，然后進入平緩的狀態，鋼筋腐蝕嚴重，一直有腐蝕液滲出。在同樣預留裂縫情況下，在高低兩種不同濃度的腐蝕溶液中，鋼筋的銹蝕情況如圖3.10和圖3.11所示，從圖3.10和圖3.11中可以直觀地看出，在低濃度的腐蝕環境下，因為混凝土的自愈合效應阻礙了腐蝕液對鋼筋的直接侵蝕，幾乎沒有銹蝕的狀況；而處在高濃度腐蝕環境下的混凝土試件中的鋼筋銹蝕程度則要嚴重得多。鋼筋的銹蝕情況與電極電位的檢測結果一致。

3.2.2　抗滲試件的滲透情況

本次試驗采用了三種不同的腐蝕溶液，分別使用三臺抗滲儀進行循環試驗，如圖3.12所示。圖3.12中的三臺儀器中分別使用了低濃度氯鹽-硫酸鹽的溶液1、高濃度氯鹽-硫酸鎂的溶液2以及在此基礎上復合了碳酸根離子的高濃度氯鹽-硫酸鎂-碳酸溶液3。

通過齡期為一年的試驗，其滲透情況見表3.7。從表3.7中可以看出，無裂縫的試驗在0.3MPa循環壓力滲透下始終沒有任何滲透溶液的情況發生，結合本章上述的鋼筋銹蝕情況可知其內部亦無貫通裂紋，試件形貌完好。而預留裂縫并在高濃度腐蝕環境溶液2以及溶液3中的試件都一直處于滲透狀態，結合鋼筋銹蝕情況可以判定其內部一直存在貫通裂紋。而最值得注意的是在低濃度中進行滲透試驗的試件，在試驗之初，由于預留裂縫形成了內部貫通通道，在滲透壓力作用下，腐蝕溶液從試件下表面通過試件內部由上表面預留裂縫滲出，然而隨著試驗的進行，在3個月齡期之前，滲透情況就逐漸停止，直至齡期滿一年試驗結束為止都不再發生滲透情況。這與本章上述的鋼筋電極電位圖中類似圖形的形貌相吻合。即在混凝土水化反應的繼續進行中，新生成的水化產物產生了膨脹效應，堵塞了試件內部的貫穿通道，阻止了溶液的繼續滲透，使得鋼筋重新與腐蝕溶液分離，表面的鈍化膜重新形成，從而使鋼筋不再銹蝕。

根據試驗研究結果表明，當混凝土裂縫小于0.2mm時，在低濃度氯鹽-硫酸鹽中的混凝土裂縫有自愈合現象，鋼筋混凝土腐蝕破壞終止；在高濃度氯鹽-硫酸鎂溶液和高濃度氯鹽-硫酸鎂-碳酸溶液中的鋼筋混凝土腐蝕破壞加劇，必須對裂縫封閉修補。