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和銹蝕狀況的判定,可以為鋼筋混凝土結構的耐久性評估、可靠度計算以及剩余使用壽命預測提供依據(jù)。介紹了混凝土中鋼筋銹蝕的電化學檢測技術,論述了3種常用的電化學方法的優(yōu)缺點、適用場合及應用情況,指出了今后的發(fā)展方向。
關鍵詞:混凝土;耐久性;鋼筋銹蝕;電化學方法
中圖分類號: TU 528. 571; TU 528. 07 文獻標識碼:A
引言
1824年,隨著波特蘭水泥的問世,人們便開始了應用混凝土建造建筑物的歷史,同時混凝土結構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、化學侵蝕、鋼筋銹蝕等。其中,鋼筋銹蝕是引起混凝土結構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際學術會議上,Metha[ 1 - 2 ]將鋼筋銹蝕列為混凝土結構破壞的最主要原因。
為了減少鋼筋銹蝕對結構造成的危害,需要及時了解現(xiàn)有結構中的鋼筋銹蝕狀況,以便對結構進行必要的維護和維修。因此,國內(nèi)外在混凝土中鋼筋銹蝕的無損檢測領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方法有分析法、物理法和電化學方法3大類[ 3 ] 。電化學方法因其設備簡單、測量精度高且適用于現(xiàn)場檢測而越來越受到人們的重視。
1 混凝土中鋼筋銹蝕的機理
電化學腐蝕是混凝土中鋼筋腐蝕的根本原因[ 4 ] 。電化學腐蝕必須具備兩個條件: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)生電化學反應。反應過程如下:
陽極反應: 2Fe - 4e- →2Fe2 +
陰極反應: O2 + 2H2O + 4e- →4OH-
綜合反應: 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合在一起的形式存在。
2 混凝土中鋼筋銹蝕檢測的電化學方法
電化學方法通過測定鋼筋/混凝土腐蝕體系的電化學特性,來確定混凝土中鋼筋銹蝕程度或速度。因為混凝土中鋼筋銹蝕是一個電化學過程,電化學測量是反映其本質(zhì)過程的有力手段。與分析法或物理方法相比,電化學方法還具有測試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測量等優(yōu)點,因此,電化學檢測方法受到了重視并有了很大的發(fā)展,在實驗室已成功地用于檢測混凝土試樣中鋼筋的銹蝕狀況和瞬時銹蝕速度,并已開始試用于現(xiàn)場檢測?；炷林袖摻钿P蝕的電化學檢測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方法中既簡單、經(jīng)濟、易行,又研究的最早、應用最廣泛的一種鋼筋銹蝕檢測方法。這種方法在國外的應用始于20 世紀50 年代,我國于1963年將其應用于海港碼頭鋼筋混凝土上部結構銹蝕破壞調(diào)查,后來又多次在水閘和摻氯化物早強劑的預應力混凝土屋架梁等結構上成功地定性、無損探測鋼筋腐蝕區(qū)[ 5 ] 。
半電池電位法的基本原理[ 6 ]是: 鋼筋銹蝕時,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活性可以看作是半個弱電池組,鋼筋的作用是一個電極,而混凝土是電解質(zhì),這就是半電池電位檢測法名稱的由來。鋼筋表面層上某一點的電位可以通過與Cu /CuSO4 參考電極(或其他參考電極)電位的比較進行確定。我們可以通過測量鋼筋與1個放在混凝土表面的半電池之間的電位差,來預測鋼筋可能的銹蝕程度。
目前,國外較成熟的半電池電位計有美國的Cormap、英國的Colebrand和瑞士的Canin等產(chǎn)品。
在半電池電位法測量過程中,要嚴格遵守操作規(guī)程,因為環(huán)境相對濕度、水泥品種、水灰比、保護層厚度、Cl- 離子含量、碳化深度等因素,都會對測量結果產(chǎn)生影響。所以,該方法較多地應用于鋼筋銹蝕程度的定性測量,還無法定量監(jiān)測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試方法。該方法以過電位很小時(η < 10 mV)過電位與極化電流呈線性關系作為理論根據(jù)[ 2 ] 。
Stern的研究發(fā)現(xiàn),在腐蝕電位Ecorr附近,測得的電位電流在對數(shù)關系圖上具有近似于線性的關系,并按此關系推導出檢測銹蝕速度的一個簡單、快速、無損的Stern公式[ 5 ] :
Rp 值通過一個稱為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,相應地以βa 和βc 表示。
此外,根據(jù)腐蝕電化學理論,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),其大小與電極反應機理有關;Rp ———腐蝕體系的極化電阻(又稱極化阻力)。
對于大多數(shù)的系統(tǒng), B 值在13 mV與52 mV之間變動。Andrade和Gonzalez發(fā)現(xiàn),埋在混凝土中的鋼筋處于活態(tài)(腐蝕)時, B = 26 mV;而鋼筋處于鈍態(tài)時,B = 52 mV。
知道B 值后, 再測得極化電阻Rp , 就可以計算出腐蝕電流Icorr。因此, 極化電阻Rp 的測量是應用這種方法的關鍵,實測時一般是采用恒電位儀,測量系統(tǒng)如圖2所示。
線性極化法在試驗研究與現(xiàn)場檢測中應用廣泛,測量方便快捷,是主要的電化學檢測手段。在應用時,需要考慮以下3個方面:一是需要補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;三是達到穩(wěn)態(tài)。對于埋在混凝土中的鋼筋,這3個方面都已經(jīng)充分地研究過,是能夠滿足的。當然,線性極化技術也存在著一些缺點,由于過電位很小,相應的極化電流也小,混凝土孔隙液歐姆壓降引起的誤差較大,因而要求測試儀器的精度較高而且能補償歐姆壓降。另外,線性極化測量建立在已知鋼筋表面積的基礎上,這在一定程度上限制了線性極化在現(xiàn)場檢測中的運用。保護環(huán)技術[ 7 - 8 ]和外加參考電極技術的應用,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定混凝土中的含水量、孔徑分布、水化速度等參數(shù)。20 世紀70年代,Stratfull首次提出鋼筋銹蝕與混凝土的電阻有關,引起了國內(nèi)外學者的關注,旨在通過測量混凝土的電阻來預測混凝土中鋼筋的銹蝕狀況[ 9 ] 。其檢測的基本原理是由于腐蝕是一個電化學的過程,它包括以離子形式流動于陽極與陰極反應區(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陰極反應的供應,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移速度,而混凝土的電阻率又依賴于混凝土微觀結構和水飽和度。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)式計算:
式中:α———探頭間距;I———外側探頭通過的電流;U———內(nèi)側探頭測出的電位。
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系方程或關系曲線,對鋼筋銹蝕速度的檢測是定性檢測。表1是混凝土電阻率與銹蝕速率的對應關系。
3 結語
本文介紹了混凝土中鋼筋銹蝕檢測的3種電化學方法,這些方法各有特點,但在用于實際的工程檢測時都還有一定的局限性。目前,結構耐久性研究已經(jīng)成為結構工程領域的重要課題,混凝土中鋼筋銹蝕的及時發(fā)現(xiàn)和準確檢測,是結構耐久性評估、可靠度計算以及剩余使用壽命預測的重要前提。因此,研究銹蝕檢測的新方法、開發(fā)銹蝕檢測專用儀器、發(fā)展銹蝕實時檢測技術、提高檢測的準確度和精密度,是今后混凝土中鋼筋銹蝕檢測技術的發(fā)展方向。
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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
