科学家们研究发现：钢筋混凝土的试验样品往往太小！
2018-07-03 10:49:34
作者： Vince 来源： 腐蚀与防护
根据一个来自苏黎世联邦理工学院研究小组的说法，混凝土内部的钢筋会经常出现局部腐蚀现象；
图片来源：苏黎世联邦理工学院Ueli Angst教授。
来自苏黎世联邦理工学院的Ueli Angst和Bernhard Elsener教授发表了关于在实验室内测量腐蚀速率的尺寸效应和与实际条件相比存在的潜在缺点的研究发现。
“在我们的研究项目中，我们检查了各种尺寸的钢筋混凝土样本，发现腐蚀性氯化物浓度在较小的样本中要明显得多，并且波动比较大尺寸的样本要大，”Angst在发布的新闻稿中说道。
引发腐蚀的氯化物最低浓度
据Angst称，混凝土中氯化物引起的钢筋锈蚀是混凝土基础设施腐蚀的最主要原因，其中局部点蚀和缝隙腐蚀是最为普遍的形式，这些通常都是由于有害的环境影响而造成的，例如大气中的二氧化碳（CO2）和除冰盐等。多年来，盐中的氯化物会不断渗透到混凝土中直至对钢筋进行腐蚀。
在以前，科学家们总是试图通过确定引发腐蚀所需的氯化物浓度水平高低来评估腐蚀速率。“所有用于预测混凝土中引起钢筋锈蚀的氯化物浓度的模型和方法都是基于这个概念之上”，这些教授说道。
除了视觉评估和使用无损检测方法外，通常还要通过提取混凝土样品进行一些其他测试以对腐蚀现象进行检测。
“样品中的氯离子浓度是在实验室计算的”，Elsener说道：“如果样品中测定的含量超过了水泥重量的0.4％这个临界值，人们的看法是：不仅在表面附近，而且在更深的水平上，腐蚀将很快就会出现，材料将需要进行修复”。
然而，该研究小组成员认为，这些测试的准确性与暴露的钢表面积大小密切相关，更小的样本将导致结果的准确性偏差更大。据他们所说，目前测量的典型混凝土样品的尺寸范围大约是从50到200毫米。
小样品与大样品
在该研究小组进行的实验中，研究人员发现，对于具有100mm暴露钢筋长度的混凝土试样，所观察到的引发腐蚀的氯化物最低值为水泥质量的0.9％至2.1％不等。在所研究的最小样品（10mm）中，在测试期间未观察到腐蚀，而在钢的深度方向上，相应的引发腐蚀的最低氯化物浓度是水泥质量的2.4%。对于从同一地点提取的1000mm长的试样，发现水泥的氯化物浓度仅为0.6-1.2％就足以引发腐蚀。
据研究人员介绍，这种差异可能是因为混凝土作为复合材料的不均匀性所导致的。他们解释说，工程结构中的钢筋混凝土界面可能会显示出在某些局部特性上具有不同的差异，这些特性主要是起因于局部存混凝土裂缝、蜂巢、不同来源的空洞、间距器、连接线、密件、原生铁锈层和钢表面污染物等引起的。这些特性中的许多都被认为是混凝土中的薄弱环节，而且会引发腐蚀，比如会引起工厂腐蚀的空气孔洞或裂缝。
“混凝土不是同质的”，Angst说道：“腐蚀的尺寸效应可以直接由这些差异来解释。只有对一个较大的标本进行分析，比如一米长，才能对腐蚀情况进行更为全面的评估”。
但是，这些较大的样品并不总是非常容易提取或带到实验室。因此，这些研究人员建议使用数学公式来解释规模差异，而不是简单地坚持使用0.4％这一固定阈值。
例如，如果一个1000毫米（1米）的样本不能被提取，他们建议采取组合较小的样本以达到相同的尺寸，比如10个尺寸为100毫米的样本。然后，可以使用10个较小试样中最小值处的腐蚀开始时的氯离子浓度作为计算的基础。研究人员将这称为“最薄弱环节理论”。
“最终，将最薄弱环节理论应用于混凝土中氯化物引起的腐蚀现象可能有助于将实验室结果成功转化以及应用与工程结构上”，他们写道。
研究结果与所用传感器有关
研究人员解释说，他们的发现也与所使用的传感器有关，这些传感器一般内置在钢筋混凝土结构中以监测腐蚀现象。通常情况下，采用传感器的方法是基于嵌入在混凝土覆盖层深处的碳钢样本之上，监测这些样品直到在一定深度的探头处发生腐蚀。然而，据这些教授所说，实际使用的大多数探头的表面积范围从100平方毫米至5000平方毫米左右。因此，传感器尺寸包含的表面积小于他们研究后推荐的1米尺寸。根据研究人员的说法，这可以通过增加给定深度处的传感器数量或通过应用所需尺寸转换的最薄弱环节理论来抵消。
展望未来，教授们表示需要采取进一步的研究以更好地量化实际条件下的尺寸效应，例如模拟施工现场的实际条件进行测试，并将传感器嵌入到实际使用中的混凝土中以对钢筋样品进行更为准确的测试。研究小组说，像他们这样的实验室进行的研究往往是很有限的，因为工程结构在实际条件下的腐蚀与实验室内的条件总是有所不同的。
研究人员说道：“在这些结构中，尺寸效应往往是非常重要的，我们认为通过实验验证这一点是具有重要意义的，这将有助于对实际情况下的尺寸效应进行量化”。
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