專利名稱：一種混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學檢測方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及混凝土鋼筋評估技術(shù)領域，具體涉及一種混凝土中鋼筋銹蝕程度的電化學檢測方法。
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)展的化學反應過程，在自然環(huán)境條件下，通常使用一定的年限會發(fā)生銹蝕，進而影響到建筑安全。因此，需要對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的程度和速率進行測量判定，以便于及時維護；所以，對鋼筋銹蝕的正確檢測與評價可以對構(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方法有分析法、物理法和電化學方法。由于混凝土中鋼筋 銹蝕是一個電化學過程，電化學測量是反映其本質(zhì)過程的有力手段，與分析法或物理法相t匕，電化學方法還有測試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位檢測等優(yōu)點，因而電化學檢測方法得到了很大的重視和發(fā)展。在現(xiàn)有技術(shù)中，采用電化學檢測方法已在實驗室成功地模擬檢測出混凝土試樣中鋼筋的銹蝕狀態(tài)和瞬時銹蝕速率；可見，該檢測方法是混凝土中鋼筋銹蝕無損檢測的未來發(fā)展方向。在混凝土中鋼筋銹蝕的電化學檢測方法中，主要有半電池電位、電化學阻抗譜技術(shù)和極化測量技術(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)場檢測尚不多。銹蝕電流密度值作為鋼筋銹蝕速率的表征參數(shù)，是電化學檢測方法中的關鍵指標之一，通常測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不能直接測定混凝土中鋼筋的電阻值(B值)，必須借助其他電化學測試方法獲得銹蝕動力學參數(shù)βΑ、1^后，才能進一步明確計算出B值；②雖然對于溶液中金屬銹蝕情況，可近似認為B值為常數(shù)，但應用于混凝土中鋼筋銹蝕檢測時，該B值需要修正，即必須重新測試計算而得；③由陰極向陽極極化的極化方式會使得極化曲線發(fā)生平衡電位偏移，特別當鋼筋處于鈍化時尤為明顯，極化曲線失真則會使得獲得的銹蝕動力學參數(shù)有偏差，影響測量的準確性。Tafel外推法的原理是將腐蝕金屬電極極化至相對于腐蝕電位的強極化區(qū)域，此時極化曲線位于強極化范圍的曲線接近于直線，通過計算直線斜率便能計算腐蝕動力學參數(shù)βΑ、βΒ。。該技術(shù)方案的不足之處在于①采用該方法時，由陰極向陽極極化的極化方式也會使極化曲線發(fā)生平衡電位偏移，導致曲線失真，影響測量的準確性；②測得極化曲線后還需要進一步數(shù)據(jù)擬合處理，步驟增加，降低測試效率；③該方法需要將鋼筋電極極化至強極化區(qū)，極化電位幅值通常要大于120mV，因此對鋼筋電極擾動較大，無形中會影響測試結(jié)果O電化學阻抗譜方法的原理是通過測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)點是能夠比其它常規(guī)的電化學測量方法得到更多動力學信息及電極界面結(jié)構(gòu)的信息。但是，該技術(shù)方案的不足之處在于測試耗時較長至少約ー小時，且需要具備較高的電化 學理論知識，因此具有使用局限性(目前主要用于室內(nèi)研究測試，不適用于室外現(xiàn)場測試)。綜上所述，如何提供一種簡便快捷的電化學檢測方法，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、極化電位幅值對鋼筋擾動較大、測試數(shù)據(jù)需后續(xù)擬合處理等技術(shù)缺陷，是本領域技術(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檢測方法，解決了采用現(xiàn)有技術(shù)方案所帯來的極化曲線失真、極化電位幅值對鋼筋擾動較大、測試數(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檢測方法，包括如下步驟(I)將置于混凝土試樣中的鋼筋、對電極和參比電極分別與電化學工作站對應連接，形成三電極測試系統(tǒng)；(2)開啟電化學工作站對鋼筋進行極化測試，先測試鋼筋的自然電位，然后以自然電位為起點，掃描鋼筋在極化區(qū)電位的變化值；當鋼筋在極化區(qū)的電位達到鋼筋極化過電位閾值η時，結(jié)束鋼筋極化，記錄該電位下對應的瞬時極化電流值I ;(3)計算鋼筋銹蝕電流密度i·,，Icorr值由如下經(jīng)驗公式確定icorr = α · i, α = f ( υ , η), i = Ι/Α,式中，i。·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)中計算所得的鋼筋銹蝕電流密度值與國際標準值比對，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)生銹蝕的條件為當值小于O. luA/cm2時說明鋼筋未發(fā)生銹蝕，當れ。 值在O. riuA/cm2時說明鋼筋發(fā)生輕度銹蝕，當し 值在riOuA/cm2時說明鋼筋發(fā)生中度銹蝕，當值在f lOuA/cm2時說明鋼筋發(fā)生高度銹蝕。將測量、計算所得的鋼筋銹蝕電流密度值れ。 與銹蝕電流密度的國際標準值比照，就可以一目了然的判斷出鋼筋的銹蝕程度，達到快速檢測的目的，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；使得電極反應更為穩(wěn)定，以便于進行極化測試。在優(yōu)選的技術(shù)方案中，極化過電位閾值η為30 70mV ;此時屬于弱極化,對電極的擾動較小，因此測得的極化曲線不會失真，確保了測試數(shù)據(jù)的準確性。在優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟(2)極化測試時，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，當鋼筋的極化過電位值達到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)束極化時的瞬時電流值。本發(fā)明中，在實驗前期經(jīng)過250個樣本數(shù)據(jù)的測試，通過動態(tài)測量極化電位值及其對應電位下的瞬時電流值，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存在線性關系，即= O. 67i，因此將簡化計算過程，實現(xiàn)快速測試，能夠便捷檢測鋼筋的銹蝕狀況。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，在一定的外電勢下發(fā)生陽極溶解，該過程稱為“陽極極化”。當鋼筋在陽極極化時，鋼筋的溶解速度隨極化電位變正而逐漸增大，但當極化電位正到某一數(shù)值時(該數(shù)值即為極化過電位閾值n，該值是指極化電位相對于起始電位變化所達到的某一臨界數(shù)值)，其溶解速度會達到最大值，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，陰極反應既有電化學極化又有濃差極化，也就是陰極過程的混合控制，這時，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為陰極反應的極限擴散電流。
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(AE) I,,、，exp I
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.4 L V 4 JJ當込>> 1。_，這時陰極反應由電化學反應過程控制，即腐蝕過程中陰極反應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
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I. I β,} . a ,ii當被測電極處于鈍化狀態(tài)時，此時陽極過程的阻止相當大，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，當鋼筋脫鈍時由于i3a急劇降低，1。。 增大，將會導致外陽極極化電流顯著增加。此時，雖然β?？赡軙杂性龃螅绕?^的降低幅度仍改變不了外陽極極化電流增大的趨勢。由此可知，陽極的極化電流增大與鋼筋的脫鈍密切相關。因此，通過檢測在極化過電位閾值η下的對應瞬時電流值，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檢測方法，主要存在如下優(yōu)點以電化學三電極測試系統(tǒng)為基礎，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，在相對于自然電位的閾值η區(qū)間內(nèi)進行極化，掃描待測數(shù)據(jù)，該方式不會導致所測得的極化曲線失真，對鋼筋擾動也較小，且無需對測試數(shù)據(jù)進行后續(xù)的擬合處理，測試簡便快捷，適于工程應用。


圖I為采用本發(fā)明方法在實驗室模擬測試鋼筋銹蝕程度時的測試裝置示意圖。圖2為采用本發(fā)明方法在現(xiàn)場測試鋼筋銹蝕程度時的護環(huán)裝置示意圖。圖3為圖2中護環(huán)電極探頭的工作示意圖。
具體實施例方式實驗例在試驗室預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 (即對電極)，采用干濕循環(huán)試驗法加速鋼筋銹蝕。將試樣I浸泡于質(zhì)量分數(shù)為3. 5%的氯化鈉溶液中，4天后取出試樣I置于室內(nèi)自然風干3天，如此視為ー個干濕循環(huán)；每個干濕循環(huán)中，在風干過程的第二天使用電化學工作站(型號為RefenCe600，美國GAMRY公司生產(chǎn))對鋼筋進行快速電化學測試，測試裝置連接如圖I所示。測試時，先將潤濕的海綿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的中部位置對應，以便于形成三電極測試系統(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與電化學工作站6相連接，將電化學工作站6的數(shù)據(jù)接ロ與電腦7相連接。工作時，開啟電化學工作站6和電腦7,設定好相關的測試參數(shù)(如設定電位掃描速率V為0.15mV/s)，開始鋼筋2的極化曲線測試；首先測試鋼筋2的自然電位，然后以自然電位為起點，從自然電位開始極化至相對于自然電位的+50mV結(jié)束,記錄極化結(jié)束時刻的瞬時極化電流值I。本測試中，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快速電化學測試數(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檢測方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)將置于混凝土試樣中的鋼筋、對電極和參比電極分別與電化學工作站對應連接，形成三電極測試系統(tǒng)； (2)開啟電化學工作站對鋼筋進行極化測試，先測試鋼筋的自然電位，然后以自然電位為起點，掃描鋼筋在極化區(qū)電位的變化值；當鋼筋在極化區(qū)的電位達到鋼筋極化過電位閾值η時,結(jié)束鋼筋極化,記錄該電位下對應的瞬時極化電流值I ; (3)計算鋼筋銹蝕電流密度iM ，icorr值由如下經(jīng)驗公式確定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)中計算所得的鋼筋銹蝕電流密度值icorr與國際標準值比對，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檢測方法，其特征在于判斷鋼筋是否發(fā)生銹蝕的條件為當込。 值小于O. luA/cm2時說明鋼筋未發(fā)生銹蝕，當し 值在O. riuA/cm2時說明鋼筋發(fā)生輕度銹蝕，當し 值在f lOuA/cm2時說明鋼筋發(fā)生中度銹蝕，當れ。 值在f lOuA/cm2時說明鋼筋發(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檢測方法，其特征在于，所述步驟(2)極化測試中，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檢測方法，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檢測方法，其特征在于，所述步驟(2)極化測試時，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，當鋼筋的極化過電位值達到50mV時，結(jié)束鋼筋極化，所述鋼筋銹蝕電流密度由如下經(jīng)驗公式確定 icorr = 0.67 , i = I/A，式中A為鋼筋極化面積，I為鋼筋結(jié)束極化時的瞬時電流值。
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檢測方法，包括如下步驟(1)將置于混凝土試樣中的鋼筋、對電極和參比電極分別與電化學工作站對應連接，形成三電極測試系統(tǒng)；(2)開啟電化學工作站進行極化測試，并記錄極化結(jié)束時刻的陽極極化電流；(3)計算鋼筋銹蝕電流密度icorr；(4)將步驟(3)中計算所得的鋼筋銹蝕電流密度值icorr與國際標準值比對，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定方法，采用平衡電位作為起始極化電位，該極化方式不會導致所測得的極化曲線失真，且極化電位幅值合理使得對鋼筋擾動較小，無需對測試數(shù)據(jù)進行后續(xù)的擬合處理，測試簡便快捷，適于工程應用。
文檔編號G01N27/26GK102706933SQ20121018252
公開日2012年10月3日 申請日期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 申請人:浙江大學