氯离子侵蚀作用下高强度耐腐蚀钢筋在混凝土中的腐蚀行为及寿命预测

In recent years, the research of increasing resistance of the reinforcing bar to corrosion is regarded universally. The resistance corrosion bar HRB400R was made by resource-saving design and acceleration corrosion experiment in salt-fog-box in Shagang iron & steel group company. In fact, the corrosion behavior of HRB400R in concrete is not the case. Moreover, the service life under chloride environment is not known..In this program, the corrosion resistance of HRB400R in simulated concrete pore solution will be evaluated scientifically, including the processes of passivation, depassivation and corrosion expansion, the composition and structures of passive film, the quantitative depassivation condition and so on. The corrosion behavior of the interface between inner rust layer and the steel matrix is going to be studied to analyze the inhibition mechanism of alloying elements to the development of corrosion. Corrosion rate and charactristic of the rust layer in each corrosion stage will be monitored so that the corrosion developing model could be established. The corrosion characteristic of HRB400R steel bar in concrete will also be evaluated systematically. Corrosion rate critical, chloride concentation and the critical corrosion degree leading to spalling of concrete cover is going to be characterized quantitively. Besides, galvanic corrosion behavior of steel in concrete and interactions of concrete cover depth, matel type and enviromental factors will be analyzed. Finally, life prediction method for HRB400R anti-corrosion steel bar in concrete will be established based on reliability theory. All the work in this program is designed to ensure service life of steel bar reinforced concrete in inclement marine enviroment.

近年来，如何提高钢筋的耐腐蚀性能是一个研究的热点。基于成本分析和盐雾加速试验，一些钢铁厂家生产了高强度耐腐蚀钢筋HRB400R。然而，在氯离子侵蚀作用下该钢筋在混凝土中的腐蚀行为和服役寿命未见报道。本项目首先科学评价HRB400R耐蚀钢筋在混凝土模拟液的耐蚀性，全面研究其钝化、破钝活化和腐蚀扩展过程，分析钝态钢筋表面钝化膜的组分和结构，定量表征脱钝条件；研究HRB400R内锈层与基体界面的腐蚀行为，探明合金元素对腐蚀扩展的抑制机制；监测腐蚀速率，分析各腐蚀发展阶段锈层特性，建立其在混凝土模拟孔溶液中的腐蚀发展规律模型。接着，科学评价HRB400R耐蚀钢筋在混凝土中的腐蚀特性，实现临界氯离子浓度、钢筋腐蚀速率和引起混凝土保护层胀裂的临界锈蚀量的定量表征。其次，利用宏电池腐蚀原理来表征HRB400R耐蚀钢筋的电偶腐蚀行为。最后，建立基于可靠度理论的HRB400耐蚀钢筋在混凝土中的寿命预测模型。

在海洋等高严酷环境背景下，如何提高钢筋的耐腐蚀性能是一个研究热点。本研究以“耐蚀性、力学性能及施工工艺性能”为协同设计原则，制备出具有双相基体组织（贝氏体相+铁素体相）系列低镍低铬合金高等级耐蚀钢筋（00Cr10Mo1V钢筋，牌号：8-1）。针对正常混凝土环境、碳化混凝土环境及中性氯盐环境研究了系列耐蚀钢筋的耐蚀性能，综合热力学指标开路电位、动力学指标腐蚀电流密度、电化学阻抗谱及腐蚀临界氯离子浓度值等，建立钢筋耐蚀性评价体系。研究结果表明，随着钢筋基体中Cr含量上升，钢筋耐蚀性能整体上升，其中8-1系列钢筋在正常混凝土环境中的耐蚀性能与2205不锈钢筋相近，其对碱度依赖性低，在碳化环境中仍然具有良好耐蚀性。基于纳米尺度分析，深入研究了8-1系列钢筋的钝化及氯离子耐蚀机制，得益于8-1钢筋基体中均匀分布的Cr元素，在钝化膜形成后期促进基体中Cr继续溶出富集，形成致密且导电性弱的Fe-Cr-O钝化膜内层；氯离子仅作用于钝化膜表面，由于钝化膜为n-p双相半导体，具有导电性极弱的空间电荷层，阻止钝化膜溶解；低pH碳化环境中，钝化膜外层Fe氧化物溶出，内层Cr氧化物相对富集，保证钢筋良好耐蚀性；预锈作用一定程度上影响了低合金钢筋钝化膜的耐蚀性，但长周期服役过程中低合金钢筋基体与氧化皮之间可形成致密的富 Cr 锈层，对腐蚀介质的扩散起到显著的阻滞作用，从而赋予低合金钢筋更高的耐蚀性。基于海洋环境下氯离子在混凝土中扩散过程相关参量的随机分析以及海洋环境下混凝土中钢筋表面Cl-浓度的随机模型，获得了钢筋不同临界氯离子浓度对应的混凝土腐蚀寿命。工程应用方面，耐蚀钢筋以基体中极低碳含量及低铬含量确保了钢筋的可焊性，应用闪光电弧焊可获得符合国家焊接标准的焊件，为工程应用提供有效保障；目前8-1系列耐蚀钢筋已应用于新海港工程、青荣城际浅海区海洋环境铁路桥梁及青连铁路跨海桥梁。结合项目研究，已投文章27篇，已发表SCI论文6篇，EI论文4篇，中文核心期刊论文4篇，会议论文7篇，正在审稿中SCI论文5篇，中文核心期刊论文1篇；共申请专利4项，其中授权专利1项，公开专利3项；获得国家省部级科研奖励4项。