不同電化學參數(shù)的雙向電遷移作用下鋼筋斷口形貌特征

龔園軍 孫洋 吳關(guān)良 毛江鴻 謝振康 蔣靜

摘? 要：雙向電遷移技術(shù)可顯著提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，不同電化學參數(shù)會引起鋼筋力學性能變化。文章通過恒應變速率拉伸方法對雙向電遷移修復后混凝土內(nèi)鋼筋進行拉伸試驗，采用電鏡掃描（SEM）鋼筋斷面，對不同電流密度下電化學修復后的鋼筋斷口進行宏觀與微觀分析，觀察其宏觀斷口形態(tài)，微觀斷口形貌特征。試驗表明隨著電流密度增大，相同倍率電鏡中斷口凹坑較深韌窩的數(shù)量逐漸減少，韌窩凹坑逐漸變小而淺。

關(guān)鍵詞：混凝土耐久性;雙向電遷移;恒應變拉伸;鋼筋;斷口形貌

中圖分類號：TG142 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0072-03

Abstract： Bidirectional electromigration rehabilitation can significantly improve the durability of reinforced concrete structure， and different electrochemical parameters can cause changes in the mechanical properties of steel bars. In this paper， through the constant strain rate tensile method， the tensile test was carried out on the reinforcement in the concrete afterbidirectional electromigration rehabilitation（BIEM）. The cross-section of the reinforcement after the electrochemical repair under different current density was analyzed by scanning electron microscope （SEM）， the macro fracture morphology and micro fracture morphology were observed. The results show that with the increase of current density， the increase of the number of deep dimples in the break hole of the same magnification electron microscope decreases gradually， and the dimples in the dimples become smaller and shallower.

Keywords： concrete durability; bidirectional electromigration rehabilitation; constant strain rate; steel bar; fracture morphology

引言

近年來，處于沿海惡劣的腐蝕環(huán)境下（氯鹽與海洋氣候等）的混凝土結(jié)構(gòu)因鋼筋銹蝕導致結(jié)構(gòu)破壞的案例屢見不鮮[1]。雙向電遷移修復技術(shù)將鋼筋混凝土中的鋼筋作為陰極，外接不銹鋼網(wǎng)作為陽極，將混凝土保護層中的有害氯離子遷出，同時將阻銹劑陽離子遷移至鋼筋表面，是電化學修復技術(shù)中的一種重要技術(shù)手段[2]。但電化學參數(shù)選取不合理，會帶來諸多負面影響，如混凝土強度下降[2]、粘結(jié)性能降低[3]以及鋼筋氫脆[4]等。其中，鋼筋氫脆會導致結(jié)構(gòu)可靠度降低，對高應力服役的混凝土結(jié)構(gòu)需要重點關(guān)注。

目前，電化學導致鋼筋氫脆問題的研究多集中在鋼筋宏觀力學性能方面[5][7]，為了探明其氫脆機理應結(jié)合微觀層面研究。郭建章[8]對高強鋼進行SEM斷口觀察，發(fā)現(xiàn)隨著陰極充氫電位負移，斷口形貌由韌性斷裂逐漸向解理脆性斷裂轉(zhuǎn)變，且斷口邊緣出現(xiàn)明顯的解理裂紋。掃描電鏡（SEM）可對金屬拉伸后的斷口進行分析和描述。斷口分析分宏觀分析和微觀分析兩類，其中宏觀分析只是對整體形貌進行判斷，還需要結(jié)合微觀分析才能探明斷裂的機理。

本文主要通過恒定速率拉伸方法，對混凝土試件進行雙向電遷移后的鋼筋進行研究，分析不同電流密度下的電鏡掃描（SEM）鋼筋斷口，觀測宏觀和微觀斷裂形貌特征，從機理上探明電化學修復后鋼筋的氫脆機理。

1 雙向電遷移基本原理

雙向電遷移修復技術(shù)將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋作為陰極，外接不銹鋼網(wǎng)作為陽極，施加電場作用，將混凝土保護層中的有害氯離子遷出，并將阻銹劑陽離子遷移至鋼筋表面[5]，如圖1所示。

析氫反應產(chǎn)生的氫原子經(jīng)過物理吸附、化學吸附、溶解、擴散等一系列過程進入金屬內(nèi)部，當聚集的氫達到一定濃度時，鋼筋力學性能降低、氫脆風險增加[6]。在鋼筋上析出的原子氫能進入金屬，氫進入鋼筋的主要步驟如下：

（1）水化的氫離子從溶液中通過遷移而到達鋼筋表面：

（H+·H2O）溶液→（H+·H2O）鋼筋表面

（2）水化氫離子獲得電子而放電：

H+·H2O+e-→H+H2O

（3）原子氫吸附在鋼筋的表面：

M+H→M·H吸

2 試驗過程

2.1 試件設計

混凝土試件強度設計為C30，尺寸為150mm×150mm×100mm，保護層厚為40mm，鋼筋選用兩根直徑14mm的HPB300內(nèi)置，如圖2所示。

2.2 雙向電遷移過程

試驗在常溫大氣環(huán)境下進行，直流電源正極連接不銹鋼網(wǎng)片，負極連接鋼筋，電解質(zhì)溶液采用1mol/L三乙烯四胺溶液，試驗布置圖如圖3所示，分組情況如表1所示。

雙向電遷移試驗完成后取出混凝土試件內(nèi)的鋼筋，采用濟南聯(lián)工CMT-300電子式萬能試驗機對鋼筋進行恒應變速率拉伸試驗。拉伸的應變速率一般在10-4～10-7s-1范圍內(nèi)，在這個應變速率拉伸范圍內(nèi)，可以反應裂紋的生成及擴展過程[9]，因此拉伸速率選用0.1mm/min。

2.3 鋼筋斷口電鏡掃描

待鋼筋恒應變速率拉伸試驗后，將斷裂鋼筋切取約1cm斷口，超聲波清洗儀采用無水乙醇進行超聲清洗并密封保存，采用FEI Quanta 650 FEG掃描電鏡儀觀察斷口形貌特征。

3 試驗結(jié)果與分析

鋼筋韌性斷裂時，斷口常為韌窩狀斷口，其宏觀斷口由纖維狀斷裂區(qū)、放射區(qū)與剪切唇三個部分組成。纖維區(qū)為裂紋緩慢擴展區(qū)，是塑性變形主要區(qū)域，纖維區(qū)面積越大鋼筋的塑性越好;放射區(qū)呈現(xiàn)放射花樣特征，放射區(qū)越大鋼筋的塑性越差;剪切唇表面較光滑，與拉伸軸向的夾角約呈45°[10]。本文采用的HPB300屬于低碳鋼，在斷口觀察時，放射區(qū)不明顯，因此只對鋼筋斷口的剪切唇與纖維區(qū)進行分析。鋼筋氫脆引起的斷裂一般呈部分脆性斷裂的特征，微觀上可見韌窩變小、變淺，斷面出現(xiàn)河流花樣裂紋，呈現(xiàn)準解離特征。

圖4（a）-（e）為在恒定通電時間（15天）下，電流密度分別為0、1、3、5、7A/m2的鋼筋掃描電鏡（SEM）斷口形貌。

從圖4（a）-（e）中都可看出宏觀斷口有明顯的剪切唇區(qū)域，且微觀斷口形貌都有明顯的韌窩存在，說明鋼筋均為韌性斷裂。隨著電流密度的增加，斷口形貌中深韌窩的數(shù)量逐漸減少。從圖4（a）、（b）和（c）中可以觀察到一些明顯的韌窩，韌窩尺寸大，凹坑深，說明鋼筋塑性損失較小。從圖4（d）、（e）中可以觀察到尺寸較大和凹坑較深的韌窩數(shù)量明顯減少，大部分韌窩凹坑比較淺。在電流密度為5 A/m2和7A/m2時，鋼筋斷口出現(xiàn)脆性河流花樣解理面，如圖5所示，說明電流密度達到5A/m2和7A/m2時，鋼筋斷口有部分韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂，鋼筋塑性性能下降，存在氫脆風險。在7A/m2的鋼筋斷口內(nèi)纖維區(qū)不明顯，也說明鋼筋的塑性性能降低。

4 結(jié)論

（1）對雙向電遷移修復后的混凝土內(nèi)鋼筋進行恒應變速率拉伸試驗發(fā)現(xiàn)：隨著電流密度增大相同倍率電鏡下鋼筋斷口凹坑較深韌窩的數(shù)量逐漸減少，韌窩凹坑逐漸變小而淺。

（2）在常規(guī)通電次數(shù)，即通電時間15天，電流密度為3A/m2時，掃描電鏡中可以觀察到一些明顯的韌窩，韌窩尺寸大，凹坑深，說明在電化學參數(shù)較小時，鋼筋塑性損失較小。

（3）在通電時間恒定（15天）電流密度為5A/m2和7A/m2時，鋼筋斷口掃描中出現(xiàn)脆性河流花樣解理面，鋼筋斷口已經(jīng)有部分韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂，鋼筋塑性性能下降，存在氫脆風險。

參考文獻：

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