钢筋混凝土腐蚀行为及检测方法论述.pdf

广东建材2023年第8期0 引言钢筋混凝土是当下最常见的建筑材料，并以不同形式被广泛应用在生活的各个领域。目前的混凝土种类也相当多，混凝土的性能也在不断提升，如轻质高强混凝土，珊瑚礁砂混凝土等1。钢筋作为钢筋混凝土中不可或缺的组分，不仅可以提高混凝土抵抗外力对其进行破坏的能力，而且可以降低由于混凝土收缩带来的收缩应力而造成开裂2。由于钢筋锈蚀直接或间接带来的损失及安全问题已成为国际上一个重点及难点问题。至2002年，美国每年因结构工程中钢筋锈蚀产生的直接经济损失约83亿美元，而间接损失则为直接损失的数倍,不仅如此，用在设备及工程中的维护修复等费用更是巨大。至1998年，美国花费在各种腐蚀防护所消耗高达2500亿美元；加拿大的设备工程花费更大，很多工程结构已经发生破坏，如果要全部维修甚至更换则是一笔巨额的开销，至少要花费5000亿美元3。新时代的当下，随着西部开发战略及海洋工程战略的深入，混凝土的耐久性要求将受到严重的考验，重大工程的服役寿命提出更高的要求，由此在极端环境下钢筋混凝土的耐久性问题日益突出并亟需解决。1 钢筋混凝土腐蚀过程及机理混凝土材料是一种碱性较高的多孔材料，空隙溶液的pH值为13左右4。钢筋在高碱性的环境下，表层会因氧化反应而生成一层致密的氧化膜5。氧化膜的存在使得钢筋基体与外界的环境隔离开，不仅如此，钝化膜的半导体特性也增大了金属的腐蚀阻抗，有效减缓了电化学腐蚀6。氧化膜对于钢筋的保护至关重要，其稳定性可直接反映钢筋的耐腐蚀性能，所以对于钝化膜的研究有助于理解钢筋的腐蚀机理。混凝土为多孔材料。在极端环境下，腐蚀离子会通过渗透吸附等方式进入混凝土内部，并到达钢筋表面。二氧化碳进入混凝土结构中与混凝土孔溶液发生碳化反应，降低孔溶液的pH，在钢筋表面发生局部腐蚀7。CO2+OH-CO32-+H2O与此同时，氯离子的渗透则可以破坏钢筋表面的钝化膜结构，形成局部点蚀。点蚀的发生形成腐蚀原电池，加速钢筋的进一步腐蚀。具体的腐蚀化学反应如下18：阳极反应：FeFe2+2e-阴极反应：2e-+H2O+1/2O22OH-钢筋的腐蚀并不能直接导致混凝土结构的破坏，而是由于腐蚀产物的体积膨胀性导致的。由于腐蚀产物的体积膨胀，导致混凝土与钢筋的界面脱离、剥落，严重的则引起混凝土的开裂。由图2可知，反应生成Fe(OH)3 3H2O钢筋混凝土腐蚀行为及检测方法论述邢 涛 陆加越 郭 飞 余兰清（1 江苏苏博特新材料股份有限公司；2 高性能土木工程材料国家重点实验）【摘要】本文阐述了钢筋混凝土腐蚀问题的相关研究，论述了钢筋混凝土腐蚀的危害、钢筋锈蚀的影响因素、腐蚀发生的过程及机理以及腐蚀检测方法。根据现有的研究结果提出关于腐蚀类型界定及钢筋钝化膜形成理论方面存在的不足。分析了钢筋混凝土电化学腐蚀监测方面的优势及不足，并针对电化学交流阻抗谱测试法的研究方向及应用提出了展望。【关键词】钢筋锈蚀，钢筋钝化膜，电化学腐蚀监测，交流阻抗谱法图1 钢筋腐蚀机理图质量控制与检测-40广东建材2023年第8期的体积为原铁基体体积的6倍左右。不仅如此，Fe(OH)33H2O具有疏松多孔结构，其体积在后期的发展中会进一步增大，甚至达到原来的10倍。这种情况，使得混凝土结构中，混凝土与刚进的界面区的体积将增大610倍，当由腐蚀产物体积膨胀带来的膨胀应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土结构将会在界面区产生裂纹造成混凝土的开裂和剥落，最终破坏混凝土的结构。2 钢筋混凝土腐蚀的影响因素影响钢筋混凝土结构破坏的因素有很多种，如混凝土结构的密实度，混凝土保护层厚度，钢筋混凝土中钢筋的耐腐蚀性能和钝化性能，环境中氯离子、硫酸根、氧气等腐蚀离子的浓度，外界的湿度、温度等。根据目前的研究现状统计，氯离子浓度、混凝土的保护层最为重要的两种。在海洋环境下，钢筋的腐蚀主要取决于氯离子的作用。文献8中钝化膜吸附理论认为钢筋钝化膜处于溶解平衡状态，Cl-对钝化膜的破坏则是通过在钝化膜形成过程中争先与铁离子结合，使得钢筋表面无法形成致密的钝化膜，随着外界氯离子浓度的增大，氯离子与铁离子吸附结合能力增大，使得铁离子与氧气难以形成钝化膜，进而使得钝化膜局部产生缺陷，引起钢筋局部腐蚀。此时裸露出的钢筋基体作为阳极，未破坏部分的钝化膜作为阴极，形成大阴极小阳极的腐蚀电池，加速钢筋的腐蚀进程。在混凝土结构中，氯离子则可以通过多种方式侵入混凝土结构中，如扩散作用，毛细吸附作用、渗透作用等，当混凝土内部钢筋表面氯离子浓度达到临界氯离子浓度时，氯离子开始对钢筋进行腐蚀，其中临界氯离子浓度可作为比较金属耐蚀性的一个标准。混凝土保护层是指在混凝土结构中，钢筋表面到混凝土试件表面的介质层，其作用不仅在于提供混凝土力学支撑，更在于保护钢筋不受外界腐蚀离子的侵蚀。混凝土保护层厚度和孔隙率对混凝土腐蚀速率影响极为重要，保护层厚度越大不仅可以提供较大的介质电阻，而且可以延长氧气、二氧化碳、水以及腐蚀离子的传输通道。而且保护层厚度直接影响混凝土介质与钢筋表面粘结强度，有文献表明，保护层厚度越大，混凝土层与钢筋表面结合粘结力越大，反之亦然，其原因在于，保护层较小时，浅层的保护层比较容易碳化，破坏钝化膜，钢筋发生锈蚀，粘结力下降。当保护层厚度一定时，孔隙率越大，腐蚀离子和二氧化碳、氧气的通道较多，不仅提高了碳化速度，也是降低了钢筋表面的抗腐蚀能力。3 钢筋腐蚀的电化学测试方法钢筋腐蚀是一个电化学过程，电化学测量技术在检测混凝土内钢筋的锈蚀情况方面至关重要，不同的电化学测试方法是可以获得不同的电化学反应信息，主要包括：腐蚀电位，腐蚀电流密度，钝化电流密度，极化阻抗和钝化膜电容等。另外，采用电化学方法还可以直观了解钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的电化学机制。常见的电化学方法有开路电位法、电化学阻抗谱、极化曲线法等。电化学检测与物理检测相比具有检测效率高、灵敏度好的特点，最重要的是测试建立在无需破坏原试件的基础上。线性极化法是一种快速而有效的锈蚀速度测试方法，是通过测量混凝土内钢筋线性极化区的极化电阻，再使用SternGeary公式计算出钢筋腐蚀速率的测试方法，这也是目前较为常用的一种电化学测试技术25。如图3所示，线性极化曲线是用来表示电极电位与极化图2 铁的不同氧化物体积比例图3 极化曲线质量控制与检测-41广东建材2023年第8期电流或者极化电流密度关系的曲线，包括阳极极化曲线和阴极极化曲线。两条曲线的交线位置为该体系的腐蚀电位，原则上是和开路电位的数值一致，两条曲线斜率的交点为该体系的腐蚀电流。从该曲线中可得到金属腐蚀状况相关的信息，如腐蚀速度的确定，体系的腐蚀机理以及该体系的腐蚀控制步骤等。由于不同电化学腐蚀体系的控制步骤不同，所以每一个体系都有其特定的极化曲线形状和变化规律。钢筋混凝土界面区是一个非常复杂的过渡区，包括C-S-H凝胶层，氢氧化钙沉积层，钢筋钝化膜层，锈蚀产物层，局部水层和局部孔隙缺陷等，综合分析起来较为困难。目前通过阻抗测试间接反映了钢筋混凝土界面区的电化学性质，但在分析阻抗数据前，必须选择符合所测体系的等效电路图，国内外学者已探索出多个适用于钢筋混凝土体系的等效电路图。但是由于体系不同，针对性说明的问题不同，所以所选用的等效电路也都不尽相同。4 结论与展望目前，对于钢筋的腐蚀机理研究仍处于探索阶段，混凝土内部结构及化学组分较为复杂，腐蚀的影响腐蚀的因素较多。虽然在一定程度上区分了腐蚀类型如点腐蚀、局部腐蚀等，但是并未明确阐述是哪些因素所导致的。钢筋在混凝土中钝化膜形成理论尚未清晰。目前主要以成相膜理论和吸附理论为主，两种理论虽都能接受部分实验现象，但是又存在很多不足之处。金属钝化膜不仅具有成相膜结构，同时也具有单分子层的吸附膜，但是具体的成膜条件尚未清楚，因此钝化成膜理论有待学术界深入研究。钢筋混凝土腐蚀电化学检测相比早期的称重法取得极大的突破，能够在不破坏混凝土结构的基础上获得钢筋内部腐蚀的情况。但是该种方法虽然能检测到钢筋腐蚀进程，但是不能反映混凝土内部结构及腐蚀原因。交流阻抗谱法通过电阻元件模拟出混凝土内部结构的电路模拟，可以同时检测出包括孔溶液、混凝土与钢筋结合层以及腐蚀产物的电阻等，虽然暂时无法分析引气腐蚀的原因及腐蚀类型，但是该种方法相比极化曲线法和开路电位法更为精密准确，具有较大的研究空间及价值。【参考文献】1 高亚丽.新型混凝土材料在土木工程领域的应用探究J.建筑与预算,2022(01):7-9.2 姜宏达,张纪刚等.硼酸腐蚀对钢筋混凝土力学性能影响的试验研究J青岛理工大学学报,2019,40(06):16-22.3 李承昌,郑晓华等.沿海普通钢筋混凝土桥梁的腐蚀、防护现状与不锈钢筋应用综述J.公路交通科技(应用技术版),2017,13(01):19-22.4 孙忠涛.基于孔溶液分析的碱矿渣体系中钢筋钝化膜生成及脱钝研究D.青岛理工大学,2021.5 张铖,王玲，等.逐层磨粉pH值法测定混凝土碳化深度的试验研究J.材料导报,2022,36(07):174-177.6 秦芳诚,亓海全，等.海洋工程高抗蚀筋材研究进展J.材料导报,2022,36(06):158.7 徐进,赵宴增，等.钢筋锈蚀膨胀对钢筋-混凝土抗拔性能的三维数值分析J.四川水泥,2021(10):74-75.8 林海波.钢筋混凝土保护层的重要性及控制措施J.居舍,2021(20):167-168+172.作者简介邢涛，汉，1993.3.1，男，安徽阜阳，硕士，研发工程师，研究方向：钢筋混凝土腐蚀与防护.性能研究J.建筑结构学报,2022,43(12):179-188.5 刘辉宇,杨震卿,黄爱菊.基于深度学习的混凝土质量检测算法J.建筑技术,2022,53(07):957-961.6 胡辉,王智,石从黎,等.超细矿物掺合料高强混凝土性能研究J.混凝土,2022,387(01):106-111.7 孟庆森.高强混凝土施工过程中的质量控制探析J.江西建材,2022(04):58-59+62.8 王丹,马世昌.基于层次分析法的 建筑法 立法后评估指标体系构建J.北京建筑大学学报,2022,38(06):96-102.9 JavadGholami,AhmadRazavi,RezaGhaffarpour.Decision-makingregardingthebestmaintenancestrategyforelectricalequipmentofbuildingsbased on fuzzy analytic hierarchy process;casestudy:elevatorJ.Journal of Quality in Maintenance Engineering,2022,28(3).10 张晋芳,余隆丽,周郅炅,等.基于层次分析法的超高层建筑结构选型J.建筑结构,2021,51(S1):358-362.作者简介郭栋（1988-），男，工程师，本科，研究方向：建筑工程咨询与管理.通讯作者黄立鑫（1994-），男，工程师，硕士，研究方向：3S技术及应用研究.质量控制与检测(上接第53页)-42