電化學方法測試混凝土鋼筋鏽蝕的研究

來稿：《工程質量》雜誌

作者：隋偉，巴恆靜，代苗苗，于振雲，呂建福

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通過自腐蝕電位法、線性極化法和交流阻抗譜法三種電化學方法對歷時10年以上的水下混凝土鋼筋的鏽蝕程度進行檢測，並與初始鋼筋的電化學參數進行對比分析。結果表明：舊、新鋼筋的電化學參數變化明顯，且舊/新鋼筋的自腐蝕電位比值約為3～4，腐蝕電流密度比值約為40～60，極化電阻比值約為0.02；在交流阻抗譜圖中，相對於新鋼筋，舊鋼筋在低頻區明顯收縮，容抗弧半徑明顯減小；舊鋼筋因腐蝕造成的質量損失率在8%～9%，與電化學表徵參數呈現正相關。

電化學方法測試混凝土鋼筋鏽蝕的研究

作者：隋偉，巴恆靜，代苗苗，于振雲，呂建福

在鋼筋混凝土結構中，影響其耐久性的主要因素為氯離子和碳化。一般來說，混凝土內部的高鹼性對鋼筋的鏽蝕起到抑制或減緩作用，但對水下混凝土外露鋼筋的鏽蝕因素分析，主要為周圍環境因素，如溫度、濕度、水中溶解氧含量和其他離子影響（如Cl－、HCO3－、SO42－）等[1～3]。針對已經鏽蝕的鋼筋，如何判斷其鏽蝕的程度是一重要問題。目前常用的方法有質量損失法和電化學方法，質量損失法較傳統卻直觀，電化學方法種類較多，如半電池電位法、線性極化法、交流阻抗譜法、陽極極化曲線法等，電化學方法逐漸成為當今鋼筋鏽蝕研究的熱點，特別是用於混凝土模擬孔溶液和實際混凝土中鋼筋鏽蝕過程的監測[4～8]。

本文主要採用自腐蝕電位法、線性極化法和交流阻抗譜法對10年以上水下混凝土外露鋼筋的鏽蝕程度進行檢測，並和質量損失率進行對比。

02class1：實驗概況

1.1 鋼筋電極製備

實驗所用鏽蝕鋼筋為水下混凝土外露10年以上的帶肋鋼筋，鏽蝕後測得鋼筋直徑分別約為19 mm和17 mm；實驗中採用的初始鋼筋為建築用Φ20熱軋帶肋鋼筋，肉眼觀察狀態為無鏽蝕或微銹。將現場A、B兩部位獲取的鏽蝕鋼筋加工成5 cm段長度，根據等體積法將初始鋼筋A₀、B₀分別加工成3.5 cm和4.5 cm段。所有鋼筋的平整端面經激光鑽床鑽取直徑3～4 mm的孔，用酒精棉和丙酮棉擦乾淨；而後焊接耐高溫的導線，再用酒精棉和丙酮棉擦乾淨；配製環氧樹脂，先後進行上下端面密封處理。鋼筋編號及尺寸如表1所示，鏽蝕鋼筋電極如圖1所示。

1.2 鋼筋電極鏽蝕程度測試方法

採用飽和Ca（OH）2為模擬混凝土孔溶液。已鏽蝕鋼筋的實驗數據為浸泡模擬混凝土孔溶液5 h後測得，初始鋼筋實驗數據為經飽和Ca（OH）2溶液浸泡3 d後測得。自腐蝕電位法和線性極化法均採用CS300電化學測試系統，交流阻抗譜法採用RST5200電化學工作站。電化學測試中採用三電極體系，鋼筋為工作電極，飽和甘汞電極（相對標準氫電極的電位為241 mV）為參比電極，鍍銥鈦網為輔助電極。線性極化法測試的極化電位範圍為-10～10 mV，掃描速率為0.167 mV/s。電化學交流阻抗譜測量在正弦波的激勵信號下，調整測試的振幅範圍為10 mV，頻率範圍為0.1～105 Hz。質量損失法測試即在電化學測試之後進行，按照規範進行酸洗和烘乾，稱取烘乾後的鋼筋質量，由於初始鋼筋不能獲取，故在此基於鋼筋材料的密度，進行換算得到最初鋼筋質量，兩者質量比值的百分數即為質量損失率。

2.1 自腐蝕電位法

由表2可知，經10年以上腐蝕，A、B兩部位的鋼筋的自腐蝕電位值相對於初始值負向移動，且變化幅度較大，約為初始值的3～4倍。由於自腐蝕電位值測試受外部因素影響浮動幅度大，故僅作為定性判斷。

2.2 線性極化法

由表3可知，經10年以上腐蝕，A、B兩部位鋼筋的極化電阻值相對於初始值均大幅度減小，比值均約為0.02；A、B兩部位鋼筋的腐蝕電流密度值相對於初始值均大幅度增加，比值均約為40～60。由此可知，A、B兩部位鏽蝕程度嚴重。

2.3 交流阻抗譜法

在對鋼筋鏽蝕的研究中，文獻[8～10]常用電極的電荷轉移電阻（Rct）大小去判斷鋼筋的鏽蝕，因為其表徵的是鋼筋表面保護膜層對抗金屬離子化的能力。一般來說，電荷轉移電阻值越大，則表明鋼筋鏽蝕程度輕。而在交流阻抗譜Nyquist圖中，常通過由低頻容抗弧的半徑大小表徵。即低頻容抗弧半徑越大，電荷轉移電阻值越大，金屬的腐蝕速率越小，鏽蝕程度越輕。圖2為A、B兩部位新舊鋼筋的交流阻抗Nyquist圖。由圖2可以看出，鋼筋電極的電化學阻抗譜在高頻段為一容抗弧，在低頻段阻抗譜明顯收縮。對比圖中新鋼筋和已鏽蝕舊鋼筋的曲線，發現新鋼筋的容抗弧半徑明顯大於已鏽蝕舊鋼筋的容抗弧半徑，說明舊鋼筋相對新鋼筋發生了嚴重的鏽蝕。

2.4 質量損失率

根據舊鋼筋現有直徑，A初始鋼筋為20 mm的帶肋鋼筋，B初始鋼筋為18 mm的帶肋鋼筋。根據建築用鋼筋的密度表可知，直徑18 mm的帶肋鋼筋密度為1.999 kg /m；直徑20 mm的帶肋鋼筋密度為2.468 kg/m。

由於所截取的鋼筋長度均為5 cm，故可計算得到5 cm的直徑18 mm的帶肋鋼筋質量為99.95 g；5 cm的直徑20 mm的帶肋鋼筋質量為123.4 g。故根據稱得的舊鋼筋的質量，可計算得到質量的損失率。具體數據如表4所示。

由表4可知，經10年以上腐蝕，A、B兩部位的鋼筋的質量損失率分別為7.69%、9.40%，相對於初始鋼筋，A、B兩部位鏽蝕程度嚴重。這一結論和以上鋼筋鏽蝕的電化學參數表徵規律相似。

04class3：結論

自腐蝕電位法、線性極化法和交流阻抗譜法三種方法均檢測到舊鋼筋相對於新鋼筋發生了明顯的鏽蝕；舊/新鋼筋的自腐蝕電位比值約為3～4，腐蝕電流密度比值約為40～60，極化電阻比值約為0.02；在交流阻抗譜圖中，相對於新鋼筋，舊鋼筋在低頻區明顯收縮，容抗弧半徑明顯減小；舊鋼筋因腐蝕造成的質量損失率在8%～9%，與電化學表徵參數呈現正相關

參考文獻

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