暴露于含氯胶凝材料介质中氧化皮缺陷钢筋的对比电化学腐蚀行为

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Contrasting electrochemical corrosion behaviors of defective mill-scale rebar exposed to Cl-contaminated cementitious media

　　

摘要

在浇筑混凝土前是否保留钢筋表面原有的轧制氧化皮对结构有益，目前仍存在争议，特别是在含氯离子的水泥基环境中电化学腐蚀行为表现不一致的情况下。为解决这一矛盾，本研究对比了带缺陷轧制氧化皮（DM）和抛光（P）钢筋在氢氧化钙溶液及氯离子侵蚀砂浆中的电化学行为。结果表明，在全浸溶液环境中，DM（324~959 kΩ·cm²）的极化电阻 R_p 高于P（210~270 kΩ·cm²），但由于多孔缺陷和界面缝隙的存在，不利于抵抗氯离子侵蚀。相比之下，在砂浆中，离子传输路径与轧制氧化皮缺陷的重叠程度极小；因此，尽管14.8~25.4 μm厚的轧制氧化皮层含有3.37%~6.53%的缺陷，仍可作为保护屏障延缓氯离子引起的腐蚀。然而，由于缝隙腐蚀的长期作用，带轧制氧化皮的钢筋更容易引发局部应力集中，从而促使水泥基材料产生开裂。

引言

混凝土中钢筋腐蚀引起的膨胀开裂是决定建筑材料服役寿命的最关键因素之一[1]、[2]、[3]。已有研究表明，钢筋表面状态会影响混凝土中钝化和腐蚀的发展过程[4]、[5]、[6]。在混凝土施工之前，大多数钢筋仍保留着热轧生产过程中形成的原始轧制氧化皮，以及长期暴露于空气中产生的一层薄锈[7]、[8]、[9]。保留钢筋表面的轧制氧化皮对钢筋-混凝土粘结性能并无不利影响，甚至可能提供轻微的增强效果[7]、[10]、[11]。然而，去除轧制氧化皮对提高低碳钢筋抗腐蚀性能是否有益，仍存在争议[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。

已有研究报告表明，轧制氧化皮主要由磁铁矿（Fe₃O₄）[18]组成，较少含有方铁矿（Fe_1-xO）[19]、[20]、赤铁矿（α-Fe₂O₃）和针铁矿（α-FeOOH）[21]。这种带缺陷的轧制氧化皮层通常厚度为2~40 μm，相当于涂层一样提供物理保护屏障[4]、[13]、[22]。完整轧制氧化皮钢筋的极化电阻是抛光钢筋的2.5倍，从而延缓了点蚀的发生[23]。此外，在砂浆（w/c=0.5）中，抛光钢筋的临界氯离子浓度降低了最高达36%[24]。

然而，由于轧制氧化皮存在缺陷，腐蚀可能优先在轧制氧化皮与钢表面之间的缝隙处发生，从而提高在模拟混凝土孔隙溶液中氯离子阈值的[25]。在含氯离子污染（占水泥质量1~5%）的混凝土中，抛光钢材的腐蚀速率低于未抛光钢材[26]。基于影响钢筋-混凝土界面氯离子诱发腐蚀的因素，带锈轧制氧化皮的负面影响超过了其正面效益[5]、[24]、[27]。

这些看似矛盾的研究结果可能源于轧制氧化皮固有的不均匀性，或实验简化方法的局限性。大多数研究为缩短实验周期，专注于将钢材直接暴露于含氯环境中，从而忽略了水泥基体提供的初始保护[24]、[27]、[28]。复现水泥基体中氯离子侵蚀过程可以真实地揭示原因。

因此，轧制氧化皮作为保护屏障的有效性取决于其缺陷对外部电解质的可达性。相关数据稀缺，目前尚未有令人信服的解释报告[27]。在本研究中，详细表征了缺陷轧制氧化皮钢筋的缺陷形貌。将带轧制氧化皮钢筋和抛光钢筋分别浸泡在饱和氢氧化钙溶液（sat.CH溶液）中以及埋入砂浆中，直至完全钝化，以比较其电化学响应。随后，在不同暴露环境下持续监测氯离子侵蚀过程中的电化学参数。通过关联微观结构观察与电化学差异，阐明了缺陷轧制氧化皮在水泥基体系中钢筋电化学行为上产生矛盾的原因。

章节片段

钢筋表面处理

本研究中使用的钢筋（Grade B500，? 8 mm，新加坡商用建筑用材）经热轧而成，并在热带环境中长期室内储存（25±5 °C，相对湿度50%~80%）。所有钢筋均切割为约110 mm长。钢筋采用两种表面状态（图1a）：抛光圆形（P）和带少量锈迹的缺陷轧制氧化皮圆形（DM）。同时，P是通过电动钢丝刷（GWS800，Bosch）抛光至光亮状态获得的。DM

钢筋表面轧制氧化皮的基本特征

钢筋原始轧制氧化皮表面出现少量锈迹（图4a）。通过机器学习分析进行图像分割，随后基于阈值识别，再进行圆柱展开处理后，量化了腐蚀（锈迹）像素与有效像素的比率。根据公式(1)，对于单个120区域图像，锈迹面积分数 f_r 范围为1.07%~14.88%。相比之下，对于完整的50 mm暴露圆柱表面，平均锈迹面积

缺陷轧制氧化皮钢筋的全局和局部特性

一般而言，钢材表面的轧制氧化皮是一种微米级厚度（2~40 μm）、部分不连续的氧化铁层，在钢材生产过程中高温富氧条件下形成。然而，在施工前的长期储存期间，随着腐蚀在其缺陷处不断发展，该层逐渐退化，使轧制氧化皮越来越不连续。

与该轧制氧化皮相关的腐蚀缺陷尺寸分布高度不均匀，范围从约1 μm到2

结论

本研究系统地比较了抛光钢筋和保留缺陷轧制氧化皮钢筋在模拟孔隙溶液和砂浆中的长期电化学行为。通过将电化学结果与缺陷轧制氧化皮的特征相结合，阐明了缺陷轧制氧化皮钢筋在全浸模拟孔隙溶液中和埋入砂浆时表现出的看似矛盾的行为。主要结论总结如下：

• (1)
  与超薄的

CRediT作者贡献声明

Qiang You：方法论、调查研究。 Zhangmin Zhang：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查研究、正式分析、概念构思。 Guoqing Geng：撰写——审阅与编辑、资源、项目管理、资金获取、概念构思。 Jinjie Shi：撰写——审阅与编辑、调查研究、正式分析。 Zheng Dong：撰写——审阅与编辑、调查研究

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到新加坡教育部长（A-8002112–00–00 和 A-8002160–00–00）和新加坡国家研究基金会（CoT-V3-2026-1）的资助支持。

Zhangmin Zhang|Qiang You|Zheng Dong|Jinjie Shi|Guoqing Geng