利用一维点蚀试验关联碳钢在砂浆和模拟混凝土孔隙溶液中的稳定点蚀扩展阈值

《Journal of Building Engineering》：Linking stable pit growth thresholds of carbon steel in mortar and simulated concrete pore solution using 1D pit tests

　　

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  一维（1D）测试首次被应用于砂浆。
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  C_th——稳定点蚀生长所需的阈值——在砂浆和模拟混凝土孔溶液（SCPS）之间存在差异。
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  两种环境中，较高的氯离子浓度都会促进稳定腐蚀的发生。
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  与SCPS相比，砂浆中发生稳定点蚀更为困难。

引言

在海工混凝土结构中，氯离子侵蚀是导致结构失效的主要原因之一[1]。它显著加速了钢筋的腐蚀，据报告该问题每年给美国造成数十亿美元的维护和更换费用[2]。因此，确定钢材初始腐蚀的时间至关重要。临界氯离子浓度（C_th）被定义为在钢筋表面引发钢筋腐蚀所需的氯离子含量[3]。在过去几十年中，C_th逐渐成为混凝土结构耐久性设计中的关键参数。ACI 365模型将C_th作为确定性和概率性寿命预测的关键输入参数，从而促进了富氯环境中混凝土结构的定量耐久性设计[4]。

传统的电化学参数，如E_corr（开路电位，又称OCP）[5]、i_corr（腐蚀电流密度）[6]、[7]以及R_p（极化电阻）[8]、[9]、[10]，通常被用于评估腐蚀的起始；然而，由于测试方法、评估标准和材料-环境条件的差异，C_th的测定值表现出显著的离散性[11]。因此，为了准确确定腐蚀的起始，学者们提出了各种理论。一些学者认为，金属表面钝化膜的破坏是腐蚀的起始点，而另一些人则认为腐蚀点蚀坑的稳定生长是控制其发生的关键因素。

近年来，Frankel等人[12]、[13]提出了一种以"钝化膜破坏与点蚀坑生长"机制为核心的局部腐蚀理论。该理论通过以下方式调和了这两种不同的观点：在环境侵蚀性较低时，钝化膜的破坏是速率控制步骤；而在环境侵蚀性较高时，腐蚀点蚀坑的稳定生长决定了腐蚀的起始。基于这一局部腐蚀理论，作者团队在近期研究中[14]首次提出了C_th上限和下限的概念，分别对应于不同速率控制步骤下的阈值。下限代表腐蚀发生的临界值，而上限对应于腐蚀点蚀坑稳定生长的阈值。然而，这些研究结果主要来自模拟混凝土孔溶液（SCPSs）。实际砂浆表现出复杂的特性，包括多孔结构、欧姆降、氯离子结合以及局部不均匀性。因此，在SCPS中建立的判据无法直接应用于砂浆体系。

尽管混凝土和SCPSs在研究C_th的已发表文献中都被广泛使用，但在两种环境中建立明确的关联仍然存在挑战。一般来说，在混凝土或砂浆试件上进行的研究被认为更能代表实际现场条件。例如，Vasudevan和Trejo[15]修改了测试方法，以评估替代胶凝材料中钢筋的临界氯离子阈值。他们的结果表明，CSA体系的耐腐蚀性低于OPC和CAC体系。

Ahmed等人[16]研究了温度对C_th的影响，发现氯离子阈值随温度升高而降低。此外，他们的工作还强调了含水量在控制钢筋腐蚀起始方面的关键作用。Song等人[17]采用电化学和扩散测试方法，研究了硫酸盐侵蚀和水位波动耦合作用下混凝土的临界氯离子阈值。他们的结果表明，当硫酸盐含量为1%时阈值达到最大值，并据此建立了腐蚀预测模型。然而，在混凝土中进行此类研究本身就很复杂，难以控制，且数据离散性较大。相比之下，在SCPSs中进行的实验相对简单，能够更好地控制测试变量。例如，Tian等人[18]识别了模拟孔溶液中氯离子引起钝化膜破坏的四个阶段——生长、稳定化和催化溶解，证明氯离子主要通过加速外层溶解来促进膜破裂。Lu等人[14]研究了碳钢腐蚀的C_th，证明相关的局部腐蚀参数具有极小的离散性和较高的相关系数。此外，SCPSs还广泛应用于缓蚀剂研究、钝化膜研究及其他领域[19]、[20]、[21]、[22]。然而，SCPSs测试结果在多大程度上能准确反映实际砂浆中的情况仍有待确定。

因此，为了评估一维点蚀测试在砂浆中的适用性，并建立SCPSs中得出的C_th与实际砂浆中观测到的C_th之间的定量关系，采用了一种改进的一维电极技术来确定两种环境中的氯离子浓度上限。通过整合砂浆特性（如孔隙率、pH值和自由氯离子含量），定量建立了两种环境中C_th的理论关系，并比较了它们在稳定点蚀动力学方面的差异。

章节摘要

试件制备

在SCPSs和实际砂浆中，采用直径为0.3 mm的Q235碳钢丝作为钢筋的替代试件。所有碳钢丝均经过相同的处理程序。其化学成分可参见文献[13]。如图1所示，钢丝与铜线连接并安装在环氧树脂中，留出的有效暴露面积约为0.071 mm²。然后，将试件依次用240目、400目、600目、800目和1200目

自由氯离子含量

表4展示了含有不同量氯离子的砂浆中测得的自由氯离子含量。如表格最后一列所总结的数据所示，砂浆中自由氯离子的比例始终保持在约30%。该参数是连接砂浆和SCPSs的关键桥梁因子。

砂浆的pH值

在水泥砂浆水化的早期阶段，特别是在1至7天的养护期内，基体的pH值通常

砂浆中的改进一维点蚀测试

一维点蚀电极技术源于"铅笔引线"电极构型的开发，其基本理论框架由Kuo和Landolt[33]建立。该方法此后发展成为研究局部腐蚀的重要工具，主要用于阐明稳定点蚀与再钝化之间的竞争关系。目前，大多数利用一维点蚀电极的研究仅限于水溶液环境，其中

结论

通过一维测试建立了碳钢丝在砂浆和模拟混凝土孔溶液中稳定点蚀生长的动力学。进一步发展了两种环境中相应的临界氯离子浓度之间的定量关系。基于实验结果，得出以下结论：

• (1)
  碳钢丝在砂浆中稳定点蚀腐蚀所需的氯离子浓度上限被定义为60–70%的一维点蚀坑

CRediT作者贡献声明

Xin Zhang（张鑫）：撰写——初稿、验证、方法论、调查、数据整理。Chenxi Liu（刘晨曦）：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、经费获取、方法论。Yunpeng Liu（刘云鹏）：软件、资源。

利益冲突声明

本手稿提交不存在利益冲突，且本手稿已获所有作者批准发表。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

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资金来源

本研究受国家自然科学基金资助[项目编号52308198]。

利益冲突声明

我与合著者希望提交题为"通过一维点蚀测试建立碳钢在砂浆和模拟混凝土孔溶液中稳定点蚀生长阈值的关联"的手稿，供Journal of Building Engineering（建筑期刊）审阅和可能的发表。

本手稿提交不存在利益冲突，且本手稿已获所有作者批准发表。我想代表我的合著者声明，所述工作为原创性

Xin Zhang|Chenxi Liu|Yunpeng Liu