维普资讯 http://www.cqvip.com 第9卷第6期 建筑材料学报 VoI.9,No.6 2006年12月 JOURNAL OF BUILDING MATERIALS Dec.,2006 文章编号:1007—9629(2006)06一O66O—O6 火灾混凝土钢筋损伤的电化学检测与评估 杜红秀 , 张雄 (1.太原理工大学土木工程系,山西太原030024; 2.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室,上海200092) 摘要:根据钢筋锈蚀电化学检测的基本原理,依据电化学三要素对火灾混凝土钢筋损伤 进行了试验研究,建立了火灾混凝土钢筋损伤的电化学判定准则和辅助分析模型,然后运 用上述准则和模型对实际火灾混凝土结构进行了诊断评估. 关键词:混凝土结构;火灾;钢筋损伤;电化学;锈蚀电势;锈蚀电流密度;电阻率 中图分类号:TU528.01 文献标识码:A Test and Evaluation of Reinforcing Bar Damage of Concrete in Fire by Electrochemistry DU Hong—xiu , ZHANG Xiong。 (1.Department of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,china;2.Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China) Abstract:Test and evaluation on the reinforcing bar damage of concrete in fire are important as— pects on the fire damage evaluation of concrete structures.According to the electrochemistry tes— ting principle of the reinforcing bar corrosion,three elements of electrochemistry were applied to study the reinforcing bar damage of concrete in fire.The electrochemistry criteria and auxiliary analysis models were established by experiments.The reinforcing bar damage of concrete in a real fire was diagnosed and evaluated using above criteria and analysis models. Key words:concrete structure;fire;reinforcing bar damage;electrochemistry;corrosion electric potential;corrosion electric current density;resistivity 随着我国社会经济和现代化建设的快速发展,各种混凝土结构鳞次栉比不断涌现,房屋密度不 断增大,加之大量易燃新型材料的广泛应用,以及燃气、电器的普遍使用,使得混凝土结构物发生火 灾的概率大大增加,火灾损失与日俱增. 通常,在混凝土中由于水泥水化生成大量的Ca(OH) [1],混凝土内部pH值一般高达12.5~ 13.5.在这种高碱度环境中,包裹在混凝土中的钢筋因初始的电化学作用,会迅速生成一层非常致 密的厚约2×10 m的Fe。O 一Fez0。(尖晶石固溶体)钝化膜[2],它牢牢地吸附于钢筋表面,对钢筋 起到保护作用,从而阻止钢筋锈蚀[2。].然而,当混凝土结构物遭受高温灼烧(火灾)时,水泥水化产 物会发生一系列脱水相变,尤其是Ca(OH) 在450~5o0℃下会失水形成CaO,从而导致混凝土 中性化 .当混凝土中性化深度抵达钢筋表面时,钢筋附近的碱度降低,钢筋表面的钝化膜逐渐破 收稿日期:2005—12—21;修订日期:2006--02--22 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50078041)}山西省自然科学基金资助项目(20041055) 作者简介:杜红秀(1962--),山西人,太原理工大学副教授,博士. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 杜红秀等:火灾混凝土钢筋损伤的电化学检测与评估 661 坏,钢筋就会在空气中发生锈蚀反应.由于上述过程是一个电化学过程,因此通过检测钢筋锈蚀的 电化学参数,分析火灾混凝土结构中混凝土中性化程度和钢筋钝化膜状态,就可推定混凝土保护层 和钢筋遭受的损伤情况. 1 火灾混凝土钢筋损伤的电化学检测方法、基本原理及参数 1.1电化学检测方法 本文采用的电化学检测方法是最具有代表性和实用性 的线性极化法.线性极化法在测量时有电流从腐蚀金属电极 流向外电路,同时有电流从外电路流向腐蚀金属电极. 线性极化方法通常采用的是三电极系统.当三电极系统 应用到钢筋混凝土时,其工作电极是混凝土中的钢筋网(re— inforcements),中心圆电极(central electrode,CE)是不锈钢 板或黄铜板或石墨板,参比电极(reference electrode,RE)则 是Cu/CuSo 电极或Ag/AgC1电极.为了使施加的极化信 号均匀确切地作用于钢筋网,保证中心圆电极与钢筋网之间 的电势场垂直分布,不散发,从而限定钢筋网上的电化学扰 动面积,本研究采用中心圆电极外加外环电极(guard ring 原理见图1. 图1 恒流护环仪工作原理图 current guard ring electrode,GRE)即采用恒流护环仪测量.恒流护环仪的工作 Fi西1 Working principle of constant 1.2电化学检测基本原理 根据混凝土中钢筋锈蚀的电化学反应机理嘲,通过Stern-Geary公式的转化 ,测定混凝土 与钢筋的电学性能,并以此判断混凝土保护层中性化状况以及钢筋的腐蚀状态. 1.3电化学检测参数 本方法检测参数为钢筋锈蚀电势E 、钢筋锈蚀电流密度 ~和混凝土电阻率R。. (1)E 混凝土中的钢筋与周围介质在交界面上相互作用形成双电层,产生锈蚀电势. (2)J 根据混凝土中钢筋锈蚀时发生的是不可逆氧化反应,可以推导钢筋 …的计算公式如下[8] ,F —F 、 ~一 exp( 、 0 c ) (1) 式中:Ee. 和E . 分别是阳极反应和阴极反应的平衡电势,主要取决于反应本身的性质以及反应时 各反应物在溶液中的活度; 和 分别是阳极反应和阴极反应Tafel常数,它们分别同阳极反应和 阴极反应中带电荷粒子穿越金属/溶液界面双电层的过程有关;J 和 换电流密度,它们同阳极反应和阴极反应的活化能位垒高度有关. E 和.,…随E . 和E 和 以及J 和J 变化的规律互不相同.未受火灾损伤的钢筋混 凝土,其锈蚀电势在一定的范围值内即处于钝化电位区域.当火灾导致混凝土中性化并使混凝土中 的钢筋由钝化状态转变为活化状态时,E 从钝化电位区转变到活化电位区,其值发生较大的负 分别为阳极和阴极的交 移.与此同时,钢筋由于表面钝化层遭受破坏而开始锈蚀,其 ~剧烈增大几个数量级.因此,可以 根据混凝土钢筋E~和 (3)R 的变化判定混凝土中性化程度是否达到钢筋表层,钢筋钝化膜是否已 破坏,并据此判定钢筋在火灾过程中所经受的温度场. R 是包括混凝土中所含盐分浓度和水分量等要素在内的钢筋腐蚀指标.研究表明:当R。升高 到15 ̄20 ki2・cm时, ~明显下降;当R 升高到25 ̄30 ki2・cm以上时, ~几乎为0,钢筋基 维普资讯 http://www.cqvip.com 662 建筑材料学报 第9卷 本停止锈蚀,极化测量无法进行 引.笔者通过大量试验确定了以下原则:只有当混凝土各测点R 普 遍小于15 kfi・cm时才实施,一和E 。 的检测.采用该原则可排除混凝土内钢筋钝化膜已遭受破 坏.另外,混凝土过于干燥会导致R 偏高,出现,一很小的假象.因此在实际检测时,可在向混凝土 表面喷水后0.5 h再进行检测,以获取达到测试要求的R 值,进而获得相对比较可靠的, 和 E 值. 2试验 2.1试件制备 原材料:P・O 42.5水泥,碎石5~25 mm,中砂, 10 mm圆钢. 混凝土配合比:m(水泥):m(砂):m(石):m(水):385:610:1 220:220. 试件制备:浇筑30 mmX30 mmX10 mm钢筋混凝土板,混凝土保护层厚度为25 mm.钢筋的 摆放有井形和十字交叉形两种,且均预先引出导线供检测用.试件标准养护28 d后,置于室内自然 环境中备用. 2.2模拟火灾损伤试验 (1)高温试验设备.高温试验使用DRX一36型混凝土高温试验炉(功率:36 kW;允许最高工 作温度:1 000℃).该设备采用螺旋状电加热元件作为加热源在炉内辐射加热,能耗低,加热速率 高,温度均匀性好. (2)受火温度设定.由于水泥水化产物Ca(OH) 脱水分解温度为450~500℃,而Ca(OH) 脱水分解正是混凝土中性化并进而使钢筋钝化膜破坏的直接原因,因此本试验受火温度从500℃ 起,分500,600,700,800,900。C五个温度等级. (3)恒温时间设定.试件在炉膛内升温至预定温度后,恒温保持1 h,然后随炉降温冷却. 2.3电化学检测 (1)测点布置.测点排布可根据钢筋网的排布而定.选择测点时应注意让钢筋或钢筋的交叉部 位经过GECOR钢筋锈蚀仪探头的中心,以便于计算受电化学扰动的钢筋的表面积.本试验井形配 筋混凝土试件取各边中部4个测点,十字交叉形配筋混凝土试件除在单根钢筋处取4个测点外,在 中心对角线钢筋交叉位置再取1个测点,且钢筋表面积为单根钢筋测点的2倍. (2)R ,民 和, 检测.混凝土试件充分湿润后,先检测其温度和相对湿度,然后检测电阻率. 当各测点R 普遍小于15 kfi・cm时,再检测E 和J~. (3)中性化深度检测 将自配的新鲜酚酞试剂滴在新凿开的混凝土断面上,然后测其变色深度,即为中性化深度. 3数据分析与建模 3.1数据分析 (1)钢筋损伤状况与E 的相关性 上述试验结果表明:钢筋损伤状况(混凝土中性化深度)与E一有显著的相关性.未经高温灼烧 的试件,其中性化深度为0,此时 处于非锈蚀电位区,其值为68.4~80.1 mV;经高温灼烧但中 性化深度小于或接近保护层厚度的试件,E 值负移至一269.1~--323.5 mV;当混凝土经高温灼 烧至中性化深度等于或大于保护层厚度,E~负移显著增大至一397.9~一495.6 mV.由此可见, 根据E 的变化情况,可以准确地判定火灾混凝土的中性化深度是否达到或超过了保护层厚度,即 钢筋是否遭受了损伤. (2)钢筋损伤状况与, 的相关性 上述试验结果表明:钢筋损伤状况与, 有较明显的相关性.未经高温灼烧的试件,其中性化 深度为0,此时,J oo.较小,基本接近于0;经高温灼烧但中性化深度小于或接近保护层厚度的试件, 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 杜红秀等:火灾混凝土钢筋损伤的电化学检测与评估 ,。。 有所增大;当混凝土经高温灼烧至中性化深度等于或大于保护层厚度时,,一有明显增大.有关 资料 。 表明,钢筋锈蚀前后.,~增大明显且测值稳定,因此.,一可作为火灾混凝土钢筋损伤的辅助 判定参数. 3.2判定准则 有关资料 提出了根据混凝土表面电势判定钢筋锈蚀破坏的准则,而ASTM标准(C一876— 87)[。 则给出了用自然电位法评价钢筋腐蚀的标准.综合国内外资料和本试验研究结果,笔者提出 利用钢筋锈蚀电势来评价火灾混凝土中钢筋钝化膜是否破坏,混凝土中性化深度是否大于保护层 的判定准则(见表1),具体为:当 >一200 mV时,表明钢筋部位温度<5o0℃,钢筋钝化膜未破 <一350 mV时,表明钢筋部位温度≥ 坏,即钢筋未受损,混凝土中性化深度未达保护层;当 ≤一200 mV时,需结合.,一进一步分析. 500℃,钢筋钝化膜遭破坏,即钢筋受损,混凝土中性化深度达到或超过保护层;当一350 mV≤E一 利用,。。 作为火灾混凝土钢筋损伤的辅助判定准则为:当一350 mV≤ 5J。。 则钢筋局部温度<500℃,钢筋无损. 裹1火灾混凝土钢筋损伤的电化学判定准则 Table 1 Electrochemistry criteria of reinforcing bar dal ̄llge of concrete in fire ≤一200 mV时,若 .,。。 ≥5J。。 . (钢筋正常锈蚀电势,下同),则钢筋局部温度≥500℃,钢筋局部受损;若.,~< 利用上述准则判定火灾混凝土钢筋损伤状况时,应当满足下列条件:混凝土温度为0~50℃; 混凝土相对湿度为50 ~85 ;R。<15 ki2・cm. 3.3辅助分析模型 (I)Ee。 与混凝土受火温度(f)关系的分析模型为 E o盯一一603.628 6+1.271 6£一0.001 3t。, rz=0.96 (2) (2)混凝土中性化深度(H)与E 绝对值关系的分析模型为 H一0.124 2 l E l一21.491 1, r一0.97 (3) (4) (3)混凝土中性化深度(H)与混凝土受火温度(£)关系的分析模型为 H一0.276 99e棚瑚“, :0.97 4火灾混凝土钢筋损伤评估与应用实例 4.1火灾混凝土钢筋损伤评估 4.1.1钢筋损伤情况的诊断与评估 (1)钢筋受火温度的评判.根据上述火灾混凝土钢筋损伤电化学判据进行判定.式(2)所示的 瓦 ~£分析模型可进行辅助诊断.若已知钢筋混凝土构件表面受火温度(如通过红外热像检测分 析口 得知),且受火持续时间约为1 h左右时,则利用该分析模型,可以推定出钢筋混凝土构件中 维普资讯 http://www.cqvip.com 664 建筑材料学报 第9卷 钢筋电化学参数E 的大小,再将该推定值与实测的E 相互印证;另一方面,当因某些原因没有 实测E 值时,该推定值则可代替实测E~而用于对钢筋受火温度、受损情况以及混凝土中性化深 度是否达到保护层的评判. (2)钢筋损伤情况推定.经上述评定,若诊断评估为钢筋受火温度≥500℃,则意味着钢筋的 机械性能受到了损伤.钢筋机械性能的损伤可通过构件温度场分析后,以温度场中钢筋部位遭受的 作用温度作为钢筋的受火温度代入相关方程或评估模型[1o]来推定钢筋机械性能的损伤情况. 4.1.2混凝土中性化深度的诊断与评估 根据上述火灾混凝土钢筋损伤电化学判据可判定混凝土中性化深度是否达到保护层.式(3)所 示的H~I 1分析模型可进行辅助诊断并计算混凝土中性化深度值.当因某些原因没有实测 E 值时,式(4)所示的Hut分析模型也可进行辅助诊断.若已知钢筋混凝土构件表面受火温度, 且受火持续时间约为1 h左右时,则利用该模型可以推定出混凝土中性化深度的大小.该推定值可 与E 评判结果相互验证.若该推定值与E~评判结果一致,如两者都评定为中性化深度小于或大 于混凝土保护层厚度,则混凝土中性化深度的准确值以用该模型推定的数值为准.若该推定值与 E 。 评判结果不一致,则需要再结合其他检测或分析手段如构件温度场分析进行评判.混凝土中性 化深度值大小也可采用酚酞试剂实测. 4.2应用实例 某火灾混凝土钢筋损伤的检测评估结果见表2. 表2 某火灾混凝土钢筋损伤的检测评估结果 Table 2 Results of test and evaluation of reinforcing bar damage of concIrete in fier 5 电化学三要素检测诊断技术规程 5.1检测准备 (1)混凝土表面处理.在实施检测前应对测点处混凝土进行表面处理,除去砂浆、石灰等粉刷 层,如混凝土表面有剥落层也应除去.(2)确定钢筋位置、直径及混凝土保护层厚度.钢筋位置和直 径的准确性决定所计算受电化学扰动钢筋表面积的准确性,因而决定了检测混凝土钢筋锈蚀电势 和电流密度的准确性.一般可通过查阅工程资料来确定混凝土内钢筋的位置和直径,如无法查到也 可应用磁感仪来检测.(3)测点布置(见前文).(4)连接钢筋处的修凿.为了使测量导线与混凝土中 的钢筋相接以进行钢筋电化学测量,必须凿除约10 cm 大小的混凝土以露出钢筋.用锉刀等工具 打磨钢筋表面,用鳄鱼夹将测量仪的测量导线与钢筋连接起来.(5)混凝土表面润湿(见前文). 5.2数据采集 (1)检测仪器及技术指标要求 电化学仪器通常采用便携式恒流护环仪,其技术指标要求:E 检测精度为0.1 mV;., 检测 精度为0.001 ̄A/cm。;R。检测精度为0.1 k ̄2・cm. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 杜红秀等:火灾混凝土钢筋损伤的电化学检测与评估 [[[665 [][[[[[[1 2 3 4 5 6 7 8 9]]]]]]]]“](2)连接仪器 将钢筋的导线和恒流护环仪的导线接人数字显示仪,将恒流护环仪安放在预先选定的混凝土 表面测量点上进行测量. (3)检测环境控制 混凝土温度0~50℃;混凝土相对湿度50 ~85 ;混凝土电阻率R (15 kQ。cm. (4)输入被测量钢筋的面积 输入测量点被测量钢筋的面积,测量点为十字交叉钢筋时应输入单根钢筋面积的2倍. (5)读取并记录测量数据 读取并记录E。 .,~及R。测量数据.测量数据可存人测量仪中的数据记录器,然后储存在软 盘中. 5.3数据分析与损伤评估 数据分析与损伤评估依据上述诊断评估判定准则和辅助分析模型进行. 6 结语 火灾损伤混凝土结构中钢筋钝化膜破坏而诱发钢筋锈蚀是一个电化学过程,故采用电化学方 法检测分析钢筋损伤状况有可靠的理论依据,并且切实可行. 本文建立了火灾混凝土钢筋损伤电化学判定准则和辅助分析模型.通过检测火灾混凝土的电 化学参数,利用本文判定准则和辅助分析模型,可诊断和评估钢筋遭受的温度是否大于500℃,进 而推定火灾对钢筋机械性能损伤的情况;同时,还可据此诊断和评估火灾混凝土中性化的深度是否 大于保护层厚度. 本方法作为便捷有效的火灾混凝土钢筋损伤检测诊断方法,有望在工程实践中得到广泛的应 用. 参考文献: 赵方冉,王起才,严捍东.土木工程材料[M].上海:同济大学出版社,2004. 时志洋.构筑物混凝土内部钢筋锈蚀速率监测技术研究[D].上海:同济大学材料科学与工程学院,1999. 斯捷凡诺夫B B著.混凝土及钢筋混凝土制品工艺学[M].庞特强,吕昌高译.北京:中国建筑工业出版社,1988. 杜红秀,张雄,韩继红.混凝土构筑物的火灾危害与检测评估[J].建筑材料学报,1998,1(2):175—181. 郑忠立,邱富荣.混凝土中的钢筋腐蚀及其阴极保护[J].材料保护,1991,24(6):9—15. 宋诗哲.腐蚀电化学研究方法[M].北京:化学工业出版社,1988. 曹楚南.腐蚀电化学原理[M].北京:化学工业出版社,2004. 曹楚南.腐蚀电化学[M].北京:化学工业出版社,1994. [日]近藤忠生.混凝土结构物钢筋腐蚀诊断系统[J].杨顺焕译.铁道建筑,1994,(3):33—36. 杜红秀.钢筋混凝土结构火灾损伤检测新技术及其评估理论与方法[D].上海:同济大学材料科学与工程学院,2005