摘 要:混凝土中钢筋的锈蚀是影响混凝土耐久性的重要因素。钢筋锈蚀速率的检测和锈蚀状况的判定,可以为钢筋混凝土结构的耐久性评估、可靠度计算以及剩余使用寿命预测提供依据。介绍了混凝土中钢筋锈蚀的电化学检测技术,论述了3种常用的电化学方法的优缺点、适用场合及应用情况,指出了今后的发展方向。
关键词:混凝土;耐久性;钢筋锈蚀;电化学方法
中图分类号: TU 528. 571; TU 528. 07 文献标识码:A
引言
1824年,随着波特兰水泥的问世,人们便开始了应用混凝土建造建筑物的历史,同时混凝土结构的耐久性问题也随之出现。其影响因素包括很多方面,如混凝土冻融循环、碱- 骨料反应、化学侵蚀、钢筋锈蚀等。其中,钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性下降的最主要和最直接的因素。在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上,Metha[ 1 - 2 ]将钢筋锈蚀列为混凝土结构破坏的最主要原因。
为了减少钢筋锈蚀对结构造成的危害,需要及时了解现有结构中的钢筋锈蚀状况,以便对结构进行必要的维护和维修。因此,国内外在混凝土中钢筋锈蚀的无损检测领域做了大量的研究工作。目前,混凝土中钢筋锈蚀的非破损检测方法有分析法、物理法和电化学方法3大类[ 3 ] 。电化学方法因其设备简单、测量精度高且适用于现场检测而越来越受到人们的重视。
1 混凝土中钢筋锈蚀的机理
电化学腐蚀是混凝土中钢筋腐蚀的根本原因[ 4 ] 。电化学腐蚀必须具备两个条件:一是钢筋表面形成电位差,即在钢筋表面不同电位区段形成阳极与阴极;二是阳极部位的钢筋表面处于活化状态,可以自由地释放电子,在阴极部位钢筋表面存在足够的水和氧。
由于钢筋材质和表面的非均匀性,在钢筋表面总有可能形成电位差,因此,在潮湿的环境下就可以发生电化学反应。反应过程如下:
阳极反应: 2Fe - 4e- →2Fe2 +
阴极反应: O2 + 2H2O + 4e- →4OH-
综合反应: 2Fe +O2 + 2H2O→2Fe2 + + 4OH-
Fe2 + + 2OH- →Fe (OH) 2
混凝土内钢筋的锈蚀是一种金属的电化学腐蚀过程,它总是以金属的腐蚀电池的形式出现。按照金属腐蚀学的基本理论,腐蚀电池可以分为两大类:宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池。
对于一般的混凝土内钢筋的腐蚀电池形式,在不同的条件下有可能分别是微观腐蚀电池和宏观腐蚀电池(见图1) ,也有可能是以二者结合在一起的形式存在。
2 混凝土中钢筋锈蚀检测的电化学方法
电化学方法通过测定钢筋/混凝土腐蚀体系的电化学特性,来确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度。因为混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程,电化学测量是反映其本质过程的有力手段。与分析法或物理方法相比,电化学方法还具有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点,因此,电化学检测方法受到了重视并有了很大的发展,在实验室已成功地用于检测混凝土试样中钢筋的锈蚀状况和瞬时锈蚀速度,并已开始试用于现场检测。混凝土中钢筋锈蚀的电化学检测方法主要有半电池电位法、线性极化法和混凝土电阻率法等。
2. 1 半电池电位法
半电池电位法是电化学方法中既简单、经济、易行,又研究的最早、应用最广泛的一种钢筋锈蚀检测方法。这种方法在国外的应用始于20 世纪50 年代,我国于1963年将其应用于海港码头钢筋混凝土上部结构锈蚀破坏调查,后来又多次在水闸和掺氯化物早强剂的预应力混凝土屋架梁等结构上成功地定性、无损探测钢筋腐蚀区[ 5 ] 。
半电池电位法的基本原理[ 6 ]是: 钢筋锈蚀时,在钢筋表面形成阳极区和阴极区,在这些具有不同电位的区域之间,混凝土的内部将产生电流。钢筋和混凝土的电化学活性可以看作是半个弱电池组,钢筋的作用是一个电极,而混凝土是电解质,这就是半电池电位检测法名称的由来。钢筋表面层上某一点的电位可以通过与Cu /CuSO4 参考电极(或其他参考电极)电位的比较进行确定。我们可以通过测量钢筋与1个放在混凝土表面的半电池之间的电位差,来预测钢筋可能的锈蚀程度。
目前,国外较成熟的半电池电位计有美国的Cormap、英国的Colebrand和瑞士的Canin等产品。
在半电池电位法测量过程中,要严格遵守操作规程,因为环境相对湿度、水泥品种、水灰比、保护层厚度、Cl- 离子含量、碳化深度等因素,都会对测量结果产生影响。所以,该方法较多地应用于钢筋锈蚀程度的定性测量,还无法定量监测混凝土中钢筋的锈蚀率。
2. 2 线性极化法
线性极化法是由Stern和Geary于1957年提出并发展起来的一种快速而有效的锈蚀速度测试方法。该方法以过电位很小时(η < 10 mV)过电位与极化电流呈线性关系作为理论根据[ 2 ] 。
Stern的研究发现,在腐蚀电位Ecorr附近,测得的电位电流在对数关系图上具有近似于线性的关系,并按此关系推导出检测锈蚀速度的一个简单、快速、无损的Stern公式[ 5 ] :
Rp 值通过一个称为Stern - Geary常数的常数B与Icorr相联系,即:
Stern和Geary还搜集了大量的金属/电解质系统的B 值,表明B 取决于阳极极化曲线与阴极极化曲线的Tafel斜率,相应地以βa 和βc 表示。
此外,根据腐蚀电化学理论,在极化曲线的微极化区,极化电流与过电位成正比,且有:
式中: I———极化电流;Icorr ———腐蚀电流;η———过电位;βa ,βc ———分别是阳极和阴极过程的Tafel常数,其大小与电极反应机理有关;Rp ———腐蚀体系的极化电阻(又称极化阻力)。
对于大多数的系统, B 值在13 mV与52 mV之间变动。Andrade和Gonzalez发现,埋在混凝土中的钢筋处于活态(腐蚀)时, B = 26 mV;而钢筋处于钝态时,B = 52 mV。
知道B 值后, 再测得极化电阻Rp , 就可以计算出腐蚀电流Icorr。因此, 极化电阻Rp 的测量是应用这种方法的关键,实测时一般是采用恒电位仪,测量系统如图2所示。
线性极化法在试验研究与现场检测中应用广泛,测量方便快捷,是主要的电化学检测手段。在应用时,需要考虑以下3个方面:一是需要补偿工作电极与参比电极之间的欧姆电压降;二是具备线性条件;三是达到稳态。对于埋在混凝土中的钢筋,这3个方面都已经充分地研究过,是能够满足的。当然,线性极化技术也存在着一些缺点,由于过电位很小,相应的极化电流也小,混凝土孔隙液欧姆压降引起的误差较大,因而要求测试仪器的精度较高而且能补偿欧姆压降。另外,线性极化测量建立在已知钢筋表面积的基础上,这在一定程度上限制了线性极化在现场检测中的运用。保护环技术[ 7 - 8 ]和外加参考电极技术的应用,为其推广创造了条件。
2. 3 混凝土电阻率法
早期混凝土电阻率法用于测定混凝土中的含水量、孔径分布、水化速度等参数。20 世纪70年代,Stratfull首次提出钢筋锈蚀与混凝土的电阻有关,引起了国内外学者的关注,旨在通过测量混凝土的电阻来预测混凝土中钢筋的锈蚀状况[ 9 ] 。其检测的基本原理是由于腐蚀是一个电化学的过程,它包括以离子形式流动于阳极与阴极反应区域之间的混凝土的电流。钢筋失钝化以后,其锈蚀速度既依赖于氧对阴极反应的供应,也依赖于混凝土的电阻率,它决定了离子在阴阳极之间的转移速度,而混凝土的电阻率又依赖于混凝土微观结构和水饱和度。因此,混凝土的电阻率越大,则离子电子流越低,腐蚀速率越低。电阻率可根据(6)式计算:
式中:α———探头间距;I———外侧探头通过的电流;U———内侧探头测出的电位。
混凝土的电阻率与表征钢筋锈蚀的锈蚀极化电流之间尚未建立明确的关系方程或关系曲线,对钢筋锈蚀速度的检测是定性检测。表1是混凝土电阻率与锈蚀速率的对应关系。
3 结语
本文介绍了混凝土中钢筋锈蚀检测的3种电化学方法,这些方法各有特点,但在用于实际的工程检测时都还有一定的局限性。目前,结构耐久性研究已经成为结构工程领域的重要课题,混凝土中钢筋锈蚀的及时发现和准确检测,是结构耐久性评估、可靠度计算以及剩余使用寿命预测的重要前提。因此,研究锈蚀检测的新方法、开发锈蚀检测专用仪器、发展锈蚀实时检测技术、提高检测的准确度和精密度,是今后混凝土中钢筋锈蚀检测技术的发展方向。
参考文献:
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jie,L I J ie - yong, XIANGWei( Architectural College, China Mining University,Xuzhou, J iangsu, 221008, China)Abstract: Reinforcing steel ’s corrosion in concrete isone of the very important influencing factors on theconcrete ’s durability. Measurement of the corrodingrate and judgment of its corresponding state can bep rovided as the bases for the evaluation of itsdurability, calculation of its reliability and estimation ofits residual service life of the structure. In the currentdetecting technique on the reinforcing steel corrosion,the electrochemical method has got more and moreattetions because of its low cost and high degree ofaccuracy. A review of the electrochemical detectingtechniques is given in this article, three commonelectrochemical methods are discussed on theirapp lication, merits and demerits. Finally its trend inthe future is pointed out aswell.Key words: concrete; durability; reinforcing steelcorrosion; electrochemicalmethod
