水泥混凝土中钢筋腐蚀检测方法的分析探讨

摘要 在潮湿、侵蚀介质含量较多的环境中，混凝土钝化膜会逐渐被破坏，继而引起钢筋锈蚀及整体结构的破损。文章基于实际工况设计混凝土模拟液开展极化电阻法的钢筋腐蚀分析，主要对氯离子、硫酸根离子、耦合物中的电流密度、失重率指标进行腐蚀评价。结果表明，相关性随着电流密度的减小而表现得越好（0.85以上），电流腐蚀密度和失重率之间的变化规律呈一致性，低电流密度下，两者的相关性较好，采取电流密度进行钢筋腐蚀评价具有较高的精确性。

关键词 钢筋腐蚀;电化学检测;腐蚀评价

中图分类号 TU528 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）09-0150-03

引言

钢筋腐蚀在工程行业中极其常见，钢筋腐蚀往往产生体积膨胀，继而导致混凝土结构出现明显裂缝，长周期面临复杂环境下，结构的承载强度降低、变形扩大。钢筋腐蚀引起的结构早期破坏是工程行业的普遍灾害，根据相关研究数据表明，钢筋腐蚀占材料腐蚀总量的50%，钢筋腐蚀引发的结构开裂、坍塌等病害占工程行业重大危害的80%。针对钢筋腐蚀病害进行有效测试及评估能够准确直观地反映出结构的既有运行情况及稳定系数，采取科学的钢筋腐蚀检测技术对工程行业的发展有明显的社会及经济价值。

1 混凝土中钢筋腐蚀的影响因素

在高碱性环境中，钢筋表面会形成保护性钝化膜，对于混凝土结构的耐久性具有积极作用。但是在外界复杂环境因素影响下，混凝土孔隙液的pH值会不断下降，氯盐浓度提升，造成钢筋钝化膜破坏，钢筋的表面形态也会受到一定影响。钢筋腐蚀影响因素可以分为氯离子腐蚀和碳化腐蚀两种。

1.1 氯离子、硫酸根离子腐蚀

钢筋混凝土中氯离子、硫酸根离子的进入主要分为以下几种途径：混凝土骨料（砂、碎石）并没有经过仔细检查，其中存在一定浓度的氯离子、硫酸根离子;砂、石、水泥、水等原材料在配制混凝土过程中存在空隙，为后续氯盐、硫酸盐的扩散提供通道;混凝土在使用周期内，表面存在荷载破坏裂缝，氯离子、硫酸根离子由裂缝达到钢筋结构表面，随着氯离子、硫酸根离子浓度的不断扩大，钢筋钝化膜就会产生破坏，钢筋随之产生腐蚀。

1.2 混凝土的碳化

混凝土碳化主要指空气中的二氧化碳通过孔隙向混凝土结构内部扩散，并且和混凝土碱性物质产生中和反应的过程。钢筋表面存在保护钝化膜，持续的碳化将会使得碱性保护膜丧失原有作用。尤其当钢筋混凝土结构暴露在工业污染严重的环境中时，二氧化碳等酸性气体就会导致结构碱性下降（pH从12～14下降到8～9），此时钢筋钝化膜就会分解，混凝土介质也会和孔隙通道中的水、氧气等反应生成氧化铁，伴随大量的脆性多孔，钢筋腐蚀程度会不断加剧。

2 电化学检测方法

混凝土钢筋腐蚀检测技术中最常用的是电化学检测技术，该技术能够高效地判断钢筋混凝土结构腐蚀的可能性、电阻及腐蚀速度。作为化学、电学反应的相互融合技术，电化学测试技术能够对氧化还原产生的电流、电位等进行检测，主要可以分为半电池电位法、极化电阻法、混凝土电阻率法三种。

2.1 半电池电位法

半电池电位法主要对参比电池和钢筋之间的电位差进行测试，其中，参比电池由硫酸铜/铜构成，腐蚀钢筋在表面会形成阴极、阳极区。不同电位差区域之间则会产生一定的电流，通过大量数据的采集，则可以区分出阴极区和阳极区，继而实现钢筋腐蚀位置的判定。

2.2 极化电阻法

极化电阻法主要进行混凝土钢筋腐蚀速度的测定，腐蚀时的极化电阻测量能够对钢筋瞬时腐蚀速率进行测量。极化电阻法原理则是腐蚀电位附近的电流电压呈现直线状，其线性斜率为极化电阻，主要反映钢筋的腐蚀状态。该方法能够高效获取腐蚀电流，试验开展往往只需要数分钟，且能够实现腐蚀状态的实时测定。由于电位施加幅度偏小，测量几乎不会对腐蚀速度造成影响，能够开展重复试验。

2.3 混凝土电阻率法

混凝土电阻率法主要开展钢筋混凝土的电阻率检测，电阻率与钢筋混凝土腐蚀程度之间呈反比例关系，混凝土的电阻率随着钢筋腐蚀程度的加快而降低，电阻率和环境相对湿度密切相关。混凝土电阻率法具备较大的应用局限性，主要受到混凝土层电阻率、粗骨料差异、钢筋、测试探头、环境相对温湿度的影响，极容易产生数据误判。

3 混凝土钢筋腐蚀评价分析

新拌混凝土钢筋在高碱性情况下极容易产生钝化膜，钢筋在此过程中不会腐蚀。随着结构使用周期的延长，钢筋混凝土中氯离子、硫酸根离子及两种离子的耦合物会不断扩散，对钢筋造成一定程度的腐蚀。当前快速直观评价钢筋腐蚀的方法是失重法，但是钢筋取样会造成整体结构的破坏，且测试过程较为复杂。该文主要采取极化电阻方法进行钢筋腐蚀的评价，且配合失重率分析作为依据。试验需要开展实际的氯离子、硫酸根离子浓度的腐蚀环境模拟，有助于为当地工程提供必要的钢筋腐蚀处理措施[1]。

3.1 试验条件

3.1.1 实际环境

某地水泥混凝土路面起终点K1+120～K1+150段存在大量的路面结构破坏情况，经过现场检测，内部钢筋腐蚀程度较高。该试验对该路段地质环境中的氯离子、硫酸根离子浓度进行了取样分析工作，继而对该地的氯化物、硫酸盐类腐蚀环境进行模拟。经过实验室检测，氯离子、硫酸根离子浓度分布极其不均匀，该地水泥混凝土路面南部的浓度要低于北部，且该路段为典型的盐渍土集中地带。试验采取氯离子浓度800～2 670 mg/l、硫酸根离子浓度1 100～5 100 mg/l作为参考值，为后续的钢筋腐蚀提供依据。

3.1.2 模拟液配置

钢筋混凝土中的钢筋在自然环境中腐蚀过程极其缓慢，即便在一些极端周围环境中，钢筋的腐蚀评价工作也需要耗费大量的人力成本，试验采取混凝土模拟液来取代真实环境中的混凝土内部孔隙液，通过直接让钢筋处在侵蚀性介质的溶液中，实现高效的钢筋腐蚀目的。除此之外，混凝土钢筋在干湿交替循环的模拟环境中，相对于自然浸水情况，钢筋的腐蚀程度也会更高。基于此，试验以实际侵蚀性离子浓度分布范围为基础，开展混凝土模拟液干湿交替循环试验来进行钢筋腐蚀评价，着重针对三种模拟液（氯离子、硫酸根离子、两种离子偶合物）进行分析。试验对于混凝土高碱性孔隙液环境的模拟，采取表1所示不同组分进行配制，其中pH控制為14。针对上述该水泥混凝土路面破坏程度较高的情况，选取实际配置模拟液氯离子浓度为500～2 400 mg/l范围内，硫酸根离子浓度为1 000～5 000 mg/l范围内[2]。

3.2 试验设计

试验选取HRB400E钢筋（直径15 mm）制成工作电极，并且采取切割技术将其制成高度6 cm的圆柱结构，继而进行结构钻孔及铜导线穿入，采取环氧树脂进行铜导线、钢筋之间的相互固定，实现铜导线、钢筋的紧密接触，钢筋上下表面也需要采取环氧树脂进行密封处理。钢筋腐蚀之后则需要进行酒精的表面去污化处理，进行低温干燥及烘干处理。试验为考虑干湿循环的加速试验，首先将钢筋浸泡在上述模拟环境中达10 h;其次取出钢筋放置于室温、湿度30%的干燥环境中达10 h，循环试验设定为20 h为一个周期，需要进行64个周期。图1为循环试验示意图。

试验结束后，则需要开展腐蚀钢筋的极化曲线测试，扫描范围设定为自腐蚀电位的±100 mV，控制扫描速度为0.1 mV/s，试验用极化曲线进行拟合处理，以便获取电流密度，并且对腐蚀钢筋进行失重率分析[3]。

3.3 结果分析

3.3.1 不同模拟液中电化学评价

图2为钢筋在干湿循环试验结束之后所获取的极化曲线拟合电流密度结果，具体如表2所示。此时由于钢筋腐蚀程度较高，试验不采取腐蚀电位作为腐蚀评价参考。

图3为干湿循环试验结束之后的腐蚀电流密度分布图，图中结果表明，氯离子、硫酸根离子、耦合物的浓度扩增造成模拟液中钢筋腐蚀电流密度呈不断增大的趋势;其中，腐蚀电流密度增长阶段，氯离子的腐蚀程度最为显著，且耦合物的腐蚀程度居中，硫酸根离子的腐蚀程度最差;考虑耦合物溶液及硫酸根离子溶液具备相同的硫酸根离子浓度，通过对比两种腐蚀液的电流密度可知，耦合物的电流密度要稍高于硫酸根离子，这表明，氯离子具备促进硫酸根离子腐蚀的效果。氯离子腐蚀效果主要归因于：氯离子浓度的提升会造成钢筋表面的氢氧根、氯离子浓度提升，钢筋钝化膜也随之加速破坏，钢筋钝化区及钝化破坏区之间会形成小阳极、大阴极电池结构，且腐蚀离子整体上起到催化作用，钢筋则会加速腐蚀[4]。

3.3.2 不同模拟液中失重率评价

表3为干湿循环试验后钢筋的腐蚀失重率统计，结果表明，腐蚀失重率随着氯离子、硫酸根离子、耦合物浓度的提升而不断增大;三种侵蚀液钢筋试验后腐蚀程度在氯离子溶液中最为显著，其次为耦合物溶液，最后则为硫酸根离子溶液。

4 结论

钢筋腐蚀病害在短期内难以发现，后续混凝土结构出现破坏时则会造成修复难度大、成本高的缺陷。该文采取混凝土模拟液进行钢筋腐蚀环境模拟，采用极化曲线获取电流腐蚀密度，并且进行失重率分析。其中，三种侵蚀溶液中的电流密度、失重率相关性随着电流密度的减小而表现的越好（0.85以上），电流腐蚀密度和失重率之间的变化规律呈一致性。在钢筋腐蚀初期，采取电流腐蚀密度进行钢筋腐蚀程度的评价具备较高的精确性，采取电流密度进行评价具备简便、实用的优势，能够为工程中混凝土钢筋腐蚀提供必要的防护参照。

参考文献

[1]陈奇， 公伟， 苗吉军. 氯盐侵蚀下铜矿渣混凝土高温后内部钢筋锈蚀规律[J]. 复合材料学报， 2021（1）： 1-10.

[2]高凯凯， 崔祎菲， 张鹏， 等. 氯盐侵蚀下碱激发混凝土内钢筋锈蚀研究进展[J]. 硅酸盐通报， 2020（10）： 8-10.

[3]钟小平， 戴仁礼， 袁承斌， 等. 氯盐环境下钢筋锈蚀损伤混凝土应力应变本构模型[J]. 建筑材料学报， 2021（4）： 61-63.

[4]孙世栋， 秦磊， 任宏伟， 等. 基于电阻层析成像的混凝土钢筋锈蚀无损检测[J]. 无损检测， 2020（1）： 37-40.

收稿日期：2022-03-09

作者簡介：李绍海（1987—），男，本科，工程师，研究方向：试验检测。