混凝土环境中奥氏体不锈钢在应力作用下的钝化性能及孔蚀萌生特征研究

Corrosion of reinforcing steel is the major problem that affects the durability of reinforced concrete structures. The structure used stainless steel reinforcing bar showed exceptional performance for corrosion mitigation. Moreover, it seems to be an economically profitable alternative for the concrete structures exposed to aggressive environments. Engineering concrete structures always suffered various kinds of loads. Thus, it is important to clarify the effects of stress on corrosion behaviour of stainless steel in concrete structures. In this project, the key scientific problem that the influence of stress on initial corrosion behaviour of stainless steel will be investigated. With austenitic stainless steel as experimental materials, the formation process of passive films on loaded samples in cement extract will be studied. The breakage of the passive film on stainless steel under stress will also be investigated. In addition, pit initiation characteristic of stainless steel under stress will be studied. Coupled with microstructures analysis of substrate and passive film, the mechanism of stress affects passivation and pit initiation of stainless steel will be discussed. The breakage mechanism of passive film under different kinds of stress will be suggested. The results may provide references for life prediction of stainless steel concrete structure. Also, to some extent the results will guide for the stress design in prestressed stainless steel concrete structures.

钢筋的锈蚀是导致混凝土结构耐久性不足的主要原因。不锈钢钢筋不仅可以保证混凝土结构的耐久性，而且从全寿命周期角度考虑还具有良好的经济性，因而其在沿海等腐蚀环境的混凝土结构中有着广泛应用前景。混凝土结构总是承受着各种荷载，掌握应力应变对混凝土结构中不锈钢钢筋耐蚀性能的影响具有重要科学意义。本项目针对混凝土环境中应力对不锈钢早期腐蚀特征的影响这一关键科学问题，以奥氏体不锈钢为对象，研究其在应力作用下的钝化过程；其在应力作用下钝化膜的破损和再钝化过程；以及应力作用下其孔蚀萌生特征。综合基体微观结构的演变和不锈钢钝化性能的变化，阐明应力影响混凝土环境中不锈钢钝化性能的机理，明确钝化膜在应力作用下的破损机制，揭示应力影响不锈钢孔蚀萌生的规律。研究成果可指导混凝土结构中不锈钢孔蚀孕育周期的估算，为不锈钢混凝土结构的寿命预测提供线索，并为预应力不锈钢钢筋的应力设计提供理论参考。

项目对混凝土环境中钢筋钝化性能研究进行了综述，介绍了混凝土环境中钢筋钝化特征的常见表征方法，着重介绍了开路电位（OCP）、循环极化、交流阻抗（EIS）.、Mott-Schottky 曲线、光电子能谱（XPS）、微区拉曼光谱（μ-Raman）等技术在分析钢筋钝化性能方面的用途。总结了混凝土环境中Cl-浓度、pH 值、应力作用等因素对钢筋钝化性能的影响。在此基础上，对不同应变条件下的304不锈钢在模拟混凝土孔隙液中的钝化膜形成过程进行了研究，结果表明随着应变的增加，不锈钢在模拟孔隙液中的阳极溶解速率有所增加，尤其是发生塑性形变的试样，即使在不含Cl-离子的环境中其阳极溶解也有明显增加。同时还对应变对不锈钢钝化膜的半导体特性的影响进行了研究，实验结果表明在弹性范围内，不锈钢钝化膜的半导体特性变化不明显；当应变增加至塑性范围内时，不锈钢钝化膜的载流子浓度明显增加。此外，研究还发现随着形变量的增加，不锈钢钝化膜的双电层厚度有所降低。结合XPS分析了不锈钢表面钝化膜的组成发现，随着应变的增加，不锈钢钝化膜表面的Cr/Fe比例逐渐增加，而钝化膜外层的Fe3+比例将会逐渐降低，而钝化膜内层的Cr离子不会随着应变的增加而逐渐增加。综合Mott-Schottky曲线和XPS结果，表明随着应变的增加，不锈钢在混凝土孔隙液的外层钝化膜中的Fe3O4将逐步发生分解，而钝化膜内层的Cr的氧化物将不会发生明显改变。此外，对混凝土环境中承载不锈钢的亚稳态小孔腐蚀特征进行了研究，发现随着不锈钢形变量增加其钝化膜的载流子浓度明显增加；碱性孔隙液中承载不锈钢出现了典型的亚稳态小孔腐蚀特征；尤其是塑性形变的承载不锈钢其亚稳态小孔腐蚀再钝化阶段常出现另一个峰值电流稍低的次生亚稳态小孔腐蚀；随着塑性形变量的增加承载不锈钢次生亚稳态小孔腐蚀现象越显著。