鹽霧環境下基于Weibull分布的鋼筋混凝土腐蝕劣化行為

王彥鵬, 王子健, 汪麗娟, 劉吉林, 馮 瓊, 張云升

(1. 甘肅建投綠色建材產業發展集團有限公司, 甘肅 蘭州 730000; 2. 甘肅建投商品混凝土有限公司, 甘肅 蘭州 730060; 3. 甘肅省建設投資(控股)集團有限公司, 甘肅 蘭州 730050; 4. 蘭州理工大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

鑒于此,國內外學者開展了大量研究.劉軍等[6]和陸春華等[7]通過噴灑濃度5%的氯化鈉溶液模擬大氣鹽霧環境,研究了鹽霧環境下混凝土的損傷劣化規律.Huang等[8]研究了珊瑚骨料混凝土在鹽霧環境中的氯離子擴散行為,并建立了氯離子濃度峰值計算模型.蘇林王等[9]和蔣一星等[10]對混凝土梁進行了鹽霧環境與疲勞交變荷載耦合的加速腐蝕試驗,描述了混凝土在鹽霧與交變荷載共同作用下的損傷劣化規律.Xie等[11-13]通過鹽霧碳化雙重作用,研究了碳化對混凝土氯離子擴散性能的影響.綜上所述,目前針對鹽霧環境下混凝土的性能劣化行為研究取得了一些進展.然而,現有研究中鹽霧溶液的選用主要參照標準進行(5%的NaCl溶液),未考慮實際環境中多種腐蝕離子共同存在且相互作用的問題,因此,大部分研究結果對于實際工程中鋼筋混凝土腐蝕劣化防治具有理論指導意義,但缺少實際指導意義.

基于此,本文根據西部鹽漬土地區土壤中實際腐蝕離子含量,配制復合鹽溶液,設計鹽霧與烘干耦合的加速腐蝕試驗,進而模擬西部地區大氣腐蝕環境;以腐蝕電化學參數和混凝土損傷度為性能劣化指標,結合鋼筋腐蝕形貌分析,研究鋼筋混凝土在鹽霧環境下的損傷劣化規律;借助Weibull分布函數建立鋼筋混凝土損傷劣化模型,進而對其壽命進行預測.

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥采用P·O42.5水泥;砂采用細度模數為3.3的機制砂;石子采用最大粒徑31.5 mm碎石;Ⅱ級粉煤灰,減水率為24%的高效減水劑;試驗用水為自來水.具體配合比見表1.

表1 混凝土配合比

1.2 試驗材料

根據表1制備100 mm×100 mm×100 mm鋼筋混凝土試件,長度100 mm(直徑10 mm)的鋼筋放置于試件正中部位,且外伸出25 mm,便于電化學測試.試件成型24 h后拆模,移至標準養護條件下養護至28 d后開始鹽霧干濕循環加速腐蝕試驗.

根據GB/T 50082—2009中相關規定,混凝土超聲波聲速與相對動彈模量E之間滿足式(1)關系:

(1)

式中:E0為混凝土的初始動彈性模量;v0為混凝土的初始超聲波聲速;Et為t時刻混凝土的動彈性模量;vt為t時刻混凝土的超聲波聲速.

根據文獻[14]定義,E降低到60%時混凝土為失效,進而定義經過t時間干濕循環后鋼筋混凝土的損傷度Dt如式(2)所示.

(2)

式中:Dt的正常取值范圍為[0,1],在此范圍內表示鋼筋混凝土未失效;當Dt≥ 1時,鋼筋混凝土達到失效狀態;當Dt≤ 0時,鋼筋混凝土得到強化.

2 結果與分析

2.1 極化曲線結果與分析

由圖1可知,隨著干濕循環次數的增加,Ecorr在反復波動過程中先整體正向移動,后整體負向移動.在第0～80次干濕循環,Ecorr從初始的-0.314 V正向移動至-0.184 V,且陽極極化曲線比初始狀態更加陡峭.根據標準 ASTMC876可知,當Ecorr<-126 mV時,鋼筋腐蝕的概率僅為 10%;當Ecorr<-426 mV時,鋼筋已出現嚴重腐蝕.因此可判斷,干濕循環進行至第80次時,內部鋼筋并未發生腐蝕,鈍化膜反而更加穩定.

圖1 鋼筋混凝土極化曲線Fig.1 Polarization curves of reinforced concrete

在第 80～200 次干濕循環,極化曲線陽極陡坡逐漸減緩,當干濕循環進行到第 200 次時,達到與陰極基本相近的平穩狀態,鈍化區明顯收縮,且Ecorr負向移動至-0.608 V.結合標準 ASTMC876規定可判斷,此時內部鋼筋已出現腐蝕.在極化曲線分析的基礎上,利用電化學工作站自帶軟件對所有試件的極化曲線進行擬合獲取icorr,將各組試件在各個干濕循環階段下的icorr取平均值,繪制腐蝕電流密度隨干濕循環次數的變化趨勢圖,結果如圖2所示.

圖2 腐蝕電流密度變化趨勢Fig.2 The development trend of corrosion current density

由圖2可知,隨著干濕循環次數的增加,icorr先減小后快速增大,即試件內部鋼筋的耐腐蝕性呈先強化后快速劣化的變化趨勢.

在干濕循環0～60次,icorr處于較低水平,且有逐漸降低趨勢.表2為腐蝕電流密度與鋼筋腐蝕速率對應關系.由表2可知,鋼筋處于鈍化狀態,且鈍化膜隨干濕循環次數的增加趨于穩定[16-17].而在干濕循環60次之后,icorr隨干濕循環次數的增加逐漸增大;當循環進行至第100次時,icorr增大至0.163 μA/cm2,達到低腐蝕速率狀態;當循環進行至第160次時,icorr增大至0.659 μA/cm2,已達到中等腐蝕速率狀態;當循環進行至第200次時,icorr繼續增大至0.821 μA/cm2.

表2 腐蝕電流密度與鋼筋腐蝕速率對應關系

2.2 混凝土損傷度Dt結果與分析

鹽霧干濕循環過程中混凝土損傷度Dt隨干濕循環次數的變化規律如圖3所示.由圖3可知,隨干濕循環次數的增加,Dt變化規律均可劃分為2個階段:1) 下降段:在干濕循環0～40次,Dt不僅未增大,反而降低為負值;2) 上升段:在干濕循環40～200次,Dt出現逐漸上升趨勢,當進行到第200次時,Dt達到最大值0.668.分析其腐蝕破壞的機理可知,其混凝土損傷度變化規律是鹽霧強化效應和劣化效應相互作用的結果.

圖3 損傷度的變化趨勢

綜合認為,混凝土損傷度變化規律是鹽霧強化效應和劣化效應相互作用的結果.干濕循環早期,強化效應大于劣化效應,表現為混凝土損傷度為負值;干濕循環中后期,劣化效應大于強化效應,表現為混凝土損傷度逐漸累積增大.

2.3 鋼筋腐蝕形貌分析

切取干濕循環0次與200次試件內部的鋼筋,采用場發射掃描電子顯微鏡對其進行線掃描分析,結果如圖4a、b所示.由圖可知,干濕循環0次時,鋼筋表面0～200 μm處O元素的濃度低,Fe元素的濃度高,表明此時鋼筋未被腐蝕;而干濕循環至200次時,鋼筋表面0～55 μm處O元素的濃度較高,Fe元素的濃度較低,結合該階段鋼筋宏觀形貌(圖4c),可判斷此時鋼筋已出現腐蝕.

通過SEM對干濕循環200次時試件內部的鋼筋腐蝕樣品放大500倍,觀測腐蝕產物微觀形貌,并結合EDS分析確定腐蝕產物成分,結果如圖5所示.

圖4 鋼筋線掃描圖譜Fig.4 Line scan of steel bar

圖5 鋼筋表面腐蝕產物形貌

由圖5a可知,當干濕循環至200次時,試件內部鋼筋表面存在大量纖維狀腐蝕產物,結構松散,且伴隨著大量裂縫. 由圖5b可知,此時鋼筋表面O元素的質量分數為35.74%,Cl元素的質量分數為4.33%.結合鋼筋表面形貌特征表明,鹽霧中氯離子逐漸擴散抵達鋼筋表面,導致鋼筋腐蝕并生成鐵氧化合物.

3 鋼筋混凝土劣化模型的建立

3.1 Weibull函數理論基礎

Weibull分布函數由瑞典工程師Waloddi Weibull在1951年首次提出,可通過小樣本進行精確的壽命預測和可靠性分析[21-22],其包含位置參數、尺度參數和形狀參數3個未知數[23],則其可靠度函數R(t)表達式如式(3)[24].考慮分布模型的復雜程度,本文取鋼筋混凝土試件的位置參數γ=0,即假定鋼筋混凝土劣化過程服從二參數Weibull分布,其R(t)則可簡化為式(4).

式中:γ為位置參數(γ≥0);m為形狀參數(m>0);θ為尺度參數(θ>0);t為鋼筋混凝土劣化過程的記錄值(t>γ).

鋼筋混凝土的可靠度與其劣化時間成反比,即可靠度隨著劣化時間的增加而降低,直到完全失效,故0

3.2 劣化指標的Weibull分布假設檢驗

以混凝土損傷度Dt和腐蝕電流密度icorr作為樣本信息,假設Dt和icorr隨干濕循環次數的變化規律服從Weibull分布.利用Minitab軟件對該假設進行檢驗,確定顯著水平α為0.05,判斷假設是否成立.其檢驗結果如圖6所示.

圖6 Weibull分布檢驗Fig.6 Weibull distribution test

由圖6可知,試件在不同循環階段的Dt和icorr均落在95%的置信區間,表明假設成立,即鋼筋混凝土在鹽霧干濕循環過程中,其Dt和icorr隨干濕循環時間的變化規律均服從Weibull分布函數.

3.3 Weibull分布參數估計

1) Weibull分布參數估計方法

利用線性回歸的最小二乘法進行參數估計,對于非線性的Weibull分布,需要經過一定的變換,具體步驟如下[25]:

將式(4)取雙對數,整理可得:

ln(-ln(R(t)))=mlnt-mlnθ

(5)

令

y=ln(-ln(R(t))),x=lnt

a=m,b=-mlnθ

則式(5)可轉換為

y=ax+b,m=a,θ=exp(-b/m)

(6)

如果x與y之間存在著較好的線性相關性,則Weibull分布的m和θ可以通過線性回歸分析的方法來求解.

2) 劣化指標的Weibull分布參數估計

根據式(2)可知,當混凝土損傷度Dt>1時,鋼筋混凝土失效,故某一時刻Dt對應的可靠度Rc(t)可用下式表示:

Rc(t)=1-Dt

(7)

由表2可知,鋼筋混凝土內部鋼筋icorr達到1.0 μA/cm2時,為高腐蝕速率狀態,而對于某干濕循環階段測得的icorr是不變的,因此某干濕循環階段icorr對應的可靠度計算可用下式表示:

(8)

式中:icorr為某干濕循環階段實測的icorr;im為鋼筋高腐蝕速率狀態時icorr的閾值,取1.0 μA/cm2.

將試件在干濕循環過程中不同循環階段的Dt和icorr分別代入式(7)和式(8),計算出對應的可靠度Rc(t)和Rb(t),進而計算出式(5)中的yi=ln(-ln(Rc(ti)))、yj=ln(-ln(Rb(ti)))和對應的xi=ln(ti).通過最小二乘法進行線性回歸分析,檢驗其線性相關性,具體回歸分析結果如圖7所示.

圖7 回歸分析結果Fig.7 Results of regression analysis

由圖7可知,鋼筋混凝土的ln(-ln(Rc(ti))) 和ln(-ln(Rb(ti)))分別與ln(ti)非常接近線性關系,相關系數R2分別為0.994 4和0.997 5,均接近于1,表明以Dt和icorr為劣化指標,采用Weibull分布函數建立劣化模型,可以有效地描述鋼筋混凝土在鹽霧干濕循環加速腐蝕過程中的損傷劣化過程.線性擬合系數a和b見表3.將a,b分別代入式(6),得試件Dt和icorr對應的Weibull分布函數的形狀參數m和尺度參數θ,具體結果見表3.

表3 線性回歸分析及參數估計結果

3.4 基于Weibull分布的鋼筋混凝土劣化模型建立

將表3中的形狀參數m與尺度參數θ分別代入式(4),得Dt和icorr對應的Weibull 分布可靠度函數,其可靠度函數曲線如圖8所示.

圖8 可靠度函數曲線Fig.8 Reliability function curve

由圖8可知,在初始狀態,即t=0時,鋼筋混凝土沒有損傷出現,鋼筋混凝土內部鋼筋處于鈍化狀態,此時可靠度R(t)=1.隨著干濕循環次數的增加,混凝土損傷度不斷累積,鋼筋逐漸脫鈍腐蝕,可靠度R(t)不斷下降,最終,可靠度降低為0,表明鋼筋混凝土失效.Dt和icorr分別在干濕循環146、142次時可靠度水平達到0.5,即達到中位壽命t0.5,與鹽霧干濕循環加速腐蝕試驗中Dt和icorr隨干濕循環次數的實際演變結果相吻合.Dt和icorr分別將在干濕循環430、250次時可靠度水平降低為0,即完全失效.

3.5 鋼筋混凝土的競爭失效分析

將Dt對應的Weibull分布可靠度函數曲線與icorr對應的Weibull分布可靠度函數曲線作對比,進而研究鹽霧環境下鋼筋混凝土的競爭失效問題,結果如圖9所示.

圖9 混凝土保護層與內部鋼筋的競爭失效Fig.9 Competitive failure analysis of concrete cover and internal reinforcement

由圖9可知,icorr對應的可靠度曲線在鹽霧干濕循環加速腐蝕早期,即0～100 d階段存在一個平臺,可靠度保持為1;而Dt對應的可靠度曲線在干濕循環第100 d左右對應的可靠度為0.9.表明在鹽霧環境干濕循環早期,混凝土保護層的劣化發展速度大于內部鋼筋.

icorr對應的可靠度曲線和Dt對應的可靠度曲線分別在干濕循環第140 d左右相交.在此交點之前,Dt可靠度曲線一直位于icorr可靠度曲線左側,即在此交點之前,Dt的劣化在鋼筋混凝土的損傷劣化過程中占主導地位,而鋼筋的腐蝕劣化占次要地位.隨著干濕循環次數的增加,icorr可靠度曲線位于Dt可靠度曲線的左側,即此時鋼筋混凝土的損傷劣化由鋼筋的腐蝕劣化占主導地位.由此可見,在鹽霧干濕循環加速腐蝕過程中,混凝土損傷度的損傷誘導期較短,很快進入損傷加速期,但后期加速速度緩慢;而腐蝕電流密度的損傷誘導期較長,但是進入加速期后腐蝕發展迅速.

4 結論

1) 自腐蝕電位Ecorr、腐蝕電流密度icorr及混凝土損傷度Dt隨時間的發展規律表明,在鹽霧干濕循環作用下,鋼筋混凝土內部鋼筋及外部保護層的耐腐蝕性均呈現先強化后劣化的變化規律.

2) 通過Weibull 分布模型可知,Dt和icorr分別在干濕循環146、142次時達到中位壽命t0.5,與試驗測試結果相吻合,即Weibull 分布函數可以有效地描述鋼筋混凝土在鹽霧環境下的性能劣化過程.

3) 在鹽霧干濕循環前期,混凝土損傷度為鋼筋混凝土劣化的主導因素,而在后期,腐蝕電流密度為鋼筋混凝土劣化的主導因素.