芻議鋼筋銹蝕導致混凝土結構失效的機理與檢測技術

張儉

摘要：在各種建筑結構中，鋼筋的使用率是非常大的，但是由于鋼筋在使用的過程中，容易受外界環境的影響產生銹蝕，鋼筋銹蝕現象對混凝土結構的使用壽命等會產生一定的影響，因此文章對鋼筋銹蝕導致混凝土結構失效的機理與檢測技術進行了簡要的闡述。

關鍵詞：鋼筋銹蝕；混凝土結構；失效機理；檢測技術

中圖分類號：TV331文獻標識碼： A

由于鋼筋的銹蝕所導致的混凝土結構失效的現象時有發生，這對于建筑的使用壽命以及使用人員的安全產生了一定的影響，所以對鋼筋銹蝕的原因以及檢測技術的研究就成為了現在一個新的研究課題。

一、鋼筋腐蝕機理

（一）鋼筋腐蝕的過程

鋼筋在出現銹蝕的過程中，不論是由于什么情況引發的，都同樣是一個具有陰極和陽極半電池反應的電化學過程。在這些微電池中，鋼筋表面的陽極區域，鐵原子失去了電子變為鐵離子溶人混凝土的微孔水中。

陽極反應：FeFe2++2e—

陽極反應生成的電子通過鋼筋本身定向移動到鋼筋表面的陰極區域，并在這里與水和氧氣反應生成氫氧根離子。

陰極反應：2e一+H20+O220H一

電子在這種化學反應的過程中，被消耗掉最后保持了鋼筋的電中性。在陰極區域的氫氧根離子(OH一)，增加了該區域附近微孔水的局部堿度，強化了該處鋼筋表面上的鈍化膜。

如果陽極區域的鐵原子只是通過陽極反應變成了亞鐵離子，溶人混凝土的微孔水后，不再發生變化，那么，鋼筋的混凝土保護層就不會出現順筋開裂和剝落現象。但是在一定條件下，亞鐵離子還會進一步參加反應，使鋼筋表面上生成紅銹。

Fe2++20H一Fe(OH)2

4Fe(OH)2+02+2H204Fe(0H)3

2Fe(OH)32H20+Fe203·H20

（二）碳酸物質的腐蝕機理

混凝土碳酸化是大氣中的二氧化碳氣體與混凝土中的堿性氫氧化物相互作用的結果。二氧化碳像氯化物、二氧化硫等氣體一樣，都能溶解于水形成一種酸。但二氧化碳氣體溶解于水形成的碳酸與其他絕大多數的酸(如鹽酸、硫酸等)不同，它不侵蝕混凝土的水泥石基體，而僅與混凝土微孔水中的堿發生中和反應，生成碳酸鈣，沉積于微孔的內壁上：

C02+H20H2C03

H2C03+Ca(OH)2CaC03+2H20

隨著微孔中氫氧化鈣消耗和生成碳酸鈣在水溶液中的沉淀，微孔水溶液的pH值會明顯降低。當pH值降到一定程度時，鋼筋的鈍化膜將遭到破壞，鋼筋裸露出來后將發生電化學腐蝕。

（三）氯化物對鋼筋的腐蝕機理

氯離子在鋼筋腐蝕過程中，其本身并不被消耗，只起到加速腐蝕過程的催化作用。在氯離子的催化作用下，鋼筋表面腐蝕陽極反應的產物Fe2+被及時地“搬運”出去，不使其在陽極區域堆積下來。這樣，就大大加速了鋼筋的腐蝕過程。同時，氯化物侵入混凝土后，其中的氯離子(C1一)及鈉離子(Na2+)鈣離子等陽離子都會參與混凝土中的離子導電，這樣就降低了鋼筋腐蝕電池陰、陽極之間的混凝土電阻，從而加速了電化學腐蝕的進程。

二、時間過程

混凝土鋼筋在進行腐蝕的過程中，會表現出三種狀態，我們可以簡單的將腐蝕的狀態分為三個階段，即即孕育、發展、最終階段。

孕育階段——從澆筑混凝土時到鋼筋去鈍化過程，即鋼筋開始腐蝕止。結構從這一時間開始腐蝕。

發展階段——從鋼筋開始腐蝕發展到最終階段。即到達嚴重腐蝕，此時混凝土覆蓋層出現層裂和剝落。

三、腐蝕對混凝土結構的影響

如果鋼筋產生腐蝕的現象，就會對混凝土結構的使用壽命產生傷害，這種傷害表現在兩個方面，首先，由于銹蝕產物是鋼筋原始體積的2～4倍，這將導致體積膨脹，從而使混凝土產生拉應力，最后使得整個混凝土結構的表面產生裂紋以及脹裂的現象。由于混凝土保護層的損失必將導致結構承載能力的下降，從而使侵蝕成分容易達到鋼筋表面而加快腐蝕。其次，就是鋼筋的腐蝕會使鋼筋的橫截面減少，這樣就會降低鋼筋承壓的系數。鋼筋的局部點蝕有時比均勻腐蝕更危險，因為它在某一點上減少鋼筋的橫截面面積，而使其不能承受結構的臨界載荷。

四、檢測方法

（一）檢測方法—半電池電位法

半電池電位法基本原理是在鋼筋混凝土陽極區和陰極區存在著電位差使電子流動并導致鋼筋腐蝕。通過測量鋼筋和一個放在混凝土表面的半電池(參比電極)之間的電位差來預測鋼筋可能的銹蝕程度。

測試步驟：一參比電極(Ag／AgCl、Cu／Cu-S04、甘汞電極)及一高電阻的伏特計測量鋼筋電極電位，將實測的電位與標準電位相比判斷鋼筋是否處在腐蝕狀態。

同常的情況下，半電池電位的測定值是鐵溶解量(即鋼筋去鈍化)的函數。當鋼筋周圍的混凝土微孔水中無氧存在時，陰極反應不能發生，只有少量鐵溶入微孔水中。鐵離子趨于一定濃度后就會趨于平衡；盡管此時測量的半電池電位可能非常低(負)，但實際上此時的鋼筋卻未發生嚴重腐蝕，或者說鋼筋的腐蝕速率很低。另一影響電位讀數的因素是混凝土高電阻層的存在。由于混凝土覆蓋層的存在，使儀器遠離鋼筋混凝土結構，這樣測得的數值實際是“混合電位”，這也意味著陰極區影響電位讀數，最終導致了鋼筋表面的電位發生變化。

雜散電流、參比電極的位置、水泥種類及裂紋的存在都能影響電位讀數。這就是半電池電位檢測法的局限性，這種檢測結構只能簡單的而反應鋼筋腐蝕發生的可能性，而不能明確的指出鋼筋的腐蝕速度。盡管如此，這種檢測技術仍然被廣泛的應用在實際建筑工程的檢測活動當中，當然，腐蝕率的定量和可靠的預測還需要應用其他電化學技術，才能獲得滿意的結論。

（二）檢測方法—交流阻抗法

電化學交流阻抗譜EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)是一種工作于頻率域的技術，其基本概念是可將電化學界面看成是一些電路元件(如電阻、電容和阻抗)組合而成。當對研究電極施加小幅交流電壓信號時，可從電流響應來計算電極反應參數，如電極的雙電層電容、極化電阻及擴散過程相關的參數。John DG首次使用EIS檢測鋼筋的腐蝕，提出了模擬阻抗數值的等效電路，并對浸沒在海水中的混凝土試樣使用EIS。結果發現在低頻范圍的阻抗響應與電荷轉移過程有關；在高頻范圍的阻抗響應與表面膜的形成有關。

后來，Gonzalez等比較了EIS響應和線性極化技術，并觀察到EIS能夠確定腐蝕過程的一些特征，指出此技術確定的線性極化電阻與其他技術確定的數值十分相近。Frod等通過操縱系統的一些參數，研究了一些EIS譜，例如試樣的幾何形狀、局部化學成分和微觀結構及電極形狀等。研究發現了一些與3個時間常數有關的因素，它們是：鋼筋表面形成的鈍化膜、界面反應(極化電阻的雙電層電容)、大體積混凝土特征。在有些情況下，其他時間常數也可被觀察到，這是由于混凝土干縮現象造成的。盡管交流阻抗譜在不斷的發展，但有時它們所揭示的面貌卻很難解釋。

（三）檢測方法—暫態技術

腐蝕的速度非常慢時，對于檢測工作來說是非常困難的。低腐蝕速度體系的極化阻力很大，時間常數RC也就大，需要很長的時間才能達到穩態，這就不易實現穩態電化學測量。在很長的測試周期中，自然腐蝕電位的漂移和表面狀態變化均可產生顯著誤差。恒電流脈沖法就可克服這些缺點，能從暫態數據中推算出穩定態極化阻力值。這些方法適合鋼筋一混凝土界面相對緩慢的反應。主要是在時間域內收集有關數據，而不像交流阻抗是在頻率域范圍內。它的另一優點是可從單位面積時間常數的測量而獲得極化電阻和雙電層電容。而其他檢測技術大都需要確定系統的面積。恒電流脈沖技術是一種暫態技術，它是對被測鋼筋的外加電流信號從零突變到Iap，同步測量鋼筋工作電極與參比電極之間的電壓響應，從電壓響應曲線中得到有關鋼筋腐蝕的信息。

結束語：

有效的對鋼筋銹蝕導致混凝土結構失效進行防治，并且做好相關的檢測工作，可以使我國的建筑使用壽命大大增加，并且提高建筑物的安全系數，促進我國建筑行業的快速穩定發展。

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