不同电化学参数的双向电迁移作用下钢筋断口形貌特征

来源:用户上传      作者:

　　摘  要：双向电迁移技术可显著提升钢筋混凝土结构耐久性，不同电化学参数会引起钢筋力学性能变化。文章通过恒应变速率拉伸方法对双向电迁移修复后混凝土内钢筋进行拉伸试验，采用电镜扫描（SEM）钢筋断面，对不同电流密度下电化学修复后的钢筋断口进行宏观与微观分析，观察其宏观断口形态，微观断口形貌特征。试验表明随着电流密度增大，相同倍率电镜中断口凹坑较深韧窝的数量逐渐减少，韧窝凹坑逐渐变小而浅。
　　关键词：混凝土耐久性;双向电迁移;恒应变拉伸;钢筋;断口形貌
　　中图分类号：TG142 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0072-03
　　Abstract： Bidirectional electromigration rehabilitation can significantly improve the durability of reinforced concrete structure， and different electrochemical parameters can cause changes in the mechanical properties of steel bars. In this paper， through the constant strain rate tensile method， the tensile test was carried out on the reinforcement in the concrete afterbidirectional electromigration rehabilitation（BIEM）. The cross-section of the reinforcement after the electrochemical repair under different current density was analyzed by scanning electron microscope （SEM）， the macro fracture morphology and micro fracture morphology were observed. The results show that with the increase of current density， the increase of the number of deep dimples in the break hole of the same magnification electron microscope decreases gradually， and the dimples in the dimples become smaller and shallower.
　　Keywords： concrete durability; bidirectional electromigration rehabilitation; constant strain rate; steel bar; fracture morphology
　　引言
　　近年來，处于沿海恶劣的腐蚀环境下（氯盐与海洋气候等）的混凝土结构因钢筋锈蚀导致结构破坏的案例屡见不鲜[1]。双向电迁移修复技术将钢筋混凝土中的钢筋作为阴极，外接不锈钢网作为阳极，将混凝土保护层中的有害氯离子迁出，同时将阻锈剂阳离子迁移至钢筋表面，是电化学修复技术中的一种重要技术手段[2]。但电化学参数选取不合理，会带来诸多负面影响，如混凝土强度下降[2]、粘结性能降低[3]以及钢筋氢脆[4]等。其中，钢筋氢脆会导致结构可靠度降低，对高应力服役的混凝土结构需要重点关注。
　　目前，电化学导致钢筋氢脆问题的研究多集中在钢筋宏观力学性能方面[5][7]，为了探明其氢脆机理应结合微观层面研究。郭建章[8]对高强钢进行SEM断口观察，发现随着阴极充氢电位负移，断口形貌由韧性断裂逐渐向解理脆性断裂转变，且断口边缘出现明显的解理裂纹。扫描电镜（SEM）可对金属拉伸后的断口进行分析和描述。断口分析分宏观分析和微观分析两类，其中宏观分析只是对整体形貌进行判断，还需要结合微观分析才能探明断裂的机理。
　　本文主要通过恒定速率拉伸方法，对混凝土试件进行双向电迁移后的钢筋进行研究，分析不同电流密度下的电镜扫描（SEM）钢筋断口，观测宏观和微观断裂形貌特征，从机理上探明电化学修复后钢筋的氢脆机理。
　　1 双向电迁移基本原理
　　双向电迁移修复技术将钢筋混凝土结构中的钢筋作为阴极，外接不锈钢网作为阳极，施加电场作用，将混凝土保护层中的有害氯离子迁出，并将阻锈剂阳离子迁移至钢筋表面[5]，如图1所示。
　　析氢反应产生的氢原子经过物理吸附、化学吸附、溶解、扩散等一系列过程进入金属内部，当聚集的氢达到一定浓度时，钢筋力学性能降低、氢脆风险增加[6]。在钢筋上析出的原子氢能进入金属，氢进入钢筋的主要步骤如下：
　　（1）水化的氢离子从溶液中通过迁移而到达钢筋表面：
　　（H+·H2O）溶液→（H+·H2O）钢筋表面
　　（2）水化氢离子获得电子而放电：
　　H+·H2O+e-→H+H2O
　　（3）原子氢吸附在钢筋的表面：
　　M+H→M·H吸
　　2 试验过程
　　2.1 试件设计
　　混凝土试件强度设计为C30，尺寸为150mm×150mm×100mm，保护层厚为40mm，钢筋选用两根直径14mm的HPB300内置，如图2所示。
　　2.2 双向电迁移过程
　　试验在常温大气环境下进行，直流电源正极连接不锈钢网片，负极连接钢筋，电解质溶液采用1mol/L三乙烯四胺溶液，试验布置图如图3所示，分组情况如表1所示。 　　双向电迁移试验完成后取出混凝土试件内的钢筋，采用济南联工CMT-300电子式万能试验机对钢筋进行恒应变速率拉伸试验。拉伸的应变速率一般在10-4～10-7s-1范围内，在这个应变速率拉伸范围内，可以反应裂纹的生成及扩展过程[9]，因此拉伸速率选用0.1mm/min。
　　2.3 钢筋断口电镜扫描
　　待钢筋恒应变速率拉伸试验后，将断裂钢筋切取约1cm断口，超声波清洗仪采用无水乙醇进行超声清洗并密封保存，采用FEI Quanta 650 FEG扫描电镜仪观察断口形貌特征。
　　3 试验结果与分析
　　钢筋韧性断裂时，断口常为韧窝状断口，其宏观断口由纤维状断裂区、放射区与剪切唇三个部分组成。纤维区为裂纹缓慢扩展区，是塑性变形主要区域，纤维区面积越大钢筋的塑性越好;放射区呈现放射花样特征，放射区越大钢筋的塑性越差;剪切唇表面较光滑，与拉伸轴向的夹角约呈45°[10]。本文采用的HPB300属于低碳钢，在断口观察时，放射区不明显，因此只对钢筋断口的剪切唇与纤维区进行分析。钢筋氢脆引起的断裂一般呈部分脆性断裂的特征，微观上可见韧窝变小、变浅，断面出现河流花样裂纹，呈现准解离特征。
　　图4（a）-（e）为在恒定通电时间（15天）下，电流密度分别为0、1、3、5、7A/m2的钢筋扫描电镜（SEM）断口形貌。
　　从图4（a）-（e）中都可看出宏观断口有明显的剪切唇区域，且微观断口形貌都有明显的韧窝存在，说明钢筋均为韧性断裂。随着电流密度的增加，断口形貌中深韧窝的数量逐渐减少。从图4（a）、（b）和（c）中可以观察到一些明显的韧窝，韧窝尺寸大，凹坑深，说明钢筋塑性损失较小。从图4（d）、（e）中可以观察到尺寸较大和凹坑较深的韧窝数量明显减少，大部分韧窝凹坑比较浅。在电流密度为5 A/m2和7A/m2时，钢筋断口出现脆性河流花样解理面，如图5所示，说明电流密度达到5A/m2和7A/m2时，钢筋断口有部分韧性断裂转为脆性断裂，钢筋塑性性能下降，存在氢脆风险。在7A/m2的钢筋断口内纤维区不明显，也说明钢筋的塑性性能降低。
　　4 结论
　　（1）对双向电迁移修复后的混凝土内钢筋进行恒应变速率拉伸试验发现：随着电流密度增大相同倍率电镜下钢筋断口凹坑较深韧窝的数量逐渐减少，韧窝凹坑逐渐变小而浅。
　　（2）在常规通电次数，即通电时间15天，电流密度为3A/m2时，扫描电镜中可以观察到一些明显的韧窝，韧窝尺寸大，凹坑深，说明在电化学参数较小时，钢筋塑性损失较小。
　　（3）在通电时间恒定（15天）电流密度为5A/m2和7A/m2时，钢筋断口扫描中出现脆性河流花样解理面，钢筋断口已经有部分韧性断裂转为脆性断裂，钢筋塑性性能下降，存在氢脆风险。
　　参考文献：
　　[1]卢青法，李森林，范卫国.宁波北仑港2.5万吨级装船码头上部结构破坏调查及维修方案建议[J].水运工程，2003（9）：30-32.
　　[2]许晨，金伟良，黄楠，等.双向电渗对钢筋混凝土的修复效果实验——保护层表面强度变化规律[J].浙江大学学报（工学版），2015，49（6）：1128-1138.
　　[3]Jun Zhang， Weiliang Jin， Jianghong Mao， et al. Deterioration of static mechanical properties of RC beams due to bond damage induced by electrochemical rehabilitation[J]. Construction and Building Materials，2020：237.
　　[4]Jianghong Mao， Weiliang Jin， Jun Zhang， et al. Hydrogen embrittlement risk control of prestressed tendons during electrochemical rehabilitation based on bidirectional electro-migration [J]. Construction and Building Materials，2019：582-591.
　　[5]金偉良，伍茜西，毛江鸿，等.电化学修复过程氢致钢筋塑性降低的影响与控制试验研究[J].海洋工程，2017（05）：88-94.
　　[6]李腾.电化学修复中混凝土结构中受力钢筋氢脆评估与控制试验研究[D].浙江大学，2017.
　　[7]龙江兴，金伟良，张军，等.电化学修复后钢筋疲劳性能试验研究[J].浙江大学学报（工学版），2020，54（1）：64-72.
　　[8]郭建章，高心心，张海兵.阴极充氢对1000MPa级高强钢氢脆敏感性的影响[J].热加工工艺，2017（22）：95-99.
　　[9]Kushida T， Kose K， Asahi H， et al. Effects of metallurgical factors and test conditions on near neutral pH SCC of pipeline steels[J]. corrosion， 2001：1213.
　　[10]赵小金，苏祯祺，徐旋旋，等.SWRH82B钢盘条拉伸试样断口形貌分析[J].现代冶金，2018，46（04）：42-45.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15182231.htm