Cr和稀土元素增强HRB400钢筋在含氯混凝土孔隙溶液中耐腐蚀性的机理

为什么生锈的钢筋很重要

桥梁、隧道和沿海建筑内部隐蔽着承担荷载的钢筋。当这些钢筋开始生锈时，周围的混凝土会开裂、剥落，最终可能提前几十年失效。本研究探讨了一种通过改变钢材本身（而不仅仅是改进涂层或增加混凝土厚度）来提高钢筋对盐害腐蚀抵抗的新方法。

盐、钢和逐渐崩裂的混凝土

在海洋环境和接触融雪盐的结构中，氯离子会逐步穿透混凝土直至到达钢筋。在正常情况下，钢筋被在强碱性孔隙液中形成的一层薄而稳定的钝化膜保护着。然而氯离子会破坏这层膜并引发局部攻击，起初表现为微小的点蚀，随后可能发展成严重的锈蚀破坏。传统的对策多集中在改善混凝土或外部涂层，这些方法改善了钢筋周围的环境，但并未改变钢材本身在侵蚀性盐环境中的响应方式。

更聪明的钢材设计

研究人员考察了常用建筑钢HRB400的三种版本：标准牌号、富铬版本，以及含铬且掺入微量稀土元素（铈和镧）的第三种版本。他们关注钢中的显微夹杂物——加工遗留的微小非金属颗粒，这些颗粒往往成为腐蚀的起始点。在标准钢中，这些夹杂物富含硫化锰和复杂氧化物，它们在富氯溶液中易于溶解，在钢-夹杂界面产生空隙，形成有利于点蚀快速形成和扩展的微环境。

驯服钢内部的薄弱点

加入铬和稀土改变了基体显微组织和夹杂物形态。铬减少了某些相的含量并有助于形成更具保护性的表面膜；稀土则将夹杂物重组为稀土-铝氧化物，常被薄层硫化锰包裹，并显著减少裸露的硫化锰颗粒数量。电子显微镜的详细观察表明，在稀土改性钢中，硫化物包层首先溶解，但稀土氧化物核溶解得很慢。这些更坚韧的夹杂物不再像为氯离子侵入敞开的“门”，而更像在高氯环境下减缓周围点蚀生长的屏障。

测量损伤扩展的速度

为比较性能，研究组将三种钢浸入不同含盐量的模拟混凝土孔隙溶液，并用电化学测试跟踪腐蚀发生的难易程度。铬-稀土钢始终表现出最高的耐腐蚀性：其钝化膜在更高电位下才失稳，腐蚀电流更低，阻抗图呈现更大弧形——这些都是对电荷和离子迁移更强障碍的标志。经天数尺度的富氯溶液浸泡后，失重测定和三维表面测绘显示该钢产生的点蚀最浅、受损面积最小。事实上，七天后铬-稀土钢的腐蚀速率约为常规HRB400的三分之一，其点蚀也较不尖锐、穿透性较低。

保护膜如何经受考验

对锈层和钝化层的表面分析证实，铬和稀土被纳入外层膜，形成稳定的氧化物以堵塞缺陷，使氯离子更难侵入。对膜半导体样行为的电学测量显示，铬-稀土钢具有最低的电荷载流子密度，表明其氧化层更有序、缺陷更少。即便随着盐浓度增加所有钢材都变得更易受侵蚀，这种改性合金仍持续保持最厚、最具保护性的屏障，以及最少的腐蚀离子通道。

对未来结构的意义

简而言之，研究表明通过向钢筋成分中加入少量铬和稀土元素，精细调整钢材配方，可以显著减缓盐从内部发起的攻击速度。工程师可以不只依赖更好的混凝土或涂层，而是采用内部薄弱环节经过重新设计的钢材，使点蚀起始更晚、扩展更慢。对于桥梁、码头和沿海建筑，这类钢材可能意味着更长的服役寿命、更少的维修以及在恶劣环境下更安全的结构。

引用: Zhu, R., Chen, T., Hao, L. et al. Enhancement mechanisms of Cr and RE on the corrosion resistance of HRB400 rebar in chloride-containing concrete pore solution. npj Mater Degrad 10, 36 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00746-3

关键词: 钢筋混凝土耐久性, 钢筋腐蚀, 氯化物侵蚀, 微合金化钢, 稀土合金化