黃 誠

（山東省冶金科學研究院有限公司，山東 濟南250014）

1 前 言

鋼筋混凝土是現(xiàn)代建筑中必不可少的材料，因其具有強度高、耐候性強、可模性好和造價低等一系列優(yōu)點，被廣泛應用于基礎建筑、公路橋梁和海工等領域。但是，目前各國鋼筋質(zhì)量參差不齊，混凝土鋼筋腐蝕現(xiàn)象接連出現(xiàn)，已成為導致混凝土結構穩(wěn)定性和耐久性下降的主要因素，不僅嚴重威脅著人們的生命和財產(chǎn)安全，還給國民經(jīng)濟造成了巨大損失。據(jù)統(tǒng)計，每年各國由于腐蝕造成的經(jīng)濟損失約占國民生產(chǎn)總值的3%（中國約達5%）［1］，因此，混凝土中鋼筋銹蝕的有效檢測至關重要。鑒于此，本研究首先分析了混凝土鋼筋腐蝕的原因，并對目前國內(nèi)外常用的混凝土鋼筋腐蝕的檢測方法進行詳細說明。

2 混凝土鋼筋腐蝕的誘因

混凝土由硅酸鹽水泥、填充骨料、水和外加劑等混合后經(jīng)水合澆注而成。水泥的基本化學組成有3CaO·SiO2和2CaO·SiO2以及少量3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3，其水化產(chǎn)物主要是Ca（OH）2、CS-H 凝膠以及部分鈣釩石。Ca（OH）2具有強堿性，鋼筋與其接觸后，表面形成以Fe2O3和Fe3O4為主的致密鈍化膜，對鋼筋可起到保護作用。鈍化膜一般在混凝土澆筑完成2～3 d 內(nèi)即可形成［2］。一旦鋼筋表面的鈍化作用喪失，在有水和氧氣共同作用的條件下，鋼筋就會出現(xiàn)一定程度的腐蝕，影響其承載性能。

2.1 有害離子的侵蝕

氯離子侵蝕是造成混凝土中鋼筋腐蝕的一個重要因素?；炷猎谑┕み^程中常加入一些含氯化物的預混合料，如早強劑、砂石等。此外，混凝土在成型及服役過程中極易產(chǎn)生裂縫，環(huán)境中的氯離子沿裂縫進入混凝土中。在擴散、滲透和毛細管的共同作用下，Cl-滲入至鋼筋表面，在局部鈍化膜處發(fā)生如下反應：

該處的pH 值迅速降低。Cl-的局部酸化作用，改變了鋼筋周圍的堿性環(huán)境，迅速破壞該處的鈍化膜，使其成為活化態(tài)，與尚未完好的鈍化膜區(qū)域之間構成電位差。因此，該處作為陽極，在氧和水存在的條件下，發(fā)生電化學腐蝕反應，其反應式如下：

陽極金屬鐵溶解形成腐蝕坑，稱之為點腐蝕。雖然點腐蝕的腐蝕面積較小，但腐蝕深度較大，深度可達平均腐蝕深度的10 倍左右，導致鋼筋抗拉強度、屈服強度以及伸長率均明顯降低，力學性能劣化，并且極易引起應力腐蝕，出現(xiàn)脆性破壞［3-4］。另一方面，鋼筋表面析出Fe（OH）2，遇到孔隙液中的水和氧會快速轉化成Fe（OH）3（鐵銹），進而在鋼筋表面形成疏松多孔的海綿狀銹層，導致其體積膨脹至原來的2～4 倍。隨著腐蝕產(chǎn)物的不斷生成，該處鋼筋對周圍混凝土產(chǎn)生拉應力，到達一定程度后，混凝土發(fā)生順筋開裂、剝落甚至整體脫落［5］。裂縫及混凝土的脫落又進一步加快鋼筋腐蝕，直至構件喪失承載能力。

2.2 混凝土的碳化

混凝土碳化也是混凝土中鋼筋腐蝕的原因之一?；炷撂蓟侵缚諝庵械乃嵝詺怏wCO2通過混凝土孔隙擴散進入基體內(nèi)部，與Ca（OH）2和其他堿性物質(zhì)發(fā)生化學反應，生成碳酸鈣。隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展，空氣中的碳物質(zhì)濃度不斷提高，當大量的碳酸鈣形成時，混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境被破壞，pH 值＜11.5 時，鈍化膜開始不穩(wěn)定；pH 值＜9.88時，則被完全碳化，此時鈍化膜失效，鋼筋暴露于腐蝕環(huán)境下發(fā)生腐蝕反應［6］。同時，碳化使C-SH 凝膠固定的Cl-變成自由活動的Cl-，促進了電化學腐蝕的過程［7］。

2.3 鋼筋自身的原因

鋼筋在生產(chǎn)加工過程中難免出現(xiàn)化學成分偏析、組織不均勻等問題，以及在服役過程中受外圍混凝土影響產(chǎn)生鈍化膜不連續(xù)的問題。這些問題都會導致鋼筋內(nèi)部存在一定的電位差，鋼筋產(chǎn)生局部腐蝕。此外，早期鋼筋混凝土結構設計不合理以及施工控制不當，導致鋼筋受力不均勻，表面受到污染，也會加速其受腐蝕。

3 混凝土鋼筋腐蝕的檢測方法

混凝土鋼筋腐蝕檢測分為破損檢測和無損檢測兩大類。破損檢測方法需將外圍混凝土鑿開，肉眼直接觀察鋼筋腐蝕狀況，必要時可將鋼筋腐蝕部分截取、稱重，以鋼筋銹蝕前后的質(zhì)量損失率表示其銹蝕程度。因其對混凝土結構造成極大破壞，因此該法一般適用于鋼筋發(fā)生嚴重腐蝕時，且只能檢測某一“點”處的鋼筋，無法反映整體鋼筋受腐蝕狀況［8］。因此，專業(yè)人士在工程實踐中研究開發(fā)出混凝土鋼筋腐蝕無損檢測方法，并取得了良好的應用效果。混凝土鋼筋腐蝕無損檢測方法主要有分析法、物理法以及電化學法。

3.1 分析法

分析法需綜合考慮混凝土構件所處的環(huán)境情況（地理位置，氣候特點，周圍有無工業(yè)廢氣、廢料、廢渣的排放）。通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，包括裂縫寬度、鋼筋直徑、混凝土強度、混凝土厚度、有害離子的侵入深度及含量等一系列參數(shù)，建立鋼筋銹蝕預測模型，以此分析鋼筋銹蝕程度［9］。盡管分析法較為經(jīng)濟，但該方法的應用依靠建立合理可靠的銹蝕預測模型。截止目前，各研究學者尚未建立成熟的實用數(shù)學模型，因此將分析法應用到實際工程尚有一定距離。

3.2 物理法

物理法通過測定鋼筋銹蝕產(chǎn)生的電阻值、熱傳導或者聲傳播等物理性能的變化分析鋼筋銹蝕行為，主要包括電阻探頭法、聲發(fā)射法、渦流檢測法及紅外熱像法。物理法簡單易操作，效率高，不受環(huán)境影響。但該方法只能用于定性分析，難以進行定量分析，目前主要停留在實驗室階段，未見用于工程現(xiàn)場檢測。

1）電阻探頭法。電阻探頭法于20世紀20年代開始得到應用，該方法的基本原理是鋼筋銹蝕使其截面積和表面狀態(tài)改變，鋼筋電阻值隨之發(fā)生變化［10］?；炷翝仓r，預先填埋和鋼筋同樣材質(zhì)的電阻探頭，檢測其電阻的變化可分析得到鋼筋剩余截面積，從而確定腐蝕深度。電阻探頭法只能檢測探頭安裝處的腐蝕深度及速度，僅適用于均勻腐蝕的混凝土構件［11］。

2）聲發(fā)射法。聲發(fā)射是指鋼筋周圍的混凝土在腐蝕產(chǎn)物膨脹力作用下發(fā)生開裂，釋放儲存的能量產(chǎn)生彈性應力波。聲發(fā)射法則是利用傳感器接收該彈性應力波，從而連續(xù)監(jiān)測鋼筋發(fā)生腐蝕的整個過程［12］。該方法能夠?qū)崟r地進行檢測和評定，但其在實際使用中容易受到非檢測聲波的干擾，檢測誤差較大。

3）渦流檢測法。渦流檢測法利用電磁感應原理，將電磁裝置放置在混凝土構件表面，誘導鋼筋內(nèi)部建立感應渦流，鋼筋腐蝕導致其截面積減小，引起磁場發(fā)生變化，根據(jù)勵磁電流與鋼筋內(nèi)感應渦流的相位關系分析得出鋼筋截面積損失率［10］。該方法檢測范圍較大，通過一次測量可以檢測整個混凝土結構鋼筋銹蝕狀況。

4）紅外熱像法?；炷林袖摻畎l(fā)生局部腐蝕時，混凝土內(nèi)部熱量在該處擴散受阻，導致熱量堆積，出現(xiàn)局部熱區(qū)。紅外熱像法則是通過監(jiān)測混凝土構件表面的溫度場分布，從而對銹蝕鋼筋的蝕坑位置進行準確定位。紅外熱像法不僅可以實現(xiàn)非接觸快速檢測，還能夠避免混凝土其他損傷的干擾，其與數(shù)值模擬技術相結合，還可定量描述蝕坑形狀與大小。

3.3 電化學法

電化學法是基于混凝土中鋼筋銹蝕的電化學本質(zhì)提出的，該方法利用鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學特性確定鋼筋的腐蝕程度及腐蝕速度。電化學法具有靈敏度高，原位測量，可連續(xù)跟蹤以及測試速度快等一系列優(yōu)點，發(fā)展迅速，在實際工程現(xiàn)場中得到了廣泛應用。其主要包括自然電位法，線性極化法，交流阻抗法以及混凝土電阻率法等。

1）自然電位法。20 世紀50 年代末以來，自然電位法一直被廣泛應用于評定混凝土中鋼筋的銹蝕狀況［13］。自然電位法基于電化學腐蝕原理，在混凝土構件表面放置一個半電池（參比電極）裝置，通過測定其與鋼筋之間的電位差來確定鋼筋的腐蝕程度。自然電位法具有操作簡單方便、測試速度快等優(yōu)點，并且不會對混凝土中的鋼筋腐蝕體系產(chǎn)生干擾，可以實現(xiàn)連續(xù)測量和實時跟蹤，在實驗室和工程現(xiàn)場的適用性都較好［14］，但該法僅能對鋼筋腐蝕進行定性分析，無法進行定量測量。此外，由于該方法中的參比電極須和混凝土中鋼筋形成電回路，因此，混凝土干燥或表面有非導電性覆蓋層時，該方法無法使用［15］。

2）線性極化法。線性極化法是通過測量微電流通過鋼筋時自然電位附件產(chǎn)生的電位變化量得出極化電阻，進而推斷鋼筋腐蝕速度。在被測鋼筋外放置一恒定電位，對混凝土中的鋼筋加一個極小的電化學擾動，測量其反應，從所測反應分析得到受擾動鋼筋的銹蝕速率［16］。線性極化法是定量檢測鋼筋腐蝕速率的最簡單的電化學方法，測量方便快速，常用作實驗室與工程現(xiàn)場快速檢測評定。該方法的缺點在于要求測試儀器精度較高。

3）交流阻抗法。交流阻抗法是一種暫態(tài)頻譜分析技術，將頻率不同、振幅較小的交流電（＜10 mV）通入鋼筋，從電壓或電流的響應確定交流阻抗與頻率之間的相關關系，得到鋼筋與混凝土界面間反應動力學的有關信息。該法可采用等效電路解析腐蝕過程中的電化學阻抗數(shù)據(jù)，從而定量測定鋼筋腐蝕速率［17-18］。交流阻抗檢測所用設備造價昂貴，檢測周期長，試驗數(shù)據(jù)處理繁瑣，只適合在實驗室操作，適用于鋼筋銹蝕機理的研究［19］。

4）混凝土電阻率法。混凝土的電阻決定了離子在陰陽兩極之間的轉移速率，進而影響鋼筋腐蝕，而混凝土電阻率與鋼筋腐蝕速率成反比［20］?；炷岭娮杪史ㄍㄟ^在混凝土表面放置電極，導入已知電流從而測定混凝土內(nèi)部的電位分布。電阻率法設備簡單，適用范圍廣，但其易受環(huán)境影響，且所測數(shù)據(jù)離散型較高［21］。

4 結 語

我國作為發(fā)展中國家，正在進行大規(guī)模的基礎設施建設，確保鋼筋混凝土結構的安全性與耐久性尤為重要，關系人民的利益與安全。為了確保和提升混凝土結構的質(zhì)量和使用壽命，需加強對鋼筋腐蝕的重視。通過對鋼筋腐蝕各方面誘因的探究，以及幾種鋼筋腐蝕檢測方法的合理使用，對鋼筋的腐蝕情況以及混凝土耐久性進行準確地分析與判斷，從而提升我國基建工程的整體運作效益。