镀锌钢纤维对超高性能混凝土（UHPC）中钢筋腐蚀的影响
关键词：超高性能混凝土UHPC、钢纤维、钢筋、塔菲尔Tafel、电化学阻抗谱EIS、电化学腐蚀
摘要：超高性能混凝土(UHPC)因其超高的耐久性而被广泛接受。然而，对于UHPC中钢筋的腐蚀性能以及UHPC保护层对钢筋的保护效果的改善，研究较少.此外，在UHPC中使用钢纤维是否会加速或减缓钢筋的腐蚀也具有特殊的意义。本文研究了两种不同镀锌层的钢纤维(铜纤维和锌纤维)对UHPC电阻和预埋钢筋耐腐蚀性能的影响。在3.5wt%NaCl溶液中进行了1年的电化学测试。测试包括开路电位(OCP)、线极化电阻(LPR)、Tafel极化和电化学阻抗谱(EIS)。试验结果表明，ASTM C876不适合UHPC用来根据OCP值确定预埋钢筋的腐蚀状态。这是因为UHPC致密的微观结构可以限制氧的穿透，显著降低OCP值。LPR和Tafel极化试验结果表明，钢筋的腐蚀速率和腐蚀电流密度随时间呈下降趋势，表明钢筋处于被动状态。此外，经过电化学测试，UHPC基体中未检出氯化物。这证明在测试期间钢筋表面没有发生腐蚀。EIS试验结果表明，UHPC基体的电化学电阻、钝化膜的电阻、钢筋的电荷传递电阻均呈现出长期增加的趋势。当导电钢纤维的体积分数从0增加到2%时，UHPC基体电阻下降40%以上。同时发现纤维类型和纤维含量对预埋钢筋的钝化膜电阻和电荷转移电阻没有影响。由于纤维沿着铸件试样均匀分布，没有发生电偶腐蚀。当采用合适的铸造方法时，黄铜和镀锌钢纤维都可以安全地用于UHPC，其纤维体积可达2%。
一、介绍
超高性能混凝土(UHPC)是一种抗压强度大于150 MPa的高级胶凝复合材料，是一种优化的固体颗粒级配，包括砂、水泥和可持续的补充胶凝材料颗粒，低水胶比()，以及一定比例的纤维增强[1-3]。由于低水胶比和优化的颗粒堆积密度，混凝土基体微观结构具有细化的孔隙网络和极低的孔隙率，与常规高性能混凝土(HPC)和普通混凝土相比具有优越的抗侵蚀离子渗透能力和超高的耐久性[4,5]。UHPC的超高强度和耐久性使其越来越多地应用于腐蚀破坏的钢梁和桥柱的修复[6,7]，以及预制梁、面板和节段桥柱，以及桥梁加速施工中预制柱的灌浆管道连接[8-11]。
耐久性影响结构构件的长期力学行为以及整个结构的使用寿命。因此，人们进行了各种试验来研究UHPC的耐久性性能。 通过测量通过51毫米厚的UHPC片的超过6小时的电流量，评估UHPC对氯离子渗透的电阻，测试结果在ASTM C1202[12]定义的可以忽略的范围内。经过6小时的快速迁移试验，氯离子通过UHPC的渗透深度为1mm，远小于HPC和普通混凝土[13]分别为8mm和23mm的渗透深度。 UHPC的耐冻融性是通过测量ASTM C666[14]中定义的相对动态模量(RDM)来确定的。试验结果表明，RDM对UHPC的变化很小，表明UHPC具有较高的抗冻融降解[13]的能力。
尽管人们对UHPC的耐久性特性进行了广泛的研究，但对UHPC中钢筋的腐蚀性能研究却很少。外加电流作用于UHPC和HPC中的钢筋，加速[15]的腐蚀。采用线极化法和动电位极化法对钢筋的耐腐蚀性能和腐蚀速率进行了评价。试验结果表明，与同类钢筋相比，嵌入UHPC的钢筋腐蚀速率降低。但是，钢筋的腐蚀速度加快，钢筋的腐蚀速率的测定不能反映钢筋在自然非加速腐蚀条件下的真实腐蚀情况。此外,钢筋的电化学响应的阈值嵌入在普通混凝土,如腐蚀速率的腐蚀电流密度()[16]，用于评估钢从被动状态过渡到主动腐蚀状态,可能不适合在UHPC嵌入钢筋。腐蚀电流密度的计算依赖于Stern-Geary系数B，文献中普遍接受的被动钢筋B系数为52 mV，主动腐蚀钢筋B系数为26 mV[17,18]。然而，也报告了不一致的B值。例如，对于主动腐蚀钢筋，Grubb等人在7 mV - 15 mV[19]范围内确定了B值，Chang等人在52 mV - 86 mV范围内计算了钢筋的腐蚀电流密度[20]。对于被动状态强化，Babaee和Castel确定的B值在13 mV - 20 mV范围内[21]。由于UHPC配合比使用的水胶比较低，且补充胶凝材料含量较高[1-3]，因此需要研究系数B才能准确评价钢筋的腐蚀电流密度。
除线性极化试验外，电化学阻抗谱(EIS)试验还应用于钢筋混凝土中，同时评估混凝土对钢筋的保护和钢筋的耐腐蚀性能[22,23]。此外，对于极低水胶比、高补充胶凝材料含量的UHPC，其长期腐蚀行为的机理，比如基体抗力的改变和钝化膜对钢筋的保护，仍是未知的。由于钢筋耐蚀性的突然下降意味着钢筋开始腐蚀[24,25]，因此UHPC中预埋钢筋开始点蚀以及随后的腐蚀膨胀还需要研究。
钢纤维通常用于UHPC中，以提高拉伸性能和抗裂性能。钢纤维可以桥接裂缝，抑制裂缝的拓宽和扩展，从而限制腐蚀离子向基体的渗透，延缓钢筋腐蚀的发生[2,26]。钢纤维的加入干扰了UHPC中毛细孔的连续性[27]，导致UHPC中渗透孔洞体积随钢纤维含量的增加而减小。纤维增强UHPC的低渗透性可以减少毛细吸力和腐蚀性溶液的侵入，从而提高耐久性。然而，随机分布的镀锌层钢纤维(黄铜或锌合金)可能会与钢筋接触，导致电偶腐蚀[28]。当两种不同的金属在电解液中相互接触时，一种金属作为阳极，腐蚀迅速，而另一种金属作为阴极，腐蚀缓慢。在加固梁中加入镀锌钢纤维，研究其对钢筋腐蚀的影响[29,30]，所有梁都经历了干湿循环腐蚀，直到检测到钢筋腐蚀。Someh和Saeki的研究结果表明[29]，纤维增强梁的钢筋表面没有腐蚀，而素混凝土中的钢筋表面有腐蚀。然而，Roque等人得到了有争议的结果[30]，纤维混凝土中的钢筋比素混凝土中的钢筋有更高的腐蚀速率。由于镀锌钢纤维和镀黄铜钢纤维是市场上使用的两种主要纤维，因此有必要研究钢纤维对预埋钢筋的电偶腐蚀是会起到加速还是减速的作用。
在这项研究中,通过在3.5wt %氯化钠溶液为期360天的开路电位(OCP),线性极化电阻(LPR)和电化学阻抗谱(EIS)测试来研究不同的镀锌钢纤维对嵌入UHPC钢筋的腐蚀性能的增强程度。两个镀锌钢纤维:镀锌钢纤维和铜涂层钢纤维与不同纤维含量(0、0.5%和2%,按体积)。为了准确计算腐蚀电流密度，进行了Tafel极化试验，确定了增强UHPC的尾部系数B。研究了在不施加阳极电流的情况下，UHPC基体的电阻、钝化膜的电阻以及钢筋在自然腐蚀环境中的电荷传递电阻。讨论了不同镀锌钢纤维之间以及钢纤维与钢筋之间镀锌腐蚀的可能性。此外，通过对UHPC试件截面上的纤维分布和扫描电镜图像中的元素组成光谱的分析，进一步解释了EIS测试结果。
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