钢筋-混凝土界面过渡区微观结构和渗透性对钢筋腐蚀影响机理研究

Corrosion is the most important factor affecting durability of reinforced concrete structures. Corrosion development of steel bars embedded in concrete is influenced by quality of steel-concrete interfacial zone (SCIZ) significantly. Improvement of SCIZ can result in delay of corrosion initiation time and reduction of corrosion rate. However, the existing research has not investigated the effect mechanism of SCIZ on corrosion behaviour. In the present project, some factors, including the binder composition, the distribution of particle size, the orientation of steel bar and the height of concrete under steel, will be varied, then the microstructure of SCIZ will be analyzed by μCT, SEM/EDS and BSE. Colormetric method will be used to study chloride permeability of SCIZ, then the effect mechanism of microstructure, micro-environment and permeability of SCIZ on chloride threshold value will be classified. Non-uniform distribution of steel corrosion will be tested by 3D laser scanning technology, distribution and diffusion of corrosion products in SCIZ will be monitored by μCT technology, then the characteristic of SCIZ will be considered as a supplementary parameter to optimize the prediction model of corrosion-induced cracking. The output of this project will contribute to the theory of durability design of steel concrete structures, durability assessment and life prediction of corroded structures.

钢筋腐蚀是影响混凝土结构耐久性的首要因素。钢筋-混凝土界面过渡区对钢筋腐蚀进程影响显著，改善钢筋-混凝土界面过渡区可明显延长钢筋腐蚀起始时间并降低钢筋腐蚀速率，但目前并未深入研究钢筋-混凝土界面过渡区对钢筋腐蚀的影响机理。本项目拟改变胶凝材料组成、粒度分布、钢筋布置方向、钢筋下方混凝土高度等因素，利用μCT、SEM/EDS、BSE等技术分析钢筋-混凝土界面过渡区微观结构的形成与演变规律；通过显色法研究界面过渡区内氯离子渗透性，揭示钢筋-混凝土界面过渡区微观结构、微观环境及渗透性对钢筋腐蚀起始临界氯离子浓度的影响机制；利用三维激光扫描技术研究钢筋腐蚀的非均匀分布特征，利用μCT技术监测钢筋腐蚀产物在界面过渡区内的分布与扩散规律，将钢筋-混凝土界面过渡区特征作为补充参数，优化混凝土锈胀开裂理论预测模型。研究成果将为氯盐环境下混凝土结构耐久性设计、现有腐蚀结构的耐久性评估及寿命预测提供理论依据。

钢筋腐蚀是影响混凝土结构耐久性的首要因素，钢筋-混凝土界面缺陷的存在对钢筋腐蚀进程影响显著，阐明钢筋-混凝土界面缺陷特征并揭示其对钢筋腐蚀行为的影响机理对于钢筋混凝土结构的安全性和耐久性意义重大。.通过改变胶凝材料组成制备了三种具有不同稳定性的混凝土，研究了新拌混凝土稳定性对钢筋-混凝土界面的影响，采用背散射电子图像和纳米压痕技术研究钢筋-混凝土界面的微观结构特征，建立了新拌混凝土稳定性与钢筋-混凝土界面缺陷面积及其分布规律的关系；设计了不同布筋方向、布筋高度、缺陷尺寸的钢筋混凝土试件，提出显色法表征钢筋-混凝土界面的渗透性，通过腐蚀开路电位监测钢筋腐蚀状态，然后破型检测表征钢筋腐蚀分布，揭示了钢筋-混凝土界面缺陷的形成、演变规律及其对钢筋腐蚀起始的影响机理。在不同时间绘制混凝土表面腐蚀裂缝的分布来监测混凝土中的钢筋腐蚀状况，测试混凝土中氯离子浓度分布，并通过质量损失法表征其腐蚀程度，描绘不同方向钢筋的腐蚀面积，提出钢筋-混凝土界面区特性对钢筋腐蚀发展阶段的影响机制。.结果表明，由于新拌混凝土的沉降、离析和泌水，以及混凝土中气泡上浮遇到钢筋运动受阻，界面缺陷主要集中在水平钢筋下侧。随着新拌混凝土稳定性下降、布筋高度的增加，钢筋下侧的界面缺陷面积变大。钢筋-混凝土界面缺陷对钢筋腐蚀的影响比暴露条件对腐蚀的影响更为显著，界面缺陷的存在会使得钢筋腐蚀起始时间大大提前，且当钢筋-混凝土界面存在缺陷时，钢筋倾向于从存在缺陷的一侧开始发生腐蚀。界面缺陷加速腐蚀发生的原因主要包括两方面，一是缺陷存在造成微观环境的不同，从而产生电位差异；二是氯离子沿钢筋下方的界面缺陷迁移速度极快，从而加速钢筋腐蚀。