陳衛(wèi)芳 徐東海

浙江省水利河口研究院（310020）

混凝土中鋼筋腐蝕電化學(xué)監(jiān)測技術(shù)綜述

陳衛(wèi)芳 徐東海

浙江省水利河口研究院（310020）

這里介紹了混凝土中鋼筋腐蝕的電化學(xué)機(jī)理，分析并且評價了幾種鋼筋腐蝕的電化學(xué)監(jiān)測技術(shù)，希望為同行提供參考。

鋼筋混凝土；腐蝕；監(jiān)測

0 前言

引起混凝土破壞失效的原因有鋼筋腐蝕、混凝土碳化、堿基料反應(yīng)和凍融破壞，鋼筋腐蝕的危害最為嚴(yán)重?；炷林袖摻罡g的本質(zhì)是電化學(xué)過程，因此電化學(xué)測量方法是反映其腐蝕過程的有力手段。與其他方法（分析法或物理法）相比，電化學(xué)方法有測試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測量等優(yōu)點(diǎn)[1]。這里針對混凝土中鋼筋腐蝕的機(jī)理及其監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行一定的總結(jié)和探討。

1 混凝土中鋼筋腐蝕原理

鋼筋腐蝕主要是電化學(xué)反應(yīng)，即在鋼筋表面不同電位區(qū)域形成陰極和陽極；并且陽極部位的鋼筋表面處于活化狀態(tài)，可以釋放出電子，在陰極部位的鋼筋表面同時存在足夠的水和氧。鋼筋腐蝕電化學(xué)反應(yīng)如圖1所示[2]。鋼筋腐蝕反應(yīng)方程式如下所示:

圖1 混凝土中鋼筋腐蝕過程的示意圖

陰極、陽極反應(yīng)生成的鐵離子和氫氧根離子結(jié)合生成氫氧化亞鐵:

氫氧化亞鐵與水中的氧作用可生成氫氧化鐵:

鋼筋電化學(xué)反應(yīng)中生成的物質(zhì)俗稱鐵銹，鐵銹是鋼材完全喪失原有力學(xué)性能的分離物，由此造成結(jié)構(gòu)鋼筋斷面面積的減損，并且其體積是鐵體積的2～6倍，產(chǎn)生后會導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂、剝落，使水分更容易進(jìn)入，促使腐蝕加快發(fā)展。鐵銹是一種多孔物質(zhì)，富于透氣性和透水性，因而不論腐蝕層有多厚，都對內(nèi)部的鋼材失去保護(hù)作用。

2 鋼筋腐蝕的電化學(xué)監(jiān)測技術(shù)

檢測鋼筋混凝土腐蝕的電化學(xué)方法主要有如下幾種[3，4]:①半電池電位法、②線性極化法、③電化學(xué)阻抗譜、④電阻率法、⑤電化學(xué)噪聲法。

2.1 半電池電位法

半電池電位法是實(shí)際工程中最常用的定性判斷混凝土中鋼筋是否銹蝕及銹蝕程度的方法[5-7]。其基本原理是:在陽極和陰極區(qū)間存在一定的電位差以維持電子流動并導(dǎo)致鋼筋的銹蝕。這種方法一般是通過量測鋼筋和一個放在混凝土表面的參比電極(稱作半電池，如銅、硫酸銅)之間的電位差，來實(shí)現(xiàn)對鋼筋腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測，如圖2所示。該方法主要要求與鋼筋有一個良好的電接觸以及一個高阻抗范圍的電壓表。ASTM C876標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定[6]:腐蝕電位大于-0.2 V，鋼筋發(fā)生腐蝕的概率為10%；腐蝕電位處于-0.2 V和-0.35 V之間,鋼筋發(fā)生腐蝕的概率為50%；腐蝕電位小于-0.35 V，鋼筋發(fā)生腐蝕的概率大于90%。

圖2 半電池電位法原理圖

半電池電位法是一種無損檢測技術(shù),使用方便，但是不足之處很明顯:1）不能得到鋼筋腐蝕速度；2）混凝土碳化和濕度對測量準(zhǔn)確度影響很大。

2.2 線性極化法

線性極化法是首先測量混凝土內(nèi)鋼筋的極化電阻，然后由Stern-Geary公式計算其腐蝕速度的電化學(xué)測試方法。Stern-Geary公式:

其中，鋼筋處于腐蝕狀態(tài)，B取52；鋼筋處于鈍化狀態(tài)，B取26。

線性極化法的優(yōu)點(diǎn)是可以得到混凝土內(nèi)部的鋼筋腐蝕速度。但是比起半電池電位法，不僅需要參比電極，還需要一個穩(wěn)定的對電極。此外，混凝土結(jié)構(gòu)中實(shí)際長度較長的鋼筋，收到極化擾動的表面積難以準(zhǔn)確確定，陰陽極間混凝土電阻也難直接測量，因此測試數(shù)據(jù)的精度也有一定誤差。目前，解決這一問題一般采用護(hù)環(huán)技術(shù)。

2.3 電化學(xué)阻抗譜

1978 年Dawson首先運(yùn)用交流阻抗譜方法研究鋼筋混凝土中的腐蝕行為。隨后，電化學(xué)阻抗譜測量逐漸成為試驗(yàn)室研究鋼筋混凝土腐蝕的常用方法。測量時對鋼筋混凝土體系施加小幅交流電壓(電流)信號，從電流(電壓)響應(yīng)來計算出電極反應(yīng)參數(shù)，輸入與輸出信號之間呈線性關(guān)系。交流阻抗測量可提供有關(guān)鋼筋混凝土界面的雙電層電容、混凝土電阻、鋼筋腐蝕速度及混凝土腐蝕機(jī)理等信息[8，9]。交流阻抗法是一種暫態(tài)頻譜分析技術(shù)，施加的電信號對腐蝕體系的影響較小。通過測得的鋼筋阻抗譜和混凝土阻抗譜可以分析出鋼筋腐蝕變化和混凝土的組織變化。但是，此法采用的儀器昂貴，測量費(fèi)時，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，且與混凝土構(gòu)件的幾何尺寸有關(guān)，不適用于野外現(xiàn)場檢測。

2.4 電阻率法

混凝土的導(dǎo)電性能是水泥漿體孔隙液中離子流動時發(fā)生的電解過程。工程中經(jīng)常用混凝土的電阻率(電導(dǎo)率倒數(shù))來衡量混凝土的導(dǎo)電性能?；炷恋碾娮杪首兓秶艽?，可以從干燥時的1011Ω·cm變化到飽水時的103Ω·cm。在自然環(huán)境中，混凝土含水率為20%～100%都是可能的，相應(yīng)的其電阻率分別可以為6×106～7×102Ω·cm。對于混凝土中鋼筋腐蝕過程的各個階段來講，混凝土電阻率都是一個重要參數(shù)。試驗(yàn)室與現(xiàn)場研究已證實(shí)，對于普通硅酸鹽混凝土,在20℃時其電阻率和鋼筋腐蝕幾率的關(guān)系如表1所示[10]。但是，需要指出的是，混凝土中濕度對電阻率測試結(jié)果影響很大。

表1 混凝土電阻法測定鋼筋腐蝕幾率特征值

2.5 電化學(xué)噪聲法

電化學(xué)噪聲(ECN)測試技術(shù)是研究腐蝕的有效手段之一，通常用于工業(yè)現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測[11，12]。ECN裝置一般由預(yù)埋的三電極組成，其中兩個工作電極的尺寸、材質(zhì)和表面狀態(tài)完全相同。伴隨著腐蝕過程，兩個電極的電位、電流發(fā)生波動，這種波動稱為電化學(xué)噪聲。電化學(xué)噪聲測試裝備簡單，成本低，可以測出腐蝕位置(區(qū)域)，比如點(diǎn)蝕的測量。但是其測量的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，引起電阻Rn的不準(zhǔn)確,而且數(shù)據(jù)及譜圖處理難度大。如何合理解釋分析獲得的數(shù)據(jù)，描述數(shù)據(jù)特征也是ECN測試的難點(diǎn)。

3 結(jié)論

目前已經(jīng)開發(fā)出多種鋼筋混凝土的腐蝕防護(hù)與監(jiān)測技術(shù),同時也有許多成功的工程應(yīng)用實(shí)例。但是每種方法都有其顯著的缺點(diǎn)。因此，希望通過不斷改進(jìn)和完善防護(hù)和監(jiān)測技術(shù)，解決和改進(jìn)鋼筋混凝土的性能劣化問題,提高工程服役的安全性。

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