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鋼筋銹蝕檢測法:什么是半電池電位測試?
發布時間:2023-06-07 瀏覽次數:30569 來源:歐美大地



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: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定性。如果同時還有氧氣和水的存在,則會發生電化學反應,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)中發生反應,并在陽極(發生氧化反應)釋放電子,至陰極(此處發生電位降低)。陽極表面的陽離子發生反應,并產生銹蝕產物。這一電化學反應,將在鋼筋的陽極區和陰極區之間形成電位差,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)就發生氧化并輸出電子。
為了保持系統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:
  1. 確定鋼筋位置;
  2. 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);
  3. 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),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。



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