由图5可见,除了通电120 h测试的结果,其余测试点里钢筋锈蚀质量损失的XCT测试值都小于法拉第定律理论值,这说明通电过程中外加电流没有全部用于钢筋锈蚀,并非所有电子都参与了铁的氧化反应,存在部分电子参与了其余的化学反应[19].因此,本研究定义电流有效系数来衡量电流对于钢筋加速锈蚀的有效性,基于电流利用率研究各通电阶段的电流有效系数η, 计算公式为

η=ΔmR/ΔmF×100%(3)

其中, ΔmR为基于XCT测试计算得到的每个阶段的钢筋锈蚀质量损失(单位:g); ΔmF为基于法拉第定律得到的每个阶段的钢筋锈蚀质量损失(单位:g).计算所得每个阶段的电流有效系数如图6.

图6 各阶段电流有效系数Fig.6 Current effective coefficient of each stage

从图6可以看出,在不同通电时间内,电流有效系数存在较大差异.在第1阶段,法拉第有效系数不足2%,处于相当低的水平.这是因为在通电前期,钢筋处于钝化状态,表面覆盖一层钝化膜.施加电流时,钢筋表面发生脱钝,对电流形成消耗[20].同时,由于前期钢筋表面存在钝化膜,而且钢筋周围氯离子含量低,部分电流被电解水反应所消耗,这在文献[11, 21]中也有类似观点,具体反应方程式为

2H2O → 2H2+O2(4)

在第2阶段前期(通电12 h之前),虽然随着钢筋去钝化的进行,电流开始用于加速锈蚀,但是这部分电流只占总电流的很小比例,导致此时的电流有效系数仍然只有3%左右.在后期(通电12 h之后),电流有效系数出现明显增大.在保护层开裂点(通电18 h)前后,电流有效系数的增幅达到90%.出现这一增幅的原因是钢筋进入脱钝状态,钢筋锈蚀电位降低,被消耗在加速锈蚀的电流所占比例提高,钢筋发生氧化,

阳极:Fe-2e-→ Fe2+(5)

阴极:2H2O+2e-→ H2+2OH-(6)

在第3阶段,随着通电时间的增长,电流有效系数在90%左右波动,保持在较高的水平.这是因为锈蚀产物在钢筋表面处积累,产生的膨胀应力使保护层发生了开裂,并使裂缝扩展到保护层表面.贯穿保护层的裂缝为钢筋锈蚀反应生成的产物提供通道,产物可以通过裂缝到达试块表面,从而促进锈蚀反应的进行[19],增大了电流有效系数的数值.在第3阶段后期,电流有效系数达到102.82%,而有效系数的理论最大值为100%,说明在这个阶段钢筋的锈蚀质量损失不全是通电加速所导致.原因在于经过长时间的通电加速锈蚀,保护层裂缝数量增多,且裂缝宽度变大,空气中的氧气和水通过锈蚀裂缝与钢筋表面接触的面积变大,使钢筋在发生加速锈蚀的同时发生自然锈蚀反应[22],

阳极:2Fe-4e-→ 2Fe2+(7)

阴极:O2+2H2O+4e-→ 4OH-(8)

虽然钢筋在试验过程中实际发生两种锈蚀反应,但是通过XCT测试结果计算钢筋的锈蚀质量损失时,无法将自然锈蚀生成的产物区分开,所以式(3)中基于XCT测试所得的钢筋锈蚀质量损失ΔmR包含了自然锈蚀的结果,导致电流有效系数的计算结果出现大于理论最大值的情况.

因此,对于钢筋的通电加速锈蚀试验,利用法拉第定律对锈蚀质量损失进行理论推导不适用于全过程.从图5和图6可以看出,在保护层开裂后XCT测试结果与法拉第定律理论推导结果较为符合.结合电流在试验过程中的能量损失和钢筋自然锈蚀的影响,本研究认为这个时候外加电流基本消耗在钢筋的加速锈蚀反应上,通过法拉第定律对钢筋锈蚀质量损失的计算误差较小.