电化学方法测试混凝土钢筋锈蚀的研究

来稿：《工程质量》杂志

作者：隋伟，巴恒静，代苗苗，于振云，吕建福

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通过自腐蚀电位法、线性极化法和交流阻抗谱法三种电化学方法对历时10年以上的水下混凝土钢筋的锈蚀程度进行检测，并与初始钢筋的电化学参数进行对比分析。结果表明：旧、新钢筋的电化学参数变化明显，且旧/新钢筋的自腐蚀电位比值约为3～4，腐蚀电流密度比值约为40～60，极化电阻比值约为0.02；在交流阻抗谱图中，相对于新钢筋，旧钢筋在低频区明显收缩，容抗弧半径明显减小；旧钢筋因腐蚀造成的质量损失率在8%～9%，与电化学表征参数呈现正相关。

电化学方法测试混凝土钢筋锈蚀的研究

作者：隋伟，巴恒静，代苗苗，于振云，吕建福

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0：引言

在钢筋混凝土结构中，影响其耐久性的主要因素为氯离子和碳化。一般来说，混凝土内部的高碱性对钢筋的锈蚀起到抑制或减缓作用，但对水下混凝土外露钢筋的锈蚀因素分析，主要为周围环境因素，如温度、湿度、水中溶解氧含量和其他离子影响（如Cl－、HCO3－、SO42－）等[1～3]。针对已经锈蚀的钢筋，如何判断其锈蚀的程度是一重要问题。目前常用的方法有质量损失法和电化学方法，质量损失法较传统却直观，电化学方法种类较多，如半电池电位法、线性极化法、交流阻抗谱法、阳极极化曲线法等，电化学方法逐渐成为当今钢筋锈蚀研究的热点，特别是用于混凝土模拟孔溶液和实际混凝土中钢筋锈蚀过程的监测[4～8]。

本文主要采用自腐蚀电位法、线性极化法和交流阻抗谱法对10年以上水下混凝土外露钢筋的锈蚀程度进行检测，并和质量损失率进行对比。

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1：实验概况

1.1 钢筋电极制备

实验所用锈蚀钢筋为水下混凝土外露10年以上的带肋钢筋，锈蚀后测得钢筋直径分别约为19 mm和17 mm；实验中采用的初始钢筋为建筑用Φ20热轧带肋钢筋，肉眼观察状态为无锈蚀或微锈。将现场A、B两部位获取的锈蚀钢筋加工成5 cm段长度，根据等体积法将初始钢筋A₀、B₀分别加工成3.5 cm和4.5 cm段。所有钢筋的平整端面经激光钻床钻取直径3～4 mm的孔，用酒精棉和丙酮棉擦干净；而后焊接耐高温的导线，再用酒精棉和丙酮棉擦干净；配制环氧树脂，先后进行上下端面密封处理。钢筋编号及尺寸如表1所示，锈蚀钢筋电极如图1所示。

1.2 钢筋电极锈蚀程度测试方法

采用饱和Ca（OH）2为模拟混凝土孔溶液。已锈蚀钢筋的实验数据为浸泡模拟混凝土孔溶液5 h后测得，初始钢筋实验数据为经饱和Ca（OH）2溶液浸泡3 d后测得。自腐蚀电位法和线性极化法均采用CS300电化学测试系统，交流阻抗谱法采用RST5200电化学工作站。电化学测试中采用三电极体系，钢筋为工作电极，饱和甘汞电极（相对标准氢电极的电位为241 mV）为参比电极，镀铱钛网为辅助电极。线性极化法测试的极化电位范围为-10～10 mV，扫描速率为0.167 mV/s。电化学交流阻抗谱测量在正弦波的激励信号下，调整测试的振幅范围为10 mV，频率范围为0.1～105 Hz。质量损失法测试即在电化学测试之后进行，按照规范进行酸洗和烘干，称取烘干后的钢筋质量，由于初始钢筋不能获取，故在此基于钢筋材料的密度，进行换算得到最初钢筋质量，两者质量比值的百分数即为质量损失率。

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2：结果与讨论

2.1 自腐蚀电位法

由表2可知，经10年以上腐蚀，A、B两部位的钢筋的自腐蚀电位值相对于初始值负向移动，且变化幅度较大，约为初始值的3～4倍。由于自腐蚀电位值测试受外部因素影响浮动幅度大，故仅作为定性判断。

2.2 线性极化法

由表3可知，经10年以上腐蚀，A、B两部位钢筋的极化电阻值相对于初始值均大幅度减小，比值均约为0.02；A、B两部位钢筋的腐蚀电流密度值相对于初始值均大幅度增加，比值均约为40～60。由此可知，A、B两部位锈蚀程度严重。

2.3 交流阻抗谱法

在对钢筋锈蚀的研究中，文献[8～10]常用电极的电荷转移电阻（Rct）大小去判断钢筋的锈蚀，因为其表征的是钢筋表面保护膜层对抗金属离子化的能力。一般来说，电荷转移电阻值越大，则表明钢筋锈蚀程度轻。而在交流阻抗谱Nyquist图中，常通过由低频容抗弧的半径大小表征。即低频容抗弧半径越大，电荷转移电阻值越大，金属的腐蚀速率越小，锈蚀程度越轻。图2为A、B两部位新旧钢筋的交流阻抗Nyquist图。由图2可以看出，钢筋电极的电化学阻抗谱在高频段为一容抗弧，在低频段阻抗谱明显收缩。对比图中新钢筋和已锈蚀旧钢筋的曲线，发现新钢筋的容抗弧半径明显大于已锈蚀旧钢筋的容抗弧半径，说明旧钢筋相对新钢筋发生了严重的锈蚀。

2.4 质量损失率

根据旧钢筋现有直径，A初始钢筋为20 mm的带肋钢筋，B初始钢筋为18 mm的带肋钢筋。根据建筑用钢筋的密度表可知，直径18 mm的带肋钢筋密度为1.999 kg /m；直径20 mm的带肋钢筋密度为2.468 kg/m。

由于所截取的钢筋长度均为5 cm，故可计算得到5 cm的直径18 mm的带肋钢筋质量为99.95 g；5 cm的直径20 mm的带肋钢筋质量为123.4 g。故根据称得的旧钢筋的质量，可计算得到质量的损失率。具体数据如表4所示。

由表4可知，经10年以上腐蚀，A、B两部位的钢筋的质量损失率分别为7.69%、9.40%，相对于初始钢筋，A、B两部位锈蚀程度严重。这一结论和以上钢筋锈蚀的电化学参数表征规律相似。

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3：结论

自腐蚀电位法、线性极化法和交流阻抗谱法三种方法均检测到旧钢筋相对于新钢筋发生了明显的锈蚀；旧/新钢筋的自腐蚀电位比值约为3～4，腐蚀电流密度比值约为40～60，极化电阻比值约为0.02；在交流阻抗谱图中，相对于新钢筋，旧钢筋在低频区明显收缩，容抗弧半径明显减小；旧钢筋因腐蚀造成的质量损失率在8%～9%，与电化学表征参数呈现正相关

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参考文献

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