基于电场分析和仿混凝土实验的杂散电流腐蚀分布规律研究

doi:10.11902/1005.4537.2021.265

基于电场分析和仿混凝土实验的杂散电流腐蚀分布规律研究

彭一展, 弓扶元^,, 赵羽习

浙江大学建筑工程学院杭州 310012

Distribution of Stray Current Induced Corrosion of Reinforced Bars Within Concrete Based on Electric Field Analysis and Experiment with Transparent Imitated Concrete

PENG Yizhan, GONG Fuyuan^,, ZHAO Yuxi

College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310012, China

通讯作者: 弓扶元,E-mail：gongfy@zju.edu.cn,研究方向为混凝土结构的耐久性

收稿日期: 2021-09-30 修回日期: 2021-10-22

基金资助:

国家自然科学基金.  51978604
国家自然科学基金.  52038010
国家自然科学基金.  51820105012
国家自然科学基金.  52008367

Corresponding authors: GONG Fuyuan, E-mail:gongfy@zju.edu.cn

Received: 2021-09-30 Revised: 2021-10-22

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China.  51978604
National Natural Science Foundation of China.  52038010
National Natural Science Foundation of China.  51820105012
National Natural Science Foundation of China.  52008367

作者简介 About authors

彭一展,男,1995年生,博士生

摘要

为了研究杂散电流作用下混凝土等导电基体中钢筋腐蚀的宏观分布规律,开展了三维电场的有限元模拟和基于仿混凝土材料的钢筋腐蚀实验。建立三根钢筋嵌入矩形基体的有限元模型来开展数值模拟研究,讨论钢筋的锈蚀状态和基体的杂散电流电场,并进行参数分析。然后使用与数值模型相同尺寸的试件来开展腐蚀实验,将得到的钢筋腐蚀速率与模拟结果进行了对比。结果表明,应用界面极化反应与外加Maxwell宏观电场相结合的方法,可以实现杂散电流作用下钢筋腐蚀速率与基体电场的有限元模拟。此外,通过对透明基体试件的观察和三维激光扫描,可以定性和定量地评估腐蚀量的分布。

关键词： 杂散电流 ; 数值模拟 ; 仿混凝土 ; 腐蚀分布 ; 基体电场

Abstract

The stray current induced corrosion is a common form of corrosion that occurs in the concrete structures of electrified traction systems, which becomes more and more serious with the increasing service life. Hence, in order to clarify the spatial distribution of reinforcement corrosion in the conductive matrix like concrete in the presence of stray current, the corrosion features of reinforcement in a transparent imitated concrete was assessed experimentally, meanwhile the finite element simulation of the applied electric field was also carried out. A finite element model of three steel bars embedded in a rectangular matrix was established to carry out numerical simulation studies, the corrosion state of the steel bars and the stray current electric field of the matrix were discussed in terms of the relevant parameters. Meanwhile, the corrosion experiment of the test piece with the same size as the numerical model was carried out, and the obtained corrosion rate of the steel bars was compared with the simulation result. The results show that the corrosion rate of reinforcements and the electric field distribution in the matrix in the presence of stray current can be simulated by taking the polarization reaction with Maxwell electric field into account. In addition, the distribution of corrosion amount can be evaluated qualitatively and quantitatively by optical observation and the 3D laser scanning of the test piece with transparent matrix.

Keywords： stray current ; numerical simulation ; imitated concrete ; corrosion distribution ; electric field

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本文引用格式

彭一展, 弓扶元, 赵羽习. 基于电场分析和仿混凝土实验的杂散电流腐蚀分布规律研究. 中国腐蚀与防护学报[J], 2022, 42(5): 813-818 DOI:10.11902/1005.4537.2021.265

PENG Yizhan, GONG Fuyuan, ZHAO Yuxi. Distribution of Stray Current Induced Corrosion of Reinforced Bars Within Concrete Based on Electric Field Analysis and Experiment with Transparent Imitated Concrete. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2022, 42(5): 813-818 DOI:10.11902/1005.4537.2021.265

由于直流电源的使用而引起的杂散电流腐蚀是引起钢筋混凝土结构性能退化的一个重要因素。该种腐蚀较无电流激励的自然腐蚀更为严重,常发生在结构防腐涂层破坏的地方,对埋地金属设施造成巨大危害。除了使钢构件劣化外,杂散电流还会影响混凝土的微观结构,导致其孔隙率与渗透系数的增大^[1,2]。当前,在北京、香港等地已有多起杂散电流引起的地铁结构破坏的案例。

为了探明杂散电流腐蚀的规律和机理,多位学者开展了实验研究,对杂散电流的分布^[3]、钢筋的钝化性能^[4]、腐蚀速率^[5]、阻抗特性^[6]等问题进行了讨论。由于直流杂散电流腐蚀的危害远大于等量的交流杂散电流^[7],大多数研究集中在直流电上,但也有部分学者对交流电下钢筋的腐蚀速率和腐蚀形态等问题给出了有价值的结论^[8,9]。

由于钢筋的杂散电流腐蚀受到杂散电流电压、介质电阻率、离子浓度、温度等因素影响,是一个动态变化的过程,因此腐蚀过程与腐蚀最终状态同样重要。然而通过开展以混凝土为基质的腐蚀实验,研究人员仅能在实验结束后观察并测试腐蚀的最终状态,难以有效地观察和测量腐蚀的发展过程。基于此原因,部分学者尝试在实验中采用透明的仿混凝土材料作为基质,如聚丙烯酸钠聚合物^[10]、淀粉浆^[11]和硅砂等。他们用这些多孔介质来模拟混凝土的微观结构,并在介质中加入饱和氢氧化钙溶液来模拟混凝土的孔隙液。通过透明的基体观察阳极和阴极的反应现象：阳极生成氢氧化铁,可以观察到红褐色的铁锈；阴极由于基体中氧气有限而发生析氢反应,可以观察到基体中残留的氢气泡。此外,常规的杂散电流腐蚀实验局限于关注某一测量点的腐蚀状态。然而杂散电流腐蚀属于宏电池腐蚀,在整个腐蚀区域内杂散电流电场、离子传输、电极极化等因素动态变化且相互影响^[10],因此对整个分析域内的电场和腐蚀分布的预测和研究是十分必要的,而有限元方法可以实现上述的目标。

本文采用数值模拟和实验结合的方法研究了杂散电流作用下仿混凝土材料基体内钢筋腐蚀的空间分布特性。首先建立3根钢筋嵌入矩形基体的有限元模型来开展数值模拟研究,讨论钢筋的锈蚀状态和基体的杂散电流电场,并进行了参数分析。然后进行了与数值模型相同尺寸试件的腐蚀实验,将得到的钢筋腐蚀电流密度与模拟结果进行了对比。

1 研究方法

1.1 杂散电流腐蚀的有限元模拟

当金属发生腐蚀反应时,流经电极的腐蚀电流使电极电位偏离自发平衡电位,直至达成新的平衡。这种现象被称为电化学极化,可用式 (1) 所示的Tafel公式来描述

\begin{array}{l} E_{a} = E_{a 0} + β_{a} l g (I_{a} / I_{a 0}) \\ E_{c} = E_{c 0} + β_{c} l g (I_{c} / I_{c 0}) \end{array}

(1)

式中,E_a和E_c是新的平衡下阳极和阴极的腐蚀电位,E_a0和E_c0是自发平衡时的阳极和阴极电位,I_a和I_c是阳极和阴极的腐蚀电流密度,I_a0和I_c0是自发平衡时的阳极和阴极交换电流密度,β_a和β_c分别是阳极和阴极的Tafel斜率。

Nernst方程沟通了标准和非标准状态下的电极电位,即：

E_{0} = E_{0}^{Θ} + \frac{R T}{z F} l n [(c_{M^{+}})^{a} / (c_{M})^{b}]

(2)

式中,E₀和E₀^Θ分别是非标准状态和标准状态下的电极电位, $c_{M^{+}}$ 和c_M 分别是材料M在氧化态和还原态下的浓度,a和b分别是化学反应式中材料的氧化态和还原态前的系数,T是绝对温度,z是电极反应中转移的电荷数,R是理想气体常数,F是Faraday常数。因此,自发平衡电位可根据Nernst方程,由标准状态电位和电极附近的离子浓度计算得到。

根据Nernst方程和动力学公式,自腐蚀电位和Tafel斜率可由式 (3) 和式 (4) 计算得到：

\begin{array}{l} E_{a 0} = E_{a 0}^{Θ} + \frac{R T}{z F} l n (c_{F e^{2 +}}) \\ β_{a} = 2.303 R T / (α z F) \end{array}

(3)

\begin{array}{l} E_{c 0} = E_{c 0}^{Θ} + \frac{R T}{z F} l n (P_{O_{2}}) - 0.0591 p H \\ β_{c} = - 2.303 R T / [(1 - α) z F] \end{array}

(4)

式中, $c_{F e^{2 +}}$ 为Fe²⁺浓度, $P_{O_{2}}$ 为氧气分压,pH为阴极处的pH值,α为对称因子,一般取为0.5。而阳极和阴极交换电流密度I_a0和I_c0在先前的研究中一般为10^-6~10^-3 A/m^2[12,13]。

基于上述的钢筋-基体界面极化反应原理,建立杂散电流腐蚀的有限元模型。在尺寸为650 mm×350 mm×50 mm的矩形基体中布置两根长度为300 mm和一根长度为600 mm的Φ12钢筋,300 mm钢筋布置在上层,600 mm钢筋布置在下层,具体尺寸如图1a所示。模型中以聚丙烯酸钠聚合物凝胶代替混凝土作为基体材料,材料的电阻率是模拟腐蚀过程的必要输入参数,先前的研究表明按本文中配合比配制的聚丙烯酸钠凝胶的电阻率为3.2 Ω·m。钢筋-基体界面极化反应参数由公式 (3~ 4) 计算得到。正极为Φ3 mm圆柱,位于矩形基体右下角,施加38.2 V电压；负极为Φ4 mm圆柱,位于矩形基体左下角,施加0 V电压,通过在模型上施加的直流电压来模拟杂散电流的作用,如图1b所示。网格尺寸为基体5 mm,钢筋2 mm。采用COMSOL软件对数值模型进行了计算。

图1

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图1 有限元模型尺寸及三维示意图

Fig.1 Size (a) and three-dimensional diagram (b) of the numerical model

1.2 杂散电流腐蚀验证性实验

为了验证数值模拟结果的合理性,开展了杂散电流腐蚀实验。试件尺寸同有限元模型一致,在矩形塑料容器中放置两根长度为300 mm和一根长度为600 mm的Φ12光圆钢筋。采用聚丙烯酸钠仿混凝土材料作为基体,将NaCl以2.4/100.16 (g/g) 的比例溶于饱和Ca(OH)₂溶液中,代表混凝土中的孔隙溶液,并以3/102.56 (g/g) 的外部比例将聚丙烯酸钠粉末加入到混合溶液中。然后,将3根钢筋排列在容器中,浇入混合溶液。等到溶液膨胀硬化形成凝胶后,在容器顶部盖上透明塑料盖,以防水分蒸发。在矩形试件的两个角落施加直流电压,右下角为正极,施加38.2 V电压,左下角为负极,施加0 V电压,用外加的直流电压来模拟杂散电流。两个电极从试件的顶部插入,并用橡皮泥固定。值得注意的是,本实验中用于通电的电极并没有与钢筋直接接触,而是插在基体的内部。

在通电20 d后,将3根钢筋从凝胶基体中取出,酸洗后用三维激光扫描装置扫描其外表面。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀模拟中的钢筋

2.1.1 钢筋的腐蚀速率

Faraday定律是电化学理论中求解腐蚀速率的经典公式,即：

v = \frac{I M}{z F}

(5)

式中,v为腐蚀反应速率,I为腐蚀电流密度,M为金属相对原子质量。因此在通过数值模拟得到腐蚀电流密度后,根据Faraday定律可以计算钢筋的腐蚀速率。

由模拟所得本模型左半部分钢筋的腐蚀电流密度为正,因而该处为阳极区,发生铁的溶解反应：

F e - 2 e^{-} \to F e^{2 +}

(6)

而试件右半部分钢筋的腐蚀电流密度为负,因而该处为发生析氢或吸氧反应的阴极区,在本研究的碱性环境中发生反应如下：

2 H_{2} O + 2 e^{-} \to 2 O H^{-} + H_{2}

(7)

或是

O_{2} + 2 H_{2} O + 4 e^{-} \to 4 O H^{-}

(8)

因为阴极区钢筋不发生腐蚀反应,所以试件右半部分的300 mm钢筋不纳入本文后续的讨论范围。而至于试件左半部分300 mm钢筋和600 mm钢筋,文中所有讨论的曲线沿钢筋的起始方向如图2a所示。

图2

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图2 曲线沿钢筋的起始方向和测点布置方式

Fig.2 Initial direction along the steel bars (a) and arrange-ment of the 4 measuring points (b)

由于钢筋横截面与基体接触处的形状为圆周,因此沿圆周均匀选取如图2b所示的4个测点,输出各点沿钢筋轴向的腐蚀速率分布。图3为600 mm钢筋与试件左侧部分300 mm钢筋的腐蚀速率-轴向距离曲线。由图可知,在腐蚀速率达到最大值的端部,4条曲线的差值最大,而当电流密度沿轴向逐渐减小时,差值也逐渐变小。从平均值来看,两根钢筋的腐蚀速率均是在起始点处最大,沿轴向迅速减小,直至逐渐接近于零。

图3

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图3 300和600 mm钢筋沿轴向的腐蚀速率分布

Fig.3 Corrosion rate along axial direction of the 300 mm (a) and 600 mm (b) rebars

2.1.2 钢筋表面的电场强度

杂散电流引起的电场是评估钢筋腐蚀速率和腐蚀位置的关键环境因素^[10]。鉴于此,本文对钢筋周围基体的电场做如下讨论。

图4中600 mm钢筋周围基体的电场强度在两端最大,并向钢筋中间衰减,钢筋交点间 (150~450 mm距离) 的场强几乎不再变化。300 mm钢筋的场强在钢筋下端最大,之后场强向另一端逐渐减小,直至交点处 (240 mm距离) 变化不再明显。此外,300 mm钢筋周围基体的峰值场强大于600 mm钢筋,与图3中300 mm钢筋的峰值腐蚀速率大于600 mm钢筋相对应,这体现了杂散电流电场强度与钢筋腐蚀速率的正相关性。

图4

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图4 沿钢筋轴向的电场强度

Fig.4 Electric field intensity of matrix along the axial dire-ction of reinforcement

2.1.3 腐蚀模型的影响因素分析

(1) 输入电压对腐蚀速率的影响作为影响杂散电流腐蚀反应的主要因素,杂散电流的变化会对钢筋腐蚀速率产生巨大影响^[5]。因此选取10、20、30和40 V的杂散电流输入电压,探究钢筋腐蚀速率在不同电压下的变化规律。

图5为不同输入电压下左侧300 mm钢筋和600 mm钢筋的腐蚀速率。从图中可以看出,随着输入电压的增大,两根钢筋的腐蚀速率均出现倍数性增大的趋势,该结果表明了杂散电流在腐蚀中的决定性作用。

图5

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图5 不同输入电压下300和600 mm钢筋腐蚀速率

Fig.5 Corrosion rate of 300 mm (a) and 600 mm (b) rebars under different applied voltages

(2) 钢筋直径对腐蚀速率的影响由于腐蚀发生在钢筋的外表面,因此决定钢筋表面积的直径的改变会对腐蚀反应产生影响。图6为钢筋直径分别为6、12、16和20 mm时左侧300 mm钢筋和600 mm钢筋的腐蚀速率。由图可见,钢筋的腐蚀速率随着直径的增大而减小。因此在实际工程中为了保护易腐蚀区的钢筋混凝土结构,施工时可以采用直径较大的钢筋。

图6

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图6 不同钢筋直径下300和600 mm钢筋腐蚀速率

Fig.6 Corrosion rate of 300 mm (a) and 600 mm (b) rebars of different diameters

2.2 腐蚀实验中的钢筋

2.2.1 沿钢筋表面腐蚀量的分布

杂散电流腐蚀实验进行时,通过透明基体观察到试件左半部分的钢筋发生了锈蚀,尤其是600 mm钢筋的左端和左侧300 mm钢筋的下端锈蚀最为严重。并且腐蚀钢筋表面出现许多小而致密的蚀坑,这与朱敏等^[14]在实验中观察到的现象一致。而右半部分的钢筋表面浮现大量密集的气泡,如图7所示。

图7

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图7 腐蚀实验中的钢筋

Fig.7 Rebars in the corrosion experiment

三维激光扫描可以得到物体外表面点的空间坐标,实现复杂形状的几何测量。该方法已应用于众多领域的研究,如岩石开裂^[15]、基础变形^[16]和钢筋腐蚀^[17]等。将实验结束后的600 mm钢筋和左侧的300 mm钢筋,即两根腐蚀钢筋用稀盐酸清洗并烘干,然后将其放置在先临三维通用系列扫描装置V3.2上进行扫描,以得到钢筋外表面图像,之后沿钢筋轴向间隔1 mm提取横截面积。将锈蚀前后的钢筋的横截面积相减,得到钢筋因腐蚀而减小的横截面积,以此来反映钢筋沿轴向的腐蚀量分布,结果曲线如图8所示。从图中可以看出腐蚀量沿钢筋轴向是变化的,这与通电加速腐蚀实验的结果不同。因为不同于加速腐蚀实验^[18,19],在本实验中用于通电的导线并没有与钢筋直接接触。

图8

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图8 两根钢筋因腐蚀减小的横截面积—轴向距离曲线

Fig.8 Reduced cross-sectional area-axial distance curves

2.2.2 实验和模拟的腐蚀速率的对比

当认为钢筋密度为7.85 g/cm³时,可通过三维扫描得到的钢筋减小的横截面积,计算出钢筋在一秒内的质量损失以表示腐蚀速率。

图9为左侧300 mm钢筋与600 mm钢筋的实验与模拟所得腐蚀速率的对比,可见二者较为接近。导致实验与模拟结果差异的原因除了实验中的测量误差外,还有一些其他因素,例如数值模型中钢筋-基体界面的电化学参数由理论计算得出,不能很准确地反映实际情况。考虑到上述原因,数值模拟结果的精度是可以接受的。

图9

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图9 300和600 mm钢筋模拟和实验所得的腐蚀速率

Fig.9 Experimental and numerical corrosion rate of the 300 mm (a) and 600 mm (b) rebars

3 结论

(1) 开展了基于透明仿混凝土材料的钢筋杂散电流锈蚀实验,观察到阳极 (棕色铁锈) 和阴极 (气泡) 反应现象。并且通过三维激光扫描定量地评估杂散电流下钢筋的腐蚀量分布特征。

(2) 通过数值模拟讨论阳极区钢筋的腐蚀电流密度,并与实验结果进行了对比。此外,参数分析表明了杂散电流电压和钢筋直径对钢筋腐蚀速率的巨大影响。

(3) 通过将极化反应与外加Maxwell电场相结合的数值模拟,反映了杂散电流下钢筋腐蚀速率和基体电场的三维分布特性。该仿真方法简单方便,具有很广阔的应用前景。但本文中采用的模拟参数由理论计算得出,难以十分准确地表征实际情况,真实的界面极化参数可通过电化学测量得到。

(4) 仿混凝土材料的微观结构和溶液成分不能完全等效实际的混凝土,这体现在基体电阻率、离子组成和孔隙结构上等物理化学性质上,因此以混凝土为基体的锈蚀实验仍需开展。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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Aghajani

, Urgen

, Bertolini

Effects of DC stray current on concrete permeability

[J]. J. Mater. Civ. Eng., 2016, 28: 04015177