3.2 有压渗透作用下预留裂缝的钢筋混凝土腐蚀劣化机理和破坏速率
根据《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）中的混凝土抗渗试验，制作水胶比为0.38和水胶比为0.33的顶面直径为175mm、底面直径为185mm、高度为150mm的截头圆锥体抗渗试件，同时在试件中预埋经除锈磨光处理的钢筋试件，其中钢筋长度100mm，直径5mm。钢筋置于约为试件高度的1/2处，距混凝土试件顶面70mm，如图3.4所示。
试件成型后，标准养护7d除去3个水胶比为0.38的用于参比的试件之外，其他试件都沿垂直钢筋方向使用混凝土抗压强度测试仪劈裂。劈裂时加载应注意观察，在表面产生微小裂纹时就停止加载，防止表面裂纹过大，无法模拟微裂纹的试验效果。劈裂效果如图3.5所示。劈裂后重新拼接完好，继续标准养护至龄期为28d时，将试件加载到抗渗试验仪器上，进行有压循环渗透试验。
图3.4 制作成型的抗渗试件
图3.5 抗渗试件表面预留裂纹
在将上述制作完成的抗渗试件进行标准养护至龄期为28d时，加载到抗渗试验仪器上。将试件除顶面与底面以外其余表面封蜡，保证腐蚀溶液只会从抗渗试件的底面渗透入混凝土试件的内部，贯穿整个试件，使腐蚀溶液从顶面排出，形成循环压力。封蜡完成后将混凝土试件压入钢制磨具，在压入钢制模具中时使用千分仪测量使之表面预留的最大劈裂裂缝宽度在0.2mm之内，将超过该裂缝宽度的试件弃置，如图3.6所示。
图3.6 抗渗试件制作
试验为了模拟海水中的腐蚀环境，将使用表3.3中的溶液作为腐蚀溶液，其中各个腐蚀离子的含量是由某地沿海地区的实测不同的腐蚀情况而定的，见表3.4。试验中使用碳酸氢钠配置含碳酸根离子的腐蚀溶液是为了模拟海洋环境中，碳酸根离子缓慢释放的过程。
表3.3 腐蚀溶液的成分以及含量
表3.4 沿海不同地区的腐蚀离子含量
由于本次试验模拟的是沿海水下的混凝土结构，故选择水下30m深度的压强作为渗透压，即0.3MPa。
为了考量预埋钢筋在混凝土中的锈蚀情况，本试验将在龄期每隔6d时使用阳极电位仪采集预埋钢筋的半电池电位，直至一年龄期。同时观察试件表面尤其是裂缝处的混凝土破坏情况。
龄期到达一年之后，将试件从抗渗仪卸下，重新劈裂，在裂缝面取混凝土砂浆进行X射线衍射分析和扫描电镜分析等进行微观分析。通过分析混凝土试件砂浆中的各化学组分以及观察水泥在水化反应中的各类产物和在腐蚀作用的下的水化产物，从而推断混凝土的劣化破坏机理。
3.2.1 钢筋阳极电位的检测与锈蚀情况
试验中采用半电池电位法来进行电位检测，是通过测量钢筋的自然腐蚀电位来判断钢筋的锈蚀程度的一种方法。选择硫酸铜作为参比电极与钢筋连接形成一个原电池，混凝土作为电解质，其试验装置如图3.7所示。此时钢筋电位反映了金属的抗腐蚀能力。钢筋在钝化区间内时，电位绝对值小；逐渐活化锈蚀时，电位的绝对值将升高。根据《水运工程混凝土试验规程》（JTJ 270—1998），当半电池负向电位大于-350m V时，钢筋有90%的概率呈活化状态，将被评定为锈蚀。
图3.7 试验装置示意图
1—毫伏直流表；2—硫酸铜电极；3—预埋钢筋；4—混凝土抗渗试件
将预埋在混凝土中的钢筋半电池电位每6d检测一次，将108d的半电池电位测出，其中水胶比为0.33的试件1组的检测结果见表3.5和图3.8；水胶比为0.38并引气的试件2组的检测结果见表3.6和图3.9。在图、表中，无裂缝组代表在试验之初没有将其劈裂用作对照的试件，低浓度组代表低浓度氯盐-硫酸盐溶液即溶液1作为腐蚀介质的情况，高浓度组代表高浓度氯盐-硫酸镁溶液2试件中钢筋的半电池电位，复合碳酸组则代表高浓度氯盐-硫酸镁-碳酸溶液3中腐蚀渗透的试件中钢筋的半电池电位情况。
表3.5 水胶比0.33混凝土试件不同龄期、不同腐蚀溶液侵蚀的钢筋电极电位
图3.8 水胶比0.33混凝土试件不同龄期、不同腐蚀溶液侵蚀的钢筋电极电位
从图3.8中可以大致得到如下结论：
（1）在不预留裂缝的情况下，钢筋半电池电位变化较小，钢筋基本没有锈蚀，同时也没有腐蚀液渗出。
（2）在低浓度氯盐-硫酸盐溶液中，钢筋半电池电位绝对值先升高再降低，最终趋于平缓的状态，在试验初期腐蚀液渗出，后期因试件自愈合裂缝封闭腐蚀液不再渗出。
（3）在高浓度氯盐-硫酸镁溶液和高浓度氯盐-硫酸镁-碳酸溶液中，钢筋半电池电位绝对值很快升高，然后进入平缓的状态，钢筋腐蚀严重，一直有腐蚀液渗出。在同样预留裂缝情况下，在高低两种不同浓度的腐蚀溶液中，钢筋的锈蚀情况如图3.10和图3.11所示，从图3.10和图3.11中可以直观地看出，在低浓度的腐蚀环境下，因为混凝土的自愈合效应阻碍了腐蚀液对钢筋的直接侵蚀，几乎没有锈蚀的状况；而处在高浓度腐蚀环境下的混凝土试件中的钢筋锈蚀程度则要严重得多。钢筋的锈蚀情况与电极电位的检测结果一致。
表3.6 水胶比0.38混凝土试件不同龄期、不同腐蚀溶液侵蚀的钢筋电极电位
图3.9 水胶比0.38混凝土试件不同龄期、不同腐蚀溶液
侵蚀的钢筋电极电位
图3.10 低浓度腐蚀液中的钢筋锈蚀
图3.11 高浓度腐蚀溶液中的钢筋锈蚀
3.2.2 抗渗试件的渗透情况
本次试验采用了三种不同的腐蚀溶液，分别使用三台抗渗仪进行循环试验，如图3.12所示。图3.12中的三台仪器中分别使用了低浓度氯盐-硫酸盐的溶液1、高浓度氯盐-硫酸镁的溶液2以及在此基础上复合了碳酸根离子的高浓度氯盐-硫酸镁-碳酸溶液3。
图3.12 抗渗试验仪器
通过龄期为一年的试验，其渗透情况见表3.7。从表3.7中可以看出，无裂缝的试验在0.3MPa循环压力渗透下始终没有任何渗透溶液的情况发生，结合本章上述的钢筋锈蚀情况可知其内部亦无贯通裂纹，试件形貌完好。而预留裂缝并在高浓度腐蚀环境溶液2以及溶液3中的试件都一直处于渗透状态，结合钢筋锈蚀情况可以判定其内部一直存在贯通裂纹。而最值得注意的是在低浓度中进行渗透试验的试件，在试验之初，由于预留裂缝形成了内部贯通通道，在渗透压力作用下，腐蚀溶液从试件下表面通过试件内部由上表面预留裂缝渗出，然而随着试验的进行，在3个月龄期之前，渗透情况就逐渐停止，直至龄期满一年试验结束为止都不再发生渗透情况。这与本章上述的钢筋电极电位图中类似图形的形貌相吻合。即在混凝土水化反应的继续进行中，新生成的水化产物产生了膨胀效应，堵塞了试件内部的贯穿通道，阻止了溶液的继续渗透，使得钢筋重新与腐蚀溶液分离，表面的钝化膜重新形成，从而使钢筋不再锈蚀。
表3.7 一年龄期内试件渗透情况
根据试验研究结果表明，当混凝土裂缝小于0.2mm时，在低浓度氯盐-硫酸盐中的混凝土裂缝有自愈合现象，钢筋混凝土腐蚀破坏终止；在高浓度氯盐-硫酸镁溶液和高浓度氯盐-硫酸镁-碳酸溶液中的钢筋混凝土腐蚀破坏加剧，必须对裂缝封闭修补。