钢筋混凝土结构通电加速锈蚀实验参数研究-土木工程

钢筋混凝土结构通电加速锈蚀实验参数研究
目录
摘要 (1)
1 绪论 (2)
1.1钢筋锈蚀研究背景 (2)
1.1.1钢筋混凝土结构耐久性问题 (2)
1.1.2混凝土结构中钢筋锈蚀过程及危害 (2)
1.2研究思路 (3)
1.2.1钢筋通电加速锈蚀方法及现有不足 (3)
1.2.2研究内容 (3)
2 样品制备及实验方法 (5)
2.1小尺寸样品 (5)
2.1.1小尺寸样品制备 (5)
2.1.2小尺寸样品通电加速锈蚀 (6)
2.1.3小尺寸样品XCT测试 (6)
2.1.4小尺寸样品电子扫描显微镜（SEM）测试 (8)
2.2大尺寸样品 (8)
2.2.1大尺寸样品制备 (8)
2.2.2大尺寸样品通电加速锈蚀 (11)
2.2.3大尺寸样品粘结强度测试 (12)
3 钢筋锈蚀质量损失 (13)
3.1 XCT图像数据处理 (13)
3.2钢筋锈蚀产物与质量损失 (14)
3.2.1钢筋锈蚀产物形貌 (14)
3.2.2钢筋锈蚀质量损失 (15)
4 钢筋表面锈蚀形貌 (19)
4.1钢筋表面形貌 (19)
4.2钢筋横截面面积发展 (19)
4.3钢筋横截面圆度变化系数发展 (22)
5 钢筋保护层裂缝 (27)
6 钢筋粘结强度 (31)
7 结论与展望 (32)
7.1结论 (32)
7.2展望 (32)
参考文献 (33)
致谢 (36)
本科期间科研成果 (36)
Abstract (37)
钢筋混凝土结构通电加速锈蚀实验参数研究
【摘要】钢筋自然锈蚀是一个缓慢的过程，因此外加电流常用于加速钢筋的锈蚀，从而在短时间内模拟锈蚀过程。

然而在现有的通电加速锈蚀研究中，外加电流密度的选择具有随机性，且对于钢筋锈蚀演化特性的检测方法无法兼顾无损、可视和量化。

本次研究采用多种外加电流密度加速钢筋锈蚀，结合X射线计算机成像技术（XCT）对锈蚀过程进行无损可视化跟踪。

对于钢筋锈蚀过程的分析从钢筋锈蚀质量损失、钢筋表面锈蚀形貌、钢筋保护层裂缝和钢筋粘结强度这四个方面进行。

结果表明，随着电流密度的增大，钢筋锈蚀质量损失受自然锈蚀的影响程度减小，锈蚀沿高度方向趋于均匀锈蚀，截面完整性提高。

并且电流密度越高，通电时间越短，锈蚀产物没有足够的时间在保护层裂缝区域渗透扩散，导致锈胀应力分散程度低，保护层裂缝得到更快发展。

对于钢筋粘结强度，光圆钢筋在2%的锈蚀率时粘结强度将有所提高。

当钢筋锈蚀率相同时，随着外加电流密度的增大，粘结强度将降低。

【关键词】混凝土结构；钢筋；粘结强度；加速锈蚀；X射线计算机成像技术
1 绪论
1.1钢筋锈蚀研究背景
1.1.1钢筋混凝土结构耐久性问题
建筑业作为一种资源和能源消耗极大、对自然环境带来重大影响的产业，消耗了地球大量资源，生产过程给环境带来多种污染【1】。

为实现产业可持续发展，建筑结构耐久性尤为重要。

由于钢筋混凝土是当下基础设施建设中运用最为广泛的建筑材料【2】，因此，钢筋混凝土结构耐久性是重点研究方向。

钢筋混凝土是混凝土材料和钢筋的有机结合体，能够充分发挥混凝土材料的抗压强度和钢筋的抗拉强度【2】。

虽然钢筋混凝土性能优越，但是仍然存在耐久性问题。

钢筋混凝土的耐久性问题主要由两方面原因造成：一是混凝土材料自身的锈蚀，劣化所引起，根据反应机理包括碱骨料反应，冻融循环，浸析腐蚀等；二是混凝土内的钢筋锈蚀所导致【3】。

在上述因素中，钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键因素之一【4】，是钢筋混凝土结构在使用过程中普遍存在的问题【5-7】。

当钢筋出现锈蚀时，锈蚀产物产生的膨胀应力将破坏混凝土与钢筋之间的粘结，最终产生贯穿整个保护层的裂缝，是威胁结构安全的最大因素【8, 9】。

在滨海环境中，由钢筋锈蚀导致的结构耐久性问题更为严重【5】。

因此，钢筋锈蚀的研究对于钢筋混凝土结构的使用功能和耐久性至关重要。

1.1.2混凝土结构中钢筋锈蚀过程及危害
钢筋在混凝土中的锈蚀过程本质上是一系列电化学反应(图1)。

由于混凝土是多孔材料，内部存在孔隙。

混凝土在浇筑后，孔溶液中将充满溶液，使得混凝土具有强碱性，pH可高达12.5，形成对钢筋的碱性保护层，使得钢筋发生钝化，在表面生成一层钝化膜，从而阻止钢筋锈蚀的发生【10】。

但是在混凝土结构的服役环境里必然存在一定量的氯离子、硫酸根离子和碳酸根离子等酸性阴离子。

当这些离子与混凝土接触发生反应时，将破坏混凝土的碱性环境，进而破坏钢筋表面钝化膜。

当钝化膜出现破损，钢筋将开始出现锈蚀。

在这个过程里，钢筋作为阳极，铁失去电子变成铁离子进入孔溶液，电子在阴极处与混凝土内部的水和氧气生成氢氧根离子。

之后铁离子与氢氧根离子结合，在钢筋和混凝土的界面处生成锈蚀产物。

由于锈蚀产物的体积更大，因此当产物在钢筋和混凝土的交界处积累时，必然出现锈胀应力。

当这一应力超过保护层混凝土的极限抗拉强度时，锈胀裂缝首先在交界处出现，由内而外逐渐扩展。

当锈胀裂缝贯穿整个保护层时，将为环境中的有害介质提供直达内部的通道，进一步加速钢筋的锈蚀，生成新的锈胀裂缝，形成一个恶性循环【11】。

随着混凝土内钢筋锈蚀程度的加大，锈胀裂缝不断增加，钢筋与混凝土之间形成一层较为松散的锈蚀产物层，使得钢筋粘结强度受到严重削弱【12】。

当钢筋粘结强度降低，混凝土结构的承载力和延性将大幅削弱，最终缩短钢筋混凝土结构的服役时间【13, 14】。

图1混凝土内钢筋锈蚀反应机理
Fig 1 Mechanism of reinforcement corrosion in the concrete
1.2研究思路
1.2.1钢筋通电加速锈蚀方法及现有不足
在自然条件下，钢筋锈蚀的过程较为漫长。

如章节1.1.2所述，钢筋锈蚀为电化学过程，因此为了在短时间内模拟钢筋的锈蚀过程，大量研究工作选择对钢筋施加电流加速内部电化学反应，达到缩短钢筋锈蚀时间的目的。

通过调整外加电流密度以及通电时间，这种方法能够模拟钢筋不同程度的锈蚀结果【15-17】。

但是对于外加电流密度的选取，有一个很大的选择范围。

其中，有的研究采用的电流密度超过1000 μA/cm²，被用于验证其提出的试验方法的可行性【18-20】。

但是这种研究针对的是单一电流密度条加速的锈蚀过程。

另外，有些研究为了尽可能还原自然锈蚀，并与其余电流密度进行对比，选取的电流密度低至3或10 μA/cm²【21, 22】。

然而这部分研究对比的锈蚀参数较为单一，而且进行参数对比时，钢筋的锈蚀率并不相同。

但是随着电流密度的不同，各种锈蚀参数都将发生变化。

当电流密度改变时，钢筋实际锈蚀质量损失将改变【23, 24】，从而降低法拉第定律推导的准确性。

同时改变电流密度还将影响混凝土保护层的开裂时间以及裂缝宽度的发展【22, 25, 26】。

但是由于现有测试方法的局限，关注加速锈蚀过程中钢筋表面形貌的研究仍然较少。

并且大部分工作都无法同时实现不同电流密度条件下，钢筋锈蚀质量损失、锈蚀产物分布和保护层开裂在整个锈蚀过程的对比和分析。

因此对于上述参数在锈蚀过程中的相互关系仍然缺乏相关的参考信息。

称重法是量化钢筋锈蚀质量损失的常用手段【27-29】，而3D扫描也常用于钢筋的形貌分析【20, 30】。

但是这两种方法都需要将钢筋剥离，属于有损检测。

同时样品在检测后锈蚀试验无法继续，无法实现同一样品的全过程跟踪。

至于钢筋在锈蚀过程中起锈时间的确定和锈蚀参量的变化，有学者通过电化学方法进行【31-33】。

但是电化学方法是间接测量，仍然不够直观，同时锈蚀产物的形貌变化也无法获得。

1.2.2研究内容
在本次研究里，将采用两种样品，施加不同外加电流密度来加速钢筋的锈蚀过程。

研究分为钢筋锈蚀质量损失、钢筋表面锈蚀形貌、钢筋保护层裂缝和钢筋粘结强度这四个方面进行，为钢筋通电加速锈蚀试验的研究提供参考。

基于现有测试手段的局限性，对于钢筋锈蚀质量损失、钢筋表面锈蚀形貌和钢筋保护层裂缝这三个方面，引入微米级X射线计算机断
层扫描技术（XCT）对钢筋锈蚀过程进行研究。

在之前的研究工作中，对于钢筋在通电锈蚀条件下锈蚀过程的XCT研究，已经建立了一套完整的实验方法【34】。

而本次工作将采用这一实验方法对不同电流密度条件下钢筋的锈蚀过程进行分析。

至于钢筋粘结强度，这部分的分析将通过MTS拉拔试验机的测试结果进行。

本文思路如图2所示，主要内容如下：
（1）通过XCT对钢筋锈蚀过程进行可视化，并无损量化钢筋锈蚀质量损失。

通过与法拉第定律推导值进行对比，分析不同电流密度对钢筋锈蚀质量损失的影响。

（2）通过XCT对钢筋截面进行全过程跟踪量化，基于图像计算钢筋横截面积和截面圆度变化系数，比较不同电流密度时，锈蚀在钢筋高度方向上以及截面上的均
匀程度。

（3）通过XCT对钢筋保护层开裂过程进行跟踪，结合电子扫描显微镜（SEM）和能量分散光谱仪（EDS），对不同电流密度条件下锈蚀产物的分布进行成像和化学
分析，讨论锈蚀产物与保护层开裂的关系。

（4）通过MTS拉拔试验机，对采用不同电流密度进行通电以达到相同锈蚀率的钢筋进行拉拔实验，探究不同外加电流密度对钢筋粘结强度的影响。

图2钢筋混凝土结构通电加速锈蚀实验参数研究思路
Fig 2 Schematic diagram on experimental parameters analysis of accelerated corrosion with impressed current of
reinforcement concrete structure
2 样品制备及实验方法
2.1小尺寸样品
2.1.1小尺寸样品制备
制备小尺寸样品所需原材料为：水、水泥、砂和钢筋。

水为试验室专用去离子水；水泥型号为海螺P.O. 42.5，化学组分见表1；砂采用ISO标准砂，符合中国标准GB/T17671-1999；钢筋选取光圆低碳钢筋，密度为7.85 g/cm³，化学组分见表2，满足中国标准GB/T3274-2007的要求。

样品的实拍图及细部尺寸见图3，样品为圆柱体，直径为10 mm，高度为10 mm。

钢筋位于样品正中心，直径为3 mm，长度为35 mm，保护层厚度为3.5 mm。

样品选择小尺寸的原因是在进行XCT测试的过程中，当X射线强度一定时，样品尺寸越大，射线穿透能力越低，这将影响成像质量；如果相应增大X射线强度，则将削弱射线对不同组分的识别能力，进而无法通过图像进行不同组分的区分。

为保证XCT拍摄质量，得到更好的参数结果，样品的尺寸通过一系列预实验确定。

表1 水泥化学组分
Table 1 Chemical compositions of cement
组分Al2O3SiO2SO3K2O CaO Fe2O3
含量[%] 4.62 18.59 5.23 0.92 64.67 4.17
表2 钢筋组成元素
Table 2 Elemental compositions of reinforcement
元素 C Si Mn P S Cr Fe
含量[%] 0.195 0.57 1.56 0.023 0.004 0.008 97.64
图3样品尺寸（mm）和实拍图（小尺寸）
Fig 3 Size(mm) and photo of the sample(small size)
样品制备所需的水灰比和胶砂比都是0.5。

小尺寸样品模具如图4所示。

首先砂浆按照配合比搅拌完毕后，将钢筋插入模具中，然后进行浇筑和振捣。

样品浇筑完毕后，在养护室
中养护24 h，设置养护环境的温度为20±3 ℃，湿度为90±5%。

之后样品进行拆模，在相同养护条件的养护室内放置28 d。

图4样品模具（小尺寸）
Fig 4 Specimen mold(small size)
2.1.2小尺寸样品通电加速锈蚀
小尺寸通电加速钢筋锈蚀试验的装置由样品、棉布、银箔片、导线、电流调节器和恒温恒湿试验箱组成，装置连接见图5。

为避免钢筋锈蚀过程受到环境温度和湿度的影响，试验在恒温恒湿试验箱内进行。

试验开始前，棉布浸泡在3.5%的NaCl溶液中，以模拟滨海环境条件下混凝土内钢筋的锈蚀状况。

把湿润状态的棉布包在样品的侧表面，然后在棉布表面围银箔片，并加以固定。

将样品按图5所示连接电路，电流调节器正极与样品外露的钢筋连接，负极与银箔片连接。

导线连接完毕后将样品放入恒温恒湿试验箱内，设置恒温恒湿试验箱的温度为25 ℃，湿度为95%。

在试验过程中，对棉布定期补充NaCl溶液，保证样品氯离子浓度的稳定，并且确保棉布湿润，避免通电中断【35】。

图5通电加速锈蚀试验装置图（小尺寸）
Fig 5 Setup of accelerated corrosion test（small size）
2.1.3小尺寸样品XCT测试
本次试验中，XCT用于实现钢筋锈蚀过程的全过程跟踪。

XCT数据图像中，每个像素
点对应的X射线衰减以CT值表示。

CT值的数值大小表示样品内组分对X射线光子的吸收量，主要取决于各组分的原子数以及密度【36】。

在此基础上，不同的组分将对应得到不同的灰度，可以利用阈值分割或边界识别等图像处理方法进行划分隔离，实现各组分的重构。

本次测试采用的XCT设备为Xradia Micro XCT-400，内部构造如图6所示。

XCT设备包括微焦点X射线发射器、可360°旋转成像的旋转平台、具有三个多电荷耦合器件的CCD 相机和含有图像处理单元的图像增强器探测器。

通过调节样品和探测器之间的工作距离至合适位置，可以对尺寸较大的样品进行较高精度的全断层摄影。

在本次试验中，X射线相机的像素为1024×1024。

根据样品的几何尺寸和材料组成【37】，X射线激发电压设置为70 kV，功率设置为7 w，放大倍数为0.4 ×，曝光时间为4 s。

图6XCT测试装置
Fig 6 Equipment of XCT testing
对于小尺寸样品采用5种不同外加电流密度值，为进行XCT测试，通电分为8个阶段进行，各通电阶段的持续时间根据公式1进行设定。

(1)
t是通电时间；Q是外加电荷量；d是钢筋直径；h是钢筋在砂浆内的长度；i是外加电流密度。

由公式1可设定各阶段不同电流密度的外加电荷量相同，从而避免外加电荷量的影响。

各阶段通电结束时，5种电流密度的累积通电时长见表3。

在通电加速试验开始前，样品进行初次XCT拍摄，记为T0。

在通电加速试验过程中，选取每个通电阶段的结束时间点作为XCT的测试点，记为T1~T8。

表3 通电时间安排（小尺寸）
Table 3 Time arrangement(small size)
电流密度[μA/cm²]
通电时间[h]
T0T1T2T3T4T5T6T7T8
600 0 3 6 9 12 18 24 36 60 300 0 6 12 18 24 36 48 72 120 150 0 12 24 36 48 72 96 144 240
75 0 24 48 72 96 144 192 288 480
20 0 90 180 270 360 540 720 1080 1800 2.1.4小尺寸样品电子扫描显微镜（SEM）测试
SEM（图7）用于实现样品内部的成像，其基本原理是用聚焦得非常细的电子束扫描在待测样品表面，用特制的探测器采集生成的二次电子，然后将采集到的信号运送至显像管，从而获得样品表面的形貌。

当通电结束后，对小尺寸样品进行干燥处理，然后用环氧树脂对样品进行密封，避免进一步锈蚀。

待环氧树脂硬化后采用低速精密切割机把样品沿垂直钢筋方向切开，并进行表面喷金处理。

之后用配有元素能量色散光谱仪(Thermo Nicolet-6700, Thermo Electrum Corp, Waltham, MA, USA)的扫描电子显微镜(Hitachi, SU-70, Tokyo, Japan)对样品剖切面处锈蚀产物的分布进行检测。

图7电子扫描显微镜
Fig 7 Scanning electron microscope
2.2大尺寸样品
2.2.1大尺寸样品制备
制备大尺寸样品所需原材料为：水、水泥、砂、石子和钢筋。

样品制备所需的混凝土配合比为水泥：水：砂：石子=400：220：644：1196。

水泥型号为海螺P.O. 42.5，化学组分见表1；钢筋选取光圆低碳钢筋，密度为7.85 g/cm³，化学组分见表2，满足中国标准GB/T3274-2007的要求。

样品的实拍图及细部尺寸见图8，样品为正方体，棱长为150 mm。

钢筋位于样品正中心，直径为12 mm，长度为350 mm。

钢筋内与混凝土的粘结区域位于混凝土正中间，长度为60 mm，其余两端用塑料套筒与混凝土隔离。

图8样品尺寸（mm）和实拍图（大尺寸）
Fig 8 Size(mm) and photo of the sample(big size)
根据试验要求，大尺寸样品的制作流程如下：
（1）对钢筋进行胶带标记和涂抹环氧的前处理（图9），从而避免钢筋出现锈蚀，同时保证钢筋粘结强度测试所需的粘结长度（5d，d为钢筋直径）。

钢筋在前处理后插入模具中（图10），并在模具内部刷油，便于后期拆模。

图9钢筋前处理
Fig 9 Reinforcement preparation
图10样品模具（大尺寸）
Fig 10 Specimen mold(big size)
（2）混凝土根据配合比进行配置，所需的砂和石子均取自实验室库存，进行筛选后使用。

原料在搅拌机（图11）充分搅拌。

在混凝土浇筑完毕后，样品放在振动台（图12）进行振捣，避免混凝土内部出现孔洞，对实验结果造成误差。

图11混凝土搅拌机
Fig 11 Concrete mixer
图12振动台
Fig 12 Vibrating table
（3）样品振捣完毕后，在养护室中养护24 h，设置养护环境的温度为20±3 ℃，湿度为90±5%。

之后样品进行拆模，在相同养护条件的养护室内放置28 d。

（4）混凝土在浇筑样品的同时，浇筑不含钢筋的混凝土样品作为预留，并在（3）中的养护条件下进行养护，之后用混凝土压力机（图13）测试样品混凝土强度。

经测试，样品混凝土实际强度为41.4 N/mm²。

图13混凝土压力机
Fig 13 Concrete press machine
2.2.2大尺寸样品通电加速锈蚀
大尺寸通电加速钢筋锈蚀试验的装置由样品、棉布、紫铜网、导线、电流调节器组成，装置连接见图14。

试验开始前，棉布浸泡在3.5%的NaCl溶液中，以模拟滨海环境条件下混凝土内钢筋的锈蚀状况。

把湿润状态的棉布包在样品的侧表面，然后在棉布表面围紫铜网，并加以固定。

将样品按图14所示连接电路，电流调节器正极与样品外露的钢筋连接，负极与紫铜网连接。

受限于样品尺寸，整个通电环节没有在恒温恒湿试验箱中进行。

因此，为了避免样品在通电过程中出现明显的温湿度变化，样品在一个封闭的塑胶桶内进行通电，桶壁附有一层湿润海绵。

在试验过程中，对海绵和棉布定期补充NaCl溶液，保证样品氯离子浓度的稳定，并且确保桶内湿度。

为提高通电效率，大尺寸样品的通电采用串联的形式进行。

图14通电加速锈蚀试验装置图（大尺寸）
Fig 14 Setup of accelerated corrosion test（big size）
对于大尺寸样品，受限于实验时间及实验条件，通电采用4种不同外加电流密度值，以达到钢筋出现2%的锈蚀率。

因此，各电流密度的通电时间（表4）可以根据法拉第定律（公式2）进行确定。

(2)
式中t为通电时间；为钢筋锈蚀质量损失；n为铁离子的化合价；F为法拉第常数；M为铁的摩尔质量；I为外加电流强度。

表4 通电时间安排（大尺寸）
Table 4 Time arrangement(big size)
电流密度[μA/cm²]通电时间[h]
600 75.2
300 150.3
150 300.6
75 601.2
2.2.3大尺寸样品粘结强度测试
样品通电结束后，通过MTS拉拔试验机（图15）进行钢筋粘结强度实验。

仪器型号为C64.305液压万能试验机（300 kN），试验系统采用MTS伺服控制液压作动系统和高速、数字闭环控制器，结合定制的反力架实现高精度试验。

本次试验中，设置拉拔速度为0.5 mm/min，设置MTS拉拔试验机加载横梁的位移为10 mm，因此单个样品测试时间为1200 s。

图15MTS拉拔试验机
Fig 15 MTS testing machine
3 钢筋锈蚀质量损失
3.1 XCT图像数据处理
图16为XCT测试结果及相关处理，以电流密度600 μA/cm²，通电至T8阶段的图像数据为例。

XCT通过对样品不同角度的X射线投影，测试导出的数据为一组垂直于钢筋轴线的2D平面切片。

在原始切片上进行阈值划分，能够对锈蚀产物进行标注，实现切片上钢筋、锈蚀产物及保护层砂浆的区分（图16(a)），从而判断钢筋起锈点的时间。

基于三维重构算法可以重构得到样品的3D立体图像（图16(b)）。

通过立体图像可以直观看到样品表面锈蚀裂缝的位置和走向，判定保护层表面开裂点时间，并且可进行裂缝宽度的测量。

在重构的3D 立体图像的基础上，通过阈值划分可以去除钢筋保护层砂浆，呈现钢筋与保护层交界处的锈蚀产物（图16(c)），获得锈蚀产物的空间分布。

之后进行图像边界识别，结合阈值划分可以去除钢筋表面的锈蚀产物，使锈蚀后的钢筋单独呈现（图16(d)）。

图16(d)不仅展示了钢筋表面的形貌，还可以对钢筋的几何参数进行量化计算。

在之前研究里【18, 34】已经证明了该方法可用于跟踪钢筋锈蚀过程，并且能够精确量化分析钢筋的锈蚀损失。

因此基于上述处理方法，对各电流密度的钢筋起锈点和保护层开裂点的时间进行汇总（图17）。

从图中可以看到，对于钢筋起锈点，电流密度越小，所需的时间越长。

根据表3可得对于每种电流密度，起锈期（T0~T1）外加电荷量相同。

虽然在此阶段除了钢筋锈蚀反应，还有其他消耗电荷的反应【24, 38, 39】，但是当外加电流密度越大，单位时间提供的电荷量越多，达到破坏钝化膜引起锈蚀所需电荷量的时间越短，这使得起锈点时间与外加电流密度成反比关系。

然而对于开裂点，虽然电流密度与开裂点也成反比关系，但是20 μA/cm²的钢筋并不符合这一规律，开裂时间明显延迟。

图16XCT测试结果：（a）2D切片；（b）3D形貌；（c）锈蚀产物；（d）裸筋形貌
Fig 16 XCT testing results: (a) 2D slice; (b) 3D image; (c) Corrosion products; (d) Bare reinforcement
锈蚀时间 [h ]电流密度 [μA/cm 2]
图17 起锈点与开裂点
Fig 17 Corrosion point and cracking point 3.2钢筋锈蚀产物与质量损失
3.2.1钢筋锈蚀产物形貌
钢筋锈蚀模式分为均匀锈蚀和非均匀锈蚀，通常认为在外加电流的条件下，钢筋锈蚀电流远大于自然情况，钢筋的锈蚀比自然锈蚀更为均匀。

基于XCT 图像，结合章节3.1所述的操作可以得到5种外加电流密度条件下钢筋锈蚀产物形貌随时间的变化（图18），通过图18可以直观看到钢筋锈蚀产物随通电时间的发展过程，其中锈蚀产物标记为绿色。

由图18可得，每种电流密度的钢筋在通电至T 1阶段时，其表面都出现了少量锈蚀产物，且产物均匀分布，没出现明显坑蚀。

说明此时钢筋钝化膜已经破损失效，钢筋开始起锈。

随着通电时间的增长，可以看到锈蚀产物逐渐增多，在钢筋表面逐渐累积，同时钢筋表面开始出现锈蚀坑。

在通电后期可以发现，对于600、300和150 μA/cm²的钢筋，虽然钢筋存在锈蚀坑，但是锈蚀没有集中在锈蚀坑处进行，锈蚀产物在高度上的分布仍然较为均匀。

而对于75和20 μA/cm²的钢筋，在前期出现锈蚀坑后，锈蚀坑逐渐扩大，新的锈蚀坑不断出现，锈蚀产物在这部分区域集中分布。

图185种电流密度锈蚀产物
Fig 18 Corrosion products of 5 current densities
3.2.2钢筋锈蚀质量损失
基于XCT图像，可通过公式3计算每个通电阶段钢筋在锈蚀后的剩余质量。

(3)
其中是钢筋锈蚀后质量，ρ是钢筋密度，n是体素数量，z是体素尺寸（13.5122 × 13.5122 × 13.5122 μm3）。

根据相邻测试点裸筋质量的差值，可得到每种外加电流密度条件下钢筋锈蚀质量损失随时间的变化（图19）。

由于不同电流密度之间的通电时间相差很大，为更好显示锈蚀损失量随时间的变化，对图中通电时长取对数lg10。

对于每种电流密度，曲线第一个数据点均为钢筋起锈点，灰色矩形框位置为钢筋保护层开裂时间点。

通过图19可以看到，虽然外加电流密度不同，但是曲线在保护层开裂前都较为平缓。

当保护层开裂后，可以看到锈蚀损失量的增长速率明显增大。

通过钢筋起锈点和保护层表面开裂点，将整个锈蚀过程划分为三个阶段：起锈，锈胀，开裂【9】。

因为通过XCT测试，能够得到钢筋在初始点、起锈点、开裂点和结束点的质量，所以通过上述四个时间点的质量损失量，结合通电时间，能够
计算得出钢筋在每个锈蚀阶段的平均锈蚀质量损失速率。

显然在起锈阶段，由于钢筋没有出现锈蚀，这一速率为0。

因此只对锈胀和开裂这两个阶段的平均速率进行计算。

速率计算结果如图20所示，其中直线为两个阶段的速率随电流密度变化的线性回归。

从图20可以看到对于每种电流密度，开裂阶段的平均锈蚀质量损失速率均大于锈胀阶段。

同时这两个阶段的平均速率都随着外加电流密度的增大而线性增长，且开裂阶段的平均速率对外加电流密度的改变更为敏感。

锈蚀损失 [m g ]
锈蚀时间 [h]
图19 锈蚀质量损失随时间变化
Fig 19 Corrosion loss with time 平均锈蚀率 [m g /h ]电流密度 [μA/cm 2]
图20 平均锈蚀率比较
Fig 20 Comparison of average corrosion loss rate 图21为5种电流密度条件下钢筋在每个通电阶段的锈蚀质量损失值比较，其中折线为。