混凝土中钢筋腐蚀萌生试验观测的新解译

《Corrosion Engineering, Science and Technology》：New interpretations of test observations for initiation of corrosion of steel reinforcement in concrete

　　

混凝土中钢筋腐蚀萌生可能性广泛采用的一个判据是氯离子浓度。本文重新审视了近期从实际结构中钻取的混凝土样本的试验观测结果，这些结果据称支持上述观点。所测得的酸溶性氯离子浓度结果源于电化学试验条件。在这些条件下，初始阴极反应在数天内消耗了水，之后才实际测量混凝土中随之产生的局部酸溶性氯离子浓度。因此，所测值并非腐蚀萌生时刻的浓度值。对已报道的腐蚀萌生观测结果的重新解译表明，这些结果呈现双群体概率分布特征，与混凝土中气孔尺寸的已知分布特征类似。报道中锈斑位置与钢-混凝土界面处混凝土中气孔之间相关性不佳，这可能归因于仅记录了“可见”气孔，而实际混凝土中已知含有分布范围更广的孔隙尺寸。本文给出的重新解译支持钢-混凝土界面处气孔控制钢筋腐蚀萌生可能性的观点，但不支持临界氯离子浓度的概念。

论文解读：混凝土中钢筋腐蚀萌生机理的再审视——基于试验观测的重新解译

**一、研究背景与现存问题**

钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀问题始终是结构安全、耐久性、资产寿命及温室气体排放等领域关注的焦点。对于暴露于海洋沿岸和近海等富氯环境的基建设施而言，评估钢筋腐蚀萌生可能性的经典判据是钢筋附近混凝土中的氯离子浓度。此概念被广泛纳入各类技术指南，其理论基础源于经典的Tuutti模型。该模型假定在腐蚀萌生前的阶段（0-A期），氯离子由外部环境向钢筋迁移，当钢筋附近氯离子浓度达到所谓的“阈值”或“临界”浓度（c_crit）时，钢筋腐蚀随即萌生，并进入加速腐蚀阶段。

然而，围绕临界氯离子浓度c_crit的取值问题一直存在巨大争议。大量试验研究给出的c_crit值表现出高度离散性，这可能源于试验方法差异，且多数研究为短期实验室试验，缺乏针对实际结构的现场数据。一种务实的“变通”方案是将c_crit视为随机变量，依据试验数据估算其均值、标准差和概率分布，但c_crit的变异性远大于结构荷载和抗力。更重要的是，任何变量若表现出巨大变异性，则表明尚未识别出影响该变量的全部关键参数。近期针对潮湿、充气、高pH环境（如实际混凝土中）下钢筋腐蚀萌生热力学条件的重新审视表明，与传统认知相反，实际结构中典型的氯离子浓度本身似乎并不指示腐蚀的可行性。因此，将氯离子浓度作为腐蚀萌生的关键因素可能是一种误导。本研究旨在重新评估从多个实际结构中钻取样本、用以估算c_crit的试验程序及其结果，提出替代性解释。

**二、研究目标与关键方法**

研究人员重新审视了RILEM TC 262-SCI主持下的主试验程序及其前期探索性试验，提出工作假说：氯离子浓度本身并非混凝土中钢筋腐蚀萌生的控制因素；相反，腐蚀萌生需满足热力学条件，且作为一种局部化现象，最初仅可能发生在气孔边缘等氧气、水与钢界面共存的部位。主要技术方法包括：对实际结构钻取的混凝土芯样进行电化学腐蚀电位监测以判定腐蚀萌生；对芯样进行锯切、环氧涂覆处理，实现一维水扩散条件；对破裂后的钢-混凝土界面进行目视与放大镜检查，记录气孔和锈斑位置；采用酸溶性氯离子浓度测定方法测试锈斑对应位置的混凝土；利用Gumbel极值分布图对临界氯离子浓度数据及混凝土气孔尺寸数据进行概率统计分析。样本来自实际老化的混凝土桥梁和隧道衬砌结构。

**三、研究结果**

(一) 初步试验结果：化学清理的钢筋在约400天暴露后无腐蚀，而“原始状态”钢筋出现“轻微”腐蚀，归因于锈层抑制了氧扩散。短钢筋样本测得的氯离子浓度更高且更离散，且测量值受浇筑方向影响，水平钢筋下方气孔更多更大。

(二) 主试验程序关键发现：对约274个混凝土芯样检查，仅33个（约12%）的锈斑位置可直接关联到“可见”气孔。原研究据此得出气孔对腐蚀萌生作用甚微的结论，转而归因于氯离子浓度。

(三) 氯离子浓度数据的重新解译：将原报告作lognormal分布处理的数据改用Gumbel极值分布图分析发现，数据并非呈单一线性趋势，而是明显分为三段，各段各自呈线性趋势，表明存在三种不同子分布。由于样本取自相邻区域，这种分段趋势难以用氯离子浓度本身解释。

(四) 基于气孔尺寸的重新解译：依据腐蚀萌生的热力学机制，初始阴极反应消耗局部水分，导致局部氯离子浓度升高，且消耗量取决于气孔尺寸。因此，实测酸溶性氯离子浓度可视为气孔尺寸的替代指标。按此解释，氯离子浓度数据的Gumbel图趋势可重构为气孔尺寸分布图。采用Warren早期照片的数字图像分析所得实际混凝土气孔尺寸概率分布，与重解译后的趋势吻合，进一步支持上述假说。

(五) 腐蚀萌生位置变异性的解释：水在混凝土中的扩散为非均质过程，各位置到达时间不一。锈斑出现位置取决于水最先到达钢-氧共存部位，而非气孔本身的位置，这解释了“可见”气孔与锈斑相关性不佳的原因。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，原始试验程序将氯离子浓度与腐蚀萌生关联是一种先验假设，影响了试验设计和结果解释。替代解释将腐蚀萌生归因于充分湿润、充氧的条件，与氯离子浓度或孔隙液pH无关。锈斑的随机分布源于水分扩散的变异性和混凝土-钢界面气孔空间位置的变异性。原试验程序未将气孔空间分布、混凝土渗透性变异性等列为研究变量，且仅在首个锈斑出现后即终止试验，错失了观察局部腐蚀发展的机会。

研究结论为：一、良好混凝土中钢筋腐蚀萌生为点蚀，其热力学条件仅需氧气、水和钢在局部共存。二、原试验的设计、程序及结果解释基于氯离子浓度关键的先验假设。三、腐蚀萌生位置的变异性源于水扩散的空间变异性以及沿钢-混凝土界面分布的气孔位置差异。四、按Gumbel极值分布图分析，原始氯离子浓度数据显示三种不同的趋势，这与溶液或混凝土局部区域中的氯离子浓度特性不符。五、腐蚀萌生时水被随后的氧还原阴极反应消耗，导致局部氯离子浓度升高，气孔越大消耗越多，进而影响实测酸溶性氯离子浓度；这些浓度概率分布趋势可解释为混凝土中气孔尺寸分布趋势的替代指标。六、点蚀萌生仅需水到达钢与氧的交接处；气孔被水饱和（即使充氧）将最终导致缺氧而抑制腐蚀，其时间取决于气孔尺寸、周围混凝土渗透性和腐蚀区域大小。该研究结论对广泛接受的临界氯离子浓度概念及Tuutti模型提出了重大挑战，对钢筋混凝土结构耐久性评估和寿命预测具有重要的理论意义，也为未来修订相关设计评估指南提供了新的科学依据。该论文发表于《Corrosion Engineering, Science and Technology》。