张俭

摘要：在各种建筑结构中，钢筋的使用率是非常大的，但是由于钢筋在使用的过程中，容易受外界环境的影响产生锈蚀，钢筋锈蚀现象对混凝土结构的使用寿命等会产生一定的影响，因此文章对钢筋锈蚀导致混凝土结构失效的机理与检测技术进行了简要的阐述。

关键词：钢筋锈蚀；混凝土结构；失效机理；检测技术

中图分类号：TV331文献标识码： A

由于钢筋的锈蚀所导致的混凝土结构失效的现象时有发生，这对于建筑的使用寿命以及使用人员的安全产生了一定的影响，所以对钢筋锈蚀的原因以及检测技术的研究就成为了现在一个新的研究课题。

一、钢筋腐蚀机理

（一）钢筋腐蚀的过程

钢筋在出现锈蚀的过程中，不论是由于什么情况引发的，都同样是一个具有阴极和阳极半电池反应的电化学过程。在这些微电池中，钢筋表面的阳极区域，铁原子失去了电子变为铁离子溶人混凝土的微孔水中。

阳极反应：FeFe2++2e—

阳极反应生成的电子通过钢筋本身定向移动到钢筋表面的阴极区域，并在这里与水和氧气反应生成氢氧根离子。

阴极反应：2e一+H20+O220H一

电子在这种化学反应的过程中，被消耗掉最后保持了钢筋的电中性。在阴极区域的氢氧根离子(OH一)，增加了该区域附近微孔水的局部碱度，强化了该处钢筋表面上的钝化膜。

如果阳极区域的铁原子只是通过阳极反应变成了亚铁离子，溶人混凝土的微孔水后，不再发生变化，那么，钢筋的混凝土保护层就不会出现顺筋开裂和剥落现象。但是在一定条件下，亚铁离子还会进一步参加反应，使钢筋表面上生成红锈。

Fe2++20H一Fe(OH)2

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

2Fe(OH)32H20+Fe203·H20

（二）碳酸物质的腐蚀机理

混凝土碳酸化是大气中的二氧化碳气体与混凝土中的碱性氢氧化物相互作用的结果。二氧化碳像氯化物、二氧化硫等气体一样，都能溶解于水形成一种酸。但二氧化碳气体溶解于水形成的碳酸与其他绝大多数的酸(如盐酸、硫酸等)不同，它不侵蚀混凝土的水泥石基体，而仅与混凝土微孔水中的碱发生中和反应，生成碳酸钙，沉积于微孔的内壁上：

C02+H20H2C03

H2C03+Ca(OH)2CaC03+2H20

随着微孔中氢氧化钙消耗和生成碳酸钙在水溶液中的沉淀，微孔水溶液的pH值会明显降低。当pH值降到一定程度时，钢筋的钝化膜将遭到破坏，钢筋裸露出来后将发生电化学腐蚀。

（三）氯化物对钢筋的腐蚀机理

氯离子在钢筋腐蚀过程中，其本身并不被消耗，只起到加速腐蚀过程的催化作用。在氯离子的催化作用下，钢筋表面腐蚀阳极反应的产物Fe2+被及时地“搬运”出去，不使其在阳极区域堆积下来。这样，就大大加速了钢筋的腐蚀过程。同时，氯化物侵入混凝土后，其中的氯离子(C1一)及钠离子(Na2+)钙离子等阳离子都会参与混凝土中的离子导电，这样就降低了钢筋腐蚀电池阴、阳极之间的混凝土电阻，从而加速了电化学腐蚀的进程。

二、时间过程

混凝土钢筋在进行腐蚀的过程中，会表现出三种状态，我们可以简单的将腐蚀的状态分为三个阶段，即即孕育、发展、最终阶段。

孕育阶段——从浇筑混凝土时到钢筋去钝化过程，即钢筋开始腐蚀止。结构从这一时间开始腐蚀。

发展阶段——从钢筋开始腐蚀发展到最终阶段。即到达严重腐蚀，此时混凝土覆盖层出现层裂和剥落。

三、腐蚀对混凝土结构的影响

如果钢筋产生腐蚀的现象，就会对混凝土结构的使用寿命产生伤害，这种伤害表现在两个方面，首先，由于锈蚀产物是钢筋原始体积的2～4倍，这将导致体积膨胀，从而使混凝土产生拉应力，最后使得整个混凝土结构的表面产生裂纹以及胀裂的现象。由于混凝土保护层的损失必将导致结构承载能力的下降，从而使侵蚀成分容易达到钢筋表面而加快腐蚀。其次，就是钢筋的腐蚀会使钢筋的横截面减少，这样就会降低钢筋承压的系数。钢筋的局部点蚀有时比均匀腐蚀更危险，因为它在某一点上减少钢筋的横截面面积，而使其不能承受结构的临界载荷。

四、检测方法

（一）检测方法—半电池电位法

半电池电位法基本原理是在钢筋混凝土阳极区和阴极区存在着电位差使电子流动并导致钢筋腐蚀。通过测量钢筋和一个放在混凝土表面的半电池(参比电极)之间的电位差来预测钢筋可能的锈蚀程度。

测试步骤：一参比电极(Ag／AgCl、Cu／Cu-S04、甘汞电极)及一高电阻的伏特计测量钢筋电极电位，将实测的电位与标准电位相比判断钢筋是否处在腐蚀状态。

同常的情况下，半电池电位的测定值是铁溶解量(即钢筋去钝化)的函数。当钢筋周围的混凝土微孔水中无氧存在时，阴极反应不能发生，只有少量铁溶入微孔水中。铁离子趋于一定浓度后就会趋于平衡；尽管此时测量的半电池电位可能非常低(负)，但实际上此时的钢筋却未发生严重腐蚀，或者说钢筋的腐蚀速率很低。另一影响电位读数的因素是混凝土高电阻层的存在。由于混凝土覆盖层的存在，使仪器远离钢筋混凝土结构，这样测得的数值实际是“混合电位”，这也意味着阴极区影响电位读数，最终导致了钢筋表面的电位发生变化。

杂散电流、参比电极的位置、水泥种类及裂纹的存在都能影响电位读数。这就是半电池电位检测法的局限性，这种检测结构只能简单的而反应钢筋腐蚀发生的可能性，而不能明确的指出钢筋的腐蚀速度。尽管如此，这种检测技术仍然被广泛的应用在实际建筑工程的检测活动当中，当然，腐蚀率的定量和可靠的预测还需要应用其他电化学技术，才能获得满意的结论。

（二）检测方法—交流阻抗法

电化学交流阻抗谱EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)是一种工作于频率域的技术，其基本概念是可将电化学界面看成是一些电路元件(如电阻、电容和阻抗)组合而成。当对研究电极施加小幅交流电压信号时，可从电流响应来计算电极反应参数，如电极的双电层电容、极化电阻及扩散过程相关的参数。John DG首次使用EIS检测钢筋的腐蚀，提出了模拟阻抗数值的等效电路，并对浸没在海水中的混凝土试样使用EIS。结果发现在低频范围的阻抗响应与电荷转移过程有关；在高频范围的阻抗响应与表面膜的形成有关。

后来，Gonzalez等比较了EIS响应和线性极化技术，并观察到EIS能够确定腐蚀过程的一些特征，指出此技术确定的线性极化电阻与其他技术确定的数值十分相近。Frod等通过操纵系统的一些参数，研究了一些EIS谱，例如试样的几何形状、局部化学成分和微观结构及电极形状等。研究发现了一些与3个时间常数有关的因素，它们是：钢筋表面形成的钝化膜、界面反应(极化电阻的双电层电容)、大体积混凝土特征。在有些情况下，其他时间常数也可被观察到，这是由于混凝土干缩现象造成的。尽管交流阻抗谱在不断的发展，但有时它们所揭示的面貌却很难解释。

（三）检测方法—暂态技术

腐蚀的速度非常慢时，对于检测工作来说是非常困难的。低腐蚀速度体系的极化阻力很大，时间常数RC也就大，需要很长的时间才能达到稳态，这就不易实现稳态电化学测量。在很长的测试周期中，自然腐蚀电位的漂移和表面状态变化均可产生显著误差。恒电流脉冲法就可克服这些缺点，能从暂态数据中推算出稳定态极化阻力值。这些方法适合钢筋一混凝土界面相对缓慢的反应。主要是在时间域内收集有关数据，而不像交流阻抗是在频率域范围内。它的另一优点是可从单位面积时间常数的测量而获得极化电阻和双电层电容。而其他检测技术大都需要确定系统的面积。恒电流脉冲技术是一种暂态技术，它是对被测钢筋的外加电流信号从零突变到Iap，同步测量钢筋工作电极与参比电极之间的电压响应，从电压响应曲线中得到有关钢筋腐蚀的信息。

结束语：

有效的对钢筋锈蚀导致混凝土结构失效进行防治，并且做好相关的检测工作，可以使我国的建筑使用寿命大大增加，并且提高建筑物的安全系数，促进我国建筑行业的快速稳定发展。

参考文献

[1]靳才宇,何信周.钢筋锈蚀情况下混凝土结构失效的原因及检测[J].建材发展导向（下）,2013(6).

[2]张伟平.混凝土结构的钢筋锈蚀损伤预测及其耐久性评估[D].同济大学,2010.

[3]佘建初,李卓球,宋显辉等.钢筋锈蚀导致混凝土结构失效的机理与检测技术[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2012,26(3).

[4]倪燕翎,李晓克,李纯清等.基于可靠度的混凝土结构服役寿命预测[J].水利水电技术,2014,45(8).

[5]田冠飞,安雪晖,沈乔楠等.混凝土结构碳化寿命的时变可靠度分析[J].哈尔滨工业大学学报,2011,39(6).