基于护环技术的混凝土中钢筋腐蚀监测研究(修改).docx

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1、基于护环技术的混凝土中钢筋腐蚀监测研究丁元力董泽华以（华中科技大学化学系 武汉430074）周华林余海龙北京建工华创科技有限公司北京摘要：本文研究了采用护环电极（GUardRingEleClrode, GRE, GE）测量方法，探讨辅助电极 CE、护环电极GE在钢筋极化过程中的电流分配比，以及护环电极补偿电流的大小对正确测 量研究区域内的钢筋极化电阻品的影响。发现为获得较准确的极化电阻&值，即要将极化电 流限制在辅助电极CE的投影面积上，仅仅考虑到二维表面的电流（电位差）补偿是不够的， 对于高阻混凝土（钝态钢筋）体系，简单的表面电流补偿导致测量的品值偏小，只有考虑到混 凝土结构中三维空间的电流

2、补偿，才可能得到正确的RP值。实验中将测量结果与均匀极化测 量结果进行了对比，表明，对于活化态的钢筋混凝土体系，采用护环电极能够较好地将极化 电流限制在工作区域内，从而可对钢筋混凝土体系进行准确的腐蚀测量。关键词：护环电极；均匀极化；钢筋混凝土；腐蚀；限制1 .前言混凝土中钢筋锈蚀程度的评估，是评价钢筋构筑物耐久性与使用寿命的关键因素。混凝 土中钢筋锈蚀是一个电化学为主的过程,相对于物理方法,基于电化学过程的检测方法具有测 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。因此，电化学检测方法得 到了很大的重视和发展。在实验室已成功地用于监测及检测混凝土试样中钢筋的锈蚀状况和 瞬时锈蚀

3、速度,并已开始尝试用于现场检测。如线性极化法、恒电量法、电化学阻抗法等。这 些电化学方法主要是基于钢筋与混凝土界面的RP的测量，品的获得可以通过直流测量法、交 流阻抗谱法与暂态法等。不论采用何种方法，目前，测量&的主要问题是：现场混凝土结构 中钢筋网架组成了一个很大的网络结构，并且在这个网络中电流的分布是极其不均匀的，对 于现行的腐蚀监测，一般采用较小的CE,电流在钢筋表面的分布是不均匀的，极化面积不确 定，而且，电流信号会随着与CE的距离增加而减弱，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。I通讯联系人：董泽华,博士

4、，副教授，E-mail： corrtest 与活化态相比，钝态下的电流信号更不易限制2, 3,因此，仅仅采用一个较小的CE,钢筋的 实际极化面积将很难确定。1.1. 护环电极（Guard Ring Electrode）原理混凝土表面电阻较小，极化电流很容易从表面流过，为了限制电流的侧向分布，一般采 用护环电极GE将CE电流限制在预想的钢筋极化面积X-Y部分（见图1b）, 一般取CE与GE 间隙中点4, 5到CE电极圆心的距离为半径的垂直投影面积作为工作面积，以期获得与均匀极 化可比拟的结果。在线性极化电阻的测量过程中，理想情况下，被极化的钢筋面积直接位于 CE下方，但是，实际上CE电流的并不能

5、限制在工作面积上6。为了测量CE电流在工作面积 区域内外的分配比，采用参比电极RE2、RE3来测量，二者位于CE与GE之间，在这两个参比 电极之间的任何电位差都能检测到，CE极化以后，一步分电流必然会流到CE投影区域的外侧, 这一部分电流在电极表面流过时会造成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，通过GE反馈电路（图2）促使两参比电极之间的电位差回到 初始值，这样就可以保证（只能是表面的）来自CE的电流不会流向CE投影区域外侧的钢筋， 使CE电流限制在其投影区域内，直到系统达到稳定状态4。实际测量过程中，由于参比电极 REl与钢筋（WE）之间存在

6、混凝土欧姆降（RQ ）,因此：EDL由 SIemGeary 方程7:/ =Acorr nD表示钢筋的直径，LXT表示X与丫距离（图Ib） o B是Stern-Geary常数，一般而言，当钢 筋处于活化状态时，B值取26mV；当钢筋处于钝化状态时，B取52mV8,90文中REl、RE2、 RE3均为饱和CWCuSCh电极（CSE）。Fig. 1.Schematic diagram of Guard Ring (a) circle diagram, (b) section diagram(broken linerepresents current distribution)A/DFig.2.Sch

7、ematic diagram of GE feedback electrical circuit2 .实验部分制作钢筋混凝土块两块，-块添加3%的CaCI2 （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80OmmX80OmmX95mm,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，并且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

8、据采集，均 匀极化测量系统为三电极系统：饱和甘汞电极（SatUratedCalOmelEIeCtrOde）为参比电极，混 凝土中的钢筋作为辅助电极，中间钢筋为工作电极（图4）；非均匀极化测量（GEM）系统中， 采用护环电极（图1）,实验均控制在同一湿度下测量，温度为室温。Fig.3.Schematic diagram of 80080095mm cement Fig.4.Unifbrm polarized current distribution mortar slabs with eight 7mm diameter rebarson the surface of WE with symme

9、tric CEs二U)CE WL CE3 .实验结果与分析3.1. 均匀极化测量为获得电流信号在钢筋（工作电极）表面均匀分布，采用与工作电极相邻的两对称钢筋 作为辅助电极（图4）,参比电极为饱和甘汞电极（SCE）,测量时置于混凝土表面的饱水海 绵上，须保证接触良好，待电位稳定后方可测量。3.1.1, 测量混凝土电阻RC混凝土是一高阻体系，在钢筋腐蚀检测中，混凝土造成的欧姆降必须予以扣除。混凝土 电阻RC可以通过恒电流阶跃法来测量，先设定电流为O并保持一段时间，直到极化电位基本 稳定，立刻阶跃到一个电流值I。根据等效电路（图5）Fig.5.Equivalent circuit used to s

10、imulate the response of the steel-concrete interface.在电流变化的一瞬间，双电层电容Cdl两端的电位可以认为保持不变，所以此时极化电位的增 加（）完全来自于凡的贡献，所以，Rc=EL太小的阶跃电流扰动，很难从背景噪声中区分极化响应，相反，太大的阶跃电流，对体 系扰动太大。而活化体系极化电阻较小，采用阶跃电流可稍大（本实验采用0.5mA）；钝态 体系极化电阻较大，采用阶跃电流较小（本实验采用SlmA）。阶跃结果见图6,由表1和2 可以看出，钝态体系的RC约是活化态的7倍，&约是活化态的15倍。Fig.6.Potential response c

11、urves with time (a)active state (b)passive state.3.1.2, 测量钢筋腐蚀速率通过动电位扫描，扫描范围一 1010mV,扫描速率O.lmV/s,工作电极分别选取混凝土 块中的第2、4、6根钢筋。结果见表1, 2。TabIe. 1 .Measuremenl resulls Of Unifbrm CUrrerH dislribulion SUITaCe Of WE WiIh 3% CaCbRebar numberRp(kfl.cm2)Rc(k.cm2)EcorrZSCE (mV)Icorr(A cm-2)22.71-306.31.6223.446.

12、66-307.01.5522.61-308.01.6324.15-341.91.4024.555.58-340.91.3724.42-340.11.3831.12-306.11.2124.865.89-305.11.3725.73-308.41.31注：钢筋极化面积S=17584c (下同)Table.2.Measuremenl results Of Unifbrm ClJITenl dislribulion SUrfiaCe Of WE WithOUl CaCl2Rebar numberRp(k C cm2)Rc(k cm2)Ecosce( mV )IcorX y A cm2)380.614

13、2.93-33.60.15376.53-34.20.16331.1444.27-44.40.18342.76-44.20.17418.6743.47-71.20.14438.51-71.10.133.2. GEM 测量实验室为了获得均匀的极化结果，除了以上的双CE方法，也常采用与混凝土块一样大小 的辅助电极。但是现场测量中，使用大面积的辅助电极不现实。为了更好地评价现场混凝土 中钢筋的锈蚀情况，本实验采用GEM。实验前，须将护环电极放置在混凝土块表面的饱水海 绵上，保证充分接触，为获得电流的较均匀的分配，常将护环电极放在钢筋的正上方（对称 位置）5, 10。待电位稳定后，方可测量。3.2.1,

14、 测量混凝土电阻RC测量方法同均匀极化测量。从表3和4可以看出，钝化态RC约为活化态的3倍。3.2.2, 测量钢筋腐蚀速率GEM中CE与GE均采用恒电位控制,CE对REl与工作电极之间恒电位极化1030mV, GE主要是对RE2与RE3之间电位的控制，二者分别极化后，通过反馈电路（见图2）将RE2 与RE3两电极电位差回到极化前的初始值，以保证CE电流没有侧向分布。施加GE电流后， CE电流迅速减小，并逐渐趋于稳定（图7）。对于活化体系，采用GE电极限制CE电流后， CE电流由12.4 PA突降至J 7.6 U A （图6a）；对于钝态体系，CE电流在由6.4 A突降到2.3 A （图6b）。

15、测量结果见表3, 4oFig.7.Current response curves with time by GEM (a)active state (b)passive state.Table.3.Measurement results by GEM with 3% CaChRebar numberRp(k cm2)Rc(k cm2)EcorrZCSE (mV)Icorr( U A cm2)34.1-319.541.2532.9113.3-321.161.3332.9-356.681.2032.7211.2-355.291.2147.7312.8-306.00.7443.1-304.480.868rebars42.23-438.120.97connection41.