CN113252545B - 海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法，测量混凝土结构中宏电池腐蚀发生前的阴极钢筋腐蚀电位Emi‑c和宏电池腐蚀发生前的阳极钢筋腐蚀电位Emi‑a，计算阴极钢筋和阳极钢筋之间的宏电池电位差ΔEcorr1，宏电池腐蚀控制模式分界关系式为Emi‑c＝0.5×(ΔEcorr1)‑b，b为常数，当b取382时为阴极钢筋控制模式转变为混合控制模式的分界线，当b取496时为混合控制模式转变为阳极钢筋控制模式的分界线。本发明的快速识别方法，涉及电化学参数少、检测操作方便、分析过程简单，对宏电池腐蚀的控制模式进行分类分区，能够快速判定各腐蚀环境下混凝土中钢筋宏电池腐蚀的控制模式。
Description
技术领域
本发明属于钢筋腐蚀防护技术领域，具体涉及一种海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法，该方法大大简化了宏电池腐蚀控制模式的判定过程。
背景技术
新建和现役海工钢筋混凝土结构的长寿命化是当前工程建设和运营维护所关注和研究的焦点。实现和保障海工钢筋混凝土结构的长寿命服役，主要从耐久性设计、施工、维护方面着手，控制混凝土材料的性能退化和抑制钢筋的腐蚀。而对于海工钢筋混凝结构，钢筋腐蚀引起的耐久性问题尤为显著。钢筋腐蚀引起的耐久性问题是制约海工混凝土构筑物长寿命化的关键因素。我国沿海港口码头、跨海桥梁、离岸岛礁、海上平台等海工钢筋混凝土构筑物在运行一段时间后，常常出现严重的局部腐蚀现象，在宏电池的作用下极易引起局部腐蚀速率的显著增大，进一步加速构件性能的退化，导致其使用性能和服务水平的降低。
混凝土中钢筋的宏电池腐蚀受内外在因素的共同作用，内在因素(混凝土含水率、保护层厚度、钢筋种类、水胶比、氯离子含量、矿物掺合料、阻锈剂、涂层等)和外在因素(温度、湿度、外加电流、牺牲阳极等)的影响，主要体现在钢筋电化学参数的变化上。钢筋电化学参数的变化反映了其受腐蚀的强弱和受腐蚀的控制模式。如何根据钢筋的电化学参数推定钢筋间的宏电池电流和宏电池腐蚀控制模式，对实体混凝土结构中钢筋腐蚀的原位检测具有重要意义。
混凝土中钢筋的腐蚀机理复杂且涉及的电化学参数较多。电化学参数的变化对宏电池腐蚀电流强弱和其控制模式有重要的影响。当前国内外文献对电化学参数与宏电池腐蚀电流的关系进行了大量的理论公式推导、软件数值模拟和室内试验验证，取得了一定的成果；但是对电化学参数与宏电池腐蚀控制模式的关系尚未给出有意义的指导结论。利用现有技术，无法快速有效的基于电化学参数对宏电池腐蚀的控制模式做出判定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决现有技术中，海工混凝土结构中钢筋宏电池腐蚀控制模式的判定过程复杂且涉及电化学参数较多的问题，提供了一种简洁的混凝土结构中钢筋宏电池腐蚀控制模式快速识别方法。该方法涉及的电化学参数少、检测操作方便、分析过程简单明了，对宏电池腐蚀的控制模式进行了分类分区，能够快速的判定出各腐蚀环境下混凝土中钢筋宏电池腐蚀的控制模式。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法，测量混凝土结构中宏电池腐蚀发生前的阴极钢筋腐蚀电位Emi-c和宏电池腐蚀发生前的阳极钢筋腐蚀电位Emi-a，计算阴极钢筋和阳极钢筋之间的宏电池电位差ΔEcorr1＝/Emi-c-Emi-a/，根据宏电池腐蚀控制模式分界关系式和分界图，来快速识别和判定混凝土中钢筋宏电池腐蚀的控制模式。
其中，宏电池腐蚀控制模式分界关系式为Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-b，b为常数；当b取382时，分界关系式为阴极钢筋控制模式转变为混合控制模式的分界线；当b取496时，分界关系式为混合控制模式转变为阳极钢筋控制模式的分界线。
其中，ΔEcorr1应大于100mV。
其中，钢筋宏电池腐蚀的控制模式为阴极钢筋控制模式、阳极钢筋控制模式和混合控制模式，不适用于混凝土阻抗控制模式。
上述方案中所述的研发得出的宏电池腐蚀控制模式分界，是指从阴极钢筋控制模式转变为混合控制模式的界限，或指从混合控制模式转变为阳极钢筋控制模式的界限。
在进行混凝土结构中宏电池腐蚀测试中，采用的混凝土结构，混凝土强度等级不小于C30，水胶比不大于0.55，矿物掺合料用量小于胶凝材料总量的60％，混凝土结构中钢筋的保护层厚度不小于40mm，通过拌合成型时直接添加氯离子和硬化后从外部渗透氯离子两种组合方式改变混凝土中氯离子的含量，进而使阴极钢筋和阳极钢筋呈现出不同的电化学参数，以便模拟不同的宏电池腐蚀状态。采用的阴极钢筋，其腐蚀速度较低或处于钝化状态，宏电池腐蚀状态下发生消耗电子的还原反应；采用的阳极钢筋，其腐蚀速度较高或处于腐蚀状态，宏电池腐蚀状态下发生释放电子的氧化反应。
在进行混凝土结构中宏电池腐蚀测试中，采用的混凝土结构中阴极钢筋和阳极钢筋，其面积比应为1、其直径10～32mm、两端部用环氧树脂密封、暴露长度50～150mm、暴露表面与混凝土边缘距离不小于40mm，其面状态可以为原氧化皮表面、锈蚀表面或全裸抛光表面；阴极钢筋和阳极钢筋的一个端部应与导线机械连接或者电焊接；阴极钢筋的导线和阳极钢筋的导线通过电路连接形成宏电池腐蚀或电路断开形成微电池腐蚀。
在进行混凝土结构中宏电池腐蚀测试中，宏电池腐蚀发生前的阴极钢筋腐蚀电位Emi-c和宏电池腐蚀发生前的阳极钢筋腐蚀电位Emi-a，是阴极钢筋的导线和阳极钢筋的导线在断开未连接状态下，宏电池腐蚀未发生前测得的阴极钢筋的半电池电位和阳极钢筋的半电池电位，由腐蚀诊断仪器或钢筋锈蚀仪或电化学工作站测得，其参比电极为Ag/AgCl电极。
在进行混凝土结构中宏电池腐蚀测试中，阴极钢筋和阳极钢筋之间的宏电池电位差ΔEcorr1，是决定宏电池腐蚀电流大小和宏电池腐蚀控制模式的重要因素，通过分析Emi-c和ΔEcorr1的关系，可快速判定出宏电池腐蚀的控制模式。
如附图1所示，本发明的宏电池腐蚀控制模式分界关系式和分界图，将大量的不同电化学参数特性的阴极钢筋和阳极钢筋进行组合形成宏电池腐蚀，测得宏电池腐蚀发生前和发生后的阴极钢筋腐蚀电位和阳极钢筋腐蚀电位，计算阴极钢筋的宏电池极化比率、阳极钢筋的宏电池极化比率、混凝土阻抗的宏电池极化比率，根据极化比率的大小判定不同组合的宏电池腐蚀控制模式。接着，以宏电池电位差ΔEcorr1为横坐标(间隔10mV)、宏电池腐蚀发生前的阴极钢筋腐蚀电位Emi-c为纵坐标(间隔10mV)，标记绘制各组合状态下宏电池腐蚀控制模式的分布图。当ΔEcorr1<100mV时，宏电池腐蚀的控制模式无法判定；当ΔEcorr1≥100mV时，宏电池腐蚀的控制模式与ΔEcorr1的大小和Emi-c的大小密切相关。ΔEcorr1恒定时，宏电池腐蚀的控制模式随着Emi-c的降低，逐渐由阴极控制模式转变为混合控制模式，再转变为阳极控制模式。然后，提取控制模式分布图中宏电池腐蚀阴极控制模式转变为混合控制模式的临界点和混合控制模式转变为阳极控制模式的临界点，并进行数据拟合，得到阴极控制模式转变为混合控制模式的临界点Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-382，混合控制模式转变为阳极控制模式的临界点Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-496。宏电池腐蚀控制模式转变的临界点Emi-c约为ΔEcorr1的一半，再减去一个常数。所述的宏电池腐蚀控制模式快速识别方法适用于非混凝土阻抗控制且电位差ΔEcorr1大于100mV的宏电池腐蚀控制模式的判定。
本发明提出的宏电池腐蚀控制模式分界关系式和分界图，无需繁琐的计算阴极钢筋的宏电池极化比率、阳极钢筋的宏电池极化比率、混凝土阻抗的宏电池极化比率，大大简化了宏电池腐蚀控制模式的判定过程。本发明相对于现有技术具有以下有益效果：发明的快速识别方法涉及参数少、检测操作方便、分析过程简单明了，对宏电池腐蚀的控制模式进行了分区，能够快速的判定出各腐蚀环境下混凝土中钢筋宏电池腐蚀的控制模式。
附图说明
图1为本发明中宏电池腐蚀控制模式分界关系式和分界图的示意图。
图2为本发明中宏电池腐蚀控制模式的分布示意图，其中C为阴极控制，M为混合控制，A为阳极控制，N为无法判定。
图3为本发明中宏电池腐蚀控制模式的临界点测试示意图。
图4为本发明中宏电池腐蚀控制模式的分界图。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述
首先进行宏电池腐蚀的测试，以确定宏电池腐蚀控制模式。浇筑成型多种不同的混凝土结构，混凝土强度等级不小于C30，水胶比不大于0.55，矿物掺合料用量小于胶凝材料总量的60％，混凝土结构中钢筋的保护层厚度不小于40mm，通过拌合时直接添加氯离子和硬化后从外部渗透氯离子两种组合方式改变混凝土中氯离子的含量，进而使阴极钢筋和阳极钢筋呈现出不同的电化学参数，以便模拟不同的宏电池腐蚀状态。
混凝土结构中阴极钢筋和阳极钢筋，其面积比应为1、其直径10～32mm、两端部用环氧树脂密封、暴露长度50～150mm、暴露表面与混凝土边缘距离不小于40mm，其初始表面状态可以为原氧化皮表面、锈蚀表面或全裸抛光表面；阴极钢筋和阳极钢筋的一个端部应与导线机械连接或者电焊接；阴极钢筋的导线和阳极钢筋的导线通过电路连接形成宏电池腐蚀或电路断开形成微电池腐蚀。混凝土结构中阴极钢筋和阳极钢筋的腐蚀电位，由腐蚀诊断仪器或钢筋锈蚀仪或电化学工作站测得，其参比电极为Ag/AgCl电极。通过设计大量的不同电化学参数特性的阴极钢筋和阳极钢筋进行组合形成宏电池腐蚀，测得宏电池腐蚀发生前和发生后的阴极钢筋腐蚀电位和阳极钢筋腐蚀电位，计算阴极钢筋的宏电池极化比率、阳极钢筋的宏电池极化比率、混凝土阻抗的宏电池极化比率，根据极化比率的大小判定不同组合的宏电池腐蚀控制模式。
其次，以宏电池电位差ΔEcorr1为横坐标、宏电池腐蚀发生前的阴极钢筋腐蚀电位Emi-c为纵坐标，标记绘制各组合状态下宏电池腐蚀控制模式的分布图，以确定宏电池腐蚀控制模式的分布情况。
以宏电池电位差ΔEcorr1为横坐标(间隔10mV)、宏电池腐蚀发生前的阴极钢筋腐蚀电位Emi-c为纵坐标(间隔10mV)，标记绘制各组合状态下宏电池腐蚀控制模式的分布图，见图2。当ΔEcorr1<100mV时，宏电池腐蚀的控制模式无法判定；当ΔEcorr1≥100mV时，宏电池腐蚀的控制模式与ΔEcorr1的大小和Emi-c的大小密切相关。ΔEcorr1恒定时，宏电池腐蚀的控制模式随着Emi-c的降低，逐渐由阴极控制模式转变为混合控制模式，再转变为阳极控制模式。
第三，进行数据拟合，以得到阴极控制模式转变为混合控制模式的临界点(即分界线)Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-382，混合控制模式转变为阳极控制模式的临界点(即分界线)Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-496。
提取图2中宏电池腐蚀阴极控制模式转变为混合控制模式的临界点和混合控制模式转变为阳极控制模式的临界点，见图3，并进行数据拟合，得到阴极控制模式转变为混合控制模式的临界点Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-382，混合控制模式转变为阳极控制模式的临界点Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-496。宏电池腐蚀控制模式转变的临界点Emi-c约为ΔEcorr1的一半，再减去一个常数。为进一步总结研发结果的规律性，本发明将宏电池腐蚀控制模式的分界线关系定义为Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-b，b为常数，见图4。当b取382时为阴极控制转为混合控制的分界线，当b取496时为混合控制转为阳极控制的分界线。
利用本发明提出的宏电池腐蚀控制模式快速识别方法，实施例数据及结果如下表：
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法，其特征在于，测量混凝土结构中宏电池腐蚀发生前的阴极钢筋腐蚀电位Emi-c和宏电池腐蚀发生前的阳极钢筋腐蚀电位Emi-a，计算阴极钢筋和阳极钢筋之间的宏电池电位差ΔEcorr1＝/Emi-c-Emi-a/，根据宏电池腐蚀控制模式分界关系式和分界图，来快速识别和判定混凝土中钢筋宏电池腐蚀的控制模式；其中，宏电池腐蚀控制模式分界关系式为Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-b，b为常数；当b取382时，分界关系式为阴极钢筋控制模式转变为混合控制模式的分界线；当b取496时，分界关系式为混合控制模式转变为阳极钢筋控制模式的分界线；ΔEcorr1应大于100mV。
2.根据权利要求1所述的海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法，其特征在于，在进行混凝土结构中宏电池腐蚀测试中，采用的混凝土结构，混凝土强度等级不小于C30，水胶比不大于0.55，矿物掺合料用量小于胶凝材料总量的60％，钢筋保护层厚度不小于40mm，通过拌合成型时直接添加氯离子和硬化后从外部渗透氯离子两种组合方式改变混凝土中氯离子的含量，进而使阴极钢筋和阳极钢筋呈现出不同的电化学参数，以便模拟不同的宏电池腐蚀状态。
3.根据权利要求1所述的海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法，其特征在于，在进行混凝土结构中宏电池腐蚀测试中，采用的阴极钢筋，其腐蚀速度较低或处于钝化状态，宏电池腐蚀状态下发生消耗电子的还原反应；采用的阳极钢筋，其腐蚀速度较高或处于腐蚀状态，宏电池腐蚀状态下发生释放电子的氧化反应。
4.根据权利要求1所述的海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法，其特征在于，在进行混凝土结构中宏电池腐蚀测试中，采用的混凝土结构中阴极钢筋和阳极钢筋，其面积比应为1、其直径10～32mm、两端部用环氧树脂密封、暴露长度50～150mm、暴露表面与混凝土边缘距离不小于40mm，其初始表面状态为原氧化皮表面、锈蚀表面或全裸抛光表面；阴极钢筋和阳极钢筋的一个端部应与导线机械连接或者电焊接；阴极钢筋的导线和阳极钢筋的导线通过电路连接形成宏电池腐蚀或电路断开形成微电池腐蚀。
5.根据权利要求1所述的海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法，其特征在于，在进行混凝土结构中宏电池腐蚀测试中，宏电池腐蚀发生前的阴极钢筋腐蚀电位Emi-c和宏电池腐蚀发生前的阳极钢筋腐蚀电位Emi-a，是阴极钢筋的导线和阳极钢筋的导线在断开未连接状态下，宏电池腐蚀未发生前测得的阴极钢筋的半电池电位和阳极钢筋的半电池电位，由腐蚀诊断仪器或钢筋锈蚀仪或电化学工作站测得，其参比电极为Ag/AgCl电极；阴极钢筋和阳极钢筋之间的宏电池电位差ΔEcorr1，通过分析Emi-c和ΔEcorr1的关系，可快速判定出宏电池腐蚀的控制模式。
6.根据权利要求1所述的海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法，其特征在于，首先进行宏电池腐蚀的测试，以确定宏电池腐蚀控制模式；其次，以宏电池电位差ΔEcorr1为横坐标、宏电池腐蚀发生前的阴极钢筋腐蚀电位Emi-c为纵坐标，标记绘制各组合状态下宏电池腐蚀控制模式的分布图，以确定宏电池腐蚀控制模式的分布情况；第三，进行数据拟合，以得到阴极控制模式转变为混合控制模式的临界点Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-382，混合控制模式转变为阳极控制模式的临界点Emi-c＝0.5×(ΔEcorr1)-496。
7.如权利要求1—6之一所述的海工混凝土中钢筋宏电池腐蚀控制模式的快速识别方法在判断阴极钢筋控制模式、阳极钢筋控制模式和混合控制模式中的应用。
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