基于半電池電位法的水利工程鋼筋銹蝕檢測(cè)

張 錦

鋼筋混凝土作為主要的建筑材料，廣泛應(yīng)用在水利水電、水運(yùn)等工程建設(shè)中。在運(yùn)行期間，當(dāng)混凝土中的鋼筋遭到銹蝕時(shí)，鋼筋銹蝕產(chǎn)物的體積比鋼筋大2.5～3倍，導(dǎo)致混凝土內(nèi)產(chǎn)生體積應(yīng)力，從而使混凝土產(chǎn)生裂縫、剝落，降低了結(jié)構(gòu)受力性以及耐久性，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性能。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕問題是一個(gè)迫切需要解決的問題。通過開展對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕檢測(cè)研究，一方面能對(duì)已有建筑結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)定，從而選擇正確的處理方法；另一方面可對(duì)新建項(xiàng)目進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，揭示影響結(jié)構(gòu)壽命的內(nèi)部與外部因素，從而提高工程的設(shè)計(jì)水平和施工質(zhì)量。

一、鋼筋銹蝕的主要影響因素

引起構(gòu)件鋼筋銹蝕的原因有很多，混凝土的密實(shí)度、鋼筋保護(hù)層厚度、氯離子侵蝕周圍介質(zhì)的影響等都會(huì)造成鋼筋銹蝕。

1.內(nèi)在影響因素

（1）混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。混凝土的強(qiáng)度越高，其耐久性越好，鋼筋不易發(fā)生銹蝕。

（2）混凝土的滲透性。混凝土滲透性越好，外界的腐蝕性介質(zhì)、水、氧氣等就越容易滲透到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋表面，鋼筋易產(chǎn)生電池反應(yīng)而被銹蝕。

（3）保護(hù)層厚度。保護(hù)層厚度越小，導(dǎo)致外界因素越容易進(jìn)入，從而使鋼筋發(fā)生銹蝕。

（4）水泥的水灰比。研究表明，水灰比越大，鋼筋裂縫分布越密。

2.外在影響因素

（1）氯離子侵蝕對(duì)鋼筋表面的鈍化膜造成破壞。游離態(tài)的氯離子半徑小，活性大，能穿透致密的鈍化薄膜，使鈍化膜周圍pH降低，致使鋼筋表面局部的鈍化膜破壞，為金屬鐵發(fā)生電池反應(yīng)創(chuàng)造了條件。

（2）混凝土碳化的影響。混凝土碳化是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的另一重要因素。當(dāng)空氣中的CO2和H2O從混凝土表面的裂縫中進(jìn)來時(shí)，與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，直接降低了混凝土的pH值。最終，鋼筋表面的鈍化膜被直接氧化破壞，鋼筋直接與其他物質(zhì)接觸很容易發(fā)生銹蝕。

（3）與環(huán)境濕度密切相關(guān)。空氣相對(duì)濕度在80%左右時(shí)，有利于碳化作用，混凝土中的鋼筋銹蝕變得很快。

二、鋼筋銹蝕的主要檢測(cè)方法

目前常用的檢測(cè)方法可以分為兩大類：破損檢測(cè)和無損檢測(cè)技術(shù)。

1.破損檢測(cè)技術(shù)

混凝土破損檢測(cè)是去掉混凝土保護(hù)層后露出銹蝕的鋼筋，觀察鋼筋的銹蝕情況，再測(cè)定鋼筋因銹蝕造成的橫截面積損失率和質(zhì)量損失率，破損檢測(cè)法適合于銹蝕嚴(yán)重的混凝土結(jié)構(gòu)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是直觀、準(zhǔn)確性高，缺點(diǎn)是損傷結(jié)構(gòu)、檢測(cè)范圍以及代表性有限。

2.無損檢測(cè)技術(shù)

無損檢測(cè)在檢測(cè)過程中對(duì)構(gòu)件的損傷比較小或無損傷，可以分為3大類：分析法、物理法和電化學(xué)法。

（1）分析法

分析法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的鋼筋直徑、混凝土保護(hù)層厚度、構(gòu)件縱向裂縫深度等數(shù)據(jù)，綜合考分析并作出合理的推斷，進(jìn)而得出鋼筋銹蝕的嚴(yán)重程度。

（2）物理檢測(cè)法

鋼筋銹蝕后會(huì)引起物理特性的變化，這種變化可以用物理方法進(jìn)行檢測(cè)，主要有電阻棒法、聲發(fā)射探測(cè)法、基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法等。物理檢測(cè)方法雖然操作簡便，但難以進(jìn)行定量分析。

（3）電化學(xué)法

電化學(xué)方法是通過測(cè)定鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性來確定混凝土中鋼筋銹蝕程度。電化學(xué)方法因其設(shè)備簡單、測(cè)量精度高且適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)而越來越受到歡迎，已成為鋼筋無損檢測(cè)的發(fā)展方向。目前常用的電化學(xué)檢測(cè)方法有半電池電位法、交流阻抗法、線性極化法等。

在電化學(xué)法中，最常用的方法是半電池電位法。鋼筋銹蝕是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程，此時(shí)，鋼筋表面會(huì)形成陽極區(qū)和陰極區(qū)。兩者之間存在電位差，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生電流導(dǎo)致鋼筋銹蝕。鋼筋和混凝土之間的電化學(xué)活性可以看作是半個(gè)弱電池組，鋼筋的作用是一個(gè)電極，混凝土是電解質(zhì)。半電池電位法就是利用“Cu+CuSO4飽和溶液”形成的半電池與“鋼筋+混凝土”形成的半電池組成一個(gè)全電池系統(tǒng)。鑒于半電池電位法檢測(cè)的可靠性，本文所采用的檢測(cè)方法為半電池電位法。

表1給出了鋼筋銹蝕狀況檢測(cè)方法的比較。

三、工程實(shí)例

某渡槽因建設(shè)年代久遠(yuǎn)，渡槽內(nèi)部槽身底板因沖蝕，裸露鋼筋較多；槽體上部欄桿，部分?jǐn)嗔鸦蛉笔В豢紤]到該渡槽在灌區(qū)灌溉引水中的重要作用，一旦出現(xiàn)問題，將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此對(duì)該渡槽鋼筋銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，判斷其是否能正常工作。

表1 鋼筋銹蝕狀況檢測(cè)方法的比較表

根據(jù)要檢測(cè)部位布設(shè)測(cè)區(qū)，在混凝土面板上，縱橫向以100mm為間距畫出4×7的網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)；采用19L飲用水與95mL家用液體清潔劑充分混合構(gòu)成的液體充分潤濕鋼筋銹蝕測(cè)定儀測(cè)試端海綿和混凝土結(jié)構(gòu)表面，鑿除鋼筋保護(hù)層部分的混凝土，使鋼筋外露，打磨鋼筋表面，除去銹斑或鈍化層。將鋼筋銹蝕測(cè)定儀的濕潤海綿端與混凝土表面接觸，另一端與鋼筋相連，用鋼筋銹蝕測(cè)定儀讀取每條測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)的電位值，讀數(shù)保持穩(wěn)定后，記錄保存電位值。

部分檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 檢測(cè)數(shù)據(jù)及鋼筋銹蝕狀況的判斷表

從檢測(cè)結(jié)果數(shù)值來看，電位值在-200～-350間所占概率最大，在68%～96%之間，判斷鋼筋發(fā)生銹蝕的概率大于50%。

四、結(jié)論

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題愈來愈受到國內(nèi)外的重視，鋼筋銹蝕則是影響耐久性的主要因素之一。本文通過總結(jié)混凝土中鋼筋銹蝕的影響因素，分析了鋼筋銹蝕的各種檢測(cè)方法，并以半電池電位法為主要方法，對(duì)某渡槽結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)例證明了該方法在水利工程鋼筋銹蝕檢測(cè)中的有效性