混凝土中鋼筋銹蝕檢測技術(shù)研究進(jìn)展

李煒 郭建勛 李軒

摘要：介紹了鋼筋銹蝕的原理，現(xiàn)有檢測方法以及最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)探討了超聲波法和半電池電位法的原理及存在的問題，并展望了今后發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：混凝土;鋼筋銹蝕;檢測方法

混凝土及鋼筋混凝土具有來源廣泛、便于施工、抗壓強(qiáng)度高、耐久性好、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)工程和民用建筑等領(lǐng)域。但隨著混凝土結(jié)構(gòu)使用年限的不斷增加，以及惡劣的工作環(huán)境、內(nèi)力作用、長期荷載等原因，使其出現(xiàn)了各種不同程度的劣化，大大降低了結(jié)構(gòu)耐久性，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早失效，嚴(yán)重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命，而導(dǎo)致混凝土劣化的原因之一是鋼筋銹蝕。每年全球因混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕造成的維護(hù)加固費(fèi)用高達(dá)數(shù)千億美元。隨著我國城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，早期建筑已服役多年，多數(shù)出現(xiàn)了不同程度的銹蝕劣化現(xiàn)象，急需對既有建筑進(jìn)行檢測鑒定，及時(shí)了解其損傷程度，為耐久性鑒定和加固處理提供依據(jù)。

根據(jù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀介紹了混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理和以及銹蝕對混凝土構(gòu)件產(chǎn)生的影響，對鋼筋銹蝕檢測技術(shù)最新研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，并提出了見解和觀點(diǎn)。

1鋼筋銹蝕原理

混凝土中鋼筋需要同時(shí)滿足三個基本條件銹蝕才能發(fā)生。首先，鋼筋表面由于電化學(xué)的不均性產(chǎn)生電位差，構(gòu)成腐蝕電池;其次鋼筋表面鈍化膜遭到破壞，處于活化狀態(tài)，最后鋼筋表面有電化學(xué)反應(yīng)和離子擴(kuò)散所需要的水和氧氣。金屬腐蝕具有電化學(xué)腐蝕的基本特征，在鋼筋表面形成陽極和陰極區(qū)域，兩個區(qū)域進(jìn)行不同的電極反應(yīng)：陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，鋼筋中的鐵金屬被氧化，并以離子形式進(jìn)入溶液;陰極區(qū)的水和氧氣接受陽極傳來的電子，發(fā)生還原反應(yīng)。反應(yīng)化學(xué)式如下所示：

Fe-Fe2++2e-（1）

O2+2H2O+4e--4OH-（2）

由反應(yīng)化學(xué)式可知，當(dāng)同時(shí)存在氧氣和水時(shí)，隨著陰極反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，陽極中鋼筋表層的鐵也會持續(xù)地失去電子而形成離子，溶于水然后又與其他離子發(fā)生反應(yīng)生成沉淀物，鋼筋一層一層的逐漸被這種腐蝕反應(yīng)所銹蝕掉，銹蝕產(chǎn)物的積累最終將引起整體混凝土的開裂，示意圖如圖1所示。鋼筋銹蝕會對鋼筋、混凝土以及二者結(jié)合處的鈍化膜產(chǎn)生一定影響，因而可以針對這些變化進(jìn)行檢測，進(jìn)而確定鋼筋銹蝕狀態(tài)。

2現(xiàn)有檢測方法

根據(jù)是否對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成破壞角度出發(fā)，混凝土中鋼筋銹蝕檢測可以分為破損檢測、半破損檢測和無損檢測。破損法檢測需要破壞結(jié)構(gòu)，通過視覺觀察法或?qū)嶒?yàn)直觀檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕參數(shù)，確定銹蝕量。相比于破損法對構(gòu)件造成損傷，無損檢測不需要破壞材料的即可檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷，因而對無損檢測技術(shù)的研究更為廣泛。

2.1物理方法

物理法主要是利用聲、光、電、磁、熱及射線等物理方法，測定銹蝕引起的某些物理量的變化，通過測得的物理量與銹蝕程度的相關(guān)性分析達(dá)到檢測的目的。主要檢測方法有射線法、電阻棒法、聲發(fā)射法、紅外熱成像法、渦流探測法以及磁通減量法等。不過，目前大多數(shù)物理方法僅在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)取得較好的檢測效果，實(shí)際使用效果較差。國內(nèi)學(xué)者嘗試不同的物理方法對鋼筋銹蝕的檢測進(jìn)行了探索。

施錦杰，耿國慶等采用多種測試方法對混凝土中鋼筋的腐蝕行為進(jìn)行了測試，其中研究電遷移氯鹽加速混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕行為及鋼筋混凝土界面區(qū)的腐蝕特征，通過X射線CT技術(shù)和電化學(xué)阻抗譜的結(jié)合檢測混凝土中鋼筋的腐蝕信息。楊茂等研發(fā)了基于金屬磁記憶的磁感應(yīng)檢測方法，當(dāng)構(gòu)件中的鋼筋發(fā)生銹蝕時(shí)，其表面磁場會相應(yīng)發(fā)生改變，根據(jù)檢測所得磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線交點(diǎn)及曲線高度即可定位銹蝕位置和評估銹蝕狀況，與傳統(tǒng)電位法相比，此方法不僅提高了檢測的精度，還能夠檢測未開裂混凝土的銹蝕情況。朱勁松等設(shè)計(jì)了基于壓電陶瓷技術(shù)的鋼筋銹蝕檢測方案，其檢測原理為構(gòu)件在銹蝕過程中會對應(yīng)力波信號衰減規(guī)律特征產(chǎn)生影響。通過測試發(fā)現(xiàn)，鋼筋的銹蝕率和應(yīng)力波幅值為二次函數(shù)關(guān)系，應(yīng)力波的傳播衰減規(guī)律可有效表征鋼筋銹蝕。安新正等基于超聲波傳播理論探究了超聲波波速與鋼筋銹蝕程度的關(guān)系，記錄了未銹蝕的鋼筋混凝土超聲波波速，通過與鋼筋混凝土銹蝕后的檢測波速對比來表征腐蝕損傷程度。筆者也曾嘗試基于超聲波技術(shù)對高強(qiáng)度混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕進(jìn)行檢測，以超聲波平測法為參考，超聲波探頭置于縱向鋼筋上方，令波通過鋼筋進(jìn)行傳播，根據(jù)檢測波速差異來來反映銹蝕情況。探究過程中發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有超聲波檢測儀器主要針對混凝土強(qiáng)度和裂縫等損傷檢測，檢測效果較好。但是檢測銹蝕時(shí)，超聲波波速較快，儀器精度時(shí)間值乘以波速后所得到的距離要遠(yuǎn)大于銹蝕產(chǎn)物的累積厚度，二是傳播過程由于經(jīng)過鋼筋，接收到的波穩(wěn)定性較差，采集誤差較大，三是采用平測法，波傳播非定向以及在高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度中傳播速度較快，其亦有可能不沿鋼筋傳播，故采用平測法不能反映鋼筋銹蝕。此外，部分學(xué)者也嘗試了其他實(shí)驗(yàn)方法，賀衛(wèi)東采用超聲導(dǎo)波技術(shù)研究了鋼筋坑蝕，論證了檢測鋼筋銹蝕的可行性。龔晨輝采用基于紅外感應(yīng)加熱技術(shù)，通過對感應(yīng)加熱中的鋼筋溫度增長速率的測量，定量地判定鋼筋銹蝕程度。

2.2電化學(xué)方法

物理法主要是對銹蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)其他物理量變化的測量，那么化學(xué)法則是對銹蝕本質(zhì)的直接測量，具有檢測速度快、靈敏度高、連續(xù)跟蹤和原位測量等優(yōu)點(diǎn)，主要方法有半電池電位法、線性極化法、恒電量法、交流阻抗法、電化學(xué)噪聲法、混凝土電阻法、電流階躍法等。

耿國慶研究了電化學(xué)測試方法中的電化學(xué)阻抗譜法、電化學(xué)噪聲法、線性極化法3種方法檢測鋼筋銹蝕的可靠性，結(jié)果表明，電化學(xué)噪聲和線性極化法對處于腐蝕狀態(tài)的鋼筋檢測結(jié)果相關(guān)性較好，而電化學(xué)阻抗譜和線性極化法對鈍化狀態(tài)鋼筋檢測結(jié)果較好。施錦杰通過恒電流脈沖法研究了鋼筋在不同pH值模擬混凝土孔溶液中的腐蝕行為，比較了恒電流脈沖、線性極化及電化學(xué)阻抗譜所測的極化電阻與腐蝕電流密度，表明這三種電化學(xué)方法在測試鋼筋腐蝕速率方面具有較好的相關(guān)性。范慶新等對比研究了鋼筋銹蝕無損檢測技術(shù)中的三種電化學(xué)方法，包括：線性極化法、半電池電位法和陽極極化曲線法。研究發(fā)現(xiàn)，線性極化可有效檢測銹蝕速率，但結(jié)果不足以反映鋼筋的實(shí)際銹蝕情況;半電池電位法可定性判斷區(qū)域是否腐蝕，但檢測結(jié)果易受環(huán)境影響;陽極極化曲線不能給出銹蝕速率，但能有效表征鋼筋是否脫鈍。賀鴻珠等基于法拉第定律，提出通過測試腐蝕電流推算出鋼筋腐蝕量的方法。在研究基礎(chǔ)上提出了電化學(xué)方法是檢測混凝土中鋼筋銹蝕情況最簡單的方法，不僅可以檢測鋼筋的銹蝕速率，還可以檢測長期的銹蝕總量。在研究基礎(chǔ)上提出了電化學(xué)方法是檢測混凝土中鋼筋銹蝕情況最簡單的方法，不僅可以檢測鋼筋的銹蝕速率，還可以檢測長期的銹蝕總量。筆者也對半電池電位法進(jìn)行了探究，半電池電位法檢測的原理是鋼筋與混凝土構(gòu)成腐蝕原電池的一級，通過與銅/硫酸銅電極連接構(gòu)成通路形成原電池，銹蝕檢測儀原理上是一個電壓表，通過放大原電池電路電壓進(jìn)而表征銹蝕信息。這一原理也導(dǎo)致了半電池電位法存在易受環(huán)境等因素干擾的缺點(diǎn)。

3結(jié)論與展望

國內(nèi)部分學(xué)者對銹蝕檢測技術(shù)進(jìn)行了一定的探索，但研究成果相對較少。檢測方法中無論是物理法還是電化學(xué)法，單一的檢測方法均有一定的局限性，至今尚未找到一種方便、快捷、準(zhǔn)確且具有廣泛適用性的檢測方法，提高現(xiàn)有檢測方法的檢測精度以及多種檢測方法聯(lián)合檢測是今后研究的一個熱門方向。