川藏鐵路是我國戰略性百年工程，對促進我國西南地區經濟發展將發揮重大作用，鐵路建成投運后的安全穩定運行是工程的核心要求之一。由于存在工程跨度長、地質條件復雜、地形高差大等問題，且川藏鐵路全線橋隧比達81%，因此川藏鐵路大量使用的鋼筋混凝土在沿線土壤環境中的耐久性是工程建成后能否長期安全穩定運行的關鍵因素。

地下水中會溶解土壤中的鹽分（氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽等）進入混凝土內部孔隙，與鋼筋接觸，并對其腐蝕產生影響，進而影響鋼筋混凝土的耐久性。川藏地區地質條件復雜，局部區域會有地下熱泉，如桑珠嶺隧道洞身附近鉆孔內溫度超過70 ℃，熱泉區域地下隧道和橋墩混凝土中鋼筋的耐腐蝕性能也有待研究。

本工作采用實驗室配制的溶液模擬川藏鐵路沿線地區典型土壤環境，通過電化學試驗，分析了土壤環境參數對Q355B鋼筋腐蝕行為的影響，以期為鋼筋混凝土運行維護策略的制定和川藏鐵路更加安全和經濟地運行提供科學數據支撐。

01

試驗材料

將Q355B鋼切割成尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的薄片，鑲嵌處理后，采用砂紙逐級打磨、清洗后備用。

表1為5個采樣點土壤浸出液中陰離子濃度的最大值，配制過飽和氫氧化鈣溶液（pH為12.6），并向其中添加氯化鈉、硫酸鈉、硝酸鉀，使飽和氫氧化鈣溶液中離子濃度與土壤浸出液保持一致，作為原始溶液（其中Cl-質量濃度為6.338 mg/L，NO3-質量濃度為0.382 mg/L，SO42-質量濃度為60.847 mg/L），以模擬川藏鐵路沿線地區典型土壤環境，試樣在原始溶液中浸泡14天后再進行電化學測試。

表1 土壤浸出液中陰離子的濃度

02

電化學測試

采用Autolab電化學工作站進行電化學測試，采用三電極體系，試樣為工作電極，Pt電極為輔助電極，AgCl電極為參比電極。

1   在原始溶液基礎上，按比例分別添加質量分數為0.1%，0.2%、0.3%的氯化鈉、硫酸鈉、碳酸鈉、硝酸鉀，設置低濃度，盡量與實際工況吻合，試驗溫度為常溫（15 ℃），并放置24小時，將試樣置于溶液中，隨后進行極化曲線、電化學阻抗譜測試，并分析其影響規律。

2   在原始溶液基礎上，分別添加1 mol/L的氯化鈉、硫酸鈉和硝酸鉀，放置24小時，將試樣置于溶液中，進行極化曲線、電化學阻抗譜測試，分析幾種鹽對鋼筋腐蝕的影響。

3   采用原始溶液，在常溫（15 ℃）、40 ℃以及70 ℃條件下進行極化曲線、電化學阻抗譜測試，分析溫度對Q355B鋼腐蝕的影響。

以上測試溶液中均加入過量氫氧化鈣，溶液始終保持過飽和狀態。

圖1 Q355B鋼在原始溶液中浸泡14天后的表面微觀形貌

由圖1可見，在原始溶液中浸泡14天后，Q355B鋼表面未見腐蝕痕跡，大部分區域有附著物膜，表明Q355B鋼在原始溶液中發生鈍化，表面自發生成了一層鐵氧化合物薄膜，且有氫氧化鈣等混合物附著，該膜層作為鋼筋基體和腐蝕性物質之間離子傳遞的屏障，阻止鋼筋腐蝕進程，使鋼筋處于穩定的鈍化狀態。

當電極表面存在較厚且致密的鈍化膜時，由于膜電阻很大，離子的遷移過程受到極大的抑制，觀察電化學阻抗譜可以發現，在低頻部分阻抗譜表現為一條45°傾角的斜線，為Warburg阻抗，如圖2a所示。等效電路見圖2b，其中RS為溶液阻抗，Rp為界面反應阻抗，CPE為雙電層電容，W為Warburg阻抗。Rp值反映了鈍化膜和吸附物膜的電阻，以及腐蝕反應發生的難易程度。當鋼筋與模擬溶液界面維持鋼筋鈍化的條件受到破壞時，鋼筋表面可能會發生腐蝕，電化學阻抗譜會發生變化，Rp也會相應發生變化，根據阻抗譜的變化情況可以分析腐蝕和鈍化膜破壞的情況。

(a) 電化學阻抗譜

(b) 等效電路圖

圖2 Q355B鋼在原始溶液中浸泡14天的電化學阻抗譜及等效電路圖

03

陰離子對腐蝕的影響

關于Cl-、SO42-以及兩種離子協同作用對鋼筋腐蝕的影響已有較多研究，NO3-對鋼筋腐蝕影響研究相對較少。本工作采用過飽和氫氧化鈣溶液加土壤浸出液中的陰離子作為原始溶液。

Cl-對腐蝕的影響

由圖3a和表2可見，隨著氯化鈉溶液濃度的增加，開路電位逐漸變得更負，腐蝕電流密度逐漸增大，腐蝕速率逐漸增大，腐蝕電流密度和腐蝕速率變化量在5%左右，變化較小。

由圖3b和表3可見，與原始溶液相比，Q355B鋼在添加不同量氯化鈉原始溶液中的電化學阻抗譜的容抗弧和擴散趨勢和變化都比較接近，擬合結果也表明界面處反應速率和反應難易程度基本一致，表明在過飽和氫氧化鈣溶液中，Cl-難以穿透鈍化膜和表面附著物復合膜，基體腐蝕速率基本不受影響。

(a) 極化曲線

(b) 電化學阻抗譜

圖3 Q355B鋼在添加不同量氯化鈉溶液的原始溶液中的極化曲線和電化學阻抗譜

表2 Q355B鋼在添加不同量氯化鈉的原始溶液中的極化曲線擬合參數及腐蝕速率

表3 Q355B鋼在添加不同量氯化鈉的原始溶液中的電化學阻抗譜擬合結果

SO42-對腐蝕的影響

由圖4a和表4可見，隨著硫酸鈉溶液濃度的增加，腐蝕電流密度增加，腐蝕速率增大。

由圖4b和表5可見，隨著硫酸鈉溶液濃度的增加，與原始溶液相比，Q355B鋼在添加不同量硫酸鈉的原始溶液中電化學阻抗譜的容抗弧和Warburg阻抗變化趨勢保持一致，變化量較小。

(a) 極化曲線

(b) 電化學阻抗譜

圖4 Q355B鋼在添加不同量硫酸鈉的原始溶液中的極化曲線和電化學阻抗譜

表4 Q355B鋼在添加不同量硫酸鈉的原始溶液中的極化曲線擬合參數及腐蝕速率

表5 Q355B鋼在添加不同量硫酸鈉的原始溶液中的電化學阻抗譜擬合結果

NO3-對腐蝕的影響

由圖5a和表6、表7可見，隨著硝酸鉀濃度的增加，腐蝕電流密度和腐蝕速率逐漸增大，但變化率不大，界面反應的Rp減小。

由圖5b可以看出：與原始溶液對比，加入硝酸鉀后，Q355B鋼電化學阻抗譜的容抗弧半徑變大，Warburg阻抗消失，反應不再受擴散影響。在測試范圍內，與添加氯化鈉和硫酸鈉的原始溶液相比，Q355B鋼在添加硝酸鉀的原始溶液中的反應控制步驟略有差異。

(a) 極化曲線

(b) 電化學阻抗譜

圖5 Q355B鋼在添加不同量硝酸鉀的原始溶液中的極化曲線和電化學阻抗譜

表6 Q355B鋼在添加不同量硝酸鉀的原始溶液中的極化曲線擬合參數及腐蝕速率

表7 Q355B鋼在添加不同量硝酸鉀的原始溶液中的電化學阻抗譜擬合結果

陰離子影響對比分析

由圖6和表8、表9可見：在分別添加1 mol/L氯化鈉、1 mol/L硫酸鈉和1 mol/L硝酸鉀的原始溶液中，Q355B鋼的腐蝕輕重程度依次為氯化鈉、硫酸鈉、硝酸鉀。從表面形貌來看，Q355B鋼試樣表面未見明顯銹蝕和點蝕痕跡，部分表面附著物膜厚度較厚，未附著部位仍保持金屬光澤，這表明在過飽和氫氧化鈣溶液中，有氯化物、硫酸鹽和硝酸鹽進入混凝土內部，鹽溶液與鋼筋接觸，只要鋼筋混凝土內部pH能保持穩定，鋼筋仍能保持鈍態，從而保護基體不被腐蝕。

(a) 極化曲線

(b) 電化學阻抗譜

圖6 Q355B鋼在添加1 mol/L不同溶液的原始溶液中的極化曲線和電化學阻抗譜

表8 Q355B鋼在添加1 mol/L不同化合物原始溶液中的極化曲線擬合參數及腐蝕速率

表9 Q355B鋼在添加1 mol/L不同化合物原始溶液中的電化學阻抗譜擬合結果

04

Na+對腐蝕的影響

根據以往研究結果，陽離子導致鋼筋腐蝕的總氯離子質量分數變化趨勢與KCl與NaCl基本一致。本工作以Na+為代表，研究陽離子對Q355B鋼在原始溶液中腐蝕的影響。

由圖7和表10、表11可見，隨著Na+濃度的增加，Q355B鋼的腐蝕速率增大，界面處反應電阻Rp減小。

(a) 極化曲線

(b) 電化學阻抗譜

圖7 Q355B鋼在添加不同量碳酸鈉的原始溶液中的極化曲線和電化學阻抗譜

表10 Q355B鋼在添加不同量碳酸鈉的原始溶液中的極化曲線擬合參數及腐蝕速率

表11 Q355B鋼在添加不同量碳酸鈉的原始溶液中的電化學阻抗譜擬合結果

05

溫度對腐蝕的影響

在腐蝕體系中，一般情況下，溫度越高，擴散越容易進行，電解質交換越容易，腐蝕越容易進行。由圖8可見，Q355B鋼的腐蝕電流密度隨溫度的升高而增加，即升高溫度更易破壞Q355B鋼表面的鈍化膜，從而加劇腐蝕。極化曲線變化趨勢和電化學阻抗譜中容抗弧半徑隨溫度升高而減小驗證了這一結論，表12和表13中的結果也驗證了這一結論。

(a) 極化曲線

(b) 電化學阻抗譜

圖8 不同溫度下Q355B鋼在原始溶液中的極化曲線和電化學阻抗譜

表12 不同溫度下Q355B鋼在原始溶液中的極化曲線擬合參數及腐蝕速率

表13 不同溫度下Q355B鋼在原始溶液中的電化學阻抗譜擬合結果

活化能是評價腐蝕快慢的一個重要指標，因此采用Arrhenius方程來計算碳鋼在原始溶液中的腐蝕活化能，如下式所示：

式中：Ea為反應活化能，kJ/mol；J代表腐蝕電流密度，A/cm2；T為絕對溫度；R為氣體常數，取8.3145 J/(mol·K)；A為Arrhenius常數。

原始溶液中活化能計算結果為47 kJ/mol，R2結果為 0.984。根據活化能計算結果，可以計算出不同溫度下Q355B鋼的腐蝕電流密度，進而開展腐蝕剩余壽命預測，為工程運維服務。

結論

(1) 在含有過量氫氧化鈣的原始溶液中，氯化鈉、硫酸鈉、硝酸鉀和碳酸鈉的添加量低于0.3%時，陰陽離子濃度的增大對Q355B鋼腐蝕的影響較輕微；當氯化鈉、硫酸鈉和硝酸鉀添加量達到1 mol/L時，Q355B鋼的腐蝕嚴重程度依次為氯化鈉、硫酸鈉、硝酸鉀，但Q355B鋼表面未見明顯銹蝕和點蝕痕跡，鋼筋表面可以維持鈍化狀態。

(2) 在含有過量氫氧化鈣的原始模擬液中，升高溫度，Q355B鋼的腐蝕速率增大，70 ℃下Q355B鋼的腐蝕速率約是15 ℃下的2.2倍。