混凝土中钢筋锈蚀的电化学检测方法

混凝土中钢筋锈蚀的电化学检测方法

张伟平 张 誉 刘亚芹

(同济大学 200092)

摘 要:综合分析了混凝土中钢筋锈蚀的非破损检测方法,在此基础上,着重剖析了常用电化学检测方法

的优缺点、适用场合及其应用情况,指出了今后的发展方向。

关键词:混凝土 钢筋锈蚀 电化学方法

ELECTROCHEMICALMETHODSFORINVESTIGATIONOF

REINFORCEMENTCORROSIONINCONCRETE

ZhangWeiping ZhangYu LiuYaqin

(TongjiUniversity 200092)

Abstract :Basedoncomprehensiveanalysisofthenondestructivemethodsformeasurementofsteelcorrosionincon-crete,thecommonelectrochemicalmethodsarediscussedontheirapplication,meritsanddemerits Finallythetrendofdevelopmentispointedout

Keywords :concrete reinforcementcorrosion electrochemicalmethod

1 钢筋锈蚀非破损检测方法的综合分析

混凝土中钢筋锈蚀的非破损检测方法有分析法、物理法和电化学方法三大类。分析法根据现场实测的钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、有害离子的侵入深度及其含量、纵向裂缝宽度等数据,综合考虑构件所处的环境情况推断钢筋锈蚀程度;物理方法主要通过测定钢筋锈蚀引起电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来反映钢筋锈蚀情况;电化学方法通过测定钢筋/混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度。

分析法的应用有赖于建立合理可靠的钢筋锈蚀实用预测模型。为此,国内外学者进行了大量的试验研究、工程调查和理论分析。Bazant[1,2]根据化学反应动力学建立了海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀的理论数学模型;

no.文献[3]在Bazant的基础上,研究了混凝土中氧气和OH-离子的扩散规律,提出结构使用寿命的预测方法;肖从真等[4]从钢筋表面

氧气消耗着手,建立了横向裂缝引起的宏电池和混凝土碳化引起的微电池的计算模式;文献[5,6]基于腐蚀电化学理论,分别建立了锈蚀开裂前和开裂后钢筋锈蚀量的预测模型。文献[7~10]经过试验和调研,考虑混凝土保护层厚度、钢筋直径、纵向裂缝宽度等影响因素,获得了钢筋截面损失率的经验计算公式。目前为止,还没有既有充分理论依据、又全面考虑各种影响因素的实用数学模型,因此将分析法用于混凝土中钢筋锈蚀评估尚有不少工作要做。

作者:张伟平 男 25岁 博士生收稿日期:1998-04-06

用于混凝土中钢筋锈蚀检测的物理方法有电阻棒法[10]、涡流探测法[11]、射线法[11,12]、红外热像法[10]及声发射探测法[13]等。电阻棒法测量因钢筋锈蚀使钢筋截面积和表面状态发生变化引起的电阻值变化,利用导电原理间接推算钢筋的剩余面积。涡流探测法通过测定励磁电流与发生在钢筋内的次生波的相位关系来判断钢筋锈蚀状况。射线法拍摄混凝土中钢筋的X射线或 射线照片,直接观察钢筋的锈蚀情况。红外热像法通过测量混凝土表面的温度分布图分析钢筋锈蚀位置和程序。作者曾做过用红外热像仪检测钢筋锈蚀程度的试验,证实有一定效果。声发射探测法利用传感器接收钢筋锈蚀引起周围混凝土开裂释放的弹性应力波,确定钢筋发生锈蚀膨胀的确切位置。国外曾尝试将红外热像法和 射线法用于现场监测[15]。物理方法主要停留在实验室阶段。

[14]

混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程,电化学测量是反映其本质过程的有力手段,与分析法或物理方法相比,电化学方法还有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点,因此电化学检测方法得到了很大的重视和发展。在实验室已成功地用于检测混凝土试样中钢筋的锈蚀状况和瞬时锈蚀速度,并已开始尝试用于现场检测。电化学方法是混凝土中钢筋锈蚀无损检测的发展方向。2 常用电化学检测方法的述评

混凝土中钢筋锈蚀的电化学检测方法主要有自然电位法、交流阻抗谱技术和极化测量技术等。恒电量法、电化噪声法、混凝土电阻法、谐波法等也在发展中,但用于现场检测尚不多。表1给出了常用电化学检测方法在应用情况、检测速度、测量参数、干扰程度、适用性等方面的比较。

表1 常用电化学检测方法的比较

自然电位法

应用情况检测速度定性/定量干扰程度*

最广泛快定性无

交流阻抗法一般慢定量较小icorr实验室

线性极化法广泛较快定量小icorr现场

恒电量法电化学噪声法较少快定量微小icorr现场

较少较慢半定量无icorr**

混凝土电阻法一般较慢定性小icorr**

谐波法较少较慢定量较小icorr**

测量参数Eicorr适用性

实验室,现场

注:*系指对钢筋混凝土腐蚀体系的干扰;**指实验室和现场适用性都较差。

2 1 自然电位法

自然电位法是50年代末以来应用最广

泛的钢筋锈蚀检测方法。美、日、德、英、印度等国家制定了相应的标准,我国冶金部也公布了部颁标准[16]。各国标准不尽相同,详见表2。

混凝土中的钢筋与周围介质在交界面上相互作用形成双电层,并于界面两侧产生电位差,电位差大小能反映钢筋所处的状态,到目前为止尚无办法直接测得该电位值。自然电位法通过测定钢筋电极对参比电极的相对电位差来判明钢筋的锈蚀状况。自然电位法设备简单、价格便宜、操作方便,对混凝土中的钢筋腐蚀体系无干扰,实验室与现场检测均可采用。图1a为对钢筋混凝土试样进行测量的实验室装置示意图;自然电位法现场检测根据实际情况可采用单电极法或双电极电位梯度法,前者适用于钢筋端头外露的构件,后者适用于钢筋不外露的构件,参见图1b、图1c。自然电位法最大的缺点是只能从

年第2812期

热力学角度定性判断钢筋发生锈蚀的可能性,不能应用于定量测量;混凝土干燥或表面有非导电性覆盖层时,因不能形成回路不宜采

用自然电位法;钢筋电极电位受环境相对湿度、水泥品种、水灰比、保护层厚度、氯离子含量、碳化深度等因素的影响[18],因此这种评定

表2 美、日、德、中等国家自然电位法判别标准的比较

标准名称ASTMC876日本锈蚀诊断草案印度[17]

中国冶金部部颁标准中国冶金部部颁标准西德标准

测试方法单电极法单电极法单电极法单电极法双电极法双电极法

判别标准/mV

>-200,95%腐蚀;-200~-350,50%腐蚀;-300,不腐蚀;局部-300,95%腐蚀;-300~-450,50%腐蚀;-250,不腐蚀;-250~-400,可能腐蚀;

方法比较粗糙。作者认为只有在考虑各种因素对电极电位的影响建立更可靠的标准后,可

以结合其它检测方法综合评定钢筋锈蚀状态。

构来看,它不仅反映了钢筋的电化学行为,同时也反映了混凝土材料的性质。交流阻抗技术主要用于混凝土中钢筋锈蚀机理研究、钢筋锈蚀影响因素分析和混凝土修复方案的有效性验证[19,20]。

当然,交流阻抗谱技术也存在一些缺点,它的测量时间较长,所需仪器设备也较昂贵;对低速率腐蚀体系需要低频交流信号,因而测量有一定困难;在钢筋锈蚀的定量测量上不如线性极化法准确方便;试验数据处理繁杂,测量的阻抗谱与构件几何尺寸有关,不适合于现场检测。2 3 线性极化法

线性极化法是Stern和Geary于1957年提出并发展起来的一种快速而有效的腐蚀速度测试方法。这一方法以过电位很小时(

根据腐蚀电化学理论,在极化曲线的微极化区,极化电流与过电位成正比,且有

=icorrr[+]=babcRp(1a)即icorr=

babc =(1b)

2.303(ba+bc)RpRp

图1 自然电位法检测位置

(a)-实验室测量装置;(b)-单电极法检测;

(c)-双电极法检测

2 2 交流阻抗谱法

如果对电极施加一个小的交流信号并使之不改变电极体系的性质,则可认为输入与输出信号之间呈线性关系,这便是交流阻抗谱技术的理论基础。通过测量和对比输入与输出信号振幅及相位之间的关系来判定该电极体系的性质。

交流阻抗谱法是一种暂态频谱分析技术,施加的交流信号对腐蚀体系的影响较小。它不仅可确定出电极过程的各种电化学参数,而且可以确定出电化学反应的控制步骤。通过交流阻抗谱随时间的演变也可以研究电极过程的变化规律。从具体的钢筋混凝土结

这就是stern-Geary方程,式中I为极化电

流,rcorr为腐蚀电流, 为过电位,ba、bc分别是阳极和阴极过程的Tafel常数,Rp为极化电阻,B=

babc

。

2.303(ba+bc)

测得极化阻力Rp后,只要知道B值就

可采用先进的电子技术,测量恒电量激励下腐蚀电极极化电位随时间衰减的曲线,确定钢筋瞬时锈蚀速度。电流脉冲法简单地采用电容放电形成脉冲电流激励电量,其实质为恒电量法[24]。

电极体的电化学行为要用图3所示的等

效电路近似模拟。

可以计算出腐蚀电流icorr。混凝土中钢筋的B值准确测量很困难,通常近似取用钢筋在Ca(OH)2饱和溶液中的B

值。

图3 简单电极体系的等效电路

图2 线性极化技术现场检测装置示意

当对腐蚀体系施加一个小的激励电荷 Q时,它的电位将迅速移至 0。

0=CS

(2)

线性极化技术在试验研究与现场检测中应用广泛,测量方便快捷,试验室测试精度可与失重法不相上下[21],是主要的电化学检测手段。英国研制了程式化的线性极化测试设备,并用于现场检测,图2给出了线性极化技术现场检测装置示意图。线性极化技术也存在一些缺点,除上面提到的不能直接测定B值外,由于过电位小,相应的极化电流也小,混凝土孔隙溶液欧姆压降引起的误差较大,因此要求测试仪器精度较高且能补偿欧姆压降。且线性极化测量建立在已知钢筋表面积的基础上,这一定程度上限制了线性极化在现场检测中的应用,对新建建筑物而言,可以预埋已知钢筋面积的钢筋作为日常检测用;最近保护环(GuardRing)技术和外加参考电极(ExtraReferenceElectrodes)技术的应用又为其推广创造了条件,但对其可靠性褒贬不一。线性极化技术不能区分各个因素的影响,也就不能把电化学过程中的各个步骤清晰地分辨出来,但这并不影响其现场检测中的应用。2 4 恒电量法

恒电量测量技术仍属于极化测量的范畴,但是不同于控制电位或控制电流的方法,[23]

[22]

式中,C为腐蚀电极的电容;S为电极表面积; 0为初始极化电位。极化电位 0有恢复到Ecorr(平衡电位)的趋势,即随时间而松驰。测量受腐蚀介质电阻的影响小且对体系的扰动小,因此恒电量法测定钢筋低腐蚀速度理论上比线性极化更适合、更精确。虽然恒电量法目前在钢筋锈蚀研究中应用极少[25],但是一种值得研究的新技术。2 5 其它电化学方法

2 5 1 电化学噪声法

电化学噪声是指在恒电位(或恒电流)控制下通过钢筋和混凝土界面上电流(或电极电位)的自发波动。电化学噪声法是以随机过程理论为基础,用统计方法来研究腐蚀过程中腐蚀电位或腐蚀电流自发变化规律的一种新颖的电化学研究方法。该方法的主要优点是测量时不干扰钢筋腐蚀体系,同时它的测量不受构件几何尺寸和形状的限制,甚至可以进行远距离的监测。但该方法也有很大的不足之处,外界环境中 非腐蚀噪音 引起的电位漂移对测定效果影响极大;测量速度较慢,数据分析复杂,以现在的技术还远不能

年第2812期

准确地定量测定钢筋锈蚀速率。2 5 2 混凝土电阻法

早期混凝土电阻法用于测定混凝土中含水量、孔径分布、水化速度等参数,70年代Stratfull首次提出钢筋锈蚀与混凝土电阻有关之后,引起了国内外学者的关注[26],旨在通过测量混凝土电阻来预测混凝土中的钢筋锈蚀状况。混凝土电阻的准确测定必须消除混凝土碳化、构件尺寸、电极布置、环境湿度等因素的影响。为此,相继出现了Wenner四探头法、传导元法(ConductCellMethod)及圆盘电极法(DiskElectrodeMethod)。同时,混凝土电阻法也只能用于定性判断钢筋锈蚀的可能性。

在国外文献中还发现了其它一些测定方法,如监测环技术、电流脉冲法、谐波法。如前面所述,监测环技术实际上是线性极化的应用,电流脉冲法实质为恒电量法的一种。谐波法是一种快速频谱分析技术,它在测量速度、数据处理方面比交流阻抗谱技术好,但对腐蚀体系扰动比较大且需专门的频谱分析仪。3 结 语

(1)分析法的应用有赖于建立合理适用的数学模型,物理法主要还停留在实验室阶段;电化学方法是一种反映其本质的有力手段,是今后的研究重点。

(2)除自然电位法、电化学噪声法外,其它电化学检测方法通过测量外加电信号(电位、电流或电量)引起钢筋腐蚀体系电化学行为的变化进行推算钢筋锈蚀速率,对钢筋/混凝土腐蚀体系均有干扰,其中恒电量法对体系干扰最小,谐波法、交流阻抗谱法次之。

(3)电化学检测方法中自然电位法最简单,应用广泛,可用于实验室研究和现场检

测,但不能定量地给出钢筋锈蚀程度或锈蚀

速度;交流阻抗谱法适合于实验室钢筋锈蚀机理研究;线性极化技术较适合混凝土中钢筋锈蚀的现场检测,但如何将极化电流限制在已知钢筋面积范围内还有待进一步研究;恒电量法理论上比线性极化技术更适合混凝土中钢筋锈蚀的检测,但还有赖实际应用的验证。

参考文献

1 BazantZP PhysicalModelforSteelCorrosioninConcreteSeaStructures-Theory JournalofStructuralDivision,AS-CE,1979,105(6):1137~1153

2 BazantZP PhysicalModelforSteelCorrosioninConcreteSeaStructures-Application,JournalofStructuralDivision,ASCE,1979,105(6):1155~1166

3 刘西拉,苗澎柯。混凝土结构中的钢筋腐蚀及其耐久性

计算。土木工程学报,1990(4)

4 肖从真.混凝土中钢筋腐蚀的机理研究及数论模拟方

法:[学位论文] 北京:清华大学,1995

5 牛荻涛,王庆霖,王林科.锈蚀开裂前混凝土中钢筋锈蚀

量的预测模型.工业建筑,1996(4)

6 牛荻涛,王庆霖,王林科.锈蚀开裂后混凝土中钢筋锈蚀

量的预测.工业建筑,1996(4)

7 邸小坛,周燕.大气环境下钢筋锈蚀规律的研究.见:第

四届全国混凝土耐久性学术交流会论文集,苏州,19968 惠云玲.混凝土结构中钢筋锈蚀程度评估及预测试验研

究.见:第四届全国混凝土耐久性学术交流会论文集,苏州,1996

9 森永繁.铁筋 腐食速度 基 铁筋 !-

建筑物 寿命预测 关 研究。清水建设研究报告,日本,1988年

10 龚洛书,柳春圃。混凝土的耐久性及其防护修补。北

京:中国建筑工业出版社,1990

11 侯宝隆,蒋之峰编译。混凝土的非破损检测。北京:中

国建筑工业出版社,1990

12 BrowneRD,etal Tongue海滩混凝土塔的海洋耐久性

调查报告。ConcreteintheOceans,Tech ReportNo 5,1980

13 武若耕司. !- 非破坏检查技术 钢材

腐食, !- 工学,1995,33(3):123~129

(下转第32页)

1m,以防一次浇灌混凝土过高,下部的混凝土浇捣不密实。水平施工缝留凹槽,施工中不得漏振。

(4)由于深圳地处亚热带,施工时温度高,混凝土水分蒸发得快,养护就显得尤其重

图3 内、外池壁连接(原外池壁配筋已够

)

要,浇水覆盖养护不得小于14d。

3 效 果

由于采用的设计方案合理,施工管理严格,在6个月工期内,土建部分完工,试水合格,经过两年的运行考察表明,外墙与底板均无裂缝产生,未发生渗漏,满足了工艺要求,并取得了明显的经济效益。

参考文献

1 给水排水工程结构设计手册.北京:中国建筑工业出版社,1984

2 黄国兴,惠荣炎编著.混凝土的收缩.北京:中国铁道部出版社,1990

图4 内、外池壁连接(原外池壁配筋不够)

凝土之前,应将原有混凝土上面的杂质除去、洗净,然后涂纯水泥浆二遍,再铺10mm厚的水泥砂浆(用原混凝土配合比,去掉石子),过0 5h左右再继续浇捣新混凝土,要控制砂浆的铺设不能过厚,以免形成一个强度较弱的接缝,而引起渗漏甚至开裂。

(3)第一次支模浇灌混凝土高度不超过

(上接第25页)

14 张伟平,张誉,张雄。钢筋锈蚀红外检测理论的研究.

结构工程师,1997(增刊):487~494

15 洪定海.水工钢筋混凝土中钢筋的腐蚀与保护.见:水

工钢筋混凝土耐久性专题讨论会论文选辑.198516 邸小坛,周燕.旧建筑物的检测加固与维护.北京:地震

出版社,1991

17 ChakrabartiSC,SharmaKN AssessmentofCorrosion

ofReinforcement:RevisedCriteriaforHal-fCellPotentialMethod TheIndianConcreteJournal,1995,69(4):237~239

18 GrimaldeG FactorsInfluencingElectrodePotentialof

SteelinConcrete Br Corros J.,1986,21(1)

19 SagoeKK,Crentsil,GlasserFR ElectrochemicalChar-acteristicsofReinforcedConcreteCorrosionasDeter-minedbyImpedanceSpectroscopy Br Corros J.,1992,27(2)

20 HachaniL,etal CharacterisationofSteel/ConcreteInterfaceby

ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy Br Corros J.,1994,29(2)

21 DhirRK,JonesMR,McCarthyMC.Measurementof

ReinforcementCorrosioninConcreteStructures ACIConcr J ,1991,25(1):15~19

22 GowersKR,MillardSG ProgrammableLinearPolarisa-tionMeterforDeterminationofCorrosionRateofRein-forcementinConcreteStructures Br Corros J ,1994,29(1)

23 FeliuS,GonzalezJA,AndradeMC Confinementof

ElectricalSigalforIn-situMeasurementofPolarizationResistanceinReinforcedConcrete ACIMater J ,1990,87(5):457~460

24 NewtonCJ,SykesJM AGalvanostaticPulseTechniquefor

InvestigationofSteelCorrosioninConcrete Corrs Sci ,1988,28(11):1051~1073

25 RodriguezPandGonzalezJA UseofCoulostaticMethod

forMeasuringCorrosionRatesofEmbeddedMetalinConcrete Mag Concr Res ,1994,46(167):91~9726 FeliuS,AndradeC,GonzalezJA NewMethodforIn-situMeasurementofElectricalResistivityofReinforcedConcrete Mater Const ,1996(29):362~365

年第2812期

混凝土中钢筋锈蚀的电化学检测方法

张伟平 张 誉 刘亚芹

(同济大学 200092)

摘 要:综合分析了混凝土中钢筋锈蚀的非破损检测方法,在此基础上,着重剖析了常用电化学检测方法

的优缺点、适用场合及其应用情况,指出了今后的发展方向。

关键词:混凝土 钢筋锈蚀 电化学方法

ELECTROCHEMICALMETHODSFORINVESTIGATIONOF

REINFORCEMENTCORROSIONINCONCRETE

ZhangWeiping ZhangYu LiuYaqin

(TongjiUniversity 200092)

Abstract :Basedoncomprehensiveanalysisofthenondestructivemethodsformeasurementofsteelcorrosionincon-crete,thecommonelectrochemicalmethodsarediscussedontheirapplication,meritsanddemerits Finallythetrendofdevelopmentispointedout

Keywords :concrete reinforcementcorrosion electrochemicalmethod

1 钢筋锈蚀非破损检测方法的综合分析

混凝土中钢筋锈蚀的非破损检测方法有分析法、物理法和电化学方法三大类。分析法根据现场实测的钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、有害离子的侵入深度及其含量、纵向裂缝宽度等数据,综合考虑构件所处的环境情况推断钢筋锈蚀程度;物理方法主要通过测定钢筋锈蚀引起电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来反映钢筋锈蚀情况;电化学方法通过测定钢筋/混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度。

分析法的应用有赖于建立合理可靠的钢筋锈蚀实用预测模型。为此,国内外学者进行了大量的试验研究、工程调查和理论分析。Bazant[1,2]根据化学反应动力学建立了海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀的理论数学模型;

no.文献[3]在Bazant的基础上,研究了混凝土中氧气和OH-离子的扩散规律,提出结构使用寿命的预测方法;肖从真等[4]从钢筋表面

氧气消耗着手,建立了横向裂缝引起的宏电池和混凝土碳化引起的微电池的计算模式;文献[5,6]基于腐蚀电化学理论,分别建立了锈蚀开裂前和开裂后钢筋锈蚀量的预测模型。文献[7~10]经过试验和调研,考虑混凝土保护层厚度、钢筋直径、纵向裂缝宽度等影响因素,获得了钢筋截面损失率的经验计算公式。目前为止,还没有既有充分理论依据、又全面考虑各种影响因素的实用数学模型,因此将分析法用于混凝土中钢筋锈蚀评估尚有不少工作要做。

作者:张伟平 男 25岁 博士生收稿日期:1998-04-06

用于混凝土中钢筋锈蚀检测的物理方法有电阻棒法[10]、涡流探测法[11]、射线法[11,12]、红外热像法[10]及声发射探测法[13]等。电阻棒法测量因钢筋锈蚀使钢筋截面积和表面状态发生变化引起的电阻值变化,利用导电原理间接推算钢筋的剩余面积。涡流探测法通过测定励磁电流与发生在钢筋内的次生波的相位关系来判断钢筋锈蚀状况。射线法拍摄混凝土中钢筋的X射线或 射线照片,直接观察钢筋的锈蚀情况。红外热像法通过测量混凝土表面的温度分布图分析钢筋锈蚀位置和程序。作者曾做过用红外热像仪检测钢筋锈蚀程度的试验,证实有一定效果。声发射探测法利用传感器接收钢筋锈蚀引起周围混凝土开裂释放的弹性应力波,确定钢筋发生锈蚀膨胀的确切位置。国外曾尝试将红外热像法和 射线法用于现场监测[15]。物理方法主要停留在实验室阶段。

[14]

混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程,电化学测量是反映其本质过程的有力手段,与分析法或物理方法相比,电化学方法还有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点,因此电化学检测方法得到了很大的重视和发展。在实验室已成功地用于检测混凝土试样中钢筋的锈蚀状况和瞬时锈蚀速度,并已开始尝试用于现场检测。电化学方法是混凝土中钢筋锈蚀无损检测的发展方向。2 常用电化学检测方法的述评

混凝土中钢筋锈蚀的电化学检测方法主要有自然电位法、交流阻抗谱技术和极化测量技术等。恒电量法、电化噪声法、混凝土电阻法、谐波法等也在发展中,但用于现场检测尚不多。表1给出了常用电化学检测方法在应用情况、检测速度、测量参数、干扰程度、适用性等方面的比较。

表1 常用电化学检测方法的比较

自然电位法

应用情况检测速度定性/定量干扰程度*

最广泛快定性无

交流阻抗法一般慢定量较小icorr实验室

线性极化法广泛较快定量小icorr现场

恒电量法电化学噪声法较少快定量微小icorr现场

较少较慢半定量无icorr**

混凝土电阻法一般较慢定性小icorr**

谐波法较少较慢定量较小icorr**

测量参数Eicorr适用性

实验室,现场

注:*系指对钢筋混凝土腐蚀体系的干扰;**指实验室和现场适用性都较差。

2 1 自然电位法

自然电位法是50年代末以来应用最广

泛的钢筋锈蚀检测方法。美、日、德、英、印度等国家制定了相应的标准,我国冶金部也公布了部颁标准[16]。各国标准不尽相同,详见表2。

混凝土中的钢筋与周围介质在交界面上相互作用形成双电层,并于界面两侧产生电位差,电位差大小能反映钢筋所处的状态,到目前为止尚无办法直接测得该电位值。自然电位法通过测定钢筋电极对参比电极的相对电位差来判明钢筋的锈蚀状况。自然电位法设备简单、价格便宜、操作方便,对混凝土中的钢筋腐蚀体系无干扰,实验室与现场检测均可采用。图1a为对钢筋混凝土试样进行测量的实验室装置示意图;自然电位法现场检测根据实际情况可采用单电极法或双电极电位梯度法,前者适用于钢筋端头外露的构件,后者适用于钢筋不外露的构件,参见图1b、图1c。自然电位法最大的缺点是只能从

年第2812期

热力学角度定性判断钢筋发生锈蚀的可能性,不能应用于定量测量;混凝土干燥或表面有非导电性覆盖层时,因不能形成回路不宜采

用自然电位法;钢筋电极电位受环境相对湿度、水泥品种、水灰比、保护层厚度、氯离子含量、碳化深度等因素的影响[18],因此这种评定

表2 美、日、德、中等国家自然电位法判别标准的比较

标准名称ASTMC876日本锈蚀诊断草案印度[17]

中国冶金部部颁标准中国冶金部部颁标准西德标准

测试方法单电极法单电极法单电极法单电极法双电极法双电极法

判别标准/mV

>-200,95%腐蚀;-200~-350,50%腐蚀;-300,不腐蚀;局部-300,95%腐蚀;-300~-450,50%腐蚀;-250,不腐蚀;-250~-400,可能腐蚀;

方法比较粗糙。作者认为只有在考虑各种因素对电极电位的影响建立更可靠的标准后,可

以结合其它检测方法综合评定钢筋锈蚀状态。

构来看,它不仅反映了钢筋的电化学行为,同时也反映了混凝土材料的性质。交流阻抗技术主要用于混凝土中钢筋锈蚀机理研究、钢筋锈蚀影响因素分析和混凝土修复方案的有效性验证[19,20]。

当然,交流阻抗谱技术也存在一些缺点,它的测量时间较长,所需仪器设备也较昂贵;对低速率腐蚀体系需要低频交流信号,因而测量有一定困难;在钢筋锈蚀的定量测量上不如线性极化法准确方便;试验数据处理繁杂,测量的阻抗谱与构件几何尺寸有关,不适合于现场检测。2 3 线性极化法

线性极化法是Stern和Geary于1957年提出并发展起来的一种快速而有效的腐蚀速度测试方法。这一方法以过电位很小时(

根据腐蚀电化学理论,在极化曲线的微极化区,极化电流与过电位成正比,且有

=icorrr[+]=babcRp(1a)即icorr=

babc =(1b)

2.303(ba+bc)RpRp

图1 自然电位法检测位置

(a)-实验室测量装置;(b)-单电极法检测;

(c)-双电极法检测

2 2 交流阻抗谱法

如果对电极施加一个小的交流信号并使之不改变电极体系的性质,则可认为输入与输出信号之间呈线性关系,这便是交流阻抗谱技术的理论基础。通过测量和对比输入与输出信号振幅及相位之间的关系来判定该电极体系的性质。

交流阻抗谱法是一种暂态频谱分析技术,施加的交流信号对腐蚀体系的影响较小。它不仅可确定出电极过程的各种电化学参数,而且可以确定出电化学反应的控制步骤。通过交流阻抗谱随时间的演变也可以研究电极过程的变化规律。从具体的钢筋混凝土结

这就是stern-Geary方程,式中I为极化电

流,rcorr为腐蚀电流, 为过电位,ba、bc分别是阳极和阴极过程的Tafel常数,Rp为极化电阻,B=

babc

。

2.303(ba+bc)

测得极化阻力Rp后,只要知道B值就

可采用先进的电子技术,测量恒电量激励下腐蚀电极极化电位随时间衰减的曲线,确定钢筋瞬时锈蚀速度。电流脉冲法简单地采用电容放电形成脉冲电流激励电量,其实质为恒电量法[24]。

电极体的电化学行为要用图3所示的等

效电路近似模拟。

可以计算出腐蚀电流icorr。混凝土中钢筋的B值准确测量很困难,通常近似取用钢筋在Ca(OH)2饱和溶液中的B

值。

图3 简单电极体系的等效电路

图2 线性极化技术现场检测装置示意

当对腐蚀体系施加一个小的激励电荷 Q时,它的电位将迅速移至 0。

0=CS

(2)

线性极化技术在试验研究与现场检测中应用广泛,测量方便快捷,试验室测试精度可与失重法不相上下[21],是主要的电化学检测手段。英国研制了程式化的线性极化测试设备,并用于现场检测,图2给出了线性极化技术现场检测装置示意图。线性极化技术也存在一些缺点,除上面提到的不能直接测定B值外,由于过电位小,相应的极化电流也小,混凝土孔隙溶液欧姆压降引起的误差较大,因此要求测试仪器精度较高且能补偿欧姆压降。且线性极化测量建立在已知钢筋表面积的基础上,这一定程度上限制了线性极化在现场检测中的应用,对新建建筑物而言,可以预埋已知钢筋面积的钢筋作为日常检测用;最近保护环(GuardRing)技术和外加参考电极(ExtraReferenceElectrodes)技术的应用又为其推广创造了条件,但对其可靠性褒贬不一。线性极化技术不能区分各个因素的影响,也就不能把电化学过程中的各个步骤清晰地分辨出来,但这并不影响其现场检测中的应用。2 4 恒电量法

恒电量测量技术仍属于极化测量的范畴,但是不同于控制电位或控制电流的方法,[23]

[22]

式中,C为腐蚀电极的电容;S为电极表面积; 0为初始极化电位。极化电位 0有恢复到Ecorr(平衡电位)的趋势,即随时间而松驰。测量受腐蚀介质电阻的影响小且对体系的扰动小,因此恒电量法测定钢筋低腐蚀速度理论上比线性极化更适合、更精确。虽然恒电量法目前在钢筋锈蚀研究中应用极少[25],但是一种值得研究的新技术。2 5 其它电化学方法

2 5 1 电化学噪声法

电化学噪声是指在恒电位(或恒电流)控制下通过钢筋和混凝土界面上电流(或电极电位)的自发波动。电化学噪声法是以随机过程理论为基础,用统计方法来研究腐蚀过程中腐蚀电位或腐蚀电流自发变化规律的一种新颖的电化学研究方法。该方法的主要优点是测量时不干扰钢筋腐蚀体系,同时它的测量不受构件几何尺寸和形状的限制,甚至可以进行远距离的监测。但该方法也有很大的不足之处,外界环境中 非腐蚀噪音 引起的电位漂移对测定效果影响极大;测量速度较慢,数据分析复杂,以现在的技术还远不能

年第2812期

准确地定量测定钢筋锈蚀速率。2 5 2 混凝土电阻法

早期混凝土电阻法用于测定混凝土中含水量、孔径分布、水化速度等参数,70年代Stratfull首次提出钢筋锈蚀与混凝土电阻有关之后,引起了国内外学者的关注[26],旨在通过测量混凝土电阻来预测混凝土中的钢筋锈蚀状况。混凝土电阻的准确测定必须消除混凝土碳化、构件尺寸、电极布置、环境湿度等因素的影响。为此,相继出现了Wenner四探头法、传导元法(ConductCellMethod)及圆盘电极法(DiskElectrodeMethod)。同时,混凝土电阻法也只能用于定性判断钢筋锈蚀的可能性。

在国外文献中还发现了其它一些测定方法,如监测环技术、电流脉冲法、谐波法。如前面所述,监测环技术实际上是线性极化的应用,电流脉冲法实质为恒电量法的一种。谐波法是一种快速频谱分析技术,它在测量速度、数据处理方面比交流阻抗谱技术好,但对腐蚀体系扰动比较大且需专门的频谱分析仪。3 结 语

(1)分析法的应用有赖于建立合理适用的数学模型,物理法主要还停留在实验室阶段;电化学方法是一种反映其本质的有力手段,是今后的研究重点。

(2)除自然电位法、电化学噪声法外,其它电化学检测方法通过测量外加电信号(电位、电流或电量)引起钢筋腐蚀体系电化学行为的变化进行推算钢筋锈蚀速率,对钢筋/混凝土腐蚀体系均有干扰,其中恒电量法对体系干扰最小,谐波法、交流阻抗谱法次之。

(3)电化学检测方法中自然电位法最简单,应用广泛,可用于实验室研究和现场检

测,但不能定量地给出钢筋锈蚀程度或锈蚀

速度;交流阻抗谱法适合于实验室钢筋锈蚀机理研究;线性极化技术较适合混凝土中钢筋锈蚀的现场检测,但如何将极化电流限制在已知钢筋面积范围内还有待进一步研究;恒电量法理论上比线性极化技术更适合混凝土中钢筋锈蚀的检测,但还有赖实际应用的验证。

参考文献

1 BazantZP PhysicalModelforSteelCorrosioninConcreteSeaStructures-Theory JournalofStructuralDivision,AS-CE,1979,105(6):1137~1153

2 BazantZP PhysicalModelforSteelCorrosioninConcreteSeaStructures-Application,JournalofStructuralDivision,ASCE,1979,105(6):1155~1166

3 刘西拉,苗澎柯。混凝土结构中的钢筋腐蚀及其耐久性

计算。土木工程学报,1990(4)

4 肖从真.混凝土中钢筋腐蚀的机理研究及数论模拟方

法:[学位论文] 北京:清华大学,1995

5 牛荻涛,王庆霖,王林科.锈蚀开裂前混凝土中钢筋锈蚀

量的预测模型.工业建筑,1996(4)

6 牛荻涛,王庆霖,王林科.锈蚀开裂后混凝土中钢筋锈蚀

量的预测.工业建筑,1996(4)

7 邸小坛,周燕.大气环境下钢筋锈蚀规律的研究.见:第

四届全国混凝土耐久性学术交流会论文集,苏州,19968 惠云玲.混凝土结构中钢筋锈蚀程度评估及预测试验研

究.见:第四届全国混凝土耐久性学术交流会论文集,苏州,1996

9 森永繁.铁筋 腐食速度 基 铁筋 !-

建筑物 寿命预测 关 研究。清水建设研究报告,日本,1988年

10 龚洛书,柳春圃。混凝土的耐久性及其防护修补。北

京:中国建筑工业出版社,1990

11 侯宝隆,蒋之峰编译。混凝土的非破损检测。北京:中

国建筑工业出版社,1990

12 BrowneRD,etal Tongue海滩混凝土塔的海洋耐久性

调查报告。ConcreteintheOceans,Tech ReportNo 5,1980

13 武若耕司. !- 非破坏检查技术 钢材

腐食, !- 工学,1995,33(3):123~129

(下转第32页)

1m,以防一次浇灌混凝土过高,下部的混凝土浇捣不密实。水平施工缝留凹槽,施工中不得漏振。

(4)由于深圳地处亚热带,施工时温度高,混凝土水分蒸发得快,养护就显得尤其重

图3 内、外池壁连接(原外池壁配筋已够

)

要,浇水覆盖养护不得小于14d。

3 效 果

由于采用的设计方案合理,施工管理严格,在6个月工期内,土建部分完工,试水合格,经过两年的运行考察表明,外墙与底板均无裂缝产生,未发生渗漏,满足了工艺要求,并取得了明显的经济效益。

参考文献

1 给水排水工程结构设计手册.北京:中国建筑工业出版社,1984

2 黄国兴,惠荣炎编著.混凝土的收缩.北京:中国铁道部出版社,1990

图4 内、外池壁连接(原外池壁配筋不够)

凝土之前,应将原有混凝土上面的杂质除去、洗净,然后涂纯水泥浆二遍,再铺10mm厚的水泥砂浆(用原混凝土配合比,去掉石子),过0 5h左右再继续浇捣新混凝土,要控制砂浆的铺设不能过厚,以免形成一个强度较弱的接缝,而引起渗漏甚至开裂。

(3)第一次支模浇灌混凝土高度不超过

(上接第25页)

14 张伟平,张誉,张雄。钢筋锈蚀红外检测理论的研究.

结构工程师,1997(增刊):487~494

15 洪定海.水工钢筋混凝土中钢筋的腐蚀与保护.见:水

工钢筋混凝土耐久性专题讨论会论文选辑.198516 邸小坛,周燕.旧建筑物的检测加固与维护.北京:地震

出版社,1991

17 ChakrabartiSC,SharmaKN AssessmentofCorrosion

ofReinforcement:RevisedCriteriaforHal-fCellPotentialMethod TheIndianConcreteJournal,1995,69(4):237~239

18 GrimaldeG FactorsInfluencingElectrodePotentialof

SteelinConcrete Br Corros J.,1986,21(1)

19 SagoeKK,Crentsil,GlasserFR ElectrochemicalChar-acteristicsofReinforcedConcreteCorrosionasDeter-minedbyImpedanceSpectroscopy Br Corros J.,1992,27(2)

20 HachaniL,etal CharacterisationofSteel/ConcreteInterfaceby

ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy Br Corros J.,1994,29(2)

21 DhirRK,JonesMR,McCarthyMC.Measurementof

ReinforcementCorrosioninConcreteStructures ACIConcr J ,1991,25(1):15~19

22 GowersKR,MillardSG ProgrammableLinearPolarisa-tionMeterforDeterminationofCorrosionRateofRein-forcementinConcreteStructures Br Corros J ,1994,29(1)

23 FeliuS,GonzalezJA,AndradeMC Confinementof

ElectricalSigalforIn-situMeasurementofPolarizationResistanceinReinforcedConcrete ACIMater J ,1990,87(5):457~460

24 NewtonCJ,SykesJM AGalvanostaticPulseTechniquefor

InvestigationofSteelCorrosioninConcrete Corrs Sci ,1988,28(11):1051~1073

25 RodriguezPandGonzalezJA UseofCoulostaticMethod

forMeasuringCorrosionRatesofEmbeddedMetalinConcrete Mag Concr Res ,1994,46(167):91~9726 FeliuS,AndradeC,GonzalezJA NewMethodforIn-situMeasurementofElectricalResistivityofReinforcedConcrete Mater Const ,1996(29):362~365

年第2812期