工艺技术
钢筋因价格低廉,力学性能良好及质量稳定等特点,被广泛应用于钢筋混凝土结构中。自2012 年以来,建筑用钢需求一直在国内钢材市场占据第一,其采购占比是钢材贸易的55%左右。但是随着钢筋混凝土构件使用期限的增长,钢材的耐久性问题也更加突出。钢筋的腐蚀往往会引起钢筋混凝土结构的损坏,腐蚀所引起的裂缝或破坏会影响整体结构的正常使用,不但导致了资源的损耗浪费,甚至会危及到人的生命财产安全[1]。氯盐腐蚀是导致常规混凝土结构中钢筋服役寿命缩短的主要原因,氯离子会通过混凝土表面小孔或微裂纹渗透到内部,使钢筋表面的钝化膜被破坏,进而导致内层钢筋被腐蚀,而疏松的腐蚀产物体积是铁的2~6 倍,体积膨胀所累积的应力最终造成混凝土结构开裂破坏[2]。华南地区码头建筑的调查结果表明,超过80%的钢筋发生了严重程度及以上的锈蚀破坏,部分出现锈蚀破坏的码头距离建成的时间仅5~10 年,钢筋锈蚀给我国基础设施及国民经济带来了较大损失[3],因此必须通过技术手段提高钢筋耐腐蚀能力。
为了延长钢筋混凝土结构的使用寿命,国内外已经采取了多种防治钢筋锈蚀的方法,包括采用缓蚀剂,在混凝土表面涂装保护涂层,阴极保护及开发耐蚀钢筋等手段[4]。传统防治钢筋锈蚀大多是从钢筋的外部条件入手,在不改变普通碳素钢筋基体的前提下,通过阻滞外界腐蚀物质侵蚀来保护钢筋免受锈蚀,这不仅工艺繁琐,同时还增加了建筑成本。相反,从钢筋锈蚀的内部原因考虑,提升钢筋自身抗腐蚀性能是解决钢筋锈蚀问题的长期有效方法。在提高普通碳钢的耐腐蚀性能方面,含铬元素的钢材具有更加致密的锈层,铬元素对提高钢的耐腐蚀性能作用明显[5]。Cr 相对于其他合金元素具有较高的性价比,因此在提高钢材耐腐蚀性方面备受研究人员的关注[6]。
我国对耐蚀钢筋的研发起步较晚,虽然已经开展了包括实海和实地环境中的试验研究,但目前耐蚀钢筋尚未被大量应用[7],因此急需研发出成本低廉、耐腐蚀性能优良的低合金耐腐蚀钢筋。本文针对这一需求,研发出一种具有良好耐蚀性能的400 MPa级Cr-Mo 合金化耐腐蚀钢筋。通过周浸腐蚀实验和电化学实验,采用扫描电镜(SEM)和X 射线衍射(XRD)等设备,对比分析了普通钢筋HRB400E 与Cr-Mo合金化耐蚀钢筋HRB400cE 在中性氯盐环境下的腐蚀行为,研究了钢筋锈层的宏观形貌和成分组成,探讨了普通碳素钢筋和Cr 合金化耐蚀钢筋腐蚀性能差异。
分别选用钢厂生产的16 mm 普通钢筋HRB400E和新研发的400 MPa 级Cr-Mo 合金化耐蚀钢筋HRB400cE 为实验用钢,其化学成分如表1 所示。2种钢筋的基体显微组织如图1 所示,HRB400E 主要是铁素体+珠光体组织,晶粒度评级为12 级,而HRB400cE 则主要是铁素体+珠光体+部分贝氏体,晶粒度评级为13 级。HRB400cE 钢筋中除了加入Cr 元素提高耐蚀性能外,还加入Mo 元素促进晶粒细化,提高钢的淬透性,在合适的工艺下得到适当比例的贝氏体,既提高了钢筋耐蚀性能又保证了钢筋的力学性能[8]。珠光体相内具有高电位的渗碳体,因其与铁素体间较大的电位差而在晶粒间形成腐蚀微电池,导致不均匀腐蚀,而铁素体与贝氏体结构相对均匀,不易产生微电池,从而降低了晶间腐蚀[9]。因此,具有贝氏体组织的HRB400cE 能够提高耐腐蚀性能。
图1 钢筋显微组织:(a)HRB400E;(b)HRB400cE
Fig.1 Microstructure of the rebals:(a)HRB400E;(b)HRB400cE
表1 2种试验钢的化学成分
Tab.1 Chemical composition of the two experimental rebals(mass fraction/%)
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将10 mm×10 mm×3 mm 的长方体方块,通过焊接导线制成工作面积为1 cm2 的电极试样,并使用环氧树脂密封其余非工作面。试样使用180~5 000目砂纸逐步打磨后进行抛光,然后依次使用蒸馏水和酒精溶液清洗。电化学测试在CHI600E 型电化学工作站上进行,其中以试验钢筋作为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,铂电极作为辅助电极。实验介质是质量分数为2%和3.5%的NaCl溶液,实验温度25 ℃,在进行极化曲线测试前先测试样品的开路电位,电极表面稳定后进行动电位极化实验,动电位极化曲线在-1.2~1.0 V 范围扫描,扫描速率为1 mV/s,电化学阻抗谱测试的频率范围为0.01 Hz~100.00 kHz,测定结果利用Zview 软件进行解析。
按照YB/T 4367-2014《钢筋在氯离子环境中腐蚀试验方法》标准进行周浸腐蚀实验。试样为φ9 mm×50 mm 的圆柱,采用质量分数2%的中性NaCl 溶液作为腐蚀溶液,试验温度为(45±2)℃,湿度为(70%±10%)RH。实验设定为288 个循环周期,每个循环周期为1 h,其中每个循环周期的浸泡时间为12 min,干燥时间为48 min。实验前对样品依次使用洗涤剂、蒸馏水和酒精溶液清洗并称量。实验过程中每天补充腐蚀液1 次,实验结束后,先用机械方式去除带锈试样疏松锈层,然后在除锈液(500 mL 盐酸+500 mL 蒸馏水+3.5 g 六次甲基四胺)中进行清洗,采用失重法计算腐蚀率。试样表面锈层形貌采用VEGA-3SBH 型扫描电镜观察,锈层组成则采用D/Max 2200 型X 射线衍射仪进行分析。
图2 展示了2 种钢筋平均腐蚀率随实验周期变化散点图,并绘制了两者的拟合曲线。从图中可以看出,400 MPa 级Cr-Mo 合金化耐蚀钢筋HRB400cE 试样的腐蚀率比普通钢筋HRB400E 明显低。在实验周期内,两种钢筋腐蚀率在72 h 前具有较快的上升趋势,而72 h 后腐蚀率趋势平缓,甚至HRB400cE 钢筋在144 h 后出现腐蚀率下降的趋势。主要原因是含Cr 钢筋在腐蚀过程中逐渐形成致密锈层,阻碍了阴离子侵蚀钢筋基体,从而导致后期腐蚀率降低。因此,相对普通钢筋,耐蚀钢筋在周浸腐蚀试验中表现出了良好的耐氯离子侵蚀性能,其平均腐蚀率相对普通钢筋为67%,符合GB/T 33953《钢筋混凝土用耐蚀钢筋》要求。
图2 两种试验钢腐蚀率曲线
Fig.2 Corrosion rate curves of the two kinds of test rebals during alternate immersion corrosion tests
从图3 可以看出,在周浸实验腐蚀后,随着循环周期的增加,HRB400E 和HRB400cE 的腐蚀程度均逐渐加剧。HRB400E 试验钢筋锈层有明显的分层,表层容易剥落,144 h 后出现瘤状或溃疡状腐蚀,288 h 后锈层加厚,腐蚀程度进一步加剧,缺陷增多。相比之下,HRB400cE 试验钢筋在腐蚀72 h 后,表面锈层为黑色基体与橙色铁锈相间状态,随着周期的增加,锈层中黑色基体部分逐渐被锈层覆盖,最后几乎被橙色锈层完全覆盖,腐蚀速率也趋于稳定。在对不同时刻周浸实验钢筋表面锈层清理后可见,普通钢筋腐蚀72 h 出现蚀坑,局部腐蚀严重,腐蚀144 和288 h 后蚀坑纵向腐蚀明显,钢筋基体凹凸不平。Cr-Mo 合金化耐蚀钢筋HRB400cE 表面均匀,腐蚀288 h 后只出现零散分布的腐蚀坑,具有较好的耐腐蚀性能。含铬增强钢表现出比传统低碳增强钢更高的耐腐蚀性,这是由于在钝化阶段形成了更具保护性和稳定性的钝化膜,以及在腐蚀传播阶段出现更致密的腐蚀产物 [10]。此外耐蚀钢筋中的Mo 元素在腐蚀过程中形成Fe2(MoO4)3 和CaMoO4 等化合物,组成的致密保护膜也有效地防止了Cl-离子入侵[11]。
图3 不同时间周浸腐蚀试验后两种试验钢在锈层清理前(左)后(右)的腐蚀形貌:(a)HRB400E,72 h;(b)HRB400E,144 h;(c)HRB400E,288 h;(d)HRB400cE,72 h;(e)HRB400cE,144 h;(f)HRB400cE,288h
Fig.3 Corrosion morphology of two test rebals before(the left)and after(the right)removal of rust after different durations of corrosion:(a)HRB400E,72 h;(b)HRB400E,144 h;(c)HRB400E,288 h;(d)HRB400cE,72 h;(e)HRB400cE,144 h;(f)HRB400cE,288h
为了更深入了解普通HRB400E 钢和HRB400cE钢的腐蚀产物情况,使用扫描电镜对两种钢锈层表面的微观形貌进行观察。如图4 所示,两种钢筋在腐蚀72 h 的锈层表面凹凸不平且覆盖不均匀,锈层整体较为疏松稀薄,表明腐蚀反应尚不充分,未形成大量腐蚀产物,这种不平整的锈层紧密性较差,对钢筋基体保护作用弱[12]。随着腐蚀周期进入144和288 h,两种钢筋的锈层逐渐变得更为密实且覆盖均匀,能够更好地保护钢筋基体免受氯离子侵入腐蚀,而这也与中后期腐蚀速率降低的现象相吻合。相比较而言,HRB400E 表面存在裂纹且腐蚀产物颗粒大小不均,颗粒搭接不紧凑,导致氯离子可以通过这些通道进入基体,加速钢筋腐蚀。而HRB400cE腐蚀后的锈层形貌平整紧密,锈层致密度高,具有更好地阻止O2、氯离子等物质腐蚀钢筋基体的能力,可以很大程度阻滞和减缓基体的腐蚀拓展[13]。在长期腐蚀过程中,Cr 含量越高,锈层中裂纹和气孔的数量越少,锈层颗粒的尺寸越小,减少了腐蚀物质的扩散与侵蚀[14]。
图4 不同时间周浸腐蚀试验后两种试验钢锈层表面形貌:(a)HRB400E,72 h; (b)HRB400E,144 h;(c)HRB400E,288 h;(d)HRB400cE,72 h;(e)HRB400cE,144 h;(f)HRB400cE,288 h
Fig.4 Surface morphology of two types of rebals rust layers after different corrosion durations:(a)HRB400E,72 h; (b)HRB400E,144 h;(c)HRB400E,288 h;(d)HRB400cE,72 h;(e)HRB400cE,144 h;(f)HRB400cE,288 h
以两种试验钢周浸腐蚀288 h 为例,用扫描电镜对两者锈层横截面形貌进行观察,从图5 可以看出,HRB400cE 截面锈层相对HRB400E 更薄且致密,其平均锈层厚度为370 μm,小于HRB400E 的534 μm 的平均锈层厚度。此外,HRB400E 钢筋基体由于锈层保护能力弱,导致腐蚀性氯离子沿着疏松通道进入钢筋基体[15],造成钢筋基体出现较大面积的腐蚀坑,而HRB400cE 钢筋锈层的致密性阻碍了侵蚀性离子的进入,基体仍然较为光滑。
图5 钢筋腐蚀288 h 后锈层截面形貌:(a)HRB400E;(b)HRB400cE
Fig.5 Cross-sectional morphology of the rust layer after corrosion for 288 h:(a)HRB400E;(b)HRB400cE
利用XRD 分析了试样在288 h 周浸加速腐蚀后的锈层产物,如图6 所示。铬含量1.0%的耐蚀钢筋HRB400cE 试样锈层主要物相为Fe3O4、α-FeOOH和Cr2O3,而普通钢筋HRB400E 试样的锈层主要物相为Fe2O3、β-FeOOH。由于α-FeOOH 具有优异的黏附性、致密性和低电化学活性而被认为在钢铁腐蚀过程具有保护作用[16-17]。在腐蚀过程中,耐蚀钢筋具有较高含量α-FeOOH 能够增加附着于基体表面的致密锈层,降低基体的腐蚀速率。而普通钢筋中的β-FeOOH 和γ-FeOOH 都是钢的非保护性腐蚀产物[18]。此外,HRB400cE 中合金元素Cr 以Cr2O3 的形式参与钢钝化膜的形成,Cr3+的加入使锈的离子选择性由阴离子选择性转变为阳离子选择性,使Cl-等腐蚀性阴离子的渗透受到阻碍,从而提高钢筋耐蚀性能[19]。以上的分析结果表明,HRB400cE 中的Cr 元素促进了锈层中α-FeOOH 的形成,提高了锈层的致密性和稳定性,阻碍了腐蚀性介质的传输过程,从而增强了材料的耐蚀性能。
图6 两种试验钢在周浸腐蚀试验后的XRD 分析结果
Fig.6 XRD patterns of the two test rebals after alternate immersion corrosion tests
图7 为两种钢筋试样在2%NaCl 和3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线。相应的腐蚀电流密度(icorr)和腐蚀电位(Ecorr)值如表2 所示。结果显示,在两种浓度的NaCl 溶液中,普通HRB400E 和HRB400cE 钢筋的极化曲线均呈现出活化极化现象,没有出现钝化现象,两种钢的极化曲线形状相似,说明钢阳极活化溶解过程具有相同的动力学行为,两者的腐蚀机理相似[20]。在同一种浓度NaCl 溶液中,含Cr 的HRB400cE 钢筋自腐蚀电流密度低于不含Cr 的HRB400E 钢筋,表现为icorr(HRB400E)>icorr(HRB400cE),而自腐蚀电位增大。对于同一种钢筋,随着Cl- 浓度的提高,其自腐蚀电流密度增加,而自腐蚀电位减小。以上表明HRB400cE 钢筋具有较低的电化学腐蚀速率,这也说明Cr 含量的增加可以提高钢筋在氯离子环境中的耐蚀性。
图7 两种钢在不同浓度NaCl 溶液中的极化曲线:(a)2%NaCl 溶液;(b)3.5%NaCl 溶液
Fig.7 Polarization curves of two types of rebal in different concentrations of NaCl solution:(a)2 wt.%NaCl solution;(b)3.5 wt.%NaCl solution
表2 钢的动电位极化参数
Tab.2 Potentiodynamic polarization parameters of two steels
SolutionTrademarkEcorr/Vicorr/(A·cm-2)2%NaClHRB400E-0.7593.327×10-6 HRB400cE-0.7071.616×10-6 3.5%NaClHRB400E-0.7644.198×10-6 HRB400cE-0.7151.693×10-6
图8 为两种钢筋在2%和3.5%NaCl 溶液中的Nyquist 图。Nyquist 图容抗弧半径大体上反映钢筋腐蚀反应进行的阻力,容抗弧半径越大,则电子在钢材表面传递受阻碍程度越高,钢筋越耐腐蚀。在同一种Cl-浓度溶液中,含Cr 的HRB400cE 钢筋容抗半径大于不含Cr 的HRB400E 钢筋,表明HRB400cE 钢筋较为耐腐蚀。随着溶液中Cl-含量增加,HRB400cE 和HRB400E 钢筋容抗半径均减小,表明Cl-浓度增加导致钢筋稳定性下降,耐蚀性能降低。
图8 两种钢在不同浓度NaCl 溶液中的Nyquist 图:(a)2%NaCl 溶液;(b)3.5%NaCl 溶液
Fig.8 Nyquist plots of two types of steel in different concentrations of NaCl solution:(a)2 wt.%NaCl solution;(b)3.5 wt.%NaCl solution
图9 为两种钢筋在2%和3.5%NaCl 溶液中的Bode 图。Bode 图阻抗模量可以表征钢材的抗腐蚀性能,阻抗模量越大则钢筋越耐腐蚀。当钢筋表面平整时,Bode 图最大相角绝对值接近90°,最大相角绝对值越小则表面平整度越低,可以认为钢筋表面膜层越粗糙,防护作用越差[21]。在同一种Cl-浓度中,HRB400cE 钢筋阻抗模量与最大相角绝对值均大于HRB400E。说明HRB400cE 耐腐蚀性能强于HRB400E。随着溶液中Cl-含量增加,HRB400cE 和HRB400E 阻抗模量下降明显,此外两种钢筋最大相角随Cl-浓度略微下降。基本可以认为加入Cr 元素能够使钢筋锈层致密,加大对钢筋基体的保护作用,减少Cl-的侵蚀作用,从而提高钢筋的耐电化学腐蚀性能。
图9 两种钢在不同浓度NaCl 溶液中的Bode 图:(a)2%NaCl 溶液;(b)3.5%NaCl 溶液
Fig.9 Bode diagrams of two types of rebal in different concentrations of NaCl solution:(a)2 wt.%NaCl solution;(b)3.5 wt.%NaCl solution
(1)400 MPa级Cr-Mo 合金化耐蚀钢筋HRB400cE在氯盐环境中以均匀腐蚀为主,表现出良好的耐氯离子侵蚀性能,与普通HRB400E 钢筋相比,周浸试验中的相对腐蚀速率为67%,满足耐蚀钢筋国家标准。
(2)普通钢筋在经过周浸腐蚀后,其锈层较为疏松,主要成分是Fe2O3 和β-FeOOH。而Cr-Mo 合金化耐蚀钢筋的锈层则相对薄且致密,主要成分是化学性质较为稳定的Fe3O4、α-FeOOH 和Cr2O3,锈层对钢筋基体提供了更好的保护作用,能够有效防止钢筋继续腐蚀。
(3)随着溶液中Cl-浓度增加,Cr-Mo 合金化耐蚀钢筋HRB400cE 与普通钢筋HRB400E 均出现自腐蚀电流密度增加、容抗弧半径减小情况,钢筋钝化膜稳定性减弱,耐腐蚀性能下降。
(4)相比HRB400 钢筋,Cr-Mo 合金化耐蚀钢筋HRB400cE 自腐蚀电位较高,自腐蚀电流密度较低,其极化电阻增大,容抗弧半径与阻抗模量增加,具有较小的电化学腐蚀速率,从而使钢筋在氯盐环境下具有更优异的耐腐蚀性。
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