文献精读
Constr. Build. Mater. :现有钢筋混凝土结构腐蚀检测与防护研究进展
背景介绍
钢筋混凝土是如今使用最广泛的基础设施建筑材料。然而，混凝土内部钢筋易受碳化或氯化物侵蚀，引起腐蚀，从而降低钢筋的力学性能，缩短钢筋混凝土结构服役寿命。为了评估腐蚀结构的剩余性能，在过去几十年中进行了广泛的研究，提出了腐蚀程度与各种性能指标（如腐蚀引起的裂缝宽度、粘结滑移关系、腐蚀钢筋的力学参数、腐蚀构件的承载能力等）之间的大量经验和理论关系。然而，为了将这些相关性用于结构评估，必须首先准确确定腐蚀水平，这对于在役结构来说是困难的。近年来，研究人员已开发出针对混凝土中钢筋腐蚀状况的多种检测方法，但仍需开发适用于现有结构的准确腐蚀检测方法。
研究出发点
目前，仍缺乏对钢筋混凝土腐蚀检测方法及腐蚀防护方法最新进展的全面综述。
全文速览
华中科技大学土木与水利工程学院张世顺课题组综述了基于与钢筋腐蚀过程相关的电化学和物理原理的直接检测方法和基于钢筋混凝土腐蚀损伤测量的间接检测方法，并总结了现有钢筋混凝土结构的防腐方法和相关机理，讨论了可以实现加固和保护双功能方法，最后指出了这些方法可能面临的挑战。相关论文以“A review on corrosion detection and protection of existing reinforced concrete (RC) structures”为题，于2022年发表在Construction and Building Materials上。
图文解析
（1）混凝土中钢筋的腐蚀机理
健康的钢筋混凝土结构具有高碱性环境（pH≥13），钢筋在以氢氧化钙为主的孔隙中，表面可以形成一层钝化膜，保护钢筋免受腐蚀。但决定腐蚀与否，除pH值外，还有电化学电位。泡佩克斯图（也称电位-pH图）综合考虑两种影响因素，给出各种热力学稳定情况。如图1所示，在固体Fe2O3和Fe3O4稳定的范围内，钝化膜能够保持完整性和抗腐蚀性。
图 1 离子浓度Feia=10−6mol/L的Fe-H2O泡佩克斯图（25℃，101.3 kPa）
1) 氯化物引起的腐蚀
氯离子既不参与反应，也不在反应过程中被消耗，而是催化腐蚀反应并充当运输腐蚀产物的载体，通过点蚀引起腐蚀。此外，[Cl−]/[OH−]阈值被作为腐蚀开始的标准。一旦超过该阈值，钢筋表面钝化膜即开始失效，钢筋不再具有腐蚀防护的效果。
2) 碳化引起的腐蚀
碳化被定义为CO2与水泥浆体中的碱性成分（主要是氢氧钙石Ca(OH)2）发生化学反应中和孔隙液的过程。碳化过程会导致混凝土孔隙溶液的pH值降至8.5以下，在此水平下，钢筋的钝化膜不再稳定，并开始腐蚀（如图1所示）。通常，碳化会引发钢筋表面的均匀侵蚀。
（2）钢筋的腐蚀检测方法
检测方法可分为直接法和间接法。直接法监测腐蚀参数，如腐蚀电位、腐蚀速率和钢量，可根据测试原理分为电化学方法和物理方法；间接法监测与腐蚀反应机理（如氯化物浓度、混凝土孔隙溶液pH值、混凝土碳化深度、混凝土电阻率等）或腐蚀引起的损伤（主要是腐蚀引起的混凝土开裂和钢筋应变重新分布）相关的参数，从中推断钢材的腐蚀程度。本文选取有代表性和使用较为广泛的测试方法进行简单介绍。
图 2 测量钢筋腐蚀电位的：（a）两电极体系；（b）三电极体系。钢筋表面放置潮湿海绵以确保电极和混凝土之间良好的电解液接触
1) 半电池电位测量（HCP）
HCP是钢筋和参比电极之间的电位差，也称为腐蚀电位（Ecorr）和开路电位（OCP），通过测量腐蚀电位来估算腐蚀概率，通常采用图2所示的两电极或三电极体系。优点：能够快速测量；允许识别具有高腐蚀风险的主要缺陷点；缺点：没有腐蚀速率的定量信息；绝对值受混凝土条件、钢筋条件、钢表面附近的氧气可用性和环境因素的影响很大。作者建议使用电位梯度代替绝对电位，以减少误差。
2) 极化电阻测量（Rp）
该方法测量钢筋被极化时的抗氧化性，极化电阻Rp和腐蚀电流密度icorr可以通过Stern-Geary关系计算。优点：提供单位面积腐蚀电流中腐蚀速率的定量信息；腐蚀量可通过积分icorr随时间的变化来计算；缺点：使用icorr计算Rp可能会带来误差；确定极化区有一定难度；发生点蚀时不准确。
图 3 腐蚀钢筋混凝土系统的EIS曲线示例（水灰比=0.3，试验在3.5%NaCl溶液中进行）：（a）奈奎斯特图；（b）波特图。极化电阻Rp和混凝土电阻Rc可以根据高频和低频平台直接从|Z|模量（左侧）读取
（3）钢筋防腐方法
现有的钢筋混凝土结构腐蚀防护可分为被动、主动两种方法。前者包括使用涂层在内，采取措施防止或延迟腐蚀的恶化；后者旨在从根本上缓解或停止腐蚀。
1) 高性能纤维增强水泥基复合材料
高性能纤维增强水泥基复合材料（HPFRCC）是一种特殊类型的高性能混凝土（HPC），通过掺入随机分布纤维的桥接作用，高性能纤维混凝土的力学性能进一步提高，尤其是断裂韧性和裂纹宽度控制。工程水泥基复合材料（ECC），也称为应变硬化水泥基复合材料（SHCC）或超高韧性水泥基复合材料（UHTCC），是一种特殊类型的HPFRCC，通过添加体积分数为1.5–2%的聚合物纤维，极大延迟开裂ECC中的氯离子渗透。
2) 防腐涂层
混凝土表面涂层能够减少侵蚀性物质（如二氧化碳、氯离子、氧气、水）的渗透，降低混凝土的导电性和腐蚀速率。有机涂层可以在混凝土表面形成连续的膜，抵抗侵蚀性物质进入混凝土内部，然而，在高碱性环境和侵蚀性环境的不断作用下，其保护作用会逐渐发生退化。近年来，无机涂层因其更好的耐久性而逐渐得到广泛应用。
3) 阴极保护
外加电流阴极保护（ICCP）是唯一被证明能阻止含氯混凝土腐蚀的修复技术，其工作机理如图4所示，在外部电场下，钢筋负极化进入免疫区；同时，氯离子从钢筋迁移至混凝土外部或嵌入混凝土中的阳极。此外，由于氧还原反应，钢筋周围的氧被消耗，羟基在钢表面生成并积累。
图 4 混凝土中钢筋的外加电流阴极保护（ICCP）示意图
4) 电化学氯离子萃取
对于氯离子污染的钢筋混凝土结构，电化学氯离子萃取（ECE）技术是去除混凝土中有害氯离子的有效方法。与ICCP相似的是，通过施加强电场，氯离子向外阳极移动，同时在阴极表面（钢筋）产生氢氧化物离子，以提高pH值。不同之处是，ECE更适宜在除冰、使用污染水、混凝土搅拌期间骨料和有意添加氯基外加剂等场景下使用；而ICCP适用于在海洋环境中使用多年的结构物（如海上的干湿循环和海底结构物的浸没暴露）。
总结
钢筋在混凝土中的腐蚀是一个复杂的过程，目前，研究人员已开发多种腐蚀检测技术和保护方法，本文综述了近年来研究中常用和先进的方法。
对于检测方法，除目视检查外，电化学方法由于具有非破坏性的优点，仍然是该领域使用的主要检测方法。半电池电位操作简单，通常用作初始检测工具以提供钢的腐蚀状态，以便进一步检测；线性极化电阻（LPR）和电化学阻抗谱（EIS）是测量钢瞬时腐蚀速率最常用的电化学技术，能够提供腐蚀程度的信息，但由于对阳极面积测定不准确，可能导致低估局部点蚀速率。相反，物理方法旨在根据总质量损失或详细的腐蚀几何形状获得测量时刻的累积腐蚀程度。EM传感器和ER探头适合现场长期监测，但其灵敏度需要进一步提高；虽然通过先进的工具3D扫描和X射线μCT可以获得准确的腐蚀几何形状，但目前仅限于在实验室中使用。
为了缓解或延迟受腐蚀影响结构中的腐蚀反应，可以选择的腐蚀保护方法包括HPFRCC覆盖层、防腐涂层、缓蚀剂、阴极保护和电化学氯离子萃取（ECE）。由于HPFRCC覆盖层具有良好的力学性能和耐久性，故通常用于加固和保护，但关于HPFRCC覆盖层和旧混凝土之间可能的电耦合效应仍需研究。碳纤维布可用于加固，其力学行为和导电性使其能够作为外加电流阴极保护（ICCP）和ECE中的阳极，但碳纤维布/混凝土界面在阴极极化和腐蚀环境下的粘结退化可能会影响加固/保护系统的长期性能。
本期编者简介
翻译：
李雪琪 硕士生 深圳大学
审核：
何 闯 博士后 深圳大学
排版：
颜文韬 硕士生 深圳大学
本期学术指导
何 闯 博士后 深圳大学
龙武剑 教 授 深圳大学
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126718
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