鋼筋銹蝕檢測評價方法的綜述

李 悅,于鵬超

(北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室,北京 100124)

鋼筋銹蝕檢測評價方法的綜述

李 悅,于鵬超

(北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室,北京 100124)

鋼筋銹蝕是造成混凝土性能劣化的主要問題之一,由于目前檢測評價鋼筋銹蝕的方法與標準較多,該文綜述了國內外在鋼筋銹蝕檢測評價方法方面已有的研究成果。對鋼筋銹蝕的檢測評價方法進行了系統的描述和分類,提出了各種試驗方法的優缺點。

鋼筋銹蝕; 檢測評價方法; 綜述

鋼筋銹蝕對混凝土結構能夠造成巨大的破壞[1,2],已經成為土木工程行業的重大問題[3,4],不得不引起重視。目前鋼筋銹蝕的檢測方法很多,但存在著各種方法的評價標準不統一的問題[5],如我國有《建筑結構檢測技術標準》(GB/T 50344—2004)[6]、《混凝土中鋼筋檢測技術規程》(JGJ/T 152—2008)[7]、《混凝土外加劑》(GB 8076—1997)[8]等。國外還有ASTM G 31—2004《實驗室金屬材料浸漬腐蝕試驗標準》[9]的重量法、《混凝土中未涂覆的預應力鋼筋的半電池電勢的試驗方法》(ASTM C 876—1999)[10]、《薄膜路面系統電阻率的測試方法》(ASTM D 3633—2006)[11]、《涂漆鋼表面銹蝕程度評價的試驗方法》(ASTM D 610—2001)[12]和日本工業標準《鋼筋混凝土用防銹劑》(JISA 6205—1982)[13]、美國《混凝土中鋼筋防腐蝕標準》(NACE RP—0178—96)[14]和韓國《阻銹劑標準》(KS.F 2561—88)[15]等標準規定的試驗方法。總體來看,鋼筋銹蝕的檢測方法主要分為電化學法和物理方法,電化學法主要包括鹽水浸漬試驗、鋼筋銹蝕快速試驗方法、半電池電位測量法,混凝土的電阻率法、銹蝕電流密度法、線性極化法、交流阻抗譜法(EIS)。物理方法包括失重法和截面法、干濕冷熱循環試驗法。

1 鋼筋銹蝕檢測方法簡介

1.1 鹽水浸漬法

鹽水浸漬法主要應用于對阻銹劑性能評價檢測試驗中。根據YB/T 9231—2008[16]標準該實驗是將打磨、清洗處理后的直徑10 mm、長50 mm的Q235鋼筋試棒,表面粗糙度為Ra6.3μm,浸泡在1.15%氯化鈉飽和氫氧化鈣配制而成的模擬混凝土孔隙液中。通過鋼筋銹蝕儀、電壓表、恒電位、恒電流儀等設備,并借助于甘汞參比電極,觀測7 d以后鋼筋的銹蝕情況。

評判標準:鋼筋表面是否產生黃色,或者紅色、黑色斑點和花紋,試驗溶液中是否由于腐蝕著色或產生沉淀,檢測自然電極電位曲線的變化。當鋼筋自然電位在0～-250 m V為合格。

該方法儀器設備簡單,試驗周期短,能夠較好較快的對鋼筋的銹蝕情況作出判斷,但是只是定性的判斷鋼筋的銹蝕情況,沒有具體的定量確定鋼筋的銹蝕程度的指標。

1.2 極化曲線法

該方法通過鋼筋在新拌或硬化砂漿中陽極和陰極的極化曲線來判斷鋼筋銹蝕情況,主要用于測定外加劑對混凝土中鋼筋的銹蝕作用。

測試方法:測試方法按照圖1所示,將處理過的鋼筋棒和甘汞參比電極埋入摻有外加劑的新拌砂漿中,以兩根鋼筋棒為正負極、甘汞電極為參比電極。測試未通電流前鋼筋棒在新拌砂漿中的陽極鋼筋的自然電位V(鋼筋陽極和甘汞電極之間的電位差值)。然后外加電流,依次記錄不同時間的陽極極化電位值。

試驗結果處理以及評價標準:試驗結果表示為電位-時間曲線;如果該曲線為圖2曲線①所示,即在電極通電后陽極鋼筋的電位曲線迅速上升,在1～5 min內達到析氧電位并且在30 min后測試電位值沒有明顯的下降趨勢,判斷所測定的外加劑對鋼筋是沒有危害的;如果電極通電后電位值迅速升高繼而逐漸下降,如曲線②,可以判定鋼筋表面的鈍化膜部分被破壞;如果出現曲線③所示的情況,表示鋼筋表面的鈍化膜已被嚴重破壞。

此方法設備簡單,測量速度快,實驗數據易于處理。可以快速定性地判定出外加劑對鋼筋的阻銹性能。

1.3 半電池電位法

半電位電池法[17]主要用于定性判定鋼筋的銹蝕狀態。利用鋼筋銹蝕的電化學過程中陽極區和陰極區之間的電位差值,在鋼筋上形成短路的腐蝕電偶,通過測定鋼筋、混凝土與在混凝土表面上參考電極之間的電位差,評定鋼筋的銹蝕狀態。在電位較負處,鋼筋為腐蝕區,發生陽極反應;而在電位較正處,鋼筋未發生腐蝕的陰極區,發生陰極反應。具體操作方法:按照圖3所示,將參比電極放在處理過的試驗構件的混凝土表面上,通過鹽橋和混凝土表面接觸,參比電極連接伏特計的負極,構件中的鋼筋連接伏特計的正極。

該方法的測量僅僅是對鋼筋腐蝕的幾率判斷,具有很大的不確定性,還需要結合其它腐蝕信息采用其它的測試方法定性、定量判斷,該方法各種標準不統一(見表1),而且不能測量鋼筋銹蝕的速率。但該方法簡單、經濟、易操作。在混凝土厚度以及成分均勻、質量、溫度、濕度一定的情況下,可以很好定性反映鋼筋的銹蝕情況。該方法目前是無損檢測鋼筋腐蝕狀態的一種常用方法。

表1 各國半電位圖法標準

1.4 失重法和截面法

該方法通過測算鋼筋的腐蝕面積和腐蝕重量來反映鋼筋的銹蝕情況。

試驗前稱重(用酸清洗并用紗布打磨至光亮在干燥器里烘干)并計算鋼筋的表面積,將試驗鋼筋放在模擬混凝土孔隙液中一定時間后,取出鋼筋測量銹積率和失重率。銹積率的標定方法為用玻璃紙繪出鋼筋表面的銹蝕面積,然后將其復印在方格紙上,計算銹蝕面積如公式(1)所示。

式中,P為鋼筋的銹積率(%);Sn為鋼筋的銹蝕面積(mm2);S0為鋼筋的表面積(mm2)。

失重率的標定方法為:將鋼筋通過酸洗把銹蝕產物洗掉,用兩根光亮鋼筋作為空白對照試驗,在干燥器中烘干、稱重,計算鋼筋的失重率

式中,M為鋼筋失重率(%);W01、W02分別代表空白試驗用的兩個鋼筋的初始重量(g);W1、W2分別代表空白試驗用的兩個鋼筋經過酸洗后的重量(g);W0為試驗鋼筋的初始重量(g);W為試驗后鋼筋的重量(g)。

鋼筋的截面法和失重法簡單、直觀、容易操作,是一種測量鋼筋腐蝕的基本方法,但是只適用于全面腐蝕,對于有選擇性的局部腐蝕不適用。且這種測量方法受環境、樣品制備以及操作過程等影響很大,在計算銹蝕面積和失重重量時,由于銹蝕點的深度不同,結果存在較大誤差,測量實驗數據時還需要對構件進行破壞。

1.5 干濕冷熱循環試驗

該方法用于評價氯離子對摻阻銹劑混凝土中鋼筋銹蝕程度的影響。具體試驗方法是制備出摻加阻銹劑的砂漿,將鋼筋棒埋入砂漿中,將養護7 d后的試件浸泡在3%NaCl溶液中16 h,取出來在75℃的烘干箱中烘4 h,然后再取出來在室溫下放置4 h,以上三個步驟為一個循環,進行60個循環后檢測鋼筋的銹蝕情況,并將其和空白試驗作對比。若鋼筋表面沒有出現銹蝕情況則阻銹劑合格,否則為不合格。

該試驗方法能夠較好模擬混凝土中鋼筋所處的環境,但是試驗周期比較長,而且結果的處理需要對混凝土進行破壞,在一定程度上增加了試驗結果誤差,對鋼筋的銹蝕評價沒有定量判斷。

1.6 混凝土的電阻率和銹蝕電流密度法

通過測量混凝土的電阻率和鋼筋的電流密度判別混凝土中鋼筋的銹蝕速率,判別標準見表2和表3。此方法的不足在于測量和判斷結果受混凝土中含水率的影響顯著。

表2 不同混凝土電阻率下鋼筋銹蝕情況

表3 不同的鋼筋銹蝕電流下鋼筋的銹蝕情況

1.7 線性極化法

線性極化法[18]主要基于Stern-Geary公式,對被測鋼筋外加一個范圍極小的極化電位,保證擾動信號足夠小,使電壓與電流之間滿足線性關系。判別標準見表4。

表4 線性極化法測定鋼筋腐蝕速率特征值[19]

線性極化檢測方法[20]相對簡單,數據的重復性較好,儀器簡單,可用于現場操作,而且是一種非破壞試驗構件的試驗方法,但是測試結果受檢測條件的影響很大,在試驗過程中,需要記錄極化時溫度、濕度等條件,混凝土含水率對測試結果影響很大,并且難以確定受到極化的鋼筋表面積,存在一定的誤差。

2 結 語

目前混凝土中鋼筋銹蝕的檢測方法大多進行定性評斷,且判斷結果存在一定誤差。例如,鹽水浸漬法只是憑借肉眼觀察來判斷鋼筋是否銹蝕以及銹蝕程度;通過計算失重重量和銹蝕面積的失重法和截面法不能考慮鋼筋銹蝕分布的不均勻性和大量的點蝕情況,且在稱重和計算銹蝕面積上存在誤差,也是一種定性判斷鋼筋銹蝕程度的方法;干濕冷熱循環試驗法要通過和空白試驗對照來判斷,沒有在“量”上找出銹蝕程度的指標。

電化學試驗方法也存在著較多問題,測試結果的準確性受到混凝土厚度、組成、干濕狀況,以及鋼筋的表面狀態,溶液的濃度、溫度、溶氧量等因素的影響,使得化學方法不能夠對鋼筋的“銹蝕速率”以及“銹蝕狀況”作出準確的判斷。另外,部分試驗儀器復雜昂貴,且不適用于現場施工檢測。因此今后除了大量加強鋼筋銹蝕的機理研究外,開發更科學有效的測試設備也是今后研究的重點方向。

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[10]ASTM C876—1999,混凝土中未涂覆的預應力鋼筋的半電池電勢的試驗方法[S].

[11]ASTM D3633—2006,薄膜路面系統電阻率的測試方法[S].

[12]ASTM D610—2001,涂漆鋼表面銹蝕程度評價的試驗方法[S].

[13]JISA6205—1982,鋼筋混凝土用防銹劑[S].

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[15]KS.F2561—88,阻銹劑標準[S].

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[20]曹楚南.腐蝕電化學原理[M].北京;化學工業出版社,2004.

Review of the Research on Steel Corrosion Detection and Evaluation Methods

LI Yue,YU Peng-chao
(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering,Minister of Education, Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Steel corrosion is one of the main problems in the performance degradation of concrete.Because the steel corrosion detection and evaluation methods are chaos at present,the research achievement at internal and abroad of detection and evaluation method for steel corrosion is reviewed in this paper.This paper made a unified description and classification for the method,and put forward the advantages and disadvantages of various experimental methods.

steel corrosion; detection and evaluation methods;review

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.009

2015-06-25.

973計劃資助項目—嚴酷環境下混凝土材料與結構長壽命的基礎研究(2015CB655101);教育部“新世紀優秀人才支持計劃”項目(NCET-12-0605)和北京市屬高等學校高層次人才引進與培養計劃項目(CIT&TCD20150310).

李 悅(1972-),男,教授,博導.E-mail:liyue@bjut.edu.cn