作者:ARAH DE CARUFEL,Giatec
當CO2或者氯化物透過混凝土滲透至鋼筋時,混凝土結構自然就會出現銹蝕現象。這可能會導致嚴重的耐久性及安全問題,所以,使用精確可靠的方法來檢測、監(jiān)測銹蝕就非常重要。
半電池電位測試是ASTM C876-15:“混凝土中無涂層鋼筋銹蝕電位測試方法”唯一推薦的銹蝕檢測技術。該方法常被用來判斷鋼筋混凝土結構中鋼筋出現銹蝕的可能性。本文力求詳細描述以下技術細節(jié):混凝土銹蝕,半電池電位技術用于測試混凝土銹蝕,半電池電位測試數據的解讀。
混凝土銹蝕的基本原理
在鋼筋混凝土結構中,鋼筋表面會自動形成一個保護膜,可防止鋼筋銹蝕。但隨著時間的推移,氯化物(化冰鹽或暴露于海洋環(huán)境)和/或CO2會滲透到混凝土中,并破壞保護層。氯化物會讓保護層變得不穩(wěn)定,從而可能出現局部破壞;而CO2則會降低混凝土的PH值,也會降低保護層的穩(wěn)定性。如果同時還有氧氣和水的存在,則會發(fā)生電化學反應,導致銹蝕。
銹蝕過程可以用圖1進行展示,金屬(鋼筋)會在溶液(可存在于混凝土孔隙中)中發(fā)生反應,并在陽極(發(fā)生氧化反應)釋放電子,至陰極(此處發(fā)生電位降低)。陽極表面的陽離子發(fā)生反應,并產生銹蝕產物。這一電化學反應,將在鋼筋的陽極區(qū)和陰極區(qū)之間形成電位差,以及隨之而來的腐蝕電流。在進行半電池電位測試時,我們感興趣的正是沿鋼筋分布的電流或電位。
圖1:鋼筋混凝土銹蝕反應
半電池電位技術
圖2為一個電池的示意圖,每一邊則可視作一個半電池。每個半電池用一個浸泡在溶液(電解液)中的電極表示,兩個半電池被連接在一起。因為其中一個電極相比另一個有更高的銹蝕趨勢,所以這個電極(陽極)就發(fā)生氧化并輸出電子。
為了保持系統(tǒng)的平衡以及電解液的電量平衡,兩邊的電子將通過鹽橋產生交換。這樣,在兩個電極之間就可以用電壓表測得電位差(電壓),而這也預示著陽極分解的速度。
如果想將這一原理應用于混凝土檢測,來判斷銹蝕可能性,我們需要一個已知電位的參考電極。通常來說,對于鋼筋混凝土結構,我們一般使用銅/硫酸銅(Cu/CuSO4)或銀/氯化銀(Ag/AgCl)作為半電池的參考電極。參考電極會連接至另外半個電池,混凝土中內埋的鋼筋(圖2b)。通過將參考電極連接到鋼筋,并將參考電極放置于混凝土表面,就可能測量到兩個半電池之間的電位差。
圖2:半電池電位測試
ASTM C876就如何進行該測試提供了指導,也為測試的電位與銹蝕可能性的關系提供了參考。判定結果是定性的,并且是以硫酸銅電極(CSE)為基礎的。表1就是ASTM建議的判定標準,測試的電位被劃分為三類,銹蝕可能性大于90%,低于10%,或不確定。
表1:電位值與銹蝕可能性的關系
(摘自ASTM C876)
解讀半電池電位測試數據
乍一看,這一測試非常簡單,主要包含以下步驟:
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確定鋼筋位置;
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連接鋼筋(如果鋼筋之間不是都連接在一起的話,可能需要多次連接);
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將混凝土表面弄濕,為測試做準備。
測試很快,因為電位值只需要幾秒鐘就能穩(wěn)定,然后就可以進行下一組測試。不過,在進行數據解讀時,有一些重要的限制條件需要進行考慮。
混凝土本身的狀況(干濕度),氯化物的存在,鋼筋表面缺少氧氣(因為處于飽和狀態(tài)),混凝土保護層厚度,混凝土電阻率,以及溫度,這些都會影響測試結果,使其數據產生正向或負向的偏移,如表2所示。這就使得在參考ASTM C876(表1)進行數據解讀時,存在很大的困難,尤其是當數據靠近某一臨界值時。
表2:混凝土內鋼筋半電池電位測試典型值
(摘自RILEM TC-154,2003)
此外,半電池測試還被認為是一個區(qū)域性的測試,因為他會將周圍的電位值取平均值。圖3就是一個例子,實測的電位是將某一距離的電位取了平均,這樣,即便是有銹蝕電位圖,想要確定銹蝕發(fā)生的具體位置也是比較困難的。
圖3:實際VS測量半電池電位
盡管如此,該技術還是得到了廣泛應用,因為這是ASTM唯一提供標準化指導的銹蝕檢測方法。Giatec的XCell銹蝕測試儀采用的是氯化銀電極,而不是其他半電池設備常用的硫酸銅電極,這使得其測試更穩(wěn)定,也更精確。這在進行快速評估及識別可能存在較高銹蝕活動的區(qū)域時將非常有用。不過,銹蝕檢測的輸出結果仍然是定性的,因為他只能提供銹蝕活動存在的可能性信息,而像銹蝕速度這種定量數據是無法提供的。定量數據對于制定鋼筋銹蝕修復或延緩銹蝕計劃是很有用的。