混凝土中钢筋腐蚀的电化学机理及监测技术研究

混凝土中钢筋腐蚀的电化学机理及监测

技术研究

○刘巧玲（广东省地质勘查局七○六地质大队）

【摘 要】混凝土内钢筋的腐蚀速度的监测是混凝土结构耐久性性能需要监测的重要内容之一，是对混凝土结构耐久性性能劣化进行定量评价的基础。本文针对混凝土中钢筋腐蚀的机理及其长期监测技术进行一定的总结和探讨。

【关键词】混凝土 钢筋腐蚀 机理 监测技术研究

1 钢筋混凝土结构耐久性退化的原因 钢筋混凝土结构耐久性退化的原因主要有混凝土材料自身的腐蚀和钢筋腐蚀两大类，其中钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的最重要的因素。钢筋的锈蚀会导致钢筋混凝土构件承载力下降和延性的降低，从而影响整个结构的安全性和耐久性，严重的锈蚀甚至会导致结构的破坏。

2 混凝土中钢筋腐蚀的电化学机理 和其他钢材腐蚀一样，引起钢筋腐蚀的主要化学变化是电化学反应，即在钢筋表面不同电位区段形成阳极和阴极；并且阳极部位的钢筋表面处于活化状态，可以自由地释放电子，在阴极部位的钢筋表面存在足够的水和氧。钢筋腐蚀电化学反应方程和示意图如图1所示：

图1 钢筋电化学反应示意图

在阳极的反应为：Fe →Fe 2+

＋2e

在阴极的反应为：H 2O ＋21

O 2＋2e →

2(OH )－

阴极、阳极反应生成的铁离子和氢氧根

离子结合生成氢氧化亚铁：

Fe 2+＋2(OH)－

→Fe( OH)2

氢氧化亚铁与水中的氧作用可生成氢

氧化铁：

4Fe(OH)2＋O 2＋2H 2O →4Fe(OH)3 钢筋电化学反应中生成的物质就是俗称的铁锈，铁锈是完全丧失钢材原有力学性能的分离物，造成结构钢筋断面面积的减损，并且其体积为铁体积的2~6倍，产生后会导致混凝土保护层开裂、剥落，使水分更容易进入，促使腐蚀加快发展。 3 钢筋腐蚀的电化学监测技术 混凝土中钢筋腐蚀是一个电化学过程，

电化学测量是反映其本质过程的有力手段，与分析法或物理法相比，电化学方法还有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点，因而电化学检测方法得到了很大的重视和发展。目前在试验室中较常用的电化学检测方法主要有：半电池电位法、线性

极化法、电化学噪声法等，其中半电池电位法和线性极化法应用最为广泛，但半电池电位法只能定性的判断钢筋腐蚀的腐蚀概率，不能直接得出钢筋的腐蚀速度；线性极化法是根据著名的Stern 公式发展起来的一种钢筋腐蚀速度测量方法，它具有简单、快速、无损的特点，可通过仪器在混凝土构件外部

检测混凝土试样中钢筋的腐蚀状态和瞬时

腐蚀速度。 但是，上述钢筋腐蚀的检测的方法，操

作时都需要将外部测量探头或参比电极放置于混凝土构件上，对于测量部位较多和需要长时间监测的重要建筑来讲，其工作量巨

大；并且测量结果易受外界因素的干扰。因

此如何将外部检测装置埋入混凝土内部，使

之能够适用长期监测的需要是应用电化学

方法进行混凝土内钢筋监测的关键。

（1）半电池电位监测。半电池电位法是一种较为成熟的方法，具有简单、易行、经济等特点。它是通过采用半电池电位计测量混凝土内钢筋的腐蚀电位，从而判断混凝土内钢筋的腐蚀风险，但是测出钢筋的腐蚀电位值并不能直接反映钢筋的腐蚀速度。利用半电池电位法进行钢筋腐蚀监测时，一般在钢筋附近埋入永久性的参比电极，然后利用外接的高阻抗电压表来读出钢筋腐蚀电位，具体装置如图2所示。

图2 半电池电位测试装置图

（2）埋入式参比电极研究。在利用电化学技术测量钢筋腐蚀数据时，参比电极的选择是十分重要的，目前常用的外部参比电极是硫酸铜参比电极和氯化银电极，但由于它们都是液体溶液，因此在发展钢筋腐蚀在线监测技术时，首先要研制能够埋入混凝土内部的固体参比电极，通过在砂浆内埋置二氧化锰、氧化铁合金和石墨探头研究了它们长期稳定性，经过一年的监测得出了二氧化锰电极稳定性较好，石墨电极稳定性较差的结论，并且混凝土试件是否掺加氯离子对它们的影响很小。利用表面镀二氧化铱的钛棒作为参比电极，对混凝土钢筋腐蚀的情况进行了监测。

（3）线性极化监测技术。线性极化法是首先测量混凝土内钢筋的极化电阻，然后由Stern-Geary 公式计算其腐蚀速度的电化学测试方法。该方法可以直接获得混凝土内钢筋的腐蚀速度，但是和半电池电位方法不同的是测量时不仅需要参比电极，还要埋置一个性能相对稳定的辅助电极，装置图如图3所示。线性极化方法测试速度比半电池电位方法慢，每测一个数据一般需要几分钟的等待时间。另外，对于混凝土结构中实际长度较长的钢筋，钢筋受到极化扰动的表面积较难准确确定，阴阳极间混凝土电阻也难直接测量，因此测试数据的精度也有一定误差，解决这一问题的护环技术已在工程上有所

应用。

图3 线性极化测试装置图

（4）宏电流监测技术。宏电流法是采用待测钢筋和一个惰性辅助电极共同构成一个腐蚀电偶，然后采用零电阻电流表即可以直接获得腐蚀电偶的腐蚀电流值。该值与混凝土内钢筋的腐蚀速度具有直接相关性，因而能够进一步推算混凝土内钢筋的腐蚀速度。

4 钢筋腐蚀监测存在的问题

混凝土内钢筋腐蚀速度的准确检测是结构的耐久性评估、可靠度计算、剩余寿命预测以及结构工程加固的前提。但目前在混凝土内检/监测技术上还存在以下问题：（1）电化学多参数综合判断技术需进一步发展。半电池电位法、线性极化法、混凝土电阻法、交流阻抗法、宏电流技术等都可以对钢筋腐蚀作出判断，但也存在着判断结论不统一的情况。

（2）埋入式监测装置需进一步研究。长期监测需要在混凝土内设置监测探头，如何保证元件的稳定性、提高监测结果的真实性应进一步研究。

（3）自然环境中钢筋总腐蚀量的计算问题需进一步研究。自然环境中温度、湿度是不断变化的，因此如何精确确定自然环境中钢筋总的腐蚀量今后也应作进一步研究。