混凝土用鋼筋腐蝕誘因及檢測技術(shù)評價(jià)

黃 誠

（山東省冶金科學(xué)研究院有限公司，山東 濟(jì)南250014）

1 前 言

鋼筋混凝土是現(xiàn)代建筑中必不可少的材料，因其具有強(qiáng)度高、耐候性強(qiáng)、可模性好和造價(jià)低等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)建筑、公路橋梁和海工等領(lǐng)域。但是，目前各國鋼筋質(zhì)量參差不齊，混凝土鋼筋腐蝕現(xiàn)象接連出現(xiàn)，已成為導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性下降的主要因素，不僅嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，還給國民經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年各國由于腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國民生產(chǎn)總值的3%（中國約達(dá)5%）［1］，因此，混凝土中鋼筋銹蝕的有效檢測至關(guān)重要。鑒于此，本研究首先分析了混凝土鋼筋腐蝕的原因，并對目前國內(nèi)外常用的混凝土鋼筋腐蝕的檢測方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

2 混凝土鋼筋腐蝕的誘因

混凝土由硅酸鹽水泥、填充骨料、水和外加劑等混合后經(jīng)水合澆注而成。水泥的基本化學(xué)組成有3CaO·SiO2和2CaO·SiO2以及少量3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3，其水化產(chǎn)物主要是Ca（OH）2、CS-H 凝膠以及部分鈣釩石。Ca（OH）2具有強(qiáng)堿性，鋼筋與其接觸后，表面形成以Fe2O3和Fe3O4為主的致密鈍化膜，對鋼筋可起到保護(hù)作用。鈍化膜一般在混凝土澆筑完成2～3 d 內(nèi)即可形成［2］。一旦鋼筋表面的鈍化作用喪失，在有水和氧氣共同作用的條件下，鋼筋就會(huì)出現(xiàn)一定程度的腐蝕，影響其承載性能。

2.1 有害離子的侵蝕

氯離子侵蝕是造成混凝土中鋼筋腐蝕的一個(gè)重要因素?；炷猎谑┕み^程中常加入一些含氯化物的預(yù)混合料，如早強(qiáng)劑、砂石等。此外，混凝土在成型及服役過程中極易產(chǎn)生裂縫，環(huán)境中的氯離子沿裂縫進(jìn)入混凝土中。在擴(kuò)散、滲透和毛細(xì)管的共同作用下，Cl-滲入至鋼筋表面，在局部鈍化膜處發(fā)生如下反應(yīng)：

該處的pH 值迅速降低。Cl-的局部酸化作用，改變了鋼筋周圍的堿性環(huán)境，迅速破壞該處的鈍化膜，使其成為活化態(tài)，與尚未完好的鈍化膜區(qū)域之間構(gòu)成電位差。因此，該處作為陽極，在氧和水存在的條件下，發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，其反應(yīng)式如下：

陽極金屬鐵溶解形成腐蝕坑，稱之為點(diǎn)腐蝕。雖然點(diǎn)腐蝕的腐蝕面積較小，但腐蝕深度較大，深度可達(dá)平均腐蝕深度的10 倍左右，導(dǎo)致鋼筋抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及伸長率均明顯降低，力學(xué)性能劣化，并且極易引起應(yīng)力腐蝕，出現(xiàn)脆性破壞［3-4］。另一方面，鋼筋表面析出Fe（OH）2，遇到孔隙液中的水和氧會(huì)快速轉(zhuǎn)化成Fe（OH）3（鐵銹），進(jìn)而在鋼筋表面形成疏松多孔的海綿狀銹層，導(dǎo)致其體積膨脹至原來的2～4 倍。隨著腐蝕產(chǎn)物的不斷生成，該處鋼筋對周圍混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，到達(dá)一定程度后，混凝土發(fā)生順筋開裂、剝落甚至整體脫落［5］。裂縫及混凝土的脫落又進(jìn)一步加快鋼筋腐蝕，直至構(gòu)件喪失承載能力。

2.2 混凝土的碳化

混凝土碳化也是混凝土中鋼筋腐蝕的原因之一?；炷撂蓟侵缚諝庵械乃嵝詺怏wCO2通過混凝土孔隙擴(kuò)散進(jìn)入基體內(nèi)部，與Ca（OH）2和其他堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣。隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展，空氣中的碳物質(zhì)濃度不斷提高，當(dāng)大量的碳酸鈣形成時(shí)，混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境被破壞，pH 值＜11.5 時(shí)，鈍化膜開始不穩(wěn)定；pH 值＜9.88時(shí)，則被完全碳化，此時(shí)鈍化膜失效，鋼筋暴露于腐蝕環(huán)境下發(fā)生腐蝕反應(yīng)［6］。同時(shí)，碳化使C-SH 凝膠固定的Cl-變成自由活動(dòng)的Cl-，促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕的過程［7］。

2.3 鋼筋自身的原因

鋼筋在生產(chǎn)加工過程中難免出現(xiàn)化學(xué)成分偏析、組織不均勻等問題，以及在服役過程中受外圍混凝土影響產(chǎn)生鈍化膜不連續(xù)的問題。這些問題都會(huì)導(dǎo)致鋼筋內(nèi)部存在一定的電位差，鋼筋產(chǎn)生局部腐蝕。此外，早期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理以及施工控制不當(dāng)，導(dǎo)致鋼筋受力不均勻，表面受到污染，也會(huì)加速其受腐蝕。

3 混凝土鋼筋腐蝕的檢測方法

混凝土鋼筋腐蝕檢測分為破損檢測和無損檢測兩大類。破損檢測方法需將外圍混凝土鑿開，肉眼直接觀察鋼筋腐蝕狀況，必要時(shí)可將鋼筋腐蝕部分截取、稱重，以鋼筋銹蝕前后的質(zhì)量損失率表示其銹蝕程度。因其對混凝土結(jié)構(gòu)造成極大破壞，因此該法一般適用于鋼筋發(fā)生嚴(yán)重腐蝕時(shí)，且只能檢測某一“點(diǎn)”處的鋼筋，無法反映整體鋼筋受腐蝕狀況［8］。因此，專業(yè)人士在工程實(shí)踐中研究開發(fā)出混凝土鋼筋腐蝕無損檢測方法，并取得了良好的應(yīng)用效果?；炷龄摻罡g無損檢測方法主要有分析法、物理法以及電化學(xué)法。

3.1 分析法

分析法需綜合考慮混凝土構(gòu)件所處的環(huán)境情況（地理位置，氣候特點(diǎn)，周圍有無工業(yè)廢氣、廢料、廢渣的排放）。通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，包括裂縫寬度、鋼筋直徑、混凝土強(qiáng)度、混凝土厚度、有害離子的侵入深度及含量等一系列參數(shù)，建立鋼筋銹蝕預(yù)測模型，以此分析鋼筋銹蝕程度［9］。盡管分析法較為經(jīng)濟(jì)，但該方法的應(yīng)用依靠建立合理可靠的銹蝕預(yù)測模型。截止目前，各研究學(xué)者尚未建立成熟的實(shí)用數(shù)學(xué)模型，因此將分析法應(yīng)用到實(shí)際工程尚有一定距離。

3.2 物理法

物理法通過測定鋼筋銹蝕產(chǎn)生的電阻值、熱傳導(dǎo)或者聲傳播等物理性能的變化分析鋼筋銹蝕行為，主要包括電阻探頭法、聲發(fā)射法、渦流檢測法及紅外熱像法。物理法簡單易操作，效率高，不受環(huán)境影響。但該方法只能用于定性分析，難以進(jìn)行定量分析，目前主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未見用于工程現(xiàn)場檢測。

1）電阻探頭法。電阻探頭法于20世紀(jì)20年代開始得到應(yīng)用，該方法的基本原理是鋼筋銹蝕使其截面積和表面狀態(tài)改變，鋼筋電阻值隨之發(fā)生變化［10］?；炷翝仓r(shí)，預(yù)先填埋和鋼筋同樣材質(zhì)的電阻探頭，檢測其電阻的變化可分析得到鋼筋剩余截面積，從而確定腐蝕深度。電阻探頭法只能檢測探頭安裝處的腐蝕深度及速度，僅適用于均勻腐蝕的混凝土構(gòu)件［11］。

2）聲發(fā)射法。聲發(fā)射是指鋼筋周圍的混凝土在腐蝕產(chǎn)物膨脹力作用下發(fā)生開裂，釋放儲(chǔ)存的能量產(chǎn)生彈性應(yīng)力波。聲發(fā)射法則是利用傳感器接收該彈性應(yīng)力波，從而連續(xù)監(jiān)測鋼筋發(fā)生腐蝕的整個(gè)過程［12］。該方法能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行檢測和評定，但其在實(shí)際使用中容易受到非檢測聲波的干擾，檢測誤差較大。

3）渦流檢測法。渦流檢測法利用電磁感應(yīng)原理，將電磁裝置放置在混凝土構(gòu)件表面，誘導(dǎo)鋼筋內(nèi)部建立感應(yīng)渦流，鋼筋腐蝕導(dǎo)致其截面積減小，引起磁場發(fā)生變化，根據(jù)勵(lì)磁電流與鋼筋內(nèi)感應(yīng)渦流的相位關(guān)系分析得出鋼筋截面積損失率［10］。該方法檢測范圍較大，通過一次測量可以檢測整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕狀況。

4）紅外熱像法?；炷林袖摻畎l(fā)生局部腐蝕時(shí)，混凝土內(nèi)部熱量在該處擴(kuò)散受阻，導(dǎo)致熱量堆積，出現(xiàn)局部熱區(qū)。紅外熱像法則是通過監(jiān)測混凝土構(gòu)件表面的溫度場分布，從而對銹蝕鋼筋的蝕坑位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。紅外熱像法不僅可以實(shí)現(xiàn)非接觸快速檢測，還能夠避免混凝土其他損傷的干擾，其與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，還可定量描述蝕坑形狀與大小。

3.3 電化學(xué)法

電化學(xué)法是基于混凝土中鋼筋銹蝕的電化學(xué)本質(zhì)提出的，該方法利用鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性確定鋼筋的腐蝕程度及腐蝕速度。電化學(xué)法具有靈敏度高，原位測量，可連續(xù)跟蹤以及測試速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展迅速，在實(shí)際工程現(xiàn)場中得到了廣泛應(yīng)用。其主要包括自然電位法，線性極化法，交流阻抗法以及混凝土電阻率法等。

1）自然電位法。20 世紀(jì)50 年代末以來，自然電位法一直被廣泛應(yīng)用于評定混凝土中鋼筋的銹蝕狀況［13］。自然電位法基于電化學(xué)腐蝕原理，在混凝土構(gòu)件表面放置一個(gè)半電池（參比電極）裝置，通過測定其與鋼筋之間的電位差來確定鋼筋的腐蝕程度。自然電位法具有操作簡單方便、測試速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且不會(huì)對混凝土中的鋼筋腐蝕體系產(chǎn)生干擾，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量和實(shí)時(shí)跟蹤，在實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場的適用性都較好［14］，但該法僅能對鋼筋腐蝕進(jìn)行定性分析，無法進(jìn)行定量測量。此外，由于該方法中的參比電極須和混凝土中鋼筋形成電回路，因此，混凝土干燥或表面有非導(dǎo)電性覆蓋層時(shí)，該方法無法使用［15］。

2）線性極化法。線性極化法是通過測量微電流通過鋼筋時(shí)自然電位附件產(chǎn)生的電位變化量得出極化電阻，進(jìn)而推斷鋼筋腐蝕速度。在被測鋼筋外放置一恒定電位，對混凝土中的鋼筋加一個(gè)極小的電化學(xué)擾動(dòng)，測量其反應(yīng)，從所測反應(yīng)分析得到受擾動(dòng)鋼筋的銹蝕速率［16］。線性極化法是定量檢測鋼筋腐蝕速率的最簡單的電化學(xué)方法，測量方便快速，常用作實(shí)驗(yàn)室與工程現(xiàn)場快速檢測評定。該方法的缺點(diǎn)在于要求測試儀器精度較高。

3）交流阻抗法。交流阻抗法是一種暫態(tài)頻譜分析技術(shù)，將頻率不同、振幅較小的交流電（＜10 mV）通入鋼筋，從電壓或電流的響應(yīng)確定交流阻抗與頻率之間的相關(guān)關(guān)系，得到鋼筋與混凝土界面間反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的有關(guān)信息。該法可采用等效電路解析腐蝕過程中的電化學(xué)阻抗數(shù)據(jù)，從而定量測定鋼筋腐蝕速率［17-18］。交流阻抗檢測所用設(shè)備造價(jià)昂貴，檢測周期長，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理繁瑣，只適合在實(shí)驗(yàn)室操作，適用于鋼筋銹蝕機(jī)理的研究［19］。

4）混凝土電阻率法?；炷恋碾娮铔Q定了離子在陰陽兩極之間的轉(zhuǎn)移速率，進(jìn)而影響鋼筋腐蝕，而混凝土電阻率與鋼筋腐蝕速率成反比［20］?；炷岭娮杪史ㄍㄟ^在混凝土表面放置電極，導(dǎo)入已知電流從而測定混凝土內(nèi)部的電位分布。電阻率法設(shè)備簡單，適用范圍廣，但其易受環(huán)境影響，且所測數(shù)據(jù)離散型較高［21］。

4 結(jié) 語

我國作為發(fā)展中國家，正在進(jìn)行大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性尤為重要，關(guān)系人民的利益與安全。為了確保和提升混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和使用壽命，需加強(qiáng)對鋼筋腐蝕的重視。通過對鋼筋腐蝕各方面誘因的探究，以及幾種鋼筋腐蝕檢測方法的合理使用，對鋼筋的腐蝕情況以及混凝土耐久性進(jìn)行準(zhǔn)確地分析與判斷，從而提升我國基建工程的整體運(yùn)作效益。