水泥混凝土中鋼筋腐蝕檢測方法的分析探討

摘要 在潮濕、侵蝕介質(zhì)含量較多的環(huán)境中，混凝土鈍化膜會逐漸被破壞，繼而引起鋼筋銹蝕及整體結(jié)構(gòu)的破損。文章基于實(shí)際工況設(shè)計混凝土模擬液開展極化電阻法的鋼筋腐蝕分析，主要對氯離子、硫酸根離子、耦合物中的電流密度、失重率指標(biāo)進(jìn)行腐蝕評價。結(jié)果表明，相關(guān)性隨著電流密度的減小而表現(xiàn)得越好（0.85以上），電流腐蝕密度和失重率之間的變化規(guī)律呈一致性，低電流密度下，兩者的相關(guān)性較好，采取電流密度進(jìn)行鋼筋腐蝕評價具有較高的精確性。

關(guān)鍵詞 鋼筋腐蝕;電化學(xué)檢測;腐蝕評價

中圖分類號 TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）09-0150-03

引言

鋼筋腐蝕在工程行業(yè)中極其常見，鋼筋腐蝕往往產(chǎn)生體積膨脹，繼而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯裂縫，長周期面臨復(fù)雜環(huán)境下，結(jié)構(gòu)的承載強(qiáng)度降低、變形擴(kuò)大。鋼筋腐蝕引起的結(jié)構(gòu)早期破壞是工程行業(yè)的普遍災(zāi)害，根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，鋼筋腐蝕占材料腐蝕總量的50%，鋼筋腐蝕引發(fā)的結(jié)構(gòu)開裂、坍塌等病害占工程行業(yè)重大危害的80%。針對鋼筋腐蝕病害進(jìn)行有效測試及評估能夠準(zhǔn)確直觀地反映出結(jié)構(gòu)的既有運(yùn)行情況及穩(wěn)定系數(shù)，采取科學(xué)的鋼筋腐蝕檢測技術(shù)對工程行業(yè)的發(fā)展有明顯的社會及經(jīng)濟(jì)價值。

1 混凝土中鋼筋腐蝕的影響因素

在高堿性環(huán)境中，鋼筋表面會形成保護(hù)性鈍化膜，對于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有積極作用。但是在外界復(fù)雜環(huán)境因素影響下，混凝土孔隙液的pH值會不斷下降，氯鹽濃度提升，造成鋼筋鈍化膜破壞，鋼筋的表面形態(tài)也會受到一定影響。鋼筋腐蝕影響因素可以分為氯離子腐蝕和碳化腐蝕兩種。

1.1 氯離子、硫酸根離子腐蝕

鋼筋混凝土中氯離子、硫酸根離子的進(jìn)入主要分為以下幾種途徑：混凝土骨料（砂、碎石）并沒有經(jīng)過仔細(xì)檢查，其中存在一定濃度的氯離子、硫酸根離子;砂、石、水泥、水等原材料在配制混凝土過程中存在空隙，為后續(xù)氯鹽、硫酸鹽的擴(kuò)散提供通道;混凝土在使用周期內(nèi)，表面存在荷載破壞裂縫，氯離子、硫酸根離子由裂縫達(dá)到鋼筋結(jié)構(gòu)表面，隨著氯離子、硫酸根離子濃度的不斷擴(kuò)大，鋼筋鈍化膜就會產(chǎn)生破壞，鋼筋隨之產(chǎn)生腐蝕。

1.2 混凝土的碳化

混凝土碳化主要指空氣中的二氧化碳通過孔隙向混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴(kuò)散，并且和混凝土堿性物質(zhì)產(chǎn)生中和反應(yīng)的過程。鋼筋表面存在保護(hù)鈍化膜，持續(xù)的碳化將會使得堿性保護(hù)膜喪失原有作用。尤其當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)暴露在工業(yè)污染嚴(yán)重的環(huán)境中時，二氧化碳等酸性氣體就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)堿性下降（pH從12～14下降到8～9），此時鋼筋鈍化膜就會分解，混凝土介質(zhì)也會和孔隙通道中的水、氧氣等反應(yīng)生成氧化鐵，伴隨大量的脆性多孔，鋼筋腐蝕程度會不斷加劇。

2 電化學(xué)檢測方法

混凝土鋼筋腐蝕檢測技術(shù)中最常用的是電化學(xué)檢測技術(shù)，該技術(shù)能夠高效地判斷鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的可能性、電阻及腐蝕速度。作為化學(xué)、電學(xué)反應(yīng)的相互融合技術(shù)，電化學(xué)測試技術(shù)能夠?qū)ρ趸€原產(chǎn)生的電流、電位等進(jìn)行檢測，主要可以分為半電池電位法、極化電阻法、混凝土電阻率法三種。

2.1 半電池電位法

半電池電位法主要對參比電池和鋼筋之間的電位差進(jìn)行測試，其中，參比電池由硫酸銅/銅構(gòu)成，腐蝕鋼筋在表面會形成陰極、陽極區(qū)。不同電位差區(qū)域之間則會產(chǎn)生一定的電流，通過大量數(shù)據(jù)的采集，則可以區(qū)分出陰極區(qū)和陽極區(qū)，繼而實(shí)現(xiàn)鋼筋腐蝕位置的判定。

2.2 極化電阻法

極化電阻法主要進(jìn)行混凝土鋼筋腐蝕速度的測定，腐蝕時的極化電阻測量能夠?qū)︿摻钏矔r腐蝕速率進(jìn)行測量。極化電阻法原理則是腐蝕電位附近的電流電壓呈現(xiàn)直線狀，其線性斜率為極化電阻，主要反映鋼筋的腐蝕狀態(tài)。該方法能夠高效獲取腐蝕電流，試驗(yàn)開展往往只需要數(shù)分鐘，且能夠?qū)崿F(xiàn)腐蝕狀態(tài)的實(shí)時測定。由于電位施加幅度偏小，測量幾乎不會對腐蝕速度造成影響，能夠開展重復(fù)試驗(yàn)。

2.3 混凝土電阻率法

混凝土電阻率法主要開展鋼筋混凝土的電阻率檢測，電阻率與鋼筋混凝土腐蝕程度之間呈反比例關(guān)系，混凝土的電阻率隨著鋼筋腐蝕程度的加快而降低，電阻率和環(huán)境相對濕度密切相關(guān)?；炷岭娮杪史ň邆漭^大的應(yīng)用局限性，主要受到混凝土層電阻率、粗骨料差異、鋼筋、測試探頭、環(huán)境相對溫濕度的影響，極容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤判。

3 混凝土鋼筋腐蝕評價分析

新拌混凝土鋼筋在高堿性情況下極容易產(chǎn)生鈍化膜，鋼筋在此過程中不會腐蝕。隨著結(jié)構(gòu)使用周期的延長，鋼筋混凝土中氯離子、硫酸根離子及兩種離子的耦合物會不斷擴(kuò)散，對鋼筋造成一定程度的腐蝕。當(dāng)前快速直觀評價鋼筋腐蝕的方法是失重法，但是鋼筋取樣會造成整體結(jié)構(gòu)的破壞，且測試過程較為復(fù)雜。該文主要采取極化電阻方法進(jìn)行鋼筋腐蝕的評價，且配合失重率分析作為依據(jù)。試驗(yàn)需要開展實(shí)際的氯離子、硫酸根離子濃度的腐蝕環(huán)境模擬，有助于為當(dāng)?shù)毓こ烫峁┍匾匿摻罡g處理措施[1]。

3.1 試驗(yàn)條件

3.1.1 實(shí)際環(huán)境

某地水泥混凝土路面起終點(diǎn)K1+120～K1+150段存在大量的路面結(jié)構(gòu)破壞情況，經(jīng)過現(xiàn)場檢測，內(nèi)部鋼筋腐蝕程度較高。該試驗(yàn)對該路段地質(zhì)環(huán)境中的氯離子、硫酸根離子濃度進(jìn)行了取樣分析工作，繼而對該地的氯化物、硫酸鹽類腐蝕環(huán)境進(jìn)行模擬。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室檢測，氯離子、硫酸根離子濃度分布極其不均勻，該地水泥混凝土路面南部的濃度要低于北部，且該路段為典型的鹽漬土集中地帶。試驗(yàn)采取氯離子濃度800～2 670 mg/l、硫酸根離子濃度1 100～5 100 mg/l作為參考值，為后續(xù)的鋼筋腐蝕提供依據(jù)。

3.1.2 模擬液配置

鋼筋混凝土中的鋼筋在自然環(huán)境中腐蝕過程極其緩慢，即便在一些極端周圍環(huán)境中，鋼筋的腐蝕評價工作也需要耗費(fèi)大量的人力成本，試驗(yàn)采取混凝土模擬液來取代真實(shí)環(huán)境中的混凝土內(nèi)部孔隙液，通過直接讓鋼筋處在侵蝕性介質(zhì)的溶液中，實(shí)現(xiàn)高效的鋼筋腐蝕目的。除此之外，混凝土鋼筋在干濕交替循環(huán)的模擬環(huán)境中，相對于自然浸水情況，鋼筋的腐蝕程度也會更高?；诖耍囼?yàn)以實(shí)際侵蝕性離子濃度分布范圍為基礎(chǔ)，開展混凝土模擬液干濕交替循環(huán)試驗(yàn)來進(jìn)行鋼筋腐蝕評價，著重針對三種模擬液（氯離子、硫酸根離子、兩種離子偶合物）進(jìn)行分析。試驗(yàn)對于混凝土高堿性孔隙液環(huán)境的模擬，采取表1所示不同組分進(jìn)行配制，其中pH控制為14。針對上述該水泥混凝土路面破壞程度較高的情況，選取實(shí)際配置模擬液氯離子濃度為500～2 400 mg/l范圍內(nèi)，硫酸根離子濃度為1 000～5 000 mg/l范圍內(nèi)[2]。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)選取HRB400E鋼筋（直徑15 mm）制成工作電極，并且采取切割技術(shù)將其制成高度6 cm的圓柱結(jié)構(gòu)，繼而進(jìn)行結(jié)構(gòu)鉆孔及銅導(dǎo)線穿入，采取環(huán)氧樹脂進(jìn)行銅導(dǎo)線、鋼筋之間的相互固定，實(shí)現(xiàn)銅導(dǎo)線、鋼筋的緊密接觸，鋼筋上下表面也需要采取環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封處理。鋼筋腐蝕之后則需要進(jìn)行酒精的表面去污化處理，進(jìn)行低溫干燥及烘干處理。試驗(yàn)為考慮干濕循環(huán)的加速試驗(yàn)，首先將鋼筋浸泡在上述模擬環(huán)境中達(dá)10 h;其次取出鋼筋放置于室溫、濕度30%的干燥環(huán)境中達(dá)10 h，循環(huán)試驗(yàn)設(shè)定為20 h為一個周期，需要進(jìn)行64個周期。圖1為循環(huán)試驗(yàn)示意圖。

試驗(yàn)結(jié)束后，則需要開展腐蝕鋼筋的極化曲線測試，掃描范圍設(shè)定為自腐蝕電位的±100 mV，控制掃描速度為0.1 mV/s，試驗(yàn)用極化曲線進(jìn)行擬合處理，以便獲取電流密度，并且對腐蝕鋼筋進(jìn)行失重率分析[3]。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 不同模擬液中電化學(xué)評價

圖2為鋼筋在干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束之后所獲取的極化曲線擬合電流密度結(jié)果，具體如表2所示。此時由于鋼筋腐蝕程度較高，試驗(yàn)不采取腐蝕電位作為腐蝕評價參考。

圖3為干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束之后的腐蝕電流密度分布圖，圖中結(jié)果表明，氯離子、硫酸根離子、耦合物的濃度擴(kuò)增造成模擬液中鋼筋腐蝕電流密度呈不斷增大的趨勢;其中，腐蝕電流密度增長階段，氯離子的腐蝕程度最為顯著，且耦合物的腐蝕程度居中，硫酸根離子的腐蝕程度最差;考慮耦合物溶液及硫酸根離子溶液具備相同的硫酸根離子濃度，通過對比兩種腐蝕液的電流密度可知，耦合物的電流密度要稍高于硫酸根離子，這表明，氯離子具備促進(jìn)硫酸根離子腐蝕的效果。氯離子腐蝕效果主要?dú)w因于：氯離子濃度的提升會造成鋼筋表面的氫氧根、氯離子濃度提升，鋼筋鈍化膜也隨之加速破壞，鋼筋鈍化區(qū)及鈍化破壞區(qū)之間會形成小陽極、大陰極電池結(jié)構(gòu)，且腐蝕離子整體上起到催化作用，鋼筋則會加速腐蝕[4]。

3.3.2 不同模擬液中失重率評價

表3為干濕循環(huán)試驗(yàn)后鋼筋的腐蝕失重率統(tǒng)計，結(jié)果表明，腐蝕失重率隨著氯離子、硫酸根離子、耦合物濃度的提升而不斷增大;三種侵蝕液鋼筋試驗(yàn)后腐蝕程度在氯離子溶液中最為顯著，其次為耦合物溶液，最后則為硫酸根離子溶液。

4 結(jié)論

鋼筋腐蝕病害在短期內(nèi)難以發(fā)現(xiàn)，后續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞時則會造成修復(fù)難度大、成本高的缺陷。該文采取混凝土模擬液進(jìn)行鋼筋腐蝕環(huán)境模擬，采用極化曲線獲取電流腐蝕密度，并且進(jìn)行失重率分析。其中，三種侵蝕溶液中的電流密度、失重率相關(guān)性隨著電流密度的減小而表現(xiàn)的越好（0.85以上），電流腐蝕密度和失重率之間的變化規(guī)律呈一致性。在鋼筋腐蝕初期，采取電流腐蝕密度進(jìn)行鋼筋腐蝕程度的評價具備較高的精確性，采取電流密度進(jìn)行評價具備簡便、實(shí)用的優(yōu)勢，能夠?yàn)楣こ讨谢炷龄摻罡g提供必要的防護(hù)參照。

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收稿日期：2022-03-09

作者簡介：李紹海（1987—），男，本科，工程師，研究方向：試驗(yàn)檢測。