评价混凝土中钢筋腐蚀的护环技术

1、护环法在钢筋混凝土体系腐蚀评价中的可行性研究丁元力1 董泽华*通讯联系人：董泽华，博士，副教授，email：corrtest* 周华林2 佘海龙2（1.华中科技大学化学系 武汉 430074；2.北京建工华创科技有限公司 北京 100080）摘要：采用普通三电极体系评价现场大钢筋混凝土结构时，辅助电极面积与钢筋表面积相差很大而导致极化电力线难以均匀分布在钢筋表面，极化面积不确定。为解决这一问题，采用护环电极（guard ring electrode, gre or ge）方法即在普通三电极法基础上添加一圆环形护环电极（ge），通过ge电流将辅助电极（ce）电流限制在ce投影面积内，实验中评价了

2、不同腐蚀状态的钢筋，并与均匀极化法对比，结果表明：在正确的电流限制下，护环电极法能够较准确地评价钢筋腐蚀状态，该方法尤其适合已脱钝体系。关键词：护环法；均匀极化；钢筋；腐蚀；极化面积；电流限制study on corrosion evaluation in reinforced concrete for feasibility of guard ring methodding yuan-li1, dong ze-hua1*, zhou hua-lin2,she hai-long2（1. department of chemistry，huazhong university of science

3、 and technology, wuhan, 430074，hubei,china; 2. beijing huachuang construction science and technology co. ltd，beijing ,100080,china）abstract：when the three-electrode system was used to detect corrosion rate of on-site large reinforced concrete,it was prone to result in non-uniform current distributio

4、n on the rebars surface because of the large difference in size between counter electrode and work electrode(rebars).so it was difficult to decide the real polarized surface area of rebars in reinforced concrete.in order to solve the problem,the guard ring electrode method was used to confine electr

5、ic signal from ce in a constant area below ce.the experimental results of gem was compared with uniform polarization method results.it indicates gem can be used to evaluate preferably corrosion rate of reinforced concrete with excellent current confinement,especially active rebar in the concrete.key

6、 words：guard ring method;uniform polarization; rebar;corrosion ;polarization area；current confine0 前言钢筋混凝土结构的耐久性已成为全世界普遍关注的问题，混凝土的碳化和钢筋的腐蚀是影响混凝土结构耐久性的重要原因。其中，混凝土中钢筋腐蚀程度的评估，是评价钢筋构筑物耐久性与使用寿命的关键因素。钢筋腐蚀是一个电化学为主的过程,相对于物理方法,电化学方法具有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪、原位测量和非破坏性等优点。现行的腐蚀检测即普通三电极系统中，一般采用较小尺寸的辅助电极（ce），电信号在钢筋表面分布

7、是不均匀，极化面积不确定，而且电信号随与ce距离增加而减弱乃至消失1。尤其在钢筋混凝土界面发生小阳极大阴极的局部腐蚀情况下，活化态与钝化态的不同极化会进一步影响电流的不均匀分布。与活化态相比，钝态下的电流信号更加分散2, 3。对钢筋表面极化面积不确定问题，有人提出扩大ce尺寸，但现场测试中，其尺寸不可能无限制地增大2；也有人采用纯阻容串并联电路模拟钢筋混凝土体系，根据电路随扰动电信号的响应，用纯数学方法解出各电阻及电容值，该法较准确，但计算过程复杂，耗时长，不适合现场使用4-6。本文采用护环电极法（guard ring electrode method，gem），通过在普通三电极体系基础上添加

8、一护环电极（ge），将来自ce的电流限制在一定研究区域，从而确定钢筋极化面积。1. 试验方法1.1 测量原理与方法1.1. 1均匀极化法（uniform polarization method）采用与混凝土试块一样大小的不锈钢作为ce，以使极化电流在钢筋表面均匀分布。采用三电极系统，饱和甘汞电极（sce）为参比电极、混凝土中钢筋为工作电极（we）（见图1）。图1 与混凝土试块（800mm800mm95mm）相同大小ce三电极测量示意图1.1.2 护环电极法（guard ring electrode method）gem是在线性极化电阻法基础上添加一圆环形辅助电极即ge，通过ge将中心圆环形ce

9、电流限制在一定钢筋表面范围内，如图2所示，图2（a）是ge探头平面图，图2（b）是置于混凝土表面饱水海绵上的护环探头工作截面图，re1、re2、re3均为饱和cu/cuso4参比电极（cse），re1位于ce圆心，作为电化学测量系统的参比电极，re2与re3位于ce与ge之间，二者电位差来监控ge对ce电流的限制情况，两参比电极之间的任何电位差均可监测到。ce极化以后，一部分电流必然会流到ce投影区域的外侧，这一部分电流在混凝土表面流过时会造成re2与re3之间电位差发生变化，通过另外一个极化电路使ge流出与ce同极性的电流，促使re2与re3之间的电位差回到极化前初始值，保证（只是混凝土表面

10、）来自ce的电流不会流向ce投影区域外侧的钢筋。关于极化面积的确定，经验上取以ce与ge间隙中点到ce圆心的距离为半径的垂直投影面积为工作面积7, 8，图2（b）中xy为电力线在钢筋表面投影面积的直径。实际测量过程中，由于参比电极re1与工作电极（we，钢筋）之间存在较大混凝土欧姆降（），因此： （1）由sterngeary方程9: （2）d表示钢筋的直径，lxy表示x与y距离（图1b）。b是stern-geary常数，一般而言，当钢筋处于活化状态时，b值取26mv，钝化状态时，b取52mv10。 （a） （b）图2 护环电极（ge）工作示意图（a）圆面图 （b）ge截面及工作电路图，虚线表示

11、电力线1.2 实验制作钢筋混凝土块两块，一块添加3的cacl2（相对于水泥的重量），一块没有添加cacl2，浇注砂浆前，用砂纸除去钢筋表面钝化膜，丙酮除去油污。混凝土配比为水泥：水：沙1：0.5：3。试件规格均为800mm800mm95mm，试件中埋入8根钢筋（7mm），钢筋平行排列，距混凝土上表面60mm，下表面35mm，间距90mm（见图3）。两端裸露出的钢筋均用环氧树脂封住，并在其中一端每根钢筋上引出导线。实验采用自行研制的钢筋混凝土腐蚀电化学测试仪器，计算机控制测量及数据采集，测量过程中，大辅助电极及护环电极须置于混凝土表面的饱水海绵上，保证充分接触，待电位稳定方可测量。实验均控制在同

12、一湿度下测量，温度为室温。 图3护环法测量示意图（混凝土试块800mm800mm95mm，8根7钢筋）2. 结果与讨论2.1 测量混凝土电阻rc混凝土是高阻体系，要准确地通过电化学方法评价钢筋腐蚀情况，混凝土造成的欧姆降必须予以扣除。通常采用恒电流阶跃方法测得混凝土电阻（rc）。由恒电流阶跃原理可知：rce/i，e为阶跃响应电位，i为施加于体系的恒定电流（0.10.5ma），rc量纲为欧姆。其等效电路如图4所示，8筋（并联结构，图4b）的rc（）小于单筋（图4a）电阻。由于8筋短接后，钢筋极化面积增大，混凝土是一不均一复杂体系，导致8筋rc(kcm2)稍大于单筋混凝土电阻（见表1，3）。不同腐

13、蚀体系的upm与gem恒电流阶跃结果见图5。 (a) (b)图4 钢筋混凝土界面randle等效电路（a）单筋 （b）8筋短接图5 响应电位时间曲线（a）upm（活化态） （b）upm（钝化态）（c）gem（活化态） （d）gem（钝化态）2.2 测量钢筋腐蚀速率2.2.1 upm测量通过动电位扫描，扫描范围1010mv，扫描速率0.1mv/s，结果见图6(a,b,c,d)，该曲线中没有扣除混凝土欧姆降。8筋短接后，从理论上，其极化面积为单筋的8倍，腐蚀电流密度相当。而测得腐蚀电流密度小于单筋的（见表1），其等效电路见图4（a,b）。 (a) (b) (c) (d) 图 6 动电位扫描曲线（u

14、pm）（a）单筋（活化态） （b）8筋（活化态）（c）单筋（钝化态） （d）8筋（钝化态）由于8筋短接以后，位于混凝土中间钢筋表面分布的电力线受到两侧钢筋表面电力线的排斥，使得电力线易于集中在钢筋上表面及侧面，而不易流向钢筋下表面，而处于混凝土结构两端的钢筋受其他电力线影响较小，电力线可以绕到钢筋下表面（如图7所示）。所以，8筋短接以后，实际钢筋极化面积不是单筋的8倍，导致腐蚀电流密度略偏低。从图6（c，d）也可以看出，钝化体系的阴极扫描曲线受到扩散控制影响，计算腐蚀电流密度时，一直采用b52mv将带来较大误差。图7 8筋短接后ce电力线在钢筋表面的分布(仅用4筋表示8筋体系)1ce，2电力线

15、，3钢筋，4钢筋连接导线根据astm c87691规定，当腐蚀电流密度大于1acm-2腐蚀评级为高腐蚀，小于0.5acm-2腐蚀评级为低腐蚀，小于0.1acm-2腐蚀可忽略。由表1可知，添加了3cacl2混凝土中钢筋基本处于高腐蚀状态，而没有添加cacl2钢筋处于低腐蚀状态，活化态钢筋的腐蚀电流密度约为钝态的10倍。表1 upm测量结果rebar statusrebar numberecorr/sce（mv）rc(kcm2)rp(kcm2)icorr(acm-2)active（3cacl2）2-277.915.427.52.104-340.513.826.72.006-297.016.231.

16、81.678rebars connection-384.924.042.61.40passive（without cacl2）2-130.247.6332.10.184-129.341.8202.40.326-225.928.8233.70.258rebars connection-191.063.7330.0 无ge限制ce电流腐蚀测量采用与gem相同大小面积ce评价钢筋腐蚀，不采用ge限制ce电流，恒电位极化1030mv（相对开路电位）。由于只采用小面积ce，其电力线将会不均匀的分布在钢筋表面，极化面积不确定（大于ce本身面积，见图8a），为了便于与gem比较，假设钢筋极

17、化面积与gem的ce电力线投影面积相同。(a) (b)(c) (d)图8 混凝土中钢筋表面的ce与ge电力线分布图(a)没有限制ce电流 (b)ge限制ce电流理想分布 (c)ge过分限制ce电流(d)ge限制不足ce电流从表2可以看出，无论活化体系或钝态体系，无ge限制ce电流测量结果表明：钢筋腐蚀电流密度基本大于1acm-2，与upm相比，活化态腐蚀电流密度约增加到原来的1.5倍，钝态腐蚀电流密度约增加到原来的310倍。可见不限制ce电流的小面积ce测量以gem的ce电力线投影面积是不合理的，其实际极化面积大于gem的ce电力线投影面积，尤其对于钝态体系，其极化面积更大。因此大面积混凝土钢

18、筋腐蚀监测及检测中，仅仅采用小面积的ce不能给出准确的评价结果。表2不限制ce电流测量结果rebar statusrebar numberecorr/cse（mv）rc(kcm2)rp(kcm2)icorr(acm-2)active(3%cacl2)2-317.513.324.52.34-359.66-308.312.821.43.08 rebars connection-425.212.824.62.2passive(without cacl2)4-93.068.4123.80.948 rebars connection-132.060.2.3 ge

19、m测量gem测量中，ce、ge均采用恒电位控制，ce对re1与we之间恒电位极化1030mv（相对开路电位），ge恒电位监控re2与re3电位差，极化时间选取100s点。图9为ce电流被限制后的电流随时间响应曲线。施加ge电流一瞬间，ce电流有一个突降，随后逐渐趋于稳定，而ge电流减小较快，尤其是钝态体系。 （a） （b）图 9ge限制ce电流后响应电流时间曲线（a）活化态（b）钝化态表3可以看出，gem结果与upm结果相当，活化态钢筋腐蚀电流密度也约为钝态的10倍，gem测得结果稍偏低，尤其是活化体系，偏差稍大。由于活化体系混凝土电阻及钢筋混凝土界面的极化电阻均较钝态小，电力线易从混凝土表面

20、流向钢筋表面，侧向传播较少，特别是在混凝土湿度较大时，电力线更易集中流向钢筋表面。至于钝态体系，电流易侧向传播。对比表2、3可以看出，不限制ce电流与限制ce电流两种方法中，前者腐蚀电流密度明显高于gem，对于活化体系，小面积ce测量结果约为gem的 1.73.5倍，而钝态体系最大约为gem的14倍。因此，要准确地评价钢筋腐蚀状况，ce电流必须受到限制，尤其是钝态体系。对于活化体系，电力线易集中在ce投影下钢筋表面，采用gem限制ce电流后，更易集中于ce投影面积内（xy，见图8），有时可能造成过分限制，导致腐蚀电流密度偏小，如图8c所示。对于钝态体系，电力线较分散地从混凝土表面流向钢筋表面，

21、易侧向传播，采用gem限制ce电流后，腐蚀电流密度减小（与没有限制ce电流相比）。当ce电流被限制不足时（图8d所示），ce电力线流到研究区域（xy）外，极化电阻偏低，腐蚀电流密度偏高，主要是钝态体系。图8b是ce电流被限制后在钢筋表面的理想分布。表3 gem测量结果rebar statusrebar numberecorr/cse（mv）rc(kcm2)rp(kcm2)icorr(acm-2)active（3cacl2）2-321.213.332.911.334-356.711.232.721.206-304.512.843.10.868rebars connection-439.515.8

22、641.321.02passive（without cacl2）2-165.233.41385.080.184-100.029.96521.140.116-154.730.24613.300.118rebars connection-150.236.59313.470.16gem所测得结果准确与否主要取决于ce电流能否限制在研究区域（xy），钢筋腐蚀监测中，可能极化面积偏大（ce电流限制不足）或偏小（ce电流限制过多），而现场测试中gem只能选取一定的钢筋投影面积来计算钢筋腐蚀电流密度，因此，不同的腐蚀体系必然会导致偏差。gem只是通过re2与re3（混凝土表面的）电位差来控制ce电流的补偿，

23、对于活化体系，电力线易集中在ce下方，完全补偿re2与re3电位差，可能造成过分限制，尤其是混凝土湿度较大时。钝态体系的钢筋基本处于保护状态，腐蚀电流密度很低，阴极反应受到扩散控制影响，gem有时不能很好的限制住ce电流，检测易导致较大偏差，因此，gem主要适合于已脱钝体系。3. 结论（1）由upm可知，8筋短接后，钢筋表面极化面积不能简单的认为增大为单筋的8倍。（2）不限制ce电流的普通三电极系统检测中，钢筋极化面积大于gem的ce电力线投影面积，活化态体系，ce电流较集中分布于钢筋表面；钝态体系，ce电流较分散分布于钢筋表面。（3）与upm相比，gem能够给出较好的评价结果，尤其适合于已脱

24、钝体系。参考文献1 montemor, m.f., a.m.p. simoes. ferreira.chloride-induced corrosion on reinforcing steel: from the fundamentals to the monitoring techniquesj. cement and concrete composites，2003，25(4-5 spec): 491-502.2 feliu s, g.j.a. determining polarization resistance in reinforced concrete slabsj. corro

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27、on measurements of reinforcementsj. corrosion (houston), 1990,46(12): 1015-1020.7 law d.w, s.g. millard, j.h. bungey. linear polarization resistance measurements using a potentiostatically controlled guard ringj. ndt and e international,2000,33(1):15-21.8 sehgal a, l.d., kho yt etc. reproducibility

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30、 html controls, such as text containers, images, and other windowless objects. transitions are time-varying filters that create a transition from one visual state to another. by combining filters and transitions with basic scripting, you can create visually engaging and interactive documents.internet explorer 5.5 and later supports