摘 要:混凝土中鋼筋的銹蝕是影響混凝土耐久性的重要因素。鋼筋銹蝕速率的檢測(cè)和銹蝕狀況的判定,可以為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估、可靠度計(jì)算以及剩余使用壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。介紹了混凝土中鋼筋銹蝕的電化學(xué)檢測(cè)技術(shù),論述了3種常用的電化學(xué)方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用場(chǎng)合及應(yīng)用情況,指出了今后的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:混凝土;耐久性;鋼筋銹蝕;電化學(xué)方法
中圖分類號(hào): TU 528. 571; TU 528. 07 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
引言
1824年,隨著波特蘭水泥的問世,人們便開始了應(yīng)用混凝土建造建筑物的歷史,同時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題也隨之出現(xiàn)。其影響因素包括很多方面,如混凝土凍融循環(huán)、堿- 骨料反應(yīng)、化學(xué)侵蝕、鋼筋銹蝕等。其中,鋼筋銹蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的最主要和最直接的因素。在1991年召開的第二屆混凝土耐久性國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上,Metha[ 1 - 2 ]將鋼筋銹蝕列為混凝土結(jié)構(gòu)破壞的最主要原因。
為了減少鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)造成的危害,需要及時(shí)了解現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕狀況,以便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的維護(hù)和維修。因此,國(guó)內(nèi)外在混凝土中鋼筋銹蝕的無損檢測(cè)領(lǐng)域做了大量的研究工作。目前,混凝土中鋼筋銹蝕的非破損檢測(cè)方法有分析法、物理法和電化學(xué)方法3大類[ 3 ] 。電化學(xué)方法因其設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高且適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)而越來越受到人們的重視。
1 混凝土中鋼筋銹蝕的機(jī)理
電化學(xué)腐蝕是混凝土中鋼筋腐蝕的根本原因[ 4 ] 。電化學(xué)腐蝕必須具備兩個(gè)條件:一是鋼筋表面形成電位差,即在鋼筋表面不同電位區(qū)段形成陽極與陰極;二是陽極部位的鋼筋表面處于活化狀態(tài),可以自由地釋放電子,在陰極部位鋼筋表面存在足夠的水和氧。
由于鋼筋材質(zhì)和表面的非均勻性,在鋼筋表面總有可能形成電位差,因此,在潮濕的環(huán)境下就可以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)過程如下:
陽極反應(yīng): 2Fe - 4e- →2Fe2 +
陰極反應(yīng): O2 + 2H2O + 4e- →4OH-
綜合反應(yīng): 2Fe +O2 + 2H2O→2Fe2 + + 4OH-
Fe2 + + 2OH- →Fe (OH) 2
混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕是一種金屬的電化學(xué)腐蝕過程,它總是以金屬的腐蝕電池的形式出現(xiàn)。按照金屬腐蝕學(xué)的基本理論,腐蝕電池可以分為兩大類:宏觀腐蝕電池和微觀腐蝕電池。
對(duì)于一般的混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕電池形式,在不同的條件下有可能分別是微觀腐蝕電池和宏觀腐蝕電池(見圖1) ,也有可能是以二者結(jié)合在一起的形式存在。
2 混凝土中鋼筋銹蝕檢測(cè)的電化學(xué)方法
電化學(xué)方法通過測(cè)定鋼筋/混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性,來確定混凝土中鋼筋銹蝕程度或速度。因?yàn)榛炷林袖摻钿P蝕是一個(gè)電化學(xué)過程,電化學(xué)測(cè)量是反映其本質(zhì)過程的有力手段。與分析法或物理方法相比,電化學(xué)方法還具有測(cè)試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),因此,電化學(xué)檢測(cè)方法受到了重視并有了很大的發(fā)展,在實(shí)驗(yàn)室已成功地用于檢測(cè)混凝土試樣中鋼筋的銹蝕狀況和瞬時(shí)銹蝕速度,并已開始試用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。混凝土中鋼筋銹蝕的電化學(xué)檢測(cè)方法主要有半電池電位法、線性極化法和混凝土電阻率法等。
2. 1 半電池電位法
半電池電位法是電化學(xué)方法中既簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、易行,又研究的最早、應(yīng)用最廣泛的一種鋼筋銹蝕檢測(cè)方法。這種方法在國(guó)外的應(yīng)用始于20 世紀(jì)50 年代,我國(guó)于1963年將其應(yīng)用于海港碼頭鋼筋混凝土上部結(jié)構(gòu)銹蝕破壞調(diào)查,后來又多次在水閘和摻氯化物早強(qiáng)劑的預(yù)應(yīng)力混凝土屋架梁等結(jié)構(gòu)上成功地定性、無損探測(cè)鋼筋腐蝕區(qū)[ 5 ] 。
半電池電位法的基本原理[ 6 ]是: 鋼筋銹蝕時(shí),在鋼筋表面形成陽極區(qū)和陰極區(qū),在這些具有不同電位的區(qū)域之間,混凝土的內(nèi)部將產(chǎn)生電流。鋼筋和混凝土的電化學(xué)活性可以看作是半個(gè)弱電池組,鋼筋的作用是一個(gè)電極,而混凝土是電解質(zhì),這就是半電池電位檢測(cè)法名稱的由來。鋼筋表面層上某一點(diǎn)的電位可以通過與Cu /CuSO4 參考電極(或其他參考電極)電位的比較進(jìn)行確定。我們可以通過測(cè)量鋼筋與1個(gè)放在混凝土表面的半電池之間的電位差,來預(yù)測(cè)鋼筋可能的銹蝕程度。
目前,國(guó)外較成熟的半電池電位計(jì)有美國(guó)的Cormap、英國(guó)的Colebrand和瑞士的Canin等產(chǎn)品。
在半電池電位法測(cè)量過程中,要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程,因?yàn)榄h(huán)境相對(duì)濕度、水泥品種、水灰比、保護(hù)層厚度、Cl- 離子含量、碳化深度等因素,都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。所以,該方法較多地應(yīng)用于鋼筋銹蝕程度的定性測(cè)量,還無法定量監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋的銹蝕率。
2. 2 線性極化法
線性極化法是由Stern和Geary于1957年提出并發(fā)展起來的一種快速而有效的銹蝕速度測(cè)試方法。該方法以過電位很小時(shí)(η < 10 mV)過電位與極化電流呈線性關(guān)系作為理論根據(jù)[ 2 ] 。
Stern的研究發(fā)現(xiàn),在腐蝕電位Ecorr附近,測(cè)得的電位電流在對(duì)數(shù)關(guān)系圖上具有近似于線性的關(guān)系,并按此關(guān)系推導(dǎo)出檢測(cè)銹蝕速度的一個(gè)簡(jiǎn)單、快速、無損的Stern公式[ 5 ] :
Rp 值通過一個(gè)稱為Stern - Geary常數(shù)的常數(shù)B與Icorr相聯(lián)系,即:
Stern和Geary還搜集了大量的金屬/電解質(zhì)系統(tǒng)的B 值,表明B 取決于陽極極化曲線與陰極極化曲線的Tafel斜率,相應(yīng)地以βa 和βc 表示。
此外,根據(jù)腐蝕電化學(xué)理論,在極化曲線的微極化區(qū),極化電流與過電位成正比,且有:
式中: I———極化電流;Icorr ———腐蝕電流;η———過電位;βa ,βc ———分別是陽極和陰極過程的Tafel常數(shù),其大小與電極反應(yīng)機(jī)理有關(guān);Rp ———腐蝕體系的極化電阻(又稱極化阻力)。
對(duì)于大多數(shù)的系統(tǒng), B 值在13 mV與52 mV之間變動(dòng)。Andrade和Gonzalez發(fā)現(xiàn),埋在混凝土中的鋼筋處于活態(tài)(腐蝕)時(shí), B = 26 mV;而鋼筋處于鈍態(tài)時(shí),B = 52 mV。
知道B 值后, 再測(cè)得極化電阻Rp , 就可以計(jì)算出腐蝕電流Icorr。因此, 極化電阻Rp 的測(cè)量是應(yīng)用這種方法的關(guān)鍵,實(shí)測(cè)時(shí)一般是采用恒電位儀,測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。
線性極化法在試驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中應(yīng)用廣泛,測(cè)量方便快捷,是主要的電化學(xué)檢測(cè)手段。在應(yīng)用時(shí),需要考慮以下3個(gè)方面:一是需要補(bǔ)償工作電極與參比電極之間的歐姆電壓降;二是具備線性條件;三是達(dá)到穩(wěn)態(tài)。對(duì)于埋在混凝土中的鋼筋,這3個(gè)方面都已經(jīng)充分地研究過,是能夠滿足的。當(dāng)然,線性極化技術(shù)也存在著一些缺點(diǎn),由于過電位很小,相應(yīng)的極化電流也小,混凝土孔隙液歐姆壓降引起的誤差較大,因而要求測(cè)試儀器的精度較高而且能補(bǔ)償歐姆壓降。另外,線性極化測(cè)量建立在已知鋼筋表面積的基礎(chǔ)上,這在一定程度上限制了線性極化在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的運(yùn)用。保護(hù)環(huán)技術(shù)[ 7 - 8 ]和外加參考電極技術(shù)的應(yīng)用,為其推廣創(chuàng)造了條件。
2. 3 混凝土電阻率法
早期混凝土電阻率法用于測(cè)定混凝土中的含水量、孔徑分布、水化速度等參數(shù)。20 世紀(jì)70年代,Stratfull首次提出鋼筋銹蝕與混凝土的電阻有關(guān),引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,旨在通過測(cè)量混凝土的電阻來預(yù)測(cè)混凝土中鋼筋的銹蝕狀況[ 9 ] 。其檢測(cè)的基本原理是由于腐蝕是一個(gè)電化學(xué)的過程,它包括以離子形式流動(dòng)于陽極與陰極反應(yīng)區(qū)域之間的混凝土的電流。鋼筋失鈍化以后,其銹蝕速度既依賴于氧對(duì)陰極反應(yīng)的供應(yīng),也依賴于混凝土的電阻率,它決定了離子在陰陽極之間的轉(zhuǎn)移速度,而混凝土的電阻率又依賴于混凝土微觀結(jié)構(gòu)和水飽和度。因此,混凝土的電阻率越大,則離子電子流越低,腐蝕速率越低。電阻率可根據(jù)(6)式計(jì)算:
式中:α———探頭間距;I———外側(cè)探頭通過的電流;U———內(nèi)側(cè)探頭測(cè)出的電位。
混凝土的電阻率與表征鋼筋銹蝕的銹蝕極化電流之間尚未建立明確的關(guān)系方程或關(guān)系曲線,對(duì)鋼筋銹蝕速度的檢測(cè)是定性檢測(cè)。表1是混凝土電阻率與銹蝕速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
3 結(jié)語
本文介紹了混凝土中鋼筋銹蝕檢測(cè)的3種電化學(xué)方法,這些方法各有特點(diǎn),但在用于實(shí)際的工程檢測(cè)時(shí)都還有一定的局限性。目前,結(jié)構(gòu)耐久性研究已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的重要課題,混凝土中鋼筋銹蝕的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確檢測(cè),是結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估、可靠度計(jì)算以及剩余使用壽命預(yù)測(cè)的重要前提。因此,研究銹蝕檢測(cè)的新方法、開發(fā)銹蝕檢測(cè)專用儀器、發(fā)展銹蝕實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)、提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度和精密度,是今后混凝土中鋼筋銹蝕檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn):
[ 1 ] 金偉良,趙羽習(xí). 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M ]. 北京:科學(xué)出版社, 2002.
[ 2 ] 張譽(yù). 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M ]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社, 2003.
[ 3 ] 張偉平,張譽(yù),劉亞芹. 混凝土中鋼筋銹蝕的電化學(xué)檢測(cè)方法[ J ]. 工業(yè)建筑, 1998, 28 (12) : 21 - 25.
[ 4 ] 周新剛. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與損傷防治[M ]. 北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社, 1999.
[ 5 ] 洪定海. 混凝土中的鋼筋的腐蝕與保護(hù)[M ]. 北京:中國(guó)鐵道出版社, 1998.
[ 6 ] John P,Broomfield, Kevin Davies, et al. The use of permanentcorrosion monitoring in new and existing reinforced concretestructures[ J ]. Cemen t & Concrete Composites, 2002, 24(1) : 27 - 34.
[ 7 ] 耿歐,李果,袁迎曙. 電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)在混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望[J ]. 混凝土, 2005, (2) : 20 - 23.
[ 8 ] Feliu S, Gonzlaez J A. Confinement of the electrical signalfor in situ measurement of polarization resistance inreinforced concrete[ J ]. AC IMa ter ia ls Journa l, 1990, 87(5) : 457 - 460.
[ 9 ] Feliu S, Gonzlaez J A. New method for in situ measurementof electrical resistivity of reinforced concrete [ J ]. Ma ter.con st, 1996, 29 (3) : 362 - 365.Electrochem ica lM ethod of Testing the Steels’Corrosion in Re inforced ConcreteMA Wen - bin, ZHANG J ing - dong, ZHANG Feng -
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
