简析电化学电位法检测混凝土中钢筋锈蚀的技术方法

简析电化学电位法检测混凝土中钢筋锈蚀的技术方法

吕会喜

（北京中地远大勘测科技有限公司 ）

 

摘要：混凝土中钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要问题，也是建筑物安全鉴定过程中经常遇到的问题。结合工程结构安全检测实践，介绍了运用电位法对混凝土中钢筋锈蚀进行检测的原理、方法、评价及应用效果，并对提高混凝土中钢筋锈蚀检测的可靠性。

关键词：混凝土结构、电化学电位、锈蚀、耐久性

 

Analysis of electrochemical potential assay steel corrosion in concrete technical methods

Lv Huixi

Langfang Geotechnical Engineering Detection Technology Development Co., Ltd.HebeiLanglang  065000

 

Abstract: steel corrosion in concrete structures that affect the durability of reinforced concrete is an important issue, but also building safety assessment process frequently encountered problems. Structural safety testing combined with engineering practice, introduces the use of potentiometric method for concrete reinforcement corrosion detection principles, methods, evaluation and application of results, and improve the concrete reinforcement corrosion detection reliability.

Keywords: concrete structure, electrochemical potential, corrosion, durability

 

0 前言

混凝土中钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要问题，也是建筑物安全鉴定过程中经常遇到的问题。多年来，许多工程由于耐久性不良引起的工程损坏事例不断发生，由此带来的工程损失和处理费用也迅速增加，相应的经济损失已不可忽视。在建筑物安全鉴定过程中，常遇到房屋、大坝、港口、渡槽、桥梁等钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀开裂，混凝土保护层脱落的现象很多，使得结构承载力下降，有些危及安全，必须引起高度重视。

混凝土结构中钢筋锈蚀对混凝土结构性能的主要影响有几个方面：首先，钢筋锈蚀直接使钢筋截面减小，从而使钢筋的承载力下降，极限延伸率减少；其次，钢筋锈蚀产生的体积比锈蚀前的体积大得多，体积膨胀压力使钢筋外围混凝土产生拉应力，发生顺筋开裂，引起混凝土保护层剥落等现象，直接影响结构的安全度、承载力和耐久性都严重影响；再次，钢筋锈蚀使钢筋与混凝土之间的粘结力下降。通常对已建的结构进行结构鉴定和可靠性诊断时，必须对钢筋锈蚀状况进行检测。

1.检测技术

1.1检测原理

目前国内通常进行定性测量，常用的方法是电化学电位法、电阻率测试法。混凝土结构钢筋锈蚀是指钢筋接触到潮湿的空气中的气体如CO₂或水分等液体后发生金属氧化的化学反应的过程。钢筋在混凝土中锈蚀使钢筋形成局部电池，而在钢筋周围形成电位差是一种电化学过程。钢筋腐蚀是由于在混凝土中形成了腐蚀微电池：阳极是进行氧化反应的金属，即发生锈蚀的钢筋部位，失去电子，阴极进行还原反应，得到电子，电解液是混凝土的孔溶液，传输电子，使阴极和阳极连接起来。钢筋和混凝土可以看作是半个弱电池组，钢筋的作用是一个电极，而混凝土是电解质，这就形成电化学电位检测法。

利用电化学电位原理是定性判断混凝土中钢筋锈蚀程度的一种方法。当混凝土中的钢筋锈蚀时，钢筋表面便有腐蚀电流，钢筋表面与混凝土表面间存在电位差，根据电位差的大小与钢筋锈蚀程度产生电位梯度大小，运用电位测量设备，可大致判断钢筋锈蚀的范围及是否锈蚀或锈蚀的严重程度。

混凝土构件中的钢筋腐蚀是一种电化学过程的电荷（电子和离子）的流动。在活性位点上，被称为阳极，铁原子失去电子进入亚铁离子周围的混凝土。这个过程被称为半电池的氧化反应或阳极反应，并表示为： 2Fe → 2Fe²⁺ + 4e^-；混凝土中的钢筋和保护层中的电子称为阴极，在混凝土中含有水和氧气，该反应在阴极的还原反应，还原反应是：2H₂O + O₂ + 4e^- → 4OH^-；为了维持电子中性，亚铁离子转移通过这些阴极的电子，他们结合起来形成铁的氢氧化物或生锈的混凝土孔隙水：2Fe²⁺ + 4OH^- → 2Fe(OH)₂。因此，电位值可以评估钢筋锈蚀状态。

1.2检测方法

检测前，电化学电位法的原理要求混凝土成为电解质，因此必须对钢筋混凝土结构的表面进行预先润湿。采用液体清洁剂加上饮用水充分混合构成的液体润湿海绵和混凝土结构表面。检测时，保持混凝土湿润，但表面不存有自由水。

目前，依据电化学方法进行钢筋锈蚀的检测仪器，如DJXS-05钢筋锈蚀测定仪一般配备一个金属电极，一个硫酸铜电极，金属电极与钢筋连接（需凿开混凝土保护层），硫酸铜电极在混凝土表层测量。首先利用无损检测方法确定一根钢筋的位置，然后凿除钢筋保护层部分的混凝土，使钢筋外露，再进行连接。连接时要求打磨钢筋表面，除去锈斑。

  检测时，根据用钢筋定位仪测定的钢筋分布确定测线及测点，测点的间距为10～20cm。用钢筋锈蚀测定仪逐个读取每条测线上各测点的电位值，在至少观察3min时，电位读数保持稳定浮动不过±0．02V时，即认为电位稳定，可以记录测点电位。

1.3测试技术要点

（1）、电化学电位法的测区及测点布置要求：

应根据构件的环境差异及外观检查的结果来确定测区，测区应能代表不同环境条件和不同的锈蚀外观表征，每种条件的测区数量不宜少于3个。

在测区上布置测试网格，网格节点为测点，网格间距可为200㎜×200㎜、300㎜×300㎜或200㎜×100㎜等，测试面积根据构件尺寸确定；测区中的测点数不宜少于20个；测点与构件边缘的距离应不大于50mm。测区应统一编号，注明位置，并描述其外观情况。

（2）、电化学电位法检测操作应注意以下几点：

电极铜棒应清洁、无明显缺陷；混凝土表面应清洁，无涂料、浮浆、污物或尘土等，测点处混凝土应湿润；保证仪器连接点钢筋与测点钢筋连通；测点读数应稳定，电位读数变动不过2mV；同一测点同一枝参考电极重复读数差异不得过10mv，同一测点不同参考重复读数差异不得过20mv；应避免各种电磁场的干扰。

2.评价准则及结果

    钢筋电位与钢筋锈蚀状况的判别             

按照构件部位一定的比例绘出测区平面图，标出相应测点位置的钢筋锈蚀电位，得到数据阵列；绘出电位等值图，通过数值相等各点或内插各等值点绘出等值线，等值线差值宜为100mV。

3.混凝土中钢筋锈蚀的影响因素

3.1氯离子的影响

混凝土浇注后，水泥的水化反应产生强碱环境，此时钢筋会发生氧化反应（又称钝化反应），从而在钢筋的外表面产生一层致密的氧化层，就是常说的钝化膜。混凝土的强碱性环境（pH值为12〜13）提供钢筋腐蚀保护。在高pH值，对钢筋形成一层很薄的氧化层，防止金属原子溶解。完整的钝化膜能够将钢筋和外部环境隔离开来，阻止钢筋的锈蚀。对于混凝土中的钢筋，被动的腐蚀速率通常是每年0.1微米。没有钝化膜，钢筋腐蚀速率高出至少1000倍。

由于钢筋混凝土的固有的保护，不会腐蚀大多数的元件和结构。可能会发生腐蚀时，钝化层被破坏。钝化层的破坏发生时，减少或在混凝土中的氯离子浓度提高到一定程度时，混凝土的碱度变化。

当混凝土受外力破坏或化学侵蚀造成钝化膜局部消失时，失去保护的钢筋在具有氧气和水的环境中就会逐渐发生锈蚀。主要常见的因素：首先，氯化物渗透到钢筋表面后，C1^-的局部酸化作用使钢筋表面PH值下降，导致钝化膜的破坏。其次， 一般混凝土构件都是用来承受压力、拉力、剪切力等力的作用；当应力作用使钢筋表面发生裂纹，就会导致钝化膜的破坏，而且钢筋周围没有从新产生钝化膜的强碱环境时，钢筋失去保护，会加速钢筋的锈蚀。再次，混凝土碳化反映是环境气体中的二氧化碳向混凝土内部扩散，当混凝土中含有水分时，产生酸性环境，造成锈蚀发生的可能。后，混凝土处于酸性环境中时，离子渗透作用会逐渐改变钢筋周围的PH环境，当PH值低于10的时候，钝化膜被加速破坏，锈蚀发生。

3.2碳化的影响

混凝土碳化时，从空气中的二氧化碳和氢氧化物，如氢氧化钙反应，形成碳酸盐。在该反应中使用氢氧化钙，碳酸钙的形成过程： Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O该反应使混凝土的孔隙溶液的pH值降低，导致钝化膜是不稳定或破坏。

碳化通常是一个缓慢的过程。在混凝土中，据估计碳化会高达每年1.0毫米的速率进行。碳化是高度依赖于混凝土的相对湿度，发生率高的碳化时，相对湿度应保持在50％和75％之间。相对湿度低于25％，碳化程度的发生被认为是微不足道的。碳化腐蚀常发生于暴露降雨，遮挡阳光的建筑外立面部位，并有较小的钢筋混凝土厚度的。

因此，混凝土碳化会引起钢筋锈蚀，混凝土碳化到钢筋部位，钢筋失去了混凝土钝化膜保护，会逐渐生锈，钢筋生锈后体积膨胀，会引起混凝土沿钢筋开裂；混凝土裂缝的开展，反过来又促使钢筋更快锈蚀，尤其是当环境湿度较大，周围存在有害介质时，这种恶性循环速度显著加快。

4.不同钢筋锈蚀测试技术的结合使用

各种钢筋锈蚀的检测技术，都具有各自的特点。但是目前还没有找到一种有效的方法可以既能判断锈蚀的位置，又能准确地判断出锈蚀量的，还能建立钢筋锈蚀量和构件承载性能之间的关系，为此，可以综合应用分析法、物理法、电化学方法，确定构件中钢筋的锈蚀程度。例如，混凝土电阻率的测定和电化学电位图相结合，将使钢筋的锈蚀检测更加准确。必要时应结合剔凿或钻孔检查，测量具体锈蚀部位的保护层厚度；观察钢筋锈蚀程度、测算出锈蚀面积比；对于全面锈蚀的情况，检测钢筋的截面损失率。

5.小结

由于电化学电位法是一种测试混凝土中钢筋锈蚀概率的半破损检测方法。通过结构测试结果的电位分布，结合已知的环境因素，可以判断结构锈蚀性和非锈蚀区，从而对建筑物的安全评估、维护和加固处理工作起到指导作用。该法测试过程简单，发展较为成熟，有广阔的应用前景。为进一步推广、普及该项技术的应用，各科研和检测同仁，一方面要结和积累电化学电位法在工程中的检测经验，另一方面要加强评价准则的研究，拓展评估测试混凝土中钢筋锈蚀状态的手段。

参考文献:

[1] 混凝土的非破损检测.候宝隆，蒋之峰编译.地震出版社，1992

[2] 建筑工程质量检测技术手册.侯伟生主编.建筑工业出版社，2003

[3] 建筑结构检测技术标准.GB/T50344-2004

[4] 混凝土中钢筋检测技术规程.JGJ/T 152-2008