建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)侵蝕性損傷的檢測與評定

李文嶺，陶 里

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

一般建筑或構(gòu)筑物的設(shè)計使用壽命是 50 年，隨著時間的推移，大量建（構(gòu)）筑物逐漸接近設(shè)計使用年限，其中部分出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的侵蝕性破壞，結(jié)構(gòu)性能逐漸劣化，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的耐久性、可靠性不斷降低，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件出現(xiàn)安全隱患，嚴(yán)重的可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效等事故。本文結(jié)合工程實例，介紹建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)侵蝕性損傷的檢測、評定方法和結(jié)構(gòu)處理措施，為老舊建筑，特別是遭受侵蝕損傷建（構(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)檢測與可靠性評定提供借鑒。

1 造成結(jié)構(gòu)材料侵蝕性損傷的環(huán)境因素

常見結(jié)構(gòu)材料有砌筑塊材（黏土磚、石塊、各種混合材料壓制的砌塊），砌筑砂漿、混凝土、金屬（鋼、鋁合金）、木材等。正常室內(nèi)環(huán)境對結(jié)構(gòu)材料侵蝕作用很小，但某些環(huán)境因素侵蝕性明顯。

1）風(fēng)雨、干濕交替。干濕交替環(huán)境對砌塊、砂漿、鋼材、混凝土均可造成侵蝕破壞，對黏土磚尤為明顯。

2）反復(fù)凍融。反復(fù)凍融對砌體、混凝土的破壞比較明顯，可造成砌塊和混凝土開裂、脫落，強度降低。鋼材、石材抵抗反復(fù)凍融能力稍強。

3）高溫。鋼材等金屬材料比混凝土和塊材對高溫更敏感，在高溫下金屬材料強度明顯降低，塑性增加。混凝土在高溫下也容易快速失水，因水化物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而強度降低。

4）氯鹽或硫酸鹽。氯鹽或硫酸鹽對金屬材料腐蝕性極強。混凝土和鋼材在酸性環(huán)境中均易遭受侵蝕。

5）酸性或堿性物質(zhì)接觸，包括二氧化硫、高含鹽海風(fēng)、溫泉蒸汽等氣體，海水、酸雨、侵蝕性地下水等液體，除冰鹽（氯化物）、硫酸鹽（硫化物）和其它固體侵蝕性材料。

鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)材料，混凝土中堿性物質(zhì) Ca（OH）2可與空氣中的 CO2反應(yīng)，生成碳酸鈣和水，這個過程稱為混凝土的碳化［1］。碳化使混凝土堿性降低，體積收縮變形，減小了對混凝土內(nèi)堿性鋼筋的保護(hù)作用，可使鋼筋與 CO2及酸性物質(zhì)接觸，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。鐵質(zhì)材料主要是以鋼材、鋼筋兩種形式用于建（構(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)，鋼材、鋼筋在常溫下容易與環(huán)境中的氧氣、水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鐵的氧化物或氫氧化物［2］。

2 侵蝕性損傷的主要檢測內(nèi)容和方法

對于遭受侵蝕性損傷的建（構(gòu)）筑物，一般需要檢測下列項目。

1）損傷范圍。首先需要在初步檢查的基礎(chǔ)上，明確損傷的范圍，按照損傷嚴(yán)重程度劃分出不同區(qū)域，便于采用相應(yīng)的檢測手段，也便于后續(xù)采取針對性措施處理修復(fù)。

2）損傷程度和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。除不同程度損傷范圍之外，一般需要測定影響構(gòu)件或結(jié)構(gòu)功能或性能的相關(guān)參數(shù)，下面結(jié)合不同材料或類型的損傷分別說明。評定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度需要確定損傷類型、損傷部位、損傷深度等。有些損傷是材料本身的損壞，材料的基本物理屬性被破壞，比如抗拉或抗壓的強度，彈性模量，有些損傷是構(gòu)件的開裂、變形、移位。常見的裂縫損傷一般檢測開裂部位和裂縫的形態(tài)、寬度，必要的時候還要檢測裂縫深度。損傷深度影響構(gòu)件有效截面面積，是影響構(gòu)件性能的關(guān)鍵因素。

3）損傷區(qū)域和無損部位的對比檢測。為了準(zhǔn)確評定損傷的影響大小，可以對損傷區(qū)域和其它無明顯損傷的部位進(jìn)行對比檢測。比如鋼材或鋼筋的強度，分別對火損嚴(yán)重區(qū)域和無損區(qū)域取樣，做力學(xué)性能實驗，可以準(zhǔn)確地分析火損對鋼材和鋼筋材料性能的影響。

4）侵蝕因素和環(huán)境侵蝕性程度。對環(huán)境侵蝕性因素、侵蝕作用程度進(jìn)行調(diào)查，有利于對損傷的評定和后續(xù)采取適當(dāng)處理措施。不同侵蝕性環(huán)境的調(diào)查內(nèi)容應(yīng)有針對性，比如凍融損傷，可以調(diào)查低溫持續(xù)時間、反復(fù)凍融的頻次；高鹽海風(fēng)的腐蝕損傷，可以調(diào)查海風(fēng)含鹽量、海霧天數(shù)，等等。

3 侵蝕性損傷結(jié)構(gòu)的工程檢測實例

國內(nèi)某煤氣廠的直立爐、儲氣柜，建于1986年，因常年處于侵蝕性環(huán)境，結(jié)構(gòu)局部遭受明顯侵蝕破壞。

3.1 環(huán)境侵蝕性因素分析

直立爐是煤氣、焦炭等產(chǎn)品的生產(chǎn)車間，包括煉焦車間、爐間臺、爐端臺和 6 個爐體。該構(gòu)筑物主要部分為框架結(jié)構(gòu)，局部為鋼結(jié)構(gòu)。直立爐局部外觀照片如圖1 所示。儲氣柜用于煤氣存儲，為鋼結(jié)構(gòu)。儲氣柜局部外觀照片如圖2 所示。

圖 1 直立爐局部外觀

圖2 儲氣柜局部外觀

煤氣、焦炭等產(chǎn)品的生產(chǎn)原料主要是煤炭。煤炭除了含有大量的碳（C）、氧（O）、氫（H），還有硫（S）、氮（N）。煤炭含有可揮發(fā)性硫（主要為 H2S）、溶于水具腐蝕性的碳氧化物（主要為 CO2）及溶于水生成銨鹽的HCN、NH3，本身有一定腐蝕性，燃燒或生產(chǎn)焦炭的過程中可生成具腐蝕性的硫氧化物、氮氧化物和腐蝕性鹽分，所生產(chǎn)產(chǎn)品煤焦油、煤氣等也有腐蝕性［3］。除直接與煤炭等原材料接觸的結(jié)構(gòu)易腐蝕外，暴露于廠區(qū)空氣中的建筑結(jié)構(gòu)均可受弱酸性氣體侵蝕。

3.2 結(jié)構(gòu)侵蝕性損傷的外觀檢查和損傷測量

對損傷的檢測最基本的是外觀檢查，對檢查發(fā)現(xiàn)損傷嚴(yán)重的部位進(jìn)行重點檢測，必要的進(jìn)行測量、對比，定性、定量相結(jié)合，為后續(xù)處理提供技術(shù)依據(jù)。

外觀檢查發(fā)現(xiàn)，直立爐存在明顯缺陷和損傷，主要包括：①框架柱、框架梁存在主筋或箍筋銹蝕、混凝土腐蝕、脫落或開裂。部分框架柱主筋（多為柱根部角筋）或箍筋銹蝕，局部框架梁的底部主筋和箍筋以及樓板底筋銹蝕。鋼筋銹蝕后體積膨脹，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層被脹裂，加速了鋼筋的銹蝕過程。②現(xiàn)澆板和屋面預(yù)制板損傷。樓板爐體安裝孔洞開孔處現(xiàn)澆樓板混凝土長期受高溫影響強度降低，其它部位存在局部樓板開裂、滲漏。局部屋面長期滲漏，屋面堆積煤塊，在雨水作用下形成腐蝕性液體，預(yù)制屋面板混凝土腐蝕、鋼筋銹蝕。③爐體平臺板銹蝕嚴(yán)重、圍護(hù)墻體開裂且承載能力降低。爐體圍護(hù)墻在長期高溫作用下砌筑砂漿喪失強度，多處形成上下貫通的長裂縫，裂縫寬度最大超過30 mm。④外圍護(hù)墻底層局部砌筑磚風(fēng)化酥裂，局部墻體出現(xiàn)較長貫通裂縫。直立爐受損構(gòu)件的局部外觀照片如圖3～8 所示。檢測中采用多種手段，針對所發(fā)現(xiàn)的直立爐不同類型損傷分別進(jìn)行了定位、測量。

圖3 框架柱根部混凝土開裂、鋼筋銹蝕

圖4 連續(xù)梁混凝土受腐蝕大面積脫落鋼筋銹蝕

圖5 爐體基礎(chǔ)框架梁混凝土腐蝕脫落、鋼筋銹蝕

圖6 預(yù)制屋面板混凝土腐蝕

圖7 爐體平臺鋼板、樓梯踏步鋼板銹蝕嚴(yán)重

圖8 爐體圍護(hù)墻因長期高溫作用砌塊掉落

儲氣柜主要鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在不同程度銹蝕，其中儲氣柜內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件和環(huán)形圍護(hù)鋼板、穹頂鋼板銹蝕輕微，水槽壁板、斜梯的立柱和柱間斜撐在底部節(jié)點處銹蝕明顯，部分外觀照片如圖9～10 所示。

3.3 侵蝕因素和損傷程度的檢測

構(gòu)件的耐久性與環(huán)境的侵蝕性、構(gòu)件的保護(hù)能力、損傷程度有關(guān)。混凝土的耐侵蝕性比鋼筋強，需要檢測構(gòu)件鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度和混凝土碳化深度。受生產(chǎn)工藝影響，框架柱根部侵蝕明顯，為了解環(huán)境的侵蝕性及混凝土的侵蝕程度，在銹蝕普遍明顯的框架柱根部和中段分別取樣做了對比實驗，實驗混凝土中有害離子（硫酸根離子和氯離子）的含量。檢測結(jié)果分別如表1～2 所示。

圖9 儲氣柜內(nèi)部構(gòu)件鋼材表面銹蝕

圖10 儲氣柜外部斜梯局部銹蝕嚴(yán)重

表1 直立爐框架柱混凝土中硫酸根離子含量對比檢測結(jié)果

表2 直立爐框架柱混凝土中氯離子含量對比檢測結(jié)果

根據(jù)實驗結(jié)果，直立爐框架柱根部表面混凝土的 Cl-、SO42-平均含量分別為內(nèi)部平均含量的 3.24 倍、802.6 倍，所測框架柱根部處于腐蝕性環(huán)境中。其他腐蝕明顯的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)部位均可做類似對比實驗以鑒別環(huán)境是否有侵蝕性、侵蝕因素及其嚴(yán)重程度。

儲氣柜為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，鋼結(jié)構(gòu)的耐久性與鋼材的厚度、防腐涂層厚度、銹蝕程度有直接關(guān)系。本次檢測采用超生波測厚儀、磁性覆層測厚儀、游標(biāo)卡尺等儀器測量了構(gòu)件鋼材厚度、防腐涂層厚度和銹蝕深度。根據(jù)檢測結(jié)果，局部防腐涂層厚度達(dá)不到規(guī)范要求，主要構(gòu)件僅表面輕微銹蝕（最大約 0.2 mm），個別構(gòu)件最大銹蝕深度約 1.2 mm。

3.4 遭受侵蝕性損傷結(jié)構(gòu)的可靠性評定和結(jié)構(gòu)處理措施

遭受侵蝕性損傷結(jié)構(gòu)的可靠性評定內(nèi)容主要包括：損傷對承載能力、耐久性能、使用功能和人體感受的影響程度。

損傷對承載能力的影響應(yīng)當(dāng)考慮以下幾方面的因素：對截面有效受力面積和構(gòu)件物理特性的影響、對材料性能的影響、對計算模型適用性的影響（構(gòu)造措施的破壞）。直立爐結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷主要包括：混凝土構(gòu)件因環(huán)境侵蝕造成的混凝土脫落、混凝土強度降低、鋼筋保護(hù)層厚度減小或喪失、鋼筋銹蝕，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層喪失、構(gòu)件銹蝕破壞，砌體開裂和砂漿強度降低、砌塊脫落。儲氣柜的損傷主要包括防腐涂層破壞、構(gòu)件銹蝕。

根據(jù)這些損傷的性質(zhì)、影響，分別采取針對性措施考慮、處理。對于影響有效截面面積、構(gòu)件承載能力的，測量損傷程度，按照最大損傷截面計算實際承載力。比如，對儲氣柜主要受力構(gòu)件截面損傷很小，型鋼截面按照厚度減小 0.2 mm 計算。對于影響承載能力而又不便計算分析的，比如箍筋受損，采取修復(fù)措施，恢復(fù)構(gòu)件承載和構(gòu)造要求。受損嚴(yán)重的應(yīng)予更換，比如局部長期受堆煤、滲漏侵蝕的預(yù)制屋面板，銹蝕嚴(yán)重的鋼平臺、鋼樓梯。對于強度降低的材料，如混凝土強度、砌塊和砂漿強度，可按照實際強度進(jìn)行計算。直立爐大部分構(gòu)件的侵蝕破壞并不明顯，經(jīng)檢測可按照設(shè)計強度計算，但需對明顯受侵蝕影響的構(gòu)件采取修復(fù)措施。爐體的圍護(hù)砌體強度很低，砂漿強度接近喪失，因此后續(xù)如繼續(xù)使用應(yīng)重新砌筑。

對于耐久性能（使用壽命）受損的構(gòu)件，比如碳化深度過大、防腐涂層受損或破壞的構(gòu)件，一般可按照GB/T 51355－2019《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》［4］等相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，計算剩余使用壽命。在使用環(huán)境不發(fā)生顯著改變的情況下，也可通過已損傷程度與侵蝕作用因素及侵蝕時間的關(guān)系，推定剩余保護(hù)時間。所檢測的直立爐混凝土構(gòu)件表面碳化深度大多已超過鋼筋保護(hù)層厚度，除直接接觸腐蝕性物質(zhì)的部位之外，構(gòu)件內(nèi)鋼筋并未銹蝕，可采取針對性措施阻斷侵蝕、修復(fù)耐久性能，比如剔除受損材料并修復(fù)、采用表面處理防腐措施。

4 結(jié)語

本文分析了建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)侵蝕性損傷的常見類型及環(huán)境侵蝕因素，介紹了對不同材料侵蝕性損傷的主要檢測內(nèi)容和方法，以及遭受侵蝕性損傷結(jié)構(gòu)的可靠性評定，給出了某煤氣廠主要構(gòu)筑物可靠性檢測評定的工程應(yīng)用實例。針對結(jié)構(gòu)侵蝕性損傷的檢測和評定，根據(jù)理論分析和工程檢測實踐提出下述建議。

1）通過檢測確定侵蝕因素和環(huán)境侵蝕性程度是相關(guān)分析評定的基礎(chǔ)。通過取樣、化學(xué)實驗分析，可以確定混凝土等結(jié)構(gòu)材料或環(huán)境中的有害離子含量。

2）常見結(jié)構(gòu)材料對不同環(huán)境侵蝕因素的抵抗侵蝕能力有很大差異，因此應(yīng)針對所測結(jié)構(gòu)的不同材料類型，實施相應(yīng)檢測項目。

3）評定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度需要確定損傷類型、損傷部位、損傷程度，必要時劃分損傷等級區(qū)域，為后續(xù)處理提供依據(jù)。

4）遭受侵蝕性損傷結(jié)構(gòu)的可靠性評定，應(yīng)分別評定損傷對承載能力、耐久性能、使用功能和人體感受的影響程度，區(qū)別不同損傷類型，實施計算分析或結(jié)構(gòu)處理。

5）損傷對承載能力的影響應(yīng)當(dāng)考慮以下幾方面的因素：對截面有效受力面積和構(gòu)件物理特性的影響、對材料性能的影響、對計算模型適用性的影響。

6）對于影響構(gòu)件承載能力的損傷，應(yīng)測量損傷程度，宜按照最大損傷截面計算實際承載力。對于影響承載能力而又不便計算分析的，應(yīng)采取修復(fù)措施，恢復(fù)構(gòu)件承載和構(gòu)造要求，受損嚴(yán)重的應(yīng)予更換。

7）對于耐久性能（使用壽命）受損的構(gòu)件，可按照GB/T 51355－2019《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，計算剩余使用壽命。在使用環(huán)境不發(fā)生顯著改變的情況下，也可通過已損傷程度與侵蝕作用因素及侵蝕時間的關(guān)系，推定剩余保護(hù)時間，或采取措施阻斷侵蝕、修復(fù)耐久性能。