專利名稱：一種混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混凝土鋼筋評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕是伴隨砼結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)不斷發(fā)展的化學(xué)反應(yīng)過程，在自然環(huán)境條件下，通常使用一定的年限會(huì)發(fā)生銹蝕，進(jìn)而影響到建筑安全。因此，需要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的程度和速率進(jìn)行測(cè)量判定，以便于及時(shí)維護(hù)；所以，對(duì)鋼筋銹蝕的正確檢測(cè)與評(píng)價(jià)可以對(duì)構(gòu)件的剩余使用壽命和可能的維修提供十分重要的數(shù)據(jù)和建議。目前常用的非破損檢測(cè)方法有分析法、物理法和電化學(xué)方法。由于混凝土中鋼筋 銹蝕是一個(gè)電化學(xué)過程，電化學(xué)測(cè)量是反映其本質(zhì)過程的有力手段，與分析法或物理法相t匕，電化學(xué)方法還有測(cè)試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，因而電化學(xué)檢測(cè)方法得到了很大的重視和發(fā)展。在現(xiàn)有技術(shù)中，采用電化學(xué)檢測(cè)方法已在實(shí)驗(yàn)室成功地模擬檢測(cè)出混凝土試樣中鋼筋的銹蝕狀態(tài)和瞬時(shí)銹蝕速率；可見，該檢測(cè)方法是混凝土中鋼筋銹蝕無損檢測(cè)的未來發(fā)展方向。在混凝土中鋼筋銹蝕的電化學(xué)檢測(cè)方法中，主要有半電池電位、電化學(xué)阻抗譜技術(shù)和極化測(cè)量技術(shù)等。恒電量法、電化噪聲法、諧波法等也在發(fā)展中，但用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)尚不多。銹蝕電流密度值作為鋼筋銹蝕速率的表征參數(shù)，是電化學(xué)檢測(cè)方法中的關(guān)鍵指標(biāo)之一，通常測(cè)試銹蝕電流密度值的方法包括線性極化法、Tafel外推法和電化學(xué)阻抗譜法這三種。線性極化法的原理是銹蝕金屬電極在銹蝕電位附近進(jìn)行微極化，利用銹蝕電流與極化曲線在銹蝕電位附近的斜率成反比的關(guān)系，從而求出銹蝕電流。該技術(shù)方案的不足之處在于①不能直接測(cè)定混凝土中鋼筋的電阻值(B值)，必須借助其他電化學(xué)測(cè)試方法獲得銹蝕動(dòng)力學(xué)參數(shù)βΑ、1^后，才能進(jìn)一步明確計(jì)算出B值；②雖然對(duì)于溶液中金屬銹蝕情況，可近似認(rèn)為B值為常數(shù)，但應(yīng)用于混凝土中鋼筋銹蝕檢測(cè)時(shí)，該B值需要修正，即必須重新測(cè)試計(jì)算而得；③由陰極向陽極極化的極化方式會(huì)使得極化曲線發(fā)生平衡電位偏移，特別當(dāng)鋼筋處于鈍化時(shí)尤為明顯，極化曲線失真則會(huì)使得獲得的銹蝕動(dòng)力學(xué)參數(shù)有偏差，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。Tafel外推法的原理是將腐蝕金屬電極極化至相對(duì)于腐蝕電位的強(qiáng)極化區(qū)域，此時(shí)極化曲線位于強(qiáng)極化范圍的曲線接近于直線，通過計(jì)算直線斜率便能計(jì)算腐蝕動(dòng)力學(xué)參數(shù)βΑ、βΒ。。該技術(shù)方案的不足之處在于①采用該方法時(shí)，由陰極向陽極極化的極化方式也會(huì)使極化曲線發(fā)生平衡電位偏移，導(dǎo)致曲線失真，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性；②測(cè)得極化曲線后還需要進(jìn)一步數(shù)據(jù)擬合處理，步驟增加，降低測(cè)試效率；③該方法需要將鋼筋電極極化至強(qiáng)極化區(qū)，極化電位幅值通常要大于120mV，因此對(duì)鋼筋電極擾動(dòng)較大，無形中會(huì)影響測(cè)試結(jié)果O電化學(xué)阻抗譜方法的原理是通過測(cè)量所得的頻率范圍很寬的阻抗譜來研究銹蝕電極系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是能夠比其它常規(guī)的電化學(xué)測(cè)量方法得到更多動(dòng)力學(xué)信息及電極界面結(jié)構(gòu)的信息。但是，該技術(shù)方案的不足之處在于測(cè)試耗時(shí)較長(zhǎng)至少約ー小時(shí)，且需要具備較高的電化 學(xué)理論知識(shí)，因此具有使用局限性(目前主要用于室內(nèi)研究測(cè)試，不適用于室外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試)。綜上所述，如何提供一種簡(jiǎn)便快捷的電化學(xué)檢測(cè)方法，能夠解決采用前述現(xiàn)有技術(shù)這幾種方法帶來的極化曲線失真、極化電位幅值對(duì)鋼筋擾動(dòng)較大、測(cè)試數(shù)據(jù)需后續(xù)擬合處理等技術(shù)缺陷，是本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了ー種混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法，解決了采用現(xiàn)有技術(shù)方案所帯來的極化曲線失真、極化電位幅值對(duì)鋼筋擾動(dòng)較大、測(cè)試數(shù)據(jù)需后續(xù)擬合處理的技術(shù)缺陷。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案具體如下ー種混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法，包括如下步驟(I)將置于混凝土試樣中的鋼筋、對(duì)電極和參比電極分別與電化學(xué)工作站對(duì)應(yīng)連接，形成三電極測(cè)試系統(tǒng)；(2)開啟電化學(xué)工作站對(duì)鋼筋進(jìn)行極化測(cè)試，先測(cè)試鋼筋的自然電位，然后以自然電位為起點(diǎn)，掃描鋼筋在極化區(qū)電位的變化值；當(dāng)鋼筋在極化區(qū)的電位達(dá)到鋼筋極化過電位閾值η時(shí)，結(jié)束鋼筋極化，記錄該電位下對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)極化電流值I ;(3)計(jì)算鋼筋銹蝕電流密度i·,，Icorr值由如下經(jīng)驗(yàn)公式確定icorr = α · i, α = f ( υ , η), i = Ι/Α,式中，i?！殇摻钿P蝕電流密度，i為鋼筋極化電流密度，η為鋼筋極化過電位閾值，V為電位掃描速率，α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，I為鋼筋極化電流，A為鋼筋極化面積；(4)將步驟(3)中計(jì)算所得的鋼筋銹蝕電流密度值與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)，判斷鋼筋是否發(fā)生銹蝕。在優(yōu)選的技術(shù)方案中，判斷鋼筋是否發(fā)生銹蝕的條件為當(dāng)值小于O. luA/cm2時(shí)說明鋼筋未發(fā)生銹蝕，當(dāng)れ。 值在O. riuA/cm2時(shí)說明鋼筋發(fā)生輕度銹蝕，當(dāng)し 值在riOuA/cm2時(shí)說明鋼筋發(fā)生中度銹蝕，當(dāng)值在f lOuA/cm2時(shí)說明鋼筋發(fā)生高度銹蝕。將測(cè)量、計(jì)算所得的鋼筋銹蝕電流密度值れ。 與銹蝕電流密度的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)值比照，就可以一目了然的判斷出鋼筋的銹蝕程度，達(dá)到快速檢測(cè)的目的，以便于鋼筋的維修、保養(yǎng)。在優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟(2)極化測(cè)試中，勻速掃描鋼筋在極化區(qū)的電位變化值；使得電極反應(yīng)更為穩(wěn)定，以便于進(jìn)行極化測(cè)試。在優(yōu)選的技術(shù)方案中，極化過電位閾值η為30 70mV ;此時(shí)屬于弱極化,對(duì)電極的擾動(dòng)較小，因此測(cè)得的極化曲線不會(huì)失真，確保了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟(2)極化測(cè)試時(shí)，在O. 15mV/s的電位掃描速率下掃描鋼筋在極化區(qū)的電位變化值，當(dāng)鋼筋的極化過電位值達(dá)到50mV吋，結(jié)束鋼筋極化，所述鋼筋銹蝕電流密度し 由如下經(jīng)驗(yàn)公式確定し = O. 67i,i = I/A，式中A為鋼筋極化面積，I為鋼筋結(jié)束極化時(shí)的瞬時(shí)電流值。本發(fā)明中，在實(shí)驗(yàn)前期經(jīng)過250個(gè)樣本數(shù)據(jù)的測(cè)試，通過動(dòng)態(tài)測(cè)量極化電位值及其對(duì)應(yīng)電位下的瞬時(shí)電流值，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，鋼筋銹蝕電流密度れ。 與鋼筋極化電流密度i存在線性關(guān)系，即= O. 67i，因此將簡(jiǎn)化計(jì)算過程，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)試，能夠便捷檢測(cè)鋼筋的銹蝕狀況。本發(fā)明的工作原理，具體如下本發(fā)明中，預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋通常作為陽極，在一定的外電勢(shì)下發(fā)生陽極溶解，該過程稱為“陽極極化”。當(dāng)鋼筋在陽極極化時(shí)，鋼筋的溶解速度隨極化電位變正而逐漸增大，但當(dāng)極化電位正到某一數(shù)值時(shí)(該數(shù)值即為極化過電位閾值n，該值是指極化電位相對(duì)于起始電位變化所達(dá)到的某一臨界數(shù)值)，其溶解速度會(huì)達(dá)到最大值，此后陽極溶解速度隨著電位變正，反而大幅度的降低，該現(xiàn)象稱為“金屬的鈍化現(xiàn)象”。一般情況下，陰極反應(yīng)既有電化學(xué)極化又有濃差極化，也就是陰極過程的混合控制，這時(shí)，式(I)為腐蝕金屬電極在弱極化區(qū)的極化曲線方程式。式中I為外極化電流；1。。 為腐蝕電流；Λ E = E-Ecorr為腐蝕金屬電極的極化值；β a、β。為陽極與陰極的Tafel斜率；Il為陰極反應(yīng)的極限擴(kuò)散電流。
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(AE) I,,、，exp I
τ τAE II β, ,II,,I = I，^ exp : I--^———-1 ·、I ；
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- I--LdL l-exp -——I [
.4 L V 4 JJ當(dāng)込>> 1。_，這時(shí)陰極反應(yīng)由電化學(xué)反應(yīng)過程控制，即腐蝕過程中陰極反應(yīng)的濃差極化可以忽略，稱之為活化極化控制的腐蝕體系，則式(I)變?yōu)槌Ｒ姷娜鯓O化區(qū)極化曲線方程式
Γ τ ^ δε) '-ΑΕ' …
I= exp ——I-exp -I >(2j
I. I β,} . a ,ii當(dāng)被測(cè)電極處于鈍化狀態(tài)時(shí)，此時(shí)陽極過程的阻止相當(dāng)大，S卩^^趨向于無窮大，而1。。 則趨向于零，由此式(2)變?yōu)?br> I= I J I - exp I [>(3)
[ I β, jJ若保持極化過電位ΛΕ不變，當(dāng)鋼筋脫鈍時(shí)由于i3a急劇降低，1。。 增大，將會(huì)導(dǎo)致外陽極極化電流顯著增加。此時(shí)，雖然β?？赡軙?huì)略有增大，但比起1^的降低幅度仍改變不了外陽極極化電流增大的趨勢(shì)。由此可知，陽極的極化電流增大與鋼筋的脫鈍密切相關(guān)。因此，通過檢測(cè)在極化過電位閾值η下的對(duì)應(yīng)瞬時(shí)電流值，即可推算出鋼筋銹蝕電流密度，并以此為根據(jù)來判斷鋼筋的銹蝕程度。本發(fā)明提供的混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法，主要存在如下優(yōu)點(diǎn)以電化學(xué)三電極測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，合理選取極化過電位、極化方式和極化掃描速率；以自然電位作為起點(diǎn)，在相對(duì)于自然電位的閾值η區(qū)間內(nèi)進(jìn)行極化，掃描待測(cè)數(shù)據(jù)，該方式不會(huì)導(dǎo)致所測(cè)得的極化曲線失真，對(duì)鋼筋擾動(dòng)也較小，且無需對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的擬合處理，測(cè)試簡(jiǎn)便快捷，適于工程應(yīng)用。


圖I為采用本發(fā)明方法在實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試鋼筋銹蝕程度時(shí)的測(cè)試裝置示意圖。圖2為采用本發(fā)明方法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試鋼筋銹蝕程度時(shí)的護(hù)環(huán)裝置示意圖。圖3為圖2中護(hù)環(huán)電極探頭的工作示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)驗(yàn)例在試驗(yàn)室預(yù)先制備好鋼筋混凝土試樣1，試樣I中埋置鋼筋2(即工作電極)和不銹鋼棒3 (即對(duì)電極)，采用干濕循環(huán)試驗(yàn)法加速鋼筋銹蝕。將試樣I浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3. 5%的氯化鈉溶液中，4天后取出試樣I置于室內(nèi)自然風(fēng)干3天，如此視為ー個(gè)干濕循環(huán)；每個(gè)干濕循環(huán)中，在風(fēng)干過程的第二天使用電化學(xué)工作站(型號(hào)為RefenCe600，美國(guó)GAMRY公司生產(chǎn))對(duì)鋼筋進(jìn)行快速電化學(xué)測(cè)試，測(cè)試裝置連接如圖I所示。測(cè)試時(shí)，先將潤(rùn)濕的海綿5鋪放于試樣I的上部，再將飽和甘汞參比電極4置于海綿5上且與鋼筋2的中部位置對(duì)應(yīng)，以便于形成三電極測(cè)試系統(tǒng)；與此同吋，分別將鋼筋2、不銹鋼棒3和飽和甘汞參比電極4與電化學(xué)工作站6相連接，將電化學(xué)工作站6的數(shù)據(jù)接ロ與電腦7相連接。工作時(shí)，開啟電化學(xué)工作站6和電腦7,設(shè)定好相關(guān)的測(cè)試參數(shù)(如設(shè)定電位掃描速率V為0.15mV/s)，開始鋼筋2的極化曲線測(cè)試；首先測(cè)試鋼筋2的自然電位，然后以自然電位為起點(diǎn)，從自然電位開始極化至相對(duì)于自然電位的+50mV結(jié)束,記錄極化結(jié)束時(shí)刻的瞬時(shí)極化電流值I。本測(cè)試中，鋼筋2的極化面積為43. 96cm2，鋼筋2的極化電流、極化電流密度和銹蝕電流密度如表I所示。 表I快速電化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.ー種混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)將置于混凝土試樣中的鋼筋、對(duì)電極和參比電極分別與電化學(xué)工作站對(duì)應(yīng)連接，形成三電極測(cè)試系統(tǒng)； (2)開啟電化學(xué)工作站對(duì)鋼筋進(jìn)行極化測(cè)試，先測(cè)試鋼筋的自然電位，然后以自然電位為起點(diǎn)，掃描鋼筋在極化區(qū)電位的變化值；當(dāng)鋼筋在極化區(qū)的電位達(dá)到鋼筋極化過電位閾值η時(shí),結(jié)束鋼筋極化,記錄該電位下對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)極化電流值I ; (3)計(jì)算鋼筋銹蝕電流密度iM ，icorr值由如下經(jīng)驗(yàn)公式確定icorr = α · i，α = f (ν, η；, i = Ι/Α, 式中，為鋼筋銹蝕電流密度，i為鋼筋極化電流密度，η為鋼筋極化過電位閾值，V為電位掃描速率，α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，I為鋼筋極化電流，A為鋼筋極化面積； (4)將步驟(3)中計(jì)算所得的鋼筋銹蝕電流密度值icorr與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)，判斷鋼筋是否發(fā)生銹蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于判斷鋼筋是否發(fā)生銹蝕的條件為當(dāng)込。 值小于O. luA/cm2時(shí)說明鋼筋未發(fā)生銹蝕，當(dāng)し 值在O. riuA/cm2時(shí)說明鋼筋發(fā)生輕度銹蝕，當(dāng)し 值在f lOuA/cm2時(shí)說明鋼筋發(fā)生中度銹蝕，當(dāng)れ。 值在f lOuA/cm2時(shí)說明鋼筋發(fā)生高度銹蝕。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(2)極化測(cè)試中，勻速掃描鋼筋在極化區(qū)的電位變化值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于，所述極化過電位閾值η為3(T70mV。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(2)極化測(cè)試時(shí)，在O. 15mV/s的電位掃描速率下掃描鋼筋在極化區(qū)的電位變化值，當(dāng)鋼筋的極化過電位值達(dá)到50mV時(shí)，結(jié)束鋼筋極化，所述鋼筋銹蝕電流密度由如下經(jīng)驗(yàn)公式確定 icorr = 0.67 , i = I/A，式中A為鋼筋極化面積，I為鋼筋結(jié)束極化時(shí)的瞬時(shí)電流值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)檢測(cè)方法，包括如下步驟(1)將置于混凝土試樣中的鋼筋、對(duì)電極和參比電極分別與電化學(xué)工作站對(duì)應(yīng)連接，形成三電極測(cè)試系統(tǒng)；(2)開啟電化學(xué)工作站進(jìn)行極化測(cè)試，并記錄極化結(jié)束時(shí)刻的陽極極化電流；(3)計(jì)算鋼筋銹蝕電流密度icorr；(4)將步驟(3)中計(jì)算所得的鋼筋銹蝕電流密度值icorr與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)，來判斷鋼筋是否發(fā)生銹蝕。本發(fā)明提供的混凝土中鋼筋銹蝕電流密度的測(cè)定方法，采用平衡電位作為起始極化電位，該極化方式不會(huì)導(dǎo)致所測(cè)得的極化曲線失真，且極化電位幅值合理使得對(duì)鋼筋擾動(dòng)較小，無需對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的擬合處理，測(cè)試簡(jiǎn)便快捷，適于工程應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01N27/26GK102706933SQ20121018252
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者許晨, 金偉良 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)