王彥明，徐宗順，劉 克，王弘揚(yáng)

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.日照港建設(shè)監(jiān)理有限公司，山東 日照 276826）

半電池電位法評(píng)估海港混凝土鋼筋腐蝕狀態(tài)的可靠性研究

王彥明1，徐宗順1，劉 克2，王弘揚(yáng)1

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.日照港建設(shè)監(jiān)理有限公司，山東 日照 276826）

介紹了混凝土中鋼筋腐蝕機(jī)理與半電池電位法檢測(cè)鋼筋腐蝕狀態(tài)的原理，結(jié)合日照港煤碼頭各泊位的檢測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)鋼筋銹蝕的理論概率公式，通過(guò)試驗(yàn)與理論分析，驗(yàn)證了半電池電位法的可靠性，結(jié)果表明計(jì)算值與試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)論吻合較好。為提高海洋環(huán)境下混凝土構(gòu)件的耐久性，建議嚴(yán)格限制氯離子的初始含量；運(yùn)行管理階段加強(qiáng)定期安全監(jiān)測(cè)維護(hù)。

半電池電位；鋼筋銹蝕；海洋環(huán)境；氯離子擴(kuò)散系數(shù)；臨界保護(hù)層厚度

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外海洋工程結(jié)構(gòu)因諸多因素而縮短使用壽命的例子數(shù)不勝數(shù)，因此，加強(qiáng)定期的檢測(cè)與維護(hù)具有很重要的實(shí)際意義。在對(duì)海港混凝土構(gòu)件進(jìn)行腐蝕檢測(cè)時(shí)，要求盡可能采取無(wú)損方法推測(cè)內(nèi)部的腐蝕情況，半電池電位法因其操作簡(jiǎn)單，有較好的工程應(yīng)用，但該方法檢測(cè)結(jié)果的可靠性如何還鮮有理論分析和驗(yàn)證。本文擬通過(guò)對(duì)海港碼頭進(jìn)行鋼筋腐蝕電位與抗氯離子擴(kuò)散性能的試驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)合由Fick第二定律推出的鋼筋腐蝕概率公式，通過(guò)試驗(yàn)與理論分析評(píng)價(jià)用半電池電位法檢測(cè)鋼筋腐蝕狀態(tài)的可靠性，并提出海洋環(huán)境下預(yù)防混凝土構(gòu)件鋼筋腐蝕的合理化建議。

1 鋼筋銹蝕與半電池電位法原理

混凝土中鋼筋發(fā)生腐蝕的前提即為鈍化膜的破壞，其原因主要是碳化作用及氯離子的侵蝕。由于微觀影響[1]，氯離子侵蝕效應(yīng)要遠(yuǎn)強(qiáng)于碳化作用。

鋼筋發(fā)生腐蝕時(shí)，其接觸面上會(huì)發(fā)生電荷交換，產(chǎn)生電流并發(fā)生極化。在極化過(guò)程中，陽(yáng)極電位升高，陰極電位降低，最終達(dá)到一個(gè)平衡電位，即腐蝕電位?；炷梁弯摻畹碾妼W(xué)活性可看作半個(gè)弱電池組，分別作為電解質(zhì)和電極。利用Cu-CuSO4飽和溶液組成的半電池組與其形成一個(gè)全電池系統(tǒng)[2]，由于前者電位穩(wěn)定，鋼筋的半電池電位能夠引起全電池電位變化，這就是半電池電位法檢測(cè)鋼筋腐蝕狀態(tài)的原理。

混凝土中鋼筋的活化區(qū)與鈍化區(qū)顯示出的腐蝕電位不同，活化區(qū)表面鈍化膜遭到破壞，陽(yáng)極極化受阻，鋼筋失電子不受限制，故腐蝕電位降低，電位偏負(fù)；在鈍化區(qū)由于鈍化膜的存在，陽(yáng)極失電子能力降低，陽(yáng)極極化率大，電位偏高。

2 試驗(yàn)概況與結(jié)果

日照港始建于1982年，1986年投入使用。碼頭的主體工程采用重力式工形塊結(jié)構(gòu)形式，堵頭堤、碼頭根部混合堤采用水上拋石，根部混合堤及堵頭堤胸墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，水泥材料系日本進(jìn)口。試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)象為日照港煤碼頭的北一泊位等27個(gè)泊位，主要檢測(cè)構(gòu)件為胸墻和工形塊，包括胸墻247片，工形塊251個(gè)，現(xiàn)澆支座梁和預(yù)應(yīng)力板梁各8根。其中，北一泊位設(shè)計(jì)噸級(jí)為0.5萬(wàn)噸級(jí)，碼頭長(zhǎng)度185 m，寬度34 m，泊位設(shè)計(jì)水深-6.0 m；港池設(shè)計(jì)水深-5.5 m。北一泊位胸墻構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值為60 mm；工形塊強(qiáng)度等級(jí)為C30，保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值為50 mm。

2.1 鋼筋半電池電位檢測(cè)方法與結(jié)果

檢測(cè)儀器選用鋼筋銹蝕測(cè)定儀，測(cè)定儀型號(hào)CANIN+，量程為0~999 mV，精度為1 mV。在待測(cè)部位布置網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)縱、橫向間距為100~300 mm。具體試驗(yàn)方法按照J(rèn)GJ/T 152—2008《混凝土中鋼筋檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。

檢測(cè)得到27個(gè)泊位上各胸墻、工形塊、現(xiàn)澆支座梁和預(yù)應(yīng)力板的電位數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明各泊位構(gòu)件的半電池電位變化范圍基本相同，都在-200~-100 mV之間波動(dòng)。以北一泊位為代表，該泊位檢測(cè)構(gòu)件包括胸墻10片，工形塊10個(gè)，每1片（個(gè)）包含30個(gè)測(cè)量點(diǎn)位。

胸墻和工形塊各有300個(gè)腐蝕電位測(cè)值，按其大小進(jìn)行分組，10個(gè)為1組，取平均值作為代表值，作累積頻率圖（如圖1所示）。

式中：fx為腐蝕電位檢測(cè)值的累積頻率，%；r為各半電池電位的排序；移n為總測(cè)值的個(gè)數(shù)。

圖1 北一泊位胸墻、工形塊構(gòu)件電位累積頻率圖Fig.1 Electric potential cumulative frequency of parapets and modular blocks in North 1 berth

圖1 表明，測(cè)點(diǎn)的半電池電位分布在-200~-100 mV，根據(jù)GB/T 50344—2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》關(guān)于半電池電位對(duì)鋼筋銹蝕狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為該泊位的鋼筋無(wú)銹蝕活動(dòng)性或銹蝕活動(dòng)性不確定，發(fā)生銹蝕的概率僅為5%。北一泊位的測(cè)量結(jié)果具有代表性，所有泊位測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果均未低于-200 mV，因此，可以推測(cè)27個(gè)泊位鋼筋銹蝕活動(dòng)微弱或基本不存在銹蝕問(wèn)題。

2.2 混凝土抗氯離子滲透性能檢測(cè)結(jié)果

目前，電通量法是反映氯離子滲透能力的主要檢測(cè)方法[3-4]，其原理是在直流電壓作用下，氯離子能通過(guò)混凝土試件向正極方向移動(dòng)，通過(guò)測(cè)量流過(guò)混凝土的電荷量反映滲透混凝土的氯離子量。本次試驗(yàn)方法按照J(rèn)TJ 275—2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)得到各構(gòu)件通過(guò)的電荷量，部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

表1 胸墻構(gòu)件抗氯離子滲透性能檢測(cè)Table1 Anti-chloride permeability performance detection of parapets

表2 工形塊構(gòu)件抗氯離子滲透性能檢測(cè)Table2 Anti-chloride permeability performance detection of modular blocks

根據(jù)JTS 202—2011《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》規(guī)定，處于浪濺區(qū)混凝土抗氯離子滲透性不應(yīng)大于2 000 C，因此，判定所測(cè)胸墻和工形塊構(gòu)件的混凝土抗氯離子滲透性能較高，符合規(guī)范要求。

2.3 混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)結(jié)果

各構(gòu)件的保護(hù)層厚度范圍基本一致。以北一泊位為例，胸墻和工形塊構(gòu)件進(jìn)行鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)，共選取胸墻和工形塊各5個(gè)，每個(gè)構(gòu)件選取6根主筋，在其有代表性的部位各選取3個(gè)點(diǎn)測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。其中，工形塊構(gòu)件測(cè)值比胸墻整體偏低是因保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值原本相差10 mm。

圖2 北一泊位胸墻保護(hù)層厚度檢測(cè)結(jié)果Fig.2 Cover thickness detection results of parapets in North 1 berth

圖3 北一泊位工形塊保護(hù)層厚度檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Cover thickness detection results of modular blocks in North 1 berth

3 鋼筋銹蝕的理論概率模型

海洋環(huán)境下，當(dāng)混凝土的均勻性和碳化深度都滿足要求時(shí)，氯離子侵蝕程度就成為鋼筋銹蝕的最主要因素[5]。因此，鋼筋發(fā)生銹蝕的前提條件可認(rèn)為是其接觸面混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到引起鋼筋銹蝕的臨界值，所以，鋼筋銹蝕的概率即為前者小于或等于后者的概率。

式中：xcover為混凝土保護(hù)層厚度，mm；xcr為氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到鋼筋銹蝕臨界值的混凝土保護(hù)層厚度，mm，兩者均服從正態(tài)分布。根據(jù)臨界保護(hù)層的理論計(jì)算結(jié)果，與實(shí)際保護(hù)層厚度檢測(cè)值比較，即可獲得鋼筋銹蝕的理論概率，與半電池電位法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如果吻合，即可證明半電池電位法在理論上的可靠性。

文獻(xiàn)[6]給出臨界保護(hù)層厚度計(jì)算公式（3）。式中，Cs、C0、Ccr分別為混凝土材料表面、初始、臨界氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Da為混凝土材料表觀擴(kuò)散系數(shù)。

文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)15種不同膠凝材配合比的混凝土進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)對(duì)于抗氯離子滲透性能高的混凝土，電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)存在著較為理想的線性關(guān)系，可由經(jīng)驗(yàn)公式近似計(jì)算Da：

式中：Qc為混凝土電通量。根據(jù)檢測(cè)所得數(shù)據(jù)，Da的計(jì)算結(jié)果區(qū)間為（65耀80）伊 10-14m2/s。

日照港建設(shè)初期，對(duì)水泥品種及施工質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格把關(guān)，混凝土氯離子初始含量低于0.005%，因此，C0可近似取值為0?；炷帘砻媛入x子質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cs對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)而言并不穩(wěn)定，其值因水位高低、季節(jié)不同而變化，根據(jù)趙羽習(xí)等[8]對(duì)其變化規(guī)律的總結(jié)，Cs會(huì)在每年6月份到8月份之間達(dá)到峰值，結(jié)合檢測(cè)泊位的水位，取Cs為1.2%的近似穩(wěn)定值。對(duì)于混凝土使用壽命預(yù)測(cè)及耐久性而言，Ccr取值應(yīng)為0.20%~0.38%，在此取0.32%。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)式（3）計(jì)算得到各泊位上構(gòu)件的平均臨界保護(hù)層厚度值，見(jiàn)圖4。東二泊位出現(xiàn)最高值46 mm，東四、東六、東七泊位結(jié)果為44 mm，剩余22個(gè)泊位的臨界值都在43 mm以下。

圖4 各泊位平均臨界保護(hù)層厚度計(jì)算值Fig.4 Average calculated values of critical cover thickness in each berth

各構(gòu)件上的80余個(gè)測(cè)點(diǎn)中，超過(guò)97%的測(cè)值大于43 mm，以北一泊位的胸墻及工形塊檢測(cè)結(jié)果為代表（如圖2、圖3所示），所有測(cè)值都大于42 mm，因此，該數(shù)值條件下氯離子無(wú)法對(duì)鋼筋表面的鈍化膜造成侵蝕，可認(rèn)為鋼筋并未發(fā)生腐蝕。另有東四等3個(gè)泊位保護(hù)層臨界計(jì)算值較大，為44 mm，在該泊位工形塊構(gòu)件的90個(gè)測(cè)點(diǎn)中，有4個(gè)測(cè)點(diǎn)值小于44 mm，推測(cè)其鋼筋銹蝕概率不超過(guò)4.5%。相對(duì)最危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)闁|二泊位，臨界保護(hù)層厚度達(dá)到了46 mm，在其沉箱構(gòu)件的70個(gè)測(cè)點(diǎn)中，有7個(gè)測(cè)點(diǎn)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，推測(cè)該泊位鋼筋銹蝕概率約為10%，依然處于可接受范圍內(nèi)。以上理論分析的結(jié)果與半電池電位法檢測(cè)結(jié)果所得結(jié)論一致，即日照港各泊位構(gòu)件鋼筋銹蝕概率基本小于5%。因此，用半電池電位法評(píng)估海港混凝土構(gòu)件鋼筋腐蝕狀態(tài)是可靠的。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在計(jì)算模型中，對(duì)臨界保護(hù)層厚度xcr影響較大的是混凝土材料表觀擴(kuò)散系數(shù)Da和表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cs。Da與水泥性能有較大的關(guān)系。日照港始建時(shí)，水泥材料系日本進(jìn)口，氯離子含量極低，30余年過(guò)后，其各泊位構(gòu)件的抗氯離子滲透性能仍能夠滿足要求，因此保證了鋼筋抵抗銹蝕的能力。此外，為了進(jìn)一步降低Da，可以適當(dāng)添加粉煤灰、礦渣粉等摻合料以吸附氯離子，并使用合適的膠凝材料[9]。Cs受溫度影響較大，溫度越高，海水蒸發(fā)導(dǎo)致氯離子濃度升高，因此在夏季，鋼筋面臨更大的銹蝕威脅。

5 結(jié)語(yǔ)

1）日照港煤碼頭浪濺區(qū)構(gòu)件半電池電位檢測(cè)結(jié)果在-200~-100 mV內(nèi)，腐蝕概率小于5%，臨界保護(hù)層厚度計(jì)算結(jié)果基本低于實(shí)測(cè)值，二者結(jié)論吻合，這表明用半電池電位法評(píng)估海洋環(huán)境下混凝土構(gòu)件鋼筋的銹蝕狀況具有較高的可靠性。

2）海洋環(huán)境下，混凝土中鋼筋面臨的腐蝕威脅與初始選料密切相關(guān)，對(duì)于水泥的初始氯離子含量尤其要嚴(yán)格控制。此外，因海洋環(huán)境復(fù)雜，定期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù)也是十分必要的。

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Reliability research of evaluating the reinforcement corrosion state in harbor concrete structures by half cell potential method

WANG Yan-ming1,XU Zong-shun1,LIU Ke2,WANG Hong-yang1
（1.School of Civil Engineering,Shandong University,Jinan,Shandong 250061,China;2.Rizhao Port Construction Supervision Co.,Ltd.,Rizhao,Shandong 276826,China）

We introduced the reinforcement corrosion mechanism in reinforced concrete and the principle of testing by half cell potential method.Based on each berths憶test data in Rizhao Port and theoretical probability formula of steel corrosion,we confirmed the reliability of half cell potential method by experiment and theoretical analysis.The results show that the calculated values are in good agreement with the test data.To improve the durability,it憶s necessary for concrete members in marine environment to limit the initial content of chloride ion.Besides,regular security monitoring and maintenance on operation management stages should be strengthened.

half cell potential;reinforcement corrosion;marine environment;chloride diffusivity;critical cover thickness

U654

A

2095-7874（2017）12-0015-04

10.7640/zggwjs201712004

2017-07-08

2017-08-28

日照港科技計(jì)劃項(xiàng)目（SBJS-09-KJ005）

王彥明（1968— ），男，山東臨沂人，博士，教授，主要從事混凝土耐久性方面研究。E-mail：wangyanming6@163.com