混凝土中钢筋锈蚀的实时监测.pdf

第 1 6 卷第 1 期 2 0 1 3年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG MATERI AL S V0 1 I 6， NO 1 Fe b 2 O1 3 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 5 0 0 5 混凝土 中钢筋锈蚀 的实 时监测 贺鸿珠 。 ， 崔玉理 。 ， 史美伦 ， 顾 幽燕 ( 1 。 同济大学 材料科学与工程学院，上海 2 0 1 0 8 4 ； 2 上海市建筑建材业市场管理总站 ， 上海 2 0 0 0 3 2 ； 3 临沂大学 工学 院，山东 临沂 2 7 6 0 0 5 ；4 上海市建设工程检测行业协会 ， 上海 2 0 0 0 3 2 ) 摘要 ： 采用电化 学方法， 开展 了钢 筋混凝土实时监测的研 究， 探讨 了在外界环境 变动 的条件下 简 单、 易行且能反映长期钢筋锈蚀情 况变化信息的实时监测方法 在研 究基础上提 出了电化学方法 是检测混凝土中钢筋锈蚀情况最简单的方法， 它不仅可以检测钢筋的锈蚀速率， 还可以检测长期 的锈蚀 总量 ； 通过 定期 测量 钢 筋的极化 电阻 ， 可估 算一 定 时间 内钢 筋 的锈 蚀 量 关键词 ：混凝 土 ；钢筋锈 蚀 ；电化 学方法 ；实时监测 中 图分 类 号 ： T U5 2 8 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 1 0 0 9 Re a l Ti me M o n i t o r i n g o f Co r r o s i o n o f Re b a r i n Co n c r e t e H E H o ng z hu ，CUI Yu l i ， 。，SH I M e i l un ，GU Yo u ya n ( 1 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 1 0 8 4，Ch i n a ； 2 S h a n g h a i Ge n e r a l Ad mi n i s t r a t i o n o f t h e M a r k e t f o r C o n s t r u c t i o n a n d C o n s t r u c t i o n M a t e r i a l s ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2 ， Ch n i a ； 3 En gi ne e r i ng Co l l e g e，Li ny i Uni ve r s i t y，Li ny i 2 76 0 05，Chi na； 4 S h a n g h a i Co n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g Te s t I n d u s t r y As s o c i a t i o n ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Re a l t i me mo n i t o r i n g o f c o r r o s i o n o f r e b a r i n c o n c r e t e wa s c o n d u c t e d ，e l e c t r o c h e mi c a l me t h o d i S t h e s i mp l e s t me t h o d f o r mo n i t o r i n g c o r r o s i o n o f r e b a r i n c o n c r e t e Th i s me t h o d i s s i mp l e i n a v a r y i n g e n v i r on m e nt a nd c a n mon i t o r t he c o r r o s i o n o f r e ba r i n a l o ng t e r m I t n ot on l y c a n mo ni t or t he r e ba r c o r r o s i o n r a t e，b u t a l s o c a n t e s t t h e l o ng t e r m c o r r o s i o n q u a nt i t y By m e a s u r i ng t he po l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e r e g ul a r l y，t he c o r r o de d qu a nt i t y o f r e b a r c a n be e s t i m a t e d wi t hi n a c e r t a i n t i me i nt e r va 1 Ke y wo r d s ：c o n c r e t e ；c o r r o s i o n o f r e b a r ；e l e c t r o c h e mi c a l me t h o d；r e a l t i me mo n i t o r i n g 在钢筋混凝土结构 的耐久性问题 中， 现役结构 的耐久性损伤检测是一个 十分重要的问题 ， 而混凝 土中钢筋锈蚀 的检测更是重 中之重 混凝 土钢筋锈 蚀的及时发现和准确诊断 ， 可帮助准确掌握结构耐 久性实际损伤程度 ， 是钢筋混凝土结构耐久性评定 、 剩余使用寿命预测和维修方案选择 的重要前提 混 凝 土 中钢筋 锈 蚀 是 影 响 混 凝 土 工 程 寿命 的重 要 因 素 ， 已有的监测方法有些虽简单易行 ， 但失于粗糙 ， 其准确度较差 ， 例如 电位法； 另一些以瞬时测量或短 时间测量为主， 由于外界温度、 湿度、 介质的成分和 浓度 以及其他环境 因素的变化， 被测参量随时间发 生变化 ， 所测结果不足以反映长时间的信息 1 。 为 此 ， 本文将探讨一种在外界环境变动的条件下简单 易行且能反映较长时间钢筋锈蚀情况变化信息 的实 时监 测方 法 1 测量原理的讨 论 最简单准确的钢筋锈蚀测量方法是电化学法 通过测量腐蚀 电流 I ( ff A c m。 ) 就可 以根据法拉第 定律直接换算出钢筋每年的锈蚀量 ， 步骤如下 ： 1 A c 一 3 6 X l O 1 0 g ( m 。 h ) ： 3 7 3 1 0 4 掣g ( m 2 h ) 收稿 日期 ： 2 0 1 I - 0 9 1 4 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 一 1 0 0 8 第一作 者： 贺鸿珠 ( 1 9 6 2 一) ， 女， 江苏武进人 ， 同济大学兼职教授 ， 博 士生导师 ， 博士 E ma i l ： h e h o n g z h u 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 贺鸿珠 ， 等 ： 混凝土 中钢筋锈 蚀的实时监测 式 中： M 为铁 的相对原子质量 ， 为铁在腐蚀时每一 原 子 所 失 去 的 电 子 数 ， 若 以 p表 示 铁 的 密 度 ( g c m。 ) ， 则 可得 ： 1址 A c m2 3 7 3 1 0 4 M 2 43 6 5 1 0 一 。mm a 。 ， z |D 一 3 2 7 1 0 3 mm a 因 M 一 5 5 8 5 ， 0 7 8 7 g c m。 ， 若 取 一 2 ， 则 ： 1 , A c m 一 0 0 1 0 4 g ( m h )一 0 0 1 1 6 mm a 但是 ， 由于 随腐蚀 电位 E 而变 ， 后者十分灵敏地 随环境的变化而发生变化 ， 因此 ， 可以看到 ， 。 存在 系统漂移和随机涨落 如果用 来监测锈蚀 ， 就必 须长 时 间连续 测量 ， 并 对 时间 t 进 行积 分 ： Q I I d t ( 1 ) 式 中 ： Q为 电量 以上方法运用 时很不方便 目前广泛采用 的是 测量极化 电阻 R 的方法 将 R 定义为 ： ( 差 ) 一 由于腐蚀电流随腐蚀电位同步变化 ， 所以 R 。与 不同， 它 的值 比较稳 定， 可以用作钢筋锈 蚀情况 的一 个 比 较 量 在 E 附 近 一 个 很 小 的 电 位 区 里 ( E 1 0 mV) ， 可 认 为 电 流 与 电位 变 化 呈 线 性 关 系 4 ， 并 且 ： J = ( 3 ) 式中： K为 比例常数 将式( 3 ) 代入式( 1 ) ， 则 ： Q 一 d t 一 j： d 令孥 一 为 极 化电 阻 R 的 时 间 变 化 率， 则 式 at ( 4 ) 为 ： Q ：f K d ( 1 n R ) ( 5 ) 式中： 积分上限 R为 R 在锈 蚀过程 中变化 的最 大 值 式 ( 5 ) 中 K 为 常量 ， R。和 r均 变 化较 小 ， 可 根据 此式积分而得一定时间 内的钢筋锈蚀量 一般情况 下 ， R。 在整个锈蚀过程中的变化不大 ， 故式 ( 5 ) 可以 简化 为 ： Q 一 l n R。 ( 6 ) 式中： A l n R 为 R 的 自然对数在 钢筋锈蚀过程 中 最大值与最小值之差 如 R。在一段 时间里变化很 小 ， 则根据式( 4 ) 可得 ： Q ： =： 式( 7 ) 中 或 可称为平均腐蚀 电流了 在实 践中可发现 ， 对于不同体系， 其 K 值亦有很大不同， 对于同一体系， 由于环境介质在长期 的腐蚀过程中 发 生变 化 ， K 值亦 有 小 的变 化 因此 ， 为 了确 定 较 长 时间钢筋 的锈蚀量 ， 必须准确测定 K和 R 2 Rp 和 K 的试验测定 2 1 R 的试 验测 定 本文 使用 线性 极化 法 、 交 流 阻抗 法 、 充 电 曲线法 和方波极谱法等 4种方法来测定 R 线性极化法为 最常用的方法 ， 从 E 一一1 0 mV开始 ， 按一定速率 向 E = = = 1 0 mV扫描 ， 记 录极化 曲线 ， 从其斜率可 以 计算 出 R ， 测 量 时 间约 3 mi n ； 交 流 阻抗 方法 参见 文 献 5 6 ， 测量时间约 1 0 mi n ； 充电曲线方法 和方波 极谱法参见文献 7 ， 后 2种方法测量时间较短 ， 但 计算 比较繁琐 ， 充 电曲线方法可 以有效地避 免腐蚀 电位的漂移 ， 其计算可用切线或两点法 ， 当应用恒 电 流对金属 电极充电时， 其电位变化为： E 一 - e x p ( 一 志 ) 式中： C 为电极 的双 电层 电容 对式 ( 8 ) 微分 ， 可得 ： d E = =一 i ex ( 一 tC d P ) ( 9 ) 一 一 e X I 一 J 令 = = = 0时 ， d E 。 r n 。 就是充 电曲线起 始点 的曲线斜率 ， 则 ： 一 ( ) 一 i( 1 0m o 一 I J 一 在其附近取一点 t t ， 令 t 时的斜率为 m。 ， 则 ： m 一 ( 警 ) 一 i 唧( 一 盎 ) 式 ( 1 0 ) ， ( 1 1 ) 两式 相除 ， 得 ： 一 ( 一 丽 tle x pm o L ,d ) ( 1 2 ) 一 I 一 J 1 D 当 t t 1 时 ， A E A x E1 ， 则 ： X E = R , - e x p ( 一 P) L J、 u d ， J 即 ： A E 一 R ( 卜 )( 1 3 可得 ： 尺 一 ( 1 4 ) 为了避免因作 曲线斜率而引起误差 ， 亦 可使用 两点法， 第 1点是在充电曲线 E 任意取的， 设其时间 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 贺鸿珠 ， 等 ： 混凝土 中钢筋锈蚀 的实 时监 测 5 3 7 0 ： 司 1 。 一l O 一 厂 、 1 0 名 一 1 0 -3 0 5 0 喜 3 。0 司 一 - 1 ： 一5 0 t mi n ( a ) P o s i t i v e d r i f t t mi n ( b ) Ne g a t i v e d r i f t 图 2 钢筋在 3 0 rai n内腐 蚀电位 E 的正 向漂移和负 向漂移 F i g 2 P o s i t i v e d r i f t a n d n e g a t i v e d r i f t o f r e b a r c o r r o s i o n p o t e n t i a l E i n 3 0 rai n ： ： 图 3 钢筋 电位在 4 8 h内的随机涨落 F i g 3 Ra n d o m f l u c t u a t i o n o f r e b a r p o t e n t i a l i n 4 8 h 4 2极 化 电阻 风 的测 定 采用 3种试 样 、 4种 方 法 进行 R 测 量 ， 其 中： 试 样 1的孔溶液中氯化钠含量 ( 质量分数) 为 0 4 ； 试 样 2的孔溶液中氯化钠含量为 1 0 ； 试样 3则在人 工海水中浸泡 2 4 h ， 其氯化钠含量为 3 0 充电曲线 分别用 2种方法进行计算 ； 方波极谱法采用 2种频率 ( 1 Hz 和6 O Hz ) ， 其结果如表 1 所示 表 1 不同方法测得各试样的极化电阻 R Ta b l e 1 Po l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e R o f d i f f e r e n t s p e c i me n me a s u r e d b y d i f f e r e n t t e c hn i q u e s k 0 c m 。 由表 1可见 ， 采用 以上 4 种 测试 方法 ， 对 于 3种 试样来说 ， 其 R 值 的差别 都很 小 ， 均在 允许 的范 围里 4 3 K 值 的测 定 根据 S t e r n公 式 ， 用极 化 方法分 别测 定 T a f e l 阳 极常数 b 和阴极常数 b ， 所得结果如表 2 所示 表 2不同试样的 T a f e l 常数 和 K值 Ta b l e 2 T a f e l c o n s t a n t b 。 。 b a n d K f o r d i f f e r e n t s p e c i me n s 从表 2 可见 ， 不同电解质环境下， 试样 T a f e l 阳 极常数 b 、 阴极常数 b 及 K值均不相同 根据充电曲线法和方波极谱法由 R 与 的乘 积来 确定 K 值 ， 以及 在 腐 蚀 电位 E 处 通 过 观 察 其 漂移来求得 K值 ， 其结果如表 3所示 表 3不同电化学方法求得 的 K值 T a b l e 3 K v a l u e me a s u r e d b y d i f f e r e n t e l e c t r o c h e mi c a l t e c h n i q u e s mV 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 l 6卷 从表 2 ， 3可见 ， 由 S t e r n公式 和其他 3种 电化 学方法所得 的结果差别不大 4 4 Q值的估算 Q值可根据式( 6 ) 或式( 7 ) 进行估算 1 。 根据式( 6 ) 估算 的结果 对上 述 3个样 品进 行 1 a的监测 ， 每月 测试 1次 K 和R 由于 K值的变化很小， 因而取表 3的中间 值 由每月所得 的 R 之差求得 r ( r一 A R p ) ，取 1 2 个 R 中的最 大值和最小值 的 自然对数 I n R 并求 其差值 A l n R。 ， 所得 结果 如表 4所示 表 4 按式 ( 6 ) 所求 Q值 T a b l e 4 Q v a l u e o b t a i n e d b y e q u a t i o n ( 6 ) 2 根据式( 7 ) 估算 的结果 3种试样的 K 值取表 3的 中间值 ， R。 取线性 极化法所得的值 ( 因为该法测量最快最 简单 ， 在实 践 中 最常 用 ) ， 3种试 样 监 测 1 a 所 得 的 Q值 如 表 5 所示 表 5按式( 7 ) 所求 Q值 T a b l e 5 Q v a l u e o b t a i n e d b y e q u a t i o n ( 7 ) 比较表 4 ， 5的结果可见 ， 它们之间存在一定的 差别 从方法上来说 ， 因为表 4所依 据的式 ( 6 ) 中不 A D 包含时问变量 ， 因此误差较 大； 同时， 由于 的值 厶 很小 ， 测量时也容易产生误差 ； 为简便起见 ， 本文用 A p 差分 代替 了导数 ， 也带来 了一定误差 表 4方法 L 虽然误差较大 ， 但其具有操作 比较方便 的优点 表 5 的结果 比较准确 ， 在试验条件允许 的情况下， 建议采 用此法 鉴于表 4估算 的 Q值与表 5的数据仍在一 个 数量 级 范围 内 ， 且 比表 5的数据 偏大 ， 故从 安 全 的 角度来看 ， 还是可以作为参考的 5 结论 电化学方法是检测混凝土中钢筋锈蚀情况最简 单的方法 ， 它不仅可以检测钢筋的锈蚀速率 ， 还可以 检测其长期 的锈蚀总量 通过定期测量钢筋的极化 电阻 ， 可以估算出一定时间内钢筋的锈蚀量 参考 文献 ： 1 洪定海 混凝土中钢筋 的腐蚀与保护 M 北京 ： 中国铁道 出版 社 ， 1 9 9 8 ： 1 1 H ONG Di n g h a 1 Co r r o s i o n a n d p r o t e c t i o n o f r e b a r i n c o n c r e t e M B e ij i n g ： C h i n e s e Ra i l w a y P r e s s ， 1 9 9 8 ： 1 1 ( i n C h i n e s e ) 2 ANDR ADE C， AL ONS O C C o r r o s i o n r a t e mo n i t o r i n g i n t h e l a b o r a t o r y a n d o n s i t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d in g Ma t e r i a l s， 1 9 9 6 。 1 0( 5) ： 3 1 5 - 3 2 8 3 S C HI E S S I P C o r r o s i o n o f s t e e l i n c o n c r e t e R S 1 ： Te c h ni c a l Co mm i t t e e Re p o r t RI L EM 。 TC6 0 一 CS C。 1 9 8 8 I- 4 曹楚南 腐蚀 电化学 原理 M 北京 ： 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ： 1 3 5 - 1 3 6 C AO Ch u n a n P r i n c i p l e s o f e l e c t r o c h e mi s t r y o f c o r r o s i o n M B e ij i n g ： C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s 。 2 0 0 8 ： 1 3 5 1 3 6 ( i n C h i n e s e ) 5 史美伦 混凝土阻抗谱 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 3 ： 1 9 0 1 9 5 S HI Me i l u n I mp e d a n c e s p e c t r o s c o p y o f c o n c r e t e M B e i j i n g ： Ch i na Ra i l wa y Pr e s s ， 2 0 0 3： 1 9 0 1 9 5 ( i n Ch i n e s e ) 6 史美伦 ， 施锼 混凝土中钢筋锈蚀测 量的交流 导纳方法 J 腐 蚀与防护 ， 1 9 9 7 ， 1 8 ( 3 ) ： 2 3 2 8 SHI M e i l u n， SHI Ta o AC a d mi t t a n c e me t h o d f o r t h e me a s u r e me n t o f c o r r o s i o n o f r e b a r i n c o n c r e t e J C o r r o s i o n& P r o t e c t i o n， 1 9 9 7 ， 1 8( 3 )： 2 3 2 8 ( i n Chi n e s e ) 7 周伟舫 电化 学测量 M 上海 ： 上海 科学技 术 出版社 ， 1 9 8 5 ： 21 4 Z HOU We i f a n g E l e c t r o c h e mi c a l me a s u r e me n t M S h a n g ha i ： Sh a n gh a i S c i e n c e a n d Te c hn o l o g y Pu b l i s h i n g Ho u s e， 1 9 8 5： 2 1 4 ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m