混凝土中钢筋锈蚀检测技术研究进展

李炜 郭建勋 李轩

摘要：介绍了钢筋锈蚀的原理，现有检测方法以及最新研究进展，重点探讨了超声波法和半电池电位法的原理及存在的问题，并展望了今后发展方向。

关键词：混凝土;钢筋锈蚀;检测方法

混凝土及钢筋混凝土具有来源广泛、便于施工、抗压强度高、耐久性好、造价低廉等优点，因而广泛应用于现代工业工程和民用建筑等领域。但随着混凝土结构使用年限的不断增加，以及恶劣的工作环境、内力作用、长期荷载等原因，使其出现了各种不同程度的劣化，大大降低了结构耐久性，导致钢筋混凝土结构过早失效，严重影响钢筋混凝土结构的服役寿命，而导致混凝土劣化的原因之一是钢筋锈蚀。每年全球因混凝土内钢筋锈蚀造成的维护加固费用高达数千亿美元。随着我国城市化进程的不断发展，早期建筑已服役多年，多数出现了不同程度的锈蚀劣化现象，急需对既有建筑进行检测鉴定，及时了解其损伤程度，为耐久性鉴定和加固处理提供依据。

根据国内研究现状介绍了混凝土中钢筋锈蚀机理和以及锈蚀对混凝土构件产生的影响，对钢筋锈蚀检测技术最新研究进展进行了分析，并提出了见解和观点。

1钢筋锈蚀原理

混凝土中钢筋需要同时满足三个基本条件锈蚀才能发生。首先，钢筋表面由于电化学的不均性产生电位差，构成腐蚀电池;其次钢筋表面钝化膜遭到破坏，处于活化状态，最后钢筋表面有电化学反应和离子扩散所需要的水和氧气。金属腐蚀具有电化学腐蚀的基本特征，在钢筋表面形成阳极和阴极区域，两个区域进行不同的电极反应：阳极发生氧化反应，钢筋中的铁金属被氧化，并以离子形式进入溶液;阴极区的水和氧气接受阳极传来的电子，发生还原反应。反应化学式如下所示：

Fe-Fe2++2e-（1）

O2+2H2O+4e--4OH-（2）

由反应化学式可知，当同时存在氧气和水时，随着阴极反应持续进行，阳极中钢筋表层的铁也会持续地失去电子而形成离子，溶于水然后又与其他离子发生反应生成沉淀物，钢筋一层一层的逐渐被这种腐蚀反应所锈蚀掉，锈蚀产物的积累最终将引起整体混凝土的开裂，示意图如图1所示。钢筋锈蚀会对钢筋、混凝土以及二者结合处的钝化膜产生一定影响，因而可以针对这些变化进行检测，进而确定钢筋锈蚀状态。

2现有检测方法

根据是否对混凝土结构构件造成破坏角度出发，混凝土中钢筋锈蚀检测可以分为破损检测、半破损检测和无损检测。破损法检测需要破坏结构，通过视觉观察法或实验直观检测结构内部钢筋锈蚀参数，确定锈蚀量。相比于破损法对构件造成损伤，无损检测不需要破坏材料的即可检测结构内部损伤，因而对无损检测技术的研究更为广泛。

2.1物理方法

物理法主要是利用声、光、电、磁、热及射线等物理方法，测定锈蚀引起的某些物理量的变化，通过测得的物理量与锈蚀程度的相关性分析达到检测的目的。主要检测方法有射线法、电阻棒法、声发射法、红外热成像法、涡流探测法以及磁通减量法等。不过，目前大多数物理方法仅在实验室内取得较好的检测效果，实际使用效果较差。国内学者尝试不同的物理方法对钢筋锈蚀的检测进行了探索。

施锦杰，耿国庆等采用多种测试方法对混凝土中钢筋的腐蚀行为进行了测试，其中研究电迁移氯盐加速混凝土内钢筋的腐蚀行为及钢筋混凝土界面区的腐蚀特征，通过X射线CT技术和电化学阻抗谱的结合检测混凝土中钢筋的腐蚀信息。杨茂等研发了基于金属磁记忆的磁感应检测方法，当构件中的钢筋发生锈蚀时，其表面磁场会相应发生改变，根据检测所得磁感应强度曲线交点及曲线高度即可定位锈蚀位置和评估锈蚀状况，与传统电位法相比，此方法不仅提高了检测的精度，还能够检测未开裂混凝土的锈蚀情况。朱劲松等设计了基于压电陶瓷技术的钢筋锈蚀检测方案，其检测原理为构件在锈蚀过程中会对应力波信号衰减规律特征产生影响。通过测试发现，钢筋的锈蚀率和应力波幅值为二次函数关系，应力波的传播衰减规律可有效表征钢筋锈蚀。安新正等基于超声波传播理论探究了超声波波速与钢筋锈蚀程度的关系，记录了未锈蚀的钢筋混凝土超声波波速，通过与钢筋混凝土锈蚀后的检测波速对比来表征腐蚀损伤程度。笔者也曾尝试基于超声波技术对高强度混凝土内钢筋锈蚀进行检测，以超声波平测法为参考，超声波探头置于纵向钢筋上方，令波通过钢筋进行传播，根据检测波速差异来来反映锈蚀情况。探究过程中发现：现有超声波检测仪器主要针对混凝土强度和裂缝等损伤检测，检测效果较好。但是检测锈蚀时，超声波波速较快，仪器精度时间值乘以波速后所得到的距离要远大于锈蚀产物的累积厚度，二是传播过程由于经过钢筋，接收到的波稳定性较差，采集误差较大，三是采用平测法，波传播非定向以及在高强混凝土强度中传播速度较快，其亦有可能不沿钢筋传播，故采用平测法不能反映钢筋锈蚀。此外，部分学者也尝试了其他实验方法，贺卫东采用超声导波技术研究了钢筋坑蚀，论证了检测钢筋锈蚀的可行性。龚晨辉采用基于红外感应加热技术，通过对感应加热中的钢筋温度增长速率的测量，定量地判定钢筋锈蚀程度。

2.2电化学方法

物理法主要是对锈蚀引起的混凝土结构其他物理量变化的测量，那么化学法则是对锈蚀本质的直接测量，具有检测速度快、灵敏度高、连续跟踪和原位测量等优点，主要方法有半电池电位法、线性极化法、恒电量法、交流阻抗法、电化学噪声法、混凝土电阻法、电流阶跃法等。

耿国庆研究了电化学测试方法中的电化学阻抗谱法、电化学噪声法、线性极化法3种方法检测钢筋锈蚀的可靠性，结果表明，电化学噪声和线性极化法对处于腐蚀状态的钢筋检测结果相关性较好，而电化学阻抗谱和线性极化法对钝化状态钢筋检测结果较好。施锦杰通过恒电流脉冲法研究了钢筋在不同pH值模拟混凝土孔溶液中的腐蚀行为，比较了恒电流脉冲、线性极化及电化学阻抗谱所测的极化电阻与腐蚀电流密度，表明这三种电化学方法在测试钢筋腐蚀速率方面具有较好的相关性。范庆新等对比研究了钢筋锈蚀无损检测技术中的三种电化学方法，包括：线性极化法、半电池电位法和阳极极化曲线法。研究发现，线性极化可有效检测锈蚀速率，但结果不足以反映钢筋的实际锈蚀情况;半电池电位法可定性判断区域是否腐蚀，但检测结果易受环境影响;阳极极化曲线不能给出锈蚀速率，但能有效表征钢筋是否脱钝。贺鸿珠等基于法拉第定律，提出通过测试腐蚀电流推算出钢筋腐蚀量的方法。在研究基础上提出了电化学方法是检测混凝土中钢筋锈蚀情况最简单的方法，不仅可以检测钢筋的锈蚀速率，还可以检测长期的锈蚀总量。在研究基础上提出了電化学方法是检测混凝土中钢筋锈蚀情况最简单的方法，不仅可以检测钢筋的锈蚀速率，还可以检测长期的锈蚀总量。笔者也对半电池电位法进行了探究，半电池电位法检测的原理是钢筋与混凝土构成腐蚀原电池的一级，通过与铜/硫酸铜电极连接构成通路形成原电池，锈蚀检测仪原理上是一个电压表，通过放大原电池电路电压进而表征锈蚀信息。这一原理也导致了半电池电位法存在易受环境等因素干扰的缺点。

3结论与展望

国内部分学者对锈蚀检测技术进行了一定的探索，但研究成果相对较少。检测方法中无论是物理法还是电化学法，单一的检测方法均有一定的局限性，至今尚未找到一种方便、快捷、准确且具有广泛适用性的检测方法，提高现有检测方法的检测精度以及多种检测方法联合检测是今后研究的一个热门方向。