浅谈混凝土中钢筋锈蚀的检测方法

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(大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024)

引言

钢筋混凝土是目前用量最大的土木材料。在可以预见的未来，钢筋混凝土仍将用量巨大。在钢筋混凝土的耐久性问题中，钢筋锈蚀所占的比例很大，造成的损失也很严重。因此，有必要对混凝土中钢筋锈蚀的检测方法进行研究，从而可以了解钢筋混凝土的健康状况，有效地采取相应的措施。

混凝土中钢筋锈蚀的检测方法很多，大体可以分为两大类：破损检测技术和无损检测技术。无损检测包括很多方法，主要分为3类：物理检测方法、分析法和电化学检测法等。

1 破损检测技术

混凝土破型检测是去掉混凝土保护层后露出锈蚀的钢筋，观察钢筋的锈蚀情况，再测定钢筋因锈蚀造成的横截面积损失率和质量损失率，也可以通过重力分析法分析钢筋的锈蚀情况。其中，重力分析法是将表面混凝土打碎后得到的锈蚀钢筋在克拉克溶液(ASTMG1-81，20 mg三氧化锑+50 mg氯化亚锡+1 L盐酸)中浸泡25 min，除去钢筋表面的锈蚀物，从而得到钢筋锈蚀量[1]。破损检测法适合于锈蚀严重的混凝土结构。这种方法的优点是非常直观、准确性高，缺点是损伤结构、检测范围以及代表性有限[2]。

2 无损检测技术

无损检测在检测过程中对构件的损伤比较小或无损伤，这是钢筋锈蚀检测的发展方向。无损检测可以分为3大类：分析法、物理法和电化学法，这3类方法的比较见表1。

表1 钢筋锈蚀状况测试方法的比较[3]

2.1 分析法

分析法是根据现场测量钢筋混凝土自身影响钢筋锈蚀的因素和影响钢筋锈蚀的外部环境因素及不同时期等影响因子数据，分析推断钢筋的锈蚀情况[4]。分析法的关键：一是准确测量钢筋锈蚀的影响因子，掌握混凝土自身以及环境的影响因素；二是建立的锈蚀预测模型。其中以采用的钢筋锈蚀预测模型尤为重要。现有的钢筋锈蚀速率的模型主要包括：经验模型、反应(氧气扩散与混凝土电阻率)控制模型和电化学模型[5]。经验模型简单易操作，缺点是理论不足、应用有局限性；反应控制模型具有一定的理论基础，但是没有考虑到电化学反应是钢筋锈蚀的本质；电化学模型是根据电化学反应建立的模型，由于复杂很难用于工程实际。

2.2 物理检测法

物理检测法主要是通过测定钢筋锈蚀引起物理特性的变化来反映钢筋的锈蚀情况[6]。物理检测法主要包括：电阻棒法、射线法、声发射探测法、红外热像法以及基于磁场的检测方法等。物理检测方法的优点是操作简便，受环境的影响小。其缺点是只能用于定性分析，比较难以进行定量分析，目前基本停留在实验室阶段。

2.2.1 电阻棒法

电阻棒法是测量因钢筋锈蚀引起的钢筋电阻值变化，再运用导电原理推断钢筋的剩余截面积[7]，从而判断钢筋锈蚀的检测方法。由于这种方法是对电阻的测量，所以容易受温度、湿度等的影响。该法通常是在浇筑混凝土结构时预先埋设电阻探头，较适用于均匀腐蚀的场合，对于以局部腐蚀为特征的钢筋，则无法定量检测其腐蚀速度[8]。

2.2.2 射线法

射线法是用X射线或γ射线拍摄混凝土中钢筋的照片，从而观察钢筋的锈蚀状况[3]。射线法的优点是直观，缺点是只能定性判断，不能定量测量。

2.2.3 声发射法

钢筋锈蚀产物会发生体积膨胀，从而导致周围混凝土开裂。在混凝土开裂时会产生应力波。声发射法是采用仪器接收这种应力波，从而确定钢筋发生锈蚀膨胀的确切位置[3]。声发射法的缺点是容易受到非检测声波的干扰，因此可能出现判断误差。

2.2.4 红外热像法

红外热像法是通过测量混凝土表面的温度分布图的变化来分析钢筋锈蚀的位置和程度[3]。其原理是钢筋锈蚀会引起锈蚀部位的结构和成分发生变化，这些变化会导致钢筋辐射出来的红外线不同。红外热像法分两步进行操作：利用电磁感应的方法加热钢筋；用红外热像仪进行成像。采用红外热像法的优点是可以避免混凝土其他损伤的干扰。

2.2.5 基于磁场的检测方法

基于磁场的检测方法是利用钢筋的铁磁属性并且钢筋的缺陷会引起外加磁场扰动，通过外加磁场扰动状况判断钢筋的损伤程度[7]。试验方法是：给钢筋施加足够强度的外磁场，使钢筋完全磁化，这时磁场顺着钢筋的方向移动；此时钢筋横截面积的任何变化都会引起磁通量的变化，通过磁通量的变化可以得知钢筋横截面积的变化。这种方法的优点是通过一次测量可以知道整个构件钢筋锈蚀的情况。

2.2.6 光纤传感器

光纤传感器是利用光子(photon)在玻璃或者有机纤维中沿长度方向传播，当纤维应变、温度、界面改变时，光的波长、能流密度、频率、偏振态、相位发生变化的性质制作的传感器[9]。利用光纤检测钢筋锈蚀时主要有两种方法[10]：用光纤对钢筋混凝土周围的环境因子进行检测；利用布拉格光栅对应变的敏感性对钢筋的锈蚀情况进行检测。王彦等[10]通过长周期的光纤对钢筋的锈蚀情况进行监测发现，这种方法操作简单，而且测量不易受到环境的影响。光纤传感器可以对钢筋的锈蚀情况进行实时监测，但其在混凝土中的封装耐久性问题亟待解决。

2.3 电化学方法

电化学方法是通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度[6]。因此，电化学方法能反映钢筋腐蚀的本质。它具有灵敏度高、原位测量、可连续跟踪和测试速度快等优点[8]。电化学方法主要包括：半电池电位法、交流阻抗法、线性极化法、混凝土电阻率法等。常用的电化学检测方法的比较见表2。

表2 常用的电化学方法的比较[11]

2.3.1 半电池电位法

半电池电位法是测定钢筋/混凝土组成的电极和混凝土表面的铜/硫酸铜参考电极的电位差，通过电位差评定钢筋的锈蚀状态[12]。参考电极的电位比较稳定，而钢筋/混凝土电极会因为钢筋的锈蚀而发生电位的变化。因此可以通过电位变化判断钢筋的锈蚀状况。半电池电位法是电化学测试方法中一种简单有效的方法，在实验室和现场的适用性都很好。它的缺点是只能定性地对钢筋锈蚀可能性作判断，不能定量测定钢筋的锈蚀速率[13]。半电池法的具体判断标准见表3。

表3 半电池电位法钢筋锈蚀判断标准[13]

2.3.2 交流阻抗法

交流阻抗技术的基础是：对电极施加强度很小的交流信号，并且不会改变原电极体系的性质，则可以认为输入与输出信号之间呈线性关系[14]。交流阻抗法所用的交流信号对钢筋锈蚀体系的影响较小，且可确定电极过程的电化学参数和控制步骤[11]。这是一种能反映钢筋的电化学行为和材料本身性质的方法，比较适合用于钢筋锈蚀机理的研究。交流阻抗法也存在一些缺点，例如：试验周期长、试验数据处理繁琐、只适合在实验室内操作等。

2.3.3 线性极化法

Skold和Larson在1957年发现，极化电位与外加极化电流在电流极化密度低的情况下近似成直线关系，这条直线的斜率与锈蚀速率成反比例关系[15]。线性极化法是定量研究混凝土中钢筋腐蚀速率的一种最简单的电化学方法，所用仪器简便，测量速度快，而且结果容易处理，适合实验室和现场检测使用[14]。其缺点是对仪器的精度要求较高。

2.3.4 混凝土电阻率法

混凝土的导电性是水泥浆体孔隙液中离子流动时发生的电解过程[16]。有研究者发现混凝土的电阻率与钢筋的腐蚀速率成反比[13]。混凝土电阻率的测量必须要有两个电极，其中有一个电极可以是钢筋。混凝土电阻率试验通过施加外部电压，测量电流，两者的比值为混凝土的电阻。此方法还可以根据具体的操作方法分为四探针法、圆盘法和两级法。电阻率检测法设备简单、适应范围广，但是容易受环境条件的影响，而且混凝土电阻率法所测数据的离散性高[17]。用电阻率判定钢筋锈蚀程度的评价标准如表4所示。

表4 用混凝土的电阻率判定钢筋锈蚀程度的评价标准[18]

2.4 铁离子检测法

混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程，反应产物主要包括Fe2O3、Fe3O4、FeCl3、Fe2(SO4)3等，其中以氧化铁的含量最高。由于氧化铁是从钢筋的表面向混凝土表面扩散，所以从混凝土表面到钢筋表面铁离子应该呈梯度分布。耿建生等[19]以这种原理对钢筋的锈蚀进行了检测，发现两组试样Fe2O3的含量明显地随钢筋锈蚀度的变化而呈现规律性的变化。铁离子检测法是钢筋锈蚀的一种无损检测方法，但对所取试样的要求比较高。试样必须没有遭受污染，否则所测量的结果是无效的。

3 结语

钢筋混凝土中钢筋锈蚀的检测方法很多并且在不断的发展中，其中实验室内基于电化学原理的数值模拟和工程现场测试仪的研发是今后混凝土中钢筋锈蚀研究的重点[20]，无损检测是钢筋混凝土构件检测的发展方向。在检测的过程中，建议先掌握钢筋混凝土本身及其所处环境中影响钢筋锈蚀的因素，用分析法对钢筋的锈蚀情况进行评估，再运用其他无损检测方法进行分析判断，最后在条件允许的情况下用破损试验进行最终的判定。

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