橋梁混凝土中鋼筋銹蝕評定方法研究

李 艷

（1.同濟大學，上海市 200092；2.上海市政工程檢測中心有限公司，上海市 201114）

0 引言

近年來,混凝土結構的耐久性問題成為了結構工程學科研究的熱點和重點,受到工程界的普遍關注和重視。鋼筋銹蝕是耐久性研究中的核心問題,在使用期間對結構進行銹蝕檢測、評估,不僅是工程建設安全的要求,也是結構壽命預測的一個重要環(huán)節(jié)。

鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結構性能的影響主要體現(xiàn)在三方面。其一，鋼筋銹蝕直接使鋼筋截面減小，從而使鋼筋的承載力下降，極限延伸率減少；其二，鋼筋銹蝕產(chǎn)生的體積比銹蝕前的體積大得多（一般可達2～3倍），體積膨脹壓力使鋼筋外圍混凝土產(chǎn)生拉應力，發(fā)生順筋開裂，使結構耐久性降低；其三，鋼筋銹蝕使鋼筋與混凝土之間的粘結力下降[1]。因此，鋼筋銹蝕對結構的承載力和適用性都造成了嚴重影響，由此帶來的維修與加固費用也是相當昂貴的。因此，檢測結構混凝土中鋼筋的銹蝕狀況是一項重要的參數(shù)。

本文對結構混凝土鋼筋銹蝕無損檢測的評定方法進行探討，針對綜合分析法帶有一定的主觀性，且依賴一定的實際工程經(jīng)驗的缺點，提出對其進行量化的辦法，結合具體工程實際，驗證方法的可行性，為工程實際中應用提供有實用價值的參考。

1 鋼筋發(fā)生銹蝕的原理

鋼筋的銹蝕是指鋼筋接觸到周圍的氣體或液體后發(fā)生化學反應而使金屬（或合金）腐蝕損耗的過程。鋼筋腐蝕是由于在混凝土中形成了腐蝕微電池：陽極是進行氧化反應的金屬，即發(fā)生銹蝕的鋼筋部位，失去電子，陰極進行還原反應，得到電子，電解液是混凝土的孔溶液，傳輸電子，使陰極和陽極連接起來。

由腐蝕電池的電化學反應過程可以看出，鋼筋的銹蝕即腐蝕電池的發(fā)生需要三個條件：第一，腐蝕電池陽極和陰極的存在；第二，混凝土保護層被碳化到鋼筋表面，失去了對鋼筋的保護作用；第三，鋼筋表面必須有電化學反應和離子擴散所需要的水和氧氣。

混凝土的高堿性在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，有效保護鋼筋，所以在正常情況下混凝土中的鋼筋不會銹蝕。

2 鋼筋銹蝕狀況無損檢測方法

由鋼筋發(fā)生銹蝕的原理以及發(fā)生銹蝕需要的三個條件，歸納出鋼筋銹蝕的無損檢測方法主要分為三類：綜合分析法、物理檢測法、電化學檢測法[2]。

綜合分析法：根據(jù)現(xiàn)場實測的鋼筋直徑、保護層厚度、混凝土強度、有害離子的浸入深度及其含量、縱向裂縫寬度等數(shù)據(jù),綜合考慮構件所處的環(huán)境情況推斷鋼筋腐蝕程度。

物理方法：主要通過測定鋼筋引起電阻、電磁、熱傳導、聲波傳播等物理特性的變化來反映鋼筋腐蝕情況,主要方法有電阻探針法、X光照相法、渦流探測法、射線法、紅外線熱像法、聲發(fā)射探測法等。目前國內外的物理方法還停留在實驗室階段。

電化學方法：混凝土中鋼筋腐蝕是一個電化學過程,電化學測量是反映其本質過程的有力手段,與分析法或物理法相比,電化學方法還有測試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測量等優(yōu)點,因而電化學檢測方法得到了很大的重視和發(fā)展。主要方法有半電池電位法、線性極化電阻法、交流阻抗譜法、恒電流脈沖法、掃描參比電極方法等。

3 綜合分析法量化研究

目前檢測方法大都只能檢測單個方面的因素，檢測結果判定的是發(fā)生銹蝕的概率（可能性）或速率，而不能定量反映銹蝕后的有效截面積和發(fā)生銹蝕后的使用壽命。往往需要多種方法結合，綜合各種因素并配合剔鑿法驗證，分析判斷鋼筋銹蝕的狀況。因此，綜合分析法是判斷鋼筋銹蝕狀況的重要手段。

綜合分析法的優(yōu)點是快速、經(jīng)濟，而且在橋梁的定期結構檢查和特殊檢查中，包含了對結構混凝土周邊環(huán)境，混凝土質量，碳化深度，保護層厚度、強度，有害離子的含量，縱向裂縫的檢查和檢測，在這些因素檢測結果的基礎之上，對鋼筋銹蝕狀況的銹蝕分析就更加方便、快速和經(jīng)濟。

綜合分析法也有它的缺點，該方法是一種定性的測量方法，對材料損失不能提供定量的評價，同時，缺乏靈敏度，還帶有一定的主觀性，依賴一定的實際工程經(jīng)驗。因此，目前常常作為銹蝕檢查方法的一種輔助手段。

基于綜合分析法顯著的優(yōu)點和缺點，本文提出一種對該方法進行定量的辦法，克服其不能提供定量評價、主觀、依賴經(jīng)驗的缺點，指導沒有豐富工程經(jīng)驗的檢測人員，應用該方法對橋梁結構混凝土中鋼筋銹蝕狀況進行分析。

3.1 確定影響銹蝕的因素

依據(jù)混凝土中鋼筋銹蝕發(fā)生的機理，結合《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）以及大量工程實踐，綜合眾多影響鋼筋銹蝕的因素，從其中篩選出影響最大且最常見的七種因素，它們分別是：周邊環(huán)境、混凝土質量、碳化深度、保護層厚度、強度、有害離子的含量、縱向裂縫[3]。

3.2 計算各影響因素的權值

采用模糊一致矩陣法確定出綜合分析法的各種影響因素的權重Wi，進而得出評定鋼筋銹蝕的方法[4，5]。

模糊判斷矩陣B表示針對上一層某元素，本層次與之有關元素之間相對重要性的比較，構造時采用“0-1”標度法。模糊判斷矩陣中隱含了各因素指標的權值，B中元素bij與權值Wi和Wj的關系為：

權值Wi的計算公式為：

根據(jù)上述模糊判斷矩陣理論和公式，依據(jù)大量工程實際經(jīng)驗和向專家咨詢，判斷每個因素對鋼筋銹蝕的重要程度，計算得出表1中所列的判斷矩陣及權值Wi的計算結果。

表1 模糊一致判斷矩陣

3.3 銹蝕評價方法

首先按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）對橋梁混凝土進行現(xiàn)場檢測，根據(jù)檢測結果按表2確定每個銹蝕因素的Ei值，再結合模糊判斷矩陣計算得出的Wi按照表3的公式計算出橋梁結構混凝土鋼筋銹蝕評定標度E，最后由E和Ei值按表4確定鋼筋銹蝕等級。

表2 各影響因素的評定標度劃分[6]

表3 橋梁結構混凝土鋼筋銹蝕評定標度[6]

表4 鋼筋銹蝕狀況評定

4 工程應用

工程一：多跨簡支梁橋，橋梁全長481.62 m，橋面寬33.9 m，其跨徑組合為22.90 m+22.96 m×3+23.09 m+30.00 m+41.00 m+39.00 m+43.00 m+30.00 m+23.09 m+22.96 m×6+22.90 m=481.62 m。該橋上部結構采用兩種形式，跨徑30.00 m及以上的橋跨采用預應力混凝土T梁，共5跨，混凝土標號為50號，其它均為預應力混凝土空心板梁，混凝土標號為40號。

預應力混凝土T梁馬蹄底面混凝土出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫沿預應力筋走向，且裂縫長期滲水，有鐘乳石狀白色析出物，現(xiàn)場照片見圖1。

圖1 工程一現(xiàn)場照片

工程二：沿海地區(qū)一座三跨簡支梁橋，橋長36m，橋面寬24.00 m，其跨徑組合為10 m+16 m+10 m=36 m。該橋的一側橋臺的臺帽出現(xiàn)多條豎向裂縫，縫寬超限，現(xiàn)場照片見圖2。

圖2 工程二現(xiàn)場照片

為了解混凝土中鋼筋的銹蝕情況，對兩個工程進行現(xiàn)場檢測。根據(jù)檢測結果，按照表1計算方法得到鋼筋銹蝕評價結果，見表5。

表5 鋼筋銹蝕評價結果

根據(jù)表4的結果，工程一鋼筋銹蝕評定標度E在[1.00,2.00]且所有影響因素的評定標度Ei均小于5，鋼筋銹蝕評定等級為1，鋼筋不會銹蝕。工程一鋼筋銹蝕評定標度E在（3.00,5.00]且有一項影響因素的評定標度Ei為5，鋼筋銹蝕評定等級為3，鋼筋有銹蝕的可能性很大。

為驗證評價結果，鑿除鋼筋處混凝土保護層。工程一現(xiàn)場照片見圖3，鋼絞線和縱向主筋均未見銹蝕。工程二現(xiàn)場照片見圖4，臺帽處豎向構造筋銹蝕明顯。可見采用本文提出的量化綜合分析法的評價結果與工程實際相符。

5 結語

本方法結合現(xiàn)行橋梁檢測規(guī)范，對鋼筋銹蝕無損檢測方法中的綜合分析法進行量化研究，發(fā)揚其方便快捷、經(jīng)濟的優(yōu)點，克服其不能提供定量評價、主觀、依賴經(jīng)驗的缺點，使綜合分析法更具實用價值，并指導工程經(jīng)驗不夠豐富的檢測人員，應用該方法對橋梁結構混凝土中鋼筋銹蝕狀況進行分析評定。

圖3 工程一鑿除混凝土保護層后現(xiàn)場照片

圖4 工程二鑿除混凝土保護層后現(xiàn)場照片

[1]藺洪臣，李麗莎.淺談水工混凝土中鋼筋銹蝕檢測技術[J].科技創(chuàng)新導報，2008（11）：40-43.

[2]張偉平，張譽，劉亞芹.混凝土中鋼筋銹蝕的電化學檢測方法[J].工業(yè)建筑，1998,28（12）：21-32.

[3]李斌，袁群，常向前.鋼筋混凝土結構中鋼筋銹蝕的檢測與評估[J].人民黃河，2005（2）：34-35.

[4]董傳洲.混凝土橋梁耐久性模糊綜合評價[D].武漢：武漢理工大學，2004.

[5]楊光強.基于模糊理論的橋梁耐久性評估研究[D].成都：西南交通大學，2005.

[6]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].