1 引言

碳鋼鋼筋作為一種基礎建設材料，因其具有優良的力學性能、成型性能被應用于海港碼頭、橋梁及沿海岸民用建筑等建筑物[1,2] 。但是由于碳鋼鋼筋有限的耐蝕性，氯離子侵蝕和混凝土碳化導致鋼筋混凝土結構過早失效的案例早已廣泛存在，造成巨大的經濟損失[3] 。因此研發耐蝕性高且成本低廉，同時強度滿足應用要求的低合金鋼筋成為專家關注的重點[4] 。近年來，通過合金元素的調整、加工工藝優化等方法研發低合金耐蝕鋼筋逐漸成為耐腐蝕鋼筋領域發展的趨勢[5] 。

目前，對于低合金鋼筋在熱帶海洋大氣環境中的腐蝕研究主要側重于室內模擬加速實驗。劉明等[6]通過周浸腐蝕實驗模擬海洋大氣環境，研究了碳鋼和兩種 Cr 合金化的低合金鋼筋在模擬混凝土孔隙液中的腐蝕行為，結果表明添加 Cr?元素可以顯著降低鋼筋的均勻腐蝕。王鈞等[7]通過鹽霧腐蝕實驗，發現鋼筋中 Cr 對耐腐蝕性的影響遠大于 Ni 和V。錢余海等[8]通過周期浸潤加速實驗模擬海洋大氣環境，研究了高強耐蝕鋼 Q450NQR1 和普碳鋼 Q345 的加速腐蝕性能。雖然有相關文獻報道低合金鋼筋在熱帶海洋大氣環境腐蝕行為，但大部分實驗是在室內模擬環境下進行，與自然環境下的戶外暴露實驗結果存在一定的偏差，所得的數據不夠真實、可靠，因此有必要針對低合金鋼筋在室外自然環境中的腐蝕行為和腐蝕機理進行探究。

泰國屬于典型的高溫、高濕、高氯環境，常年氣溫恒定，年平均氣溫在28℃以上，相對濕度為85%左右，降雨量充足，日照時間長。為掌握低合金鋼筋在泰國海洋大氣環境中的腐蝕行為及變化規律，本文通過在泰國達叻大氣腐蝕實驗站進行現場掛片實驗，利用腐蝕失重速率、腐蝕形貌宏微觀分析及 XRD 等方法，研究了碳鋼和低合金鋼筋在泰國熱帶海洋大氣環境下經過一定周期暴露后的腐蝕行為，研究成果為熱帶海洋環境大氣環境耐蝕鋼筋的開發提供了參考。

2 實驗材料和方法

室外大氣暴露實驗基材為碳鋼鋼筋，通過向碳鋼鋼筋中添加一定量的合金元素，利用真空冶煉，得到 1 種新的低合金鋼筋，兩種鋼筋化學成分見表 1 所示。

現場暴露試樣采用 100mm×50mm×5mm 的掛片試樣，每組平行樣 3 個。掛樣前先進行試樣表面的清理，除去毛刺及孔內雜物，再進行清洗。清洗時先使用汽油或石油醚，再用無水乙醇，最后用丙酮，清洗后用熱風吹干 , 測量并記錄掛片試樣的初始質量和尺寸。

現場實驗地點為泰國達叻地區，實驗周期為 3 和 8 個月，用機械法剝離經過一定周期暴露鋼筋試樣表面的混凝土，對鋼筋表面進行宏觀形貌觀察。按照 GB/T16545-2015去除鋼筋表面的腐蝕產物，酸洗液按照配置：500mL 鹽酸（HCl，ρ=1.19g/mL），3.5g 六次甲基四胺，加蒸餾水配置成 1000mL 溶液，酸洗時間 10min，溫度為 20~25℃。對去除腐蝕產物的試樣用精度為0.1mg的電子天平再次稱重，用失重法計算腐蝕速率。腐蝕速率計算公式見式。

v——腐蝕速率（mm/y）；W——試樣在腐蝕前后的質量差（g）；S——試樣表面積，單位為（cm 2 ）；ρ——試樣密度，單位為（g/cm 3 ）；t——實驗時間，單位為小時（h）。

利用 X射線衍射儀 （XRD）分析兩種鋼筋腐蝕產物的組成，掃描速率為 4° /min，掃描范圍為 10°～ 90°。實驗材料為粉末狀，需要滿足晶粒細小、無擇優取向的條件，因此將鋼筋表面腐蝕產物刮下后，研磨至粒度小于 10μm，XRD 實驗前將研磨后的腐蝕產物粉末填充到玻璃板中，滴入丙酮固定粉末。通過 3D 激光共聚焦顯微鏡觀察除銹后試樣表面狀態，并測量蝕坑深度。

3 實驗結果與討論

3.1 金相組織

圖1 是實驗用碳鋼和低合金鋼筋的金相組織，從圖 1中可以看出兩種材料的顯微組織都由鐵素體和珠光體組成，其中白色區域為鐵素體，黑色區域為珠光體。低合金鋼筋相比碳鋼鋼筋珠光體數量減少、尺寸降低，這是由于合金元素加入導致鋼筋基體晶粒細化。而且珠光體是由鐵素體和滲碳體構成的層片組織，其本身可以形成大量的微腐蝕電池，降低鋼筋耐蝕性，因此添加合金元素在組織結構上降低了鋼筋的耐蝕性。

3.2 腐蝕速率

圖2 是碳鋼和低合金鋼筋在達叻地區熱海洋大氣環境腐蝕 3 和 8 個月腐蝕速率圖。可以看出隨腐蝕時間的延長，兩種鋼筋腐蝕速率都呈現上升趨勢，但碳鋼鋼筋腐蝕速率增長數值更大；相同暴露時間內，低合金鋼筋的腐蝕速率明顯低于碳鋼鋼筋，其相對腐蝕速率顯著降低，說明合金元素Cr、Cu 的加入，可以形成保護性好的腐蝕產物層，降低鋼筋的腐蝕速率。

圖2 碳鋼和低合金鋼筋在熱帶海洋大氣環境腐蝕3和8個月腐蝕速率

3.3 腐蝕形貌

圖3 是兩種鋼筋在達叻熱帶海洋大氣混凝土環境中暴露 3 和 8 個月的宏觀腐蝕形貌。由圖 3 可見，兩種鋼筋均呈全面腐蝕形態，暴露 3 個月時，碳鋼鋼筋表面已完全被腐蝕產物層覆蓋，腐蝕產物分為內外兩層，外層為棕紅色腐蝕產物，內層為黑色腐蝕產物，腐蝕產物較為致密；而低合金鋼筋表面局部還能看到金屬基體，腐蝕產物層沒有完全覆蓋金屬基體。

圖3 碳鋼和低合金鋼筋在熱帶海洋大氣環境腐蝕3和8個月宏觀形貌圖

(a)碳鋼鋼筋暴露3個月 (b)低合金鋼筋暴露3個月

(c)碳鋼鋼筋暴露8個月 (d)低合金鋼筋暴露8個月

隨腐蝕時間延長，腐蝕產物層厚度增加，顏色逐漸變深，碳鋼鋼筋表面存在不連續的大塊腐蝕產物，有明顯的分層脫落現象；而低合金鋼筋表面腐蝕產物層較為致密，未出現分層現象；相同暴露時間內，碳鋼鋼筋的腐蝕產物層比低合金鋼筋厚。這是由于 Cr、Cu 元素參與腐蝕產物的形成，形成的腐蝕產物層更為致密，從而降低鋼筋的腐蝕速率，這與失重腐蝕速率的計算結果是一致的。

3.4 腐蝕微觀形態

圖 4 是碳鋼和低合金鋼筋試樣去腐蝕產物后的表面三維形貌。從圖 4 可以看出，相同暴露時間內，碳鋼鋼筋腐蝕程度嚴重，表面出現較深的腐蝕坑，腐蝕沿晶粒的邊界發生，局部由點蝕擴展為剝落腐蝕，腐蝕坑相互連接聚攏而呈現更大的腐蝕坑；而低合金鋼筋基體表面局部存在點蝕坑，點蝕坑數量少、面積小且深度淺，部分點蝕坑還未發展到穩態點蝕級別。隨著腐蝕時間延長，鋼筋基體表面不均一度增加明顯，腐蝕坑在側向和深度方向上均增大，腐蝕坑數量增多。

碳鋼和低合金鋼筋試樣在達叻熱帶海洋大氣環境腐蝕 3和 8 個月平均腐蝕深度見表 2，相同腐蝕時間，碳鋼鋼筋腐蝕深度明顯高于低合金鋼筋；由暴露 3 個月到 8 個月，碳鋼鋼筋腐蝕深度增加 41μm，而低合金鋼筋腐蝕深度增加31μm，可能是由于低合金鋼筋的腐蝕產物具有較好的保護性，降低了鋼筋腐蝕速率。

3.5 腐蝕產物

圖 5 是碳鋼和低合金鋼筋在泰國達叻熱帶海洋大氣環境腐蝕 8 個月腐蝕產物的 XRD 分析，從 XRD 圖譜中可以看出，兩種鋼筋腐蝕產物基本相同，均由 α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe 2 O 3 及 Fe 3 O 4 組成，XRD 圖譜中的 SiO 2 是混凝土的主要組成部分。

從 XRD 圖譜可以看出，相同的暴露時間內，低合金鋼筋相比于碳鋼鋼筋，α-FeOOH 衍射峰的個數和其強度值都增加，γ-FeOOH 衍射峰的強度則降低。α-FeOOH 是一種相對穩定的結構，具有較低的電化學活性，有良好的附著性和致密性，隨著其含量的增加，銹層的穩定性會進一步增強[9] 。而 γ-FeOOH 是不穩定的產物，還原性較強，增加了陰極反應的活性區域，對鋼筋的基體腐蝕具有促進作用[10] 。

表明低合金鋼筋中合金元素 Cu 和 Cr 參與形成的致密穩定化銹層阻擋了 Cl - 侵入，從而降低鋼筋的腐蝕速率，提高鋼筋的耐腐蝕性能。

圖 5 碳鋼和低合金鋼筋在熱帶海洋大氣環境腐蝕8個月腐蝕產物的XRD分析

4 討論

水泥水化的高堿性，鋼筋表面會生成一層穩定致密的保護性鈍化膜。泰國熱帶海洋大氣環境具有高溫、高濕、高氯特征，當混凝土發生碳化或氯離子通過混凝土層到達鋼筋表面的濃度超過臨界氯離子濃度值時，鋼筋開始發生氧化還原的腐蝕過程。

陰極反應為：

O 2 +2H 2 O+4e → 4OH -

陽極反應為：

Fe+2e - → Fe（OH） 2Fe（OH） 2

容易被進一步氧化為 FeOOH：

Fe（OH） 2 +2OH - → FeOOH+H 2 O+e -

對比兩種鋼筋暴露相同周期的腐蝕速率和宏觀形貌，碳鋼鋼筋腐蝕速率較大（圖 2），腐蝕產物覆蓋不均勻不致密（ 圖 3），主要是由于兩種鋼筋化學成分差異造成的。低合金鋼筋中 Cr、Cu 元素參與腐蝕過程，腐蝕產物中具有保護性的 α-FeOOH 的含量增多，降低了鋼筋的腐蝕速率。隨著暴露時間的延長，腐蝕產物層不斷增厚，反應生成 α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe 2 O 3 及 Fe 3 O 4 （圖 5）。由于 γ-FeOOH 和 Fe 3 O 4具有一定的還原性，會降低銹層的保護性。

5 結論

（1）熱帶海洋大氣環境中低合金鋼筋的腐蝕速率明顯低于碳鋼鋼筋，其相對耐蝕性能顯著提升，且兩種鋼筋腐蝕速率隨腐蝕時間呈上升趨勢。

（2）碳鋼和低合金鋼筋的腐蝕類型都表現為不均勻的全面腐蝕，鋼基體存在一定深度的蝕坑；隨現場腐蝕時間的延長，兩種鋼筋表面的腐蝕產物逐漸增多，平均腐蝕深度加深。

（3）兩種鋼筋腐蝕產物均由 α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe 2 O 3 及Fe 3 O 4 組成，其中，低合金鋼筋腐蝕產物中α-FeOOH的含量較多。

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