根據(jù)一個(gè)來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究小組的說(shuō)法，混凝土內(nèi)部的鋼筋會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象；

圖片來(lái)源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Ueli Angst教授。

來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Ueli Angst和Bernhard Elsener教授發(fā)表了關(guān)于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量腐蝕速率的尺寸效應(yīng)和與實(shí)際條件相比存在的潛在缺點(diǎn)的研究發(fā)現(xiàn)。

“在我們的研究項(xiàng)目中，我們檢查了各種尺寸的鋼筋混凝土樣本，發(fā)現(xiàn)腐蝕性氯化物濃度在較小的樣本中要明顯得多，并且波動(dòng)比較大尺寸的樣本要大，”Angst在發(fā)布的新聞稿中說(shuō)道。

引發(fā)腐蝕的氯化物最低濃度

據(jù)Angst稱，混凝土中氯化物引起的鋼筋銹蝕是混凝土基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕的最主要原因，其中局部點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕是最為普遍的形式，這些通常都是由于有害的環(huán)境影響而造成的，例如大氣中的二氧化碳（CO2）和除冰鹽等。多年來(lái)，鹽中的氯化物會(huì)不斷滲透到混凝土中直至對(duì)鋼筋進(jìn)行腐蝕。

在以前，科學(xué)家們總是試圖通過(guò)確定引發(fā)腐蝕所需的氯化物濃度水平高低來(lái)評(píng)估腐蝕速率。“所有用于預(yù)測(cè)混凝土中引起鋼筋銹蝕的氯化物濃度的模型和方法都是基于這個(gè)概念之上”，這些教授說(shuō)道。

除了視覺(jué)評(píng)估和使用無(wú)損檢測(cè)方法外，通常還要通過(guò)提取混凝土樣品進(jìn)行一些其他測(cè)試以對(duì)腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)。

“樣品中的氯離子濃度是在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算的”，Elsener說(shuō)道：“如果樣品中測(cè)定的含量超過(guò)了水泥重量的0.4％這個(gè)臨界值，人們的看法是：不僅在表面附近，而且在更深的水平上，腐蝕將很快就會(huì)出現(xiàn)，材料將需要進(jìn)行修復(fù)”。

然而，該研究小組成員認(rèn)為，這些測(cè)試的準(zhǔn)確性與暴露的鋼表面積大小密切相關(guān)，更小的樣本將導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確性偏差更大。據(jù)他們所說(shuō)，目前測(cè)量的典型混凝土樣品的尺寸范圍大約是從50到200毫米。

小樣品與大樣品

在該研究小組進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)于具有100mm暴露鋼筋長(zhǎng)度的混凝土試樣，所觀察到的引發(fā)腐蝕的氯化物最低值為水泥質(zhì)量的0.9％至2.1％不等。在所研究的最小樣品（10mm）中，在測(cè)試期間未觀察到腐蝕，而在鋼的深度方向上，相應(yīng)的引發(fā)腐蝕的最低氯化物濃度是水泥質(zhì)量的2.4%。對(duì)于從同一地點(diǎn)提取的1000mm長(zhǎng)的試樣，發(fā)現(xiàn)水泥的氯化物濃度僅為0.6-1.2％就足以引發(fā)腐蝕。

據(jù)研究人員介紹，這種差異可能是因?yàn)榛炷磷鳛閺?fù)合材料的不均勻性所導(dǎo)致的。他們解釋說(shuō)，工程結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土界面可能會(huì)顯示出在某些局部特性上具有不同的差異，這些特性主要是起因于局部存混凝土裂縫、蜂巢、不同來(lái)源的空洞、間距器、連接線、密件、原生鐵銹層和鋼表面污染物等引起的。這些特性中的許多都被認(rèn)為是混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)，而且會(huì)引發(fā)腐蝕，比如會(huì)引起工廠腐蝕的空氣孔洞或裂縫。

“混凝土不是同質(zhì)的”，Angst說(shuō)道：“腐蝕的尺寸效應(yīng)可以直接由這些差異來(lái)解釋。只有對(duì)一個(gè)較大的標(biāo)本進(jìn)行分析，比如一米長(zhǎng)，才能對(duì)腐蝕情況進(jìn)行更為全面的評(píng)估”。

但是，這些較大的樣品并不總是非常容易提取或帶到實(shí)驗(yàn)室。因此，這些研究人員建議使用數(shù)學(xué)公式來(lái)解釋規(guī)模差異，而不是簡(jiǎn)單地堅(jiān)持使用0.4％這一固定閾值。

例如，如果一個(gè)1000毫米（1米）的樣本不能被提取，他們建議采取組合較小的樣本以達(dá)到相同的尺寸，比如10個(gè)尺寸為100毫米的樣本。然后，可以使用10個(gè)較小試樣中最小值處的腐蝕開始時(shí)的氯離子濃度作為計(jì)算的基礎(chǔ)。研究人員將這稱為“最薄弱環(huán)節(jié)理論”。

“最終，將最薄弱環(huán)節(jié)理論應(yīng)用于混凝土中氯化物引起的腐蝕現(xiàn)象可能有助于將實(shí)驗(yàn)室結(jié)果成功轉(zhuǎn)化以及應(yīng)用與工程結(jié)構(gòu)上”，他們寫道。

研究結(jié)果與所用傳感器有關(guān)

研究人員解釋說(shuō)，他們的發(fā)現(xiàn)也與所使用的傳感器有關(guān)，這些傳感器一般內(nèi)置在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中以監(jiān)測(cè)腐蝕現(xiàn)象。通常情況下，采用傳感器的方法是基于嵌入在混凝土覆蓋層深處的碳鋼樣本之上，監(jiān)測(cè)這些樣品直到在一定深度的探頭處發(fā)生腐蝕。然而，據(jù)這些教授所說(shuō)，實(shí)際使用的大多數(shù)探頭的表面積范圍從100平方毫米至5000平方毫米左右。因此，傳感器尺寸包含的表面積小于他們研究后推薦的1米尺寸。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，這可以通過(guò)增加給定深度處的傳感器數(shù)量或通過(guò)應(yīng)用所需尺寸轉(zhuǎn)換的最薄弱環(huán)節(jié)理論來(lái)抵消。

展望未來(lái)，教授們表示需要采取進(jìn)一步的研究以更好地量化實(shí)際條件下的尺寸效應(yīng)，例如模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件進(jìn)行測(cè)試，并將傳感器嵌入到實(shí)際使用中的混凝土中以對(duì)鋼筋樣品進(jìn)行更為準(zhǔn)確的測(cè)試。研究小組說(shuō)，像他們這樣的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的研究往往是很有限的，因?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)在實(shí)際條件下的腐蝕與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的條件總是有所不同的。

研究人員說(shuō)道：“在這些結(jié)構(gòu)中，尺寸效應(yīng)往往是非常重要的，我們認(rèn)為通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一點(diǎn)是具有重要意義的，這將有助于對(duì)實(shí)際情況下的尺寸效應(yīng)進(jìn)行量化”。