水泥混凝土中鋼筋腐蝕檢測方法的分析探討

摘要 在潮濕、侵蝕介質含量較多的環境中，混凝土鈍化膜會逐漸被破壞，繼而引起鋼筋銹蝕及整體結構的破損。文章基于實際工況設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、失重率指標進行腐蝕評價。結果表明，相關性隨著電流密度的減小而表現得越好（0.85以上），電流腐蝕密度和失重率之間的變化規律呈一致性，低電流密度下，兩者的相關性較好，采取電流密度進行鋼筋腐蝕評價具有較高的精確性。

關鍵詞 鋼筋腐蝕;電化學檢測;腐蝕評價

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

引言

鋼筋腐蝕在工程行業中極其常見，鋼筋腐蝕往往產生體積膨脹，繼而導致混凝土結構出現明顯裂縫，長周期面臨復雜環境下，結構的承載強度降低、變形擴大。鋼筋腐蝕引起的結構早期破壞是工程行業的普遍災害，根據相關研究數據表明，鋼筋腐蝕占材料腐蝕總量的50%，鋼筋腐蝕引發的結構開裂、坍塌等病害占工程行業重大危害的80%。針對鋼筋腐蝕病害進行有效測試及評估能夠準確直觀地反映出結構的既有運行情況及穩定系數，采取科學的鋼筋腐蝕檢測技術對工程行業的發展有明顯的社會及經濟價值。

1 混凝土中鋼筋腐蝕的影響因素

在高堿性環境中，鋼筋表面會形成保護性鈍化膜，對于混凝土結構的耐久性具有積極作用。但是在外界復雜環境因素影響下，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、硫酸根離子的進入主要分為以下幾種途徑：混凝土骨料（砂、碎石）并沒有經過仔細檢查，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，為后續氯鹽、硫酸鹽的擴散提供通道;混凝土在使用周期內，表面存在荷載破壞裂縫，氯離子、硫酸根離子由裂縫達到鋼筋結構表面，隨著氯離子、硫酸根離子濃度的不斷擴大，鋼筋鈍化膜就會產生破壞，鋼筋隨之產生腐蝕。

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構內部擴散，并且和混凝土堿性物質產生中和反應的過程。鋼筋表面存在保護鈍化膜，持續的碳化將會使得堿性保護膜喪失原有作用。尤其當鋼筋混凝土結構暴露在工業污染嚴重的環境中時，二氧化碳等酸性氣體就會導致結構堿性下降（pH從12～14下降到8～9），此時鋼筋鈍化膜就會分解，混凝土介質也會和孔隙通道中的水、氧氣等反應生成氧化鐵，伴隨大量的脆性多孔，鋼筋腐蝕程度會不斷加劇。

2 電化學檢測方法

混凝土鋼筋腐蝕檢測技術中最常用的是電化學檢測技術，該技術能夠高效地判斷鋼筋混凝土結構腐蝕的可能性、電阻及腐蝕速度。作為化學、電學反應的相互融合技術，電化學測試技術能夠對氧化還原產生的電流、電位等進行檢測，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行測試，其中，參比電池由硫酸銅/銅構成，腐蝕鋼筋在表面會形成陰極、陽極區。不同電位差區域之間則會產生一定的電流，通過大量數據的采集，則可以區分出陰極區和陽極區，繼而實現鋼筋腐蝕位置的判定。

2.2 極化電阻法

極化電阻法主要進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對鋼筋瞬時腐蝕速率進行測量。極化電阻法原理則是腐蝕電位附近的電流電壓呈現直線狀，其線性斜率為極化電阻，主要反映鋼筋的腐蝕狀態。該方法能夠高效獲取腐蝕電流，試驗開展往往只需要數分鐘，且能夠實現腐蝕狀態的實時測定。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，能夠開展重復試驗。

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，電阻率和環境相對濕度密切相關?；炷岭娮杪史ň邆漭^大的應用局限性，主要受到混凝土層電阻率、粗骨料差異、鋼筋、測試探頭、環境相對溫濕度的影響，極容易產生數據誤判。

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生鈍化膜，鋼筋在此過程中不會腐蝕。隨著結構使用周期的延長，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散，對鋼筋造成一定程度的腐蝕。當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構的破壞，且測試過程較為復雜。該文主要采取極化電阻方法進行鋼筋腐蝕的評價，且配合失重率分析作為依據。試驗需要開展實際的氯離子、硫酸根離子濃度的腐蝕環境模擬，有助于為當地工程提供必要的鋼筋腐蝕處理措施[1]。

3.1 試驗條件

3.1.1 實際環境

某地水泥混凝土路面起終點K1+120～K1+150段存在大量的路面結構破壞情況，經過現場檢測，內部鋼筋腐蝕程度較高。該試驗對該路段地質環境中的氯離子、硫酸根離子濃度進行了取樣分析工作，繼而對該地的氯化物、硫酸鹽類腐蝕環境進行模擬。經過實驗室檢測，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，為后續的鋼筋腐蝕提供依據。

3.1.2 模擬液配置

鋼筋混凝土中的鋼筋在自然環境中腐蝕過程極其緩慢，即便在一些極端周圍環境中，鋼筋的腐蝕評價工作也需要耗費大量的人力成本，試驗采取混凝土模擬液來取代真實環境中的混凝土內部孔隙液，通過直接讓鋼筋處在侵蝕性介質的溶液中，實現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的模擬環境中，相對于自然浸水情況，鋼筋的腐蝕程度也會更高。基于此，試驗以實際侵蝕性離子濃度分布范圍為基礎，開展混凝土模擬液干濕交替循環試驗來進行鋼筋腐蝕評價，著重針對三種模擬液（氯離子、硫酸根離子、兩種離子偶合物）進行分析。試驗對于混凝土高堿性孔隙液環境的模擬，采取表1所示不同組分進行配制，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，選取實際配置模擬液氯離子濃度為500～2 400 mg/l范圍內，硫酸根離子濃度為1 000～5 000 mg/l范圍內[2]。

3.2 試驗設計

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

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

3.3 結果分析

3.3.1 不同模擬液中電化學評價

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

圖3為干濕循環試驗結束之后的腐蝕電流密度分布圖，圖中結果表明，氯離子、硫酸根離子、耦合物的濃度擴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，氯離子具備促進硫酸根離子腐蝕的效果。氯離子腐蝕效果主要歸因于：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，鋼筋鈍化區及鈍化破壞區之間會形成小陽極、大陰極電池結構，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為干濕循環試驗后鋼筋的腐蝕失重率統計，結果表明，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 結論

鋼筋腐蝕病害在短期內難以發現，后續混凝土結構出現破壞時則會造成修復難度大、成本高的缺陷。該文采取混凝土模擬液進行鋼筋腐蝕環境模擬，采用極化曲線獲取電流腐蝕密度，并且進行失重率分析。其中，三種侵蝕溶液中的電流密度、失重率相關性隨著電流密度的減小而表現的越好（0.85以上），電流腐蝕密度和失重率之間的變化規律呈一致性。在鋼筋腐蝕初期，采取電流腐蝕密度進行鋼筋腐蝕程度的評價具備較高的精確性，采取電流密度進行評價具備簡便、實用的優勢，能夠為工程中混凝土鋼筋腐蝕提供必要的防護參照。

參考文獻

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[3]鐘小平， 戴仁禮， 袁承斌， 等. 氯鹽環境下鋼筋銹蝕損傷混凝土應力應變本構模型[J]. 建筑材料學報， 2021（4）： 61-63.

[4]孫世棟， 秦磊， 任宏偉， 等. 基于電阻層析成像的混凝土鋼筋銹蝕無損檢測[J]. 無損檢測， 2020（1）： 37-40.

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：試驗檢測。