《Journal of Composites Science》：Corrosion Performance of Multiple As-Delivered Steel Reinforcing Bar Types Using the ASTM A955 Rapid Macrocell Test
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氯离子诱发的钢筋腐蚀是暴露于除冰盐及其他含氯环境中的钢筋混凝土基础设施所面临的主要耐久性问题。采用耐腐蚀钢筋可为延长结构服役寿命提供潜在途径；然而，不同钢筋体系在相同暴露条件下的性能对比信息对于材料选择仍具有重要意义。本研究采用ASTM A955中规定的快速宏
氯离子诱发的钢筋腐蚀是暴露于除冰盐及其他含氯环境中的钢筋混凝土基础设施所面临的主要耐久性问题。采用耐腐蚀钢筋可为延长结构服役寿命提供潜在途径；然而，不同钢筋体系在相同暴露条件下的性能对比信息对于材料选择仍具有重要意义。本研究采用ASTM A955中规定的快速宏电池试验（Rapid Macrocell test），对出厂状态（as-delivered）的光圆钢筋（bare）、淬火回火钢筋（quenched and tempered）、双相2304不锈钢（Duplex 2304 stainless steel）、环氧涂层钢筋（epoxy-coated）、镀锌钢筋（galvanized）及ChromX-9100钢筋进行了评价。在15周试验期间，监测了腐蚀速率（corrosion rate）、累积腐蚀损失（cumulative corrosion loss）及阳极腐蚀电位（anode corrosion potential）。双相2304不锈钢钢筋表现出最高的抗氯离子诱发腐蚀能力，其总体平均腐蚀损失约为光圆钢筋的0.25%。环氧涂层、镀锌及ChromX-9100钢筋的总体平均腐蚀损失分别约为光圆钢筋的25%、33%和40%。相比之下，淬火回火钢筋的总体平均腐蚀损失比光圆钢筋高出约25%。上述发现为常用钢筋体系提供了直接的对比评估，可为暴露于侵蚀性氯离子环境中的混凝土结构钢筋选型提供参考。
一、研究背景与意义
氯离子诱发的钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土桥梁等交通基础设施结构失效的主要原因之一。美国联邦公路管理局（FHWA）预测，到2049年各类车辆行驶里程将增长22%，而现有桥梁中约42%已服役超过42年，其中7.5%被认定为结构缺陷。除冰盐的大量使用使氯离子渗透至混凝土内部，破坏钢筋表面在碱性孔隙液（pH 13~13.5）中形成的钝化膜，进而引发点蚀，严重缩短道路和桥梁的服役寿命。为缓解这一问题，美国各州交通部门已广泛采用各类耐腐蚀钢筋替代普通碳钢钢筋。
尽管已有大量研究对各类耐腐蚀钢筋进行了评价，但由于各研究在材料组合、表面处理、涂层状态、砂浆包裹方式、氯离子浓度及试件制备等方面存在差异，不同钢筋体系之间的直接对比仍然困难。已有研究虽普遍表明不锈钢、涂层、镀锌及含铬钢筋体系较普通光圆钢筋具有更优的抗氯离子腐蚀性能，但改善幅度因试验条件不同而差异显著。例如，Ji等的研究中MMFX钢筋腐蚀损失为光圆钢筋的16%~66%，双相不锈钢为0.2%~37%，表明表面状态和试验配置对测试结果影响显著。此外，2021年对美国33个州交通部门的调查显示，虽然环氧涂层、不锈钢、镀锌及MMFX型钢筋已被广泛采用，但极少有机构对钢筋进行腐蚀测试，且尚无研究在同一试验框架下对光圆、淬火回火、双相2304不锈钢、环氧涂层、镀锌及ChromX-9100六种钢筋进行并列对比评估。这正是本研究拟填补的关键空白。
二、研究内容与主要结论
研究人员在ASTM A955快速宏电池试验框架下，对六种出厂状态的钢筋——镀锌（G）、双相2304不锈钢（SS）、ChromX-9100（CX）、环氧涂层（EC）、淬火回火（QT）及光圆钢筋（B）进行了15周的对比测试。每种钢筋采用3个平行试件，监测指标包括腐蚀速率、累积腐蚀损失及阳极腐蚀电位。试验结果表明，按总体平均腐蚀速率排序，淬火回火钢筋最高，其次为光圆、ChromX、镀锌、环氧涂层，双相2304不锈钢最低。双相2304不锈钢的总体平均腐蚀速率约为光圆钢筋的1/400，腐蚀损失约为其0.25%，表现出最优异的抗氯离子腐蚀性能。环氧涂层钢筋的腐蚀速率约为光圆钢筋的1/4，腐蚀损失约为其25%；镀锌钢筋分别约为1/3和33%；ChromX钢筋分别约为1/2和40%。淬火回火钢筋表现最差，其腐蚀速率约为光圆钢筋的1.50倍，腐蚀损失约为其1.25倍。阳极腐蚀电位方面，双相2304不锈钢的电位最正且高于?275 mV，表明其未发生腐蚀；其余五种钢筋的电位均低于?275 mV，表明处于腐蚀状态。镀锌钢筋的电位最负，这归因于锌涂层作为牺牲阳极的电化学活性，而非底层钢的腐蚀性能差。第15周目视检查显示，光圆、淬火回火及ChromX钢筋表面有明显的锈蚀产物堆积，环氧涂层钢筋仅在切割端及涂层破损处出现少量锈蚀，双相2304不锈钢表面无任何可见腐蚀产物或变色。
三、关键技术与方法
本研究采用的核心试验方法为ASTM A955标准中规定的快速宏电池试验（Rapid Macrocell test）。该装置由阴、阳两个容器组成：阴极容器内含两根钢筋及模拟混凝土孔隙溶液，阳极容器内含一根钢筋及添加NaCl的模拟孔隙溶液，阴阳极经10欧姆电阻连接，阴极持续通入净化空气以促进阴极反应，并通过KCl盐桥连接两容器。试验期间每周监测电阻两端电压降，依据法拉第定律计算宏电池腐蚀速率，通过对腐蚀速率积分获得累积腐蚀损失，同时以饱和甘汞电极（SCE）为参比电极测量阳极腐蚀电位。溶液每五周更换一次，每周监测pH和Cl?浓度以保证试验条件一致。
四、研究结果
3.1 总体平均腐蚀速率：第15周各钢筋的腐蚀速率及15周总体平均值显示，淬火回火钢筋的总体平均腐蚀速率最高，其次为光圆、ChromX、镀锌、环氧涂层，双相2304不锈钢最低。双相2304不锈钢约为光圆钢筋的1/400，环氧涂层约为1/4，镀锌约为1/3，ChromX约为1/2，淬火回火约为光圆钢筋的1.50倍。
3.2 总体平均腐蚀损失：腐蚀损失的排序与腐蚀速率一致。双相2304不锈钢的总体平均腐蚀损失约为光圆钢筋的0.25%，环氧涂层约为25%，镀锌约为33%，ChromX约为40%，淬火回火约为光圆钢筋的1.25倍。
3.3 总体平均阳极腐蚀电位：双相2304不锈钢的电位最正且高于?275 mV，表明未发生腐蚀；其余五种钢筋电位均低于?275 mV，处于腐蚀状态。镀锌钢筋电位最负，归因于锌涂层的牺牲阳极作用。
3.4 总体性能：以光圆钢筋为基准进行归一化对比，双相2304不锈钢性能最优，其次为环氧涂层、镀锌、ChromX，淬火回火性能最差。双相2304不锈钢的优异性能与其高铬含量（22.65%）密切相关，铬促进致密富铬钝化层的形成与稳定，而ChromX-9100的铬含量仅9.25%，保护作用相对有限。
3.5 第15周钢筋外观：光圆、淬火回火及ChromX钢筋表面大量锈蚀产物堆积；环氧涂层钢筋仅在切割端和涂层破损处出现少量锈蚀；镀锌钢筋浸没端出现变色但无锈蚀产物；双相2304不锈钢表面无任何可见腐蚀迹象。
五、讨论与结论
讨论部分指出，双相2304不锈钢的优异耐蚀性源于其高铬含量（22.65%）所形成的高稳定性富铬钝化层，这与Kope等关于铬含量提高钝化层致密性、降低缺陷率的研究发现一致。镀锌钢筋的负电位是锌涂层作为牺牲阳极正常工作的表现，不应被误解为腐蚀性能差。研究还强调，涂层完整性和表面状态对腐蚀性能的影响与钢筋名义分类同等重要。
研究结论如下：双相2304不锈钢钢筋对氯离子诱发腐蚀的抵抗能力最强，其总体平均腐蚀速率和腐蚀损失均为光圆钢筋的1/400；淬火回火钢筋的抗腐蚀能力最弱，其总体平均腐蚀速率和腐蚀损失分别为光圆钢筋的1.50倍和1.25倍；环氧涂层、镀锌及ChromX-9100钢筋较光圆钢筋具有显著更优的耐腐蚀性能，腐蚀速率分别降低约75%、66%和50%，腐蚀损失分别降低约75%、66%和60%。
