混凝土中鋼筋腐蝕的電化學機理及監(jiān)測技術(shù)研究

1、混凝土中鋼筋腐蝕的電化學機理及監(jiān)測技術(shù)研究劉巧玲(廣東省地質(zhì)勘查局七六地質(zhì)大隊【摘 要】混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速度的監(jiān)測是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性性能需要監(jiān)測的重要內(nèi)容之一,是對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性性能劣化進行定量評價的基礎(chǔ)。本文針對混凝土中鋼筋腐蝕的機理及其長期監(jiān)測技術(shù)進行一定的總結(jié)和探討?！娟P(guān)鍵詞】混凝土 鋼筋腐蝕 機理 監(jiān)測技術(shù)研究 1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化的原因 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化的原因主要有混凝土材料自身的腐蝕和鋼筋腐蝕兩大類,其中鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命的最重要的因素。鋼筋的銹蝕會導致鋼筋混凝土構(gòu)件承載力下降和延性的降低,從而影響整個結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,嚴重的銹蝕甚

2、至會導致結(jié)構(gòu)的破壞。2 混凝土中鋼筋腐蝕的電化學機理 和其他鋼材腐蝕一樣,引起鋼筋腐蝕的主要化學變化是電化學反應,即在鋼筋表面不同電位區(qū)段形成陽極和陰極;并且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,在陰極部位的鋼筋表面存在足夠的水和氧。鋼筋腐蝕電化學反應方程和示意圖如圖1所示:圖1 鋼筋電化學反應示意圖在陽極的反應為:Fe Fe 2+2e在陰極的反應為:H 2O +21O 2+2e 2(OH -陰極、陽極反應生成的鐵離子和氫氧根離子結(jié)合生成氫氧化亞鐵:Fe 2+2(OH-Fe( OH2氫氧化亞鐵與水中的氧作用可生成氫氧化鐵:4Fe(OH2+O 2+2H 2O 4Fe(OH3 鋼筋電

3、化學反應中生成的物質(zhì)就是俗稱的鐵銹,鐵銹是完全喪失鋼材原有力學性能的分離物,造成結(jié)構(gòu)鋼筋斷面面積的減損,并且其體積為鐵體積的26倍,產(chǎn)生后會導致混凝土保護層開裂、剝落,使水分更容易進入,促使腐蝕加快發(fā)展。 3 鋼筋腐蝕的電化學監(jiān)測技術(shù) 混凝土中鋼筋腐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,與分析法或物理法相比,電化學方法還有測試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測量等優(yōu)點,因而電化學檢測方法得到了很大的重視和發(fā)展。目前在試驗室中較常用的電化學檢測方法主要有:半電池電位法、線性極化法、電化學噪聲法等,其中半電池電位法和線性極化法應用最為廣泛,但半電池電位法只能定性的判斷鋼筋腐蝕

4、的腐蝕概率,不能直接得出鋼筋的腐蝕速度;線性極化法是根據(jù)著名的Stern 公式發(fā)展起來的一種鋼筋腐蝕速度測量方法,它具有簡單、快速、無損的特點,可通過儀器在混凝土構(gòu)件外部檢測混凝土試樣中鋼筋的腐蝕狀態(tài)和瞬時腐蝕速度。 但是,上述鋼筋腐蝕的檢測的方法,操作時都需要將外部測量探頭或參比電極放置于混凝土構(gòu)件上,對于測量部位較多和需要長時間監(jiān)測的重要建筑來講,其工作量巨大;并且測量結(jié)果易受外界因素的干擾。因此如何將外部檢測裝置埋入混凝土內(nèi)部,使之能夠適用長期監(jiān)測的需要是應用電化學方法進行混凝土內(nèi)鋼筋監(jiān)測的關(guān)鍵。(1半電池電位監(jiān)測。半電池電位法是一種較為成熟的方法,具有簡單、易行、經(jīng)濟等特點。它是通過采

5、用半電池電位計測量混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕電位,從而判斷混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕風險,但是測出鋼筋的腐蝕電位值并不能直接反映鋼筋的腐蝕速度。利用半電池電位法進行鋼筋腐蝕監(jiān)測時,一般在鋼筋附近埋入永久性的參比電極,然后利用外接的高阻抗電壓表來讀出鋼筋腐蝕電位,具體裝置如圖2所示。圖2 半電池電位測試裝置圖(2埋入式參比電極研究。在利用電化學技術(shù)測量鋼筋腐蝕數(shù)據(jù)時,參比電極的選擇是十分重要的,目前常用的外部參比電極是硫酸銅參比電極和氯化銀電極,但由于它們都是液體溶液,因此在發(fā)展鋼筋腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)時,首先要研制能夠埋入混凝土內(nèi)部的固體參比電極,通過在砂漿內(nèi)埋置二氧化錳、氧化鐵合金和石墨探頭研究了它們長期穩(wěn)定性

6、,經(jīng)過一年的監(jiān)測得出了二氧化錳電極穩(wěn)定性較好,石墨電極穩(wěn)定性較差的結(jié)論,并且混凝土試件是否摻加氯離子對它們的影響很小。利用表面鍍二氧化銥的鈦棒作為參比電極,對混凝土鋼筋腐蝕的情況進行了監(jiān)測。(3線性極化監(jiān)測技術(shù)。線性極化法是首先測量混凝土內(nèi)鋼筋的極化電阻,然后由Stern-Geary 公式計算其腐蝕速度的電化學測試方法。該方法可以直接獲得混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速度,但是和半電池電位方法不同的是測量時不僅需要參比電極,還要埋置一個性能相對穩(wěn)定的輔助電極,裝置圖如圖3所示。線性極化方法測試速度比半電池電位方法慢,每測一個數(shù)據(jù)一般需要幾分鐘的等待時間。另外,對于混凝土結(jié)構(gòu)中實際長度較長的鋼筋,鋼筋受到極

7、化擾動的表面積較難準確確定,陰陽極間混凝土電阻也難直接測量,因此測試數(shù)據(jù)的精度也有一定誤差,解決這一問題的護環(huán)技術(shù)已在工程上有所應用。圖3 線性極化測試裝置圖(4宏電流監(jiān)測技術(shù)。宏電流法是采用待測鋼筋和一個惰性輔助電極共同構(gòu)成一個腐蝕電偶,然后采用零電阻電流表即可以直接獲得腐蝕電偶的腐蝕電流值。該值與混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速度具有直接相關(guān)性,因而能夠進一步推算混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速度。4 鋼筋腐蝕監(jiān)測存在的問題混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕速度的準確檢測是結(jié)構(gòu)的耐久性評估、可靠度計算、剩余壽命預測以及結(jié)構(gòu)工程加固的前提。但目前在混凝土內(nèi)檢/監(jiān)測技術(shù)上還存在以下問題:(1電化學多參數(shù)綜合判斷技術(shù)需進一步發(fā)展。半電池電位法、線性極化法、混凝土電阻法、交流阻抗法、宏電流技術(shù)等都可以對鋼筋腐蝕作出判斷,但也存在著判斷結(jié)論不統(tǒng)一的情況。(2埋入式監(jiān)測裝置需進一步研究。長期監(jiān)測需要