水工混凝土鋼筋銹蝕檢測(cè)中半電池電位法的應(yīng)用

莊文新

(彰武縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 彰武 123200)

0 引 言

鋼筋銹蝕是評(píng)定水工結(jié)構(gòu)安全等級(jí)所必須考慮的問(wèn)題，也是決定結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素之一[1-2]。一直以來(lái)，因鋼筋銹蝕造成的水利工程損壞事例頻繁發(fā)生，并帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)損失及較多的工程事故。總體上，鋼筋銹蝕對(duì)水工結(jié)構(gòu)的影響體現(xiàn)在3個(gè)方面：①混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)力因鋼筋銹蝕而不斷下降；②較銹蝕之前鋼筋銹蝕后的體積明顯增大，鋼筋外圍混凝土受體積膨脹壓力作用產(chǎn)生拉應(yīng)力，順筋開(kāi)裂并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性下降；③鋼筋銹蝕導(dǎo)致截面有效面積減小，使得鋼筋承載力和極限延伸率大大減小。因此，必須高度重視結(jié)構(gòu)的適用性和承載力受鋼筋銹蝕的影響，科學(xué)研究鋼筋銹蝕檢測(cè)技術(shù)，可為科學(xué)評(píng)價(jià)水利工程安全狀態(tài)提供可靠依據(jù)。

1 半電池點(diǎn)位法

1.1 基本原理

半電池電位法是一種依據(jù)鋼筋腐蝕電位(即鋼筋上某區(qū)域的混合電位)來(lái)評(píng)判鋼筋銹蝕狀況的電化學(xué)無(wú)損檢測(cè)方法，腐蝕電位反映了金屬的抗腐蝕能力[3]。鋼筋的鈍化區(qū)和陽(yáng)極區(qū)擁有不同的腐蝕電位，鈍化狀態(tài)的鋼筋腐蝕電位偏正，而銹蝕(活化)狀態(tài)下的鋼筋腐蝕電位偏負(fù)[4-5]。檢測(cè)過(guò)程中使用“混凝土+鋼筋”半電池與“銅+硫酸銅飽和溶液”半電池構(gòu)成一個(gè)全電池系統(tǒng)，全電池系統(tǒng)中“銅+硫酸銅飽和溶液”具有相對(duì)恒定的電位值，全電池電位受鋼筋銹蝕發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)變化，故以鋼筋表面各點(diǎn)的電位作為鋼筋銹蝕狀態(tài)的評(píng)定依據(jù)。

1.2 檢測(cè)方法

半電池電位檢測(cè)前要先配置Cu+CuSO4飽和液，配置過(guò)程中以生成少量Cu+CuSO4結(jié)晶沉淀為準(zhǔn)。該方法將混凝土作為電解質(zhì)，所以必須預(yù)先濕潤(rùn)混凝土結(jié)構(gòu)表面。一般地，采用純凈水+適量清潔劑調(diào)成的混合液濕潤(rùn)水工結(jié)構(gòu)表面與鋼筋銹蝕儀測(cè)試端海綿，檢測(cè)過(guò)程中保持混凝土濕潤(rùn)，并且表面無(wú)自由水。對(duì)于電阻足夠小或難以形成閉合電路的情況，應(yīng)對(duì)任意兩鋼筋間的電阻用多用表進(jìn)行檢測(cè)，確保電阻≤1。海綿濕潤(rùn)端與測(cè)定儀另一端分別與結(jié)構(gòu)表面、鋼筋接觸，有出露鋼筋時(shí)能夠快速簡(jiǎn)便的連接，檢測(cè)時(shí)確保測(cè)區(qū)鋼筋的正常連接；否則，應(yīng)將測(cè)區(qū)附近的混凝土保護(hù)層鑿除使鋼筋外露，再連接鋼筋，以鋼筋網(wǎng)節(jié)點(diǎn)作為最佳連接處。連接時(shí)要打磨鋼筋表面的銹斑或鈍化膜，確保線路與新鋼筋面的連接[6-7]。

檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)及測(cè)線位置應(yīng)結(jié)合鋼筋實(shí)際分布合理確定，一般以鋼筋間距作為測(cè)點(diǎn)與測(cè)線間距，準(zhǔn)確讀取電位值，保持鋼筋銹蝕測(cè)定儀讀數(shù)穩(wěn)定后記錄并保存各測(cè)點(diǎn)的電位值。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

遼寧省某水庫(kù)是一座以工農(nóng)業(yè)供水為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖、發(fā)電、防洪排澇等功能的水利樞紐工程。小湯河流域面積478.85km2，干流河長(zhǎng)37.4km，河道比降4.61‰，壩址以上30.13 km，控制范圍176.77 km2，占整個(gè)流域的35.29%。水庫(kù)位置十分重要，水庫(kù)的安全運(yùn)行對(duì)本溪市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及下游沿河居民安全起著至關(guān)重要的作用。

水庫(kù)主要包括電站、泄洪輸水洞、溢洪道和混凝土面板堆石壩等組成部分，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查：

1)大壩頂高程滿足要求，壩頂混凝土出現(xiàn)多條縱向貫穿裂縫，裂縫長(zhǎng)度約20-50m，縫寬約5-10mm；下游背水坡混凝土溢流面風(fēng)化破損嚴(yán)重；下游挑流反弧段混凝土風(fēng)化破損嚴(yán)重且溢流面與壩體挑坎接觸處存在破損；下游消能設(shè)施破損嚴(yán)重，干砌石消能護(hù)底局部段存在塌方，東側(cè)存在沖刷坑。

2)輸水洞進(jìn)口攔污柵損壞，梯級(jí)臥管部分進(jìn)口被堵塞，已不能使用；輸水洞消力池破損嚴(yán)重，已不能使用；輸水洞出口退水閘門(mén)全部損壞。

3)縱梁與主梁連接處及溢洪道閘門(mén)支臂鉸座銹蝕，止水不嚴(yán)[8-11]。

為保證水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證安全評(píng)價(jià)及鑒定報(bào)告所述工程問(wèn)題，更加科學(xué)的設(shè)計(jì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程，有必要全面檢測(cè)水工建筑物運(yùn)行狀況，其中溢洪道鋼筋銹蝕檢測(cè)是水工建筑物安全評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一。

2.2 檢測(cè)儀器設(shè)備

本次選用混凝土鉆孔取樣機(jī)、KON-RBL(D+)型保護(hù)層及鋼筋位置測(cè)定儀、KON-XSY型鋼筋銹蝕儀等儀器設(shè)備，檢測(cè)關(guān)門(mén)山水庫(kù)溢洪道鋼筋混凝土鋼筋銹蝕狀況。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)流程

1)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。在溢洪道閘門(mén)支臂鉸座及縱梁與主梁連接處布置7個(gè)檢測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)布設(shè)測(cè)點(diǎn)20個(gè)。具體而言，在混凝土表面用鋼筋位置測(cè)定儀掃描，準(zhǔn)確掌握鋼筋分布情況并做好標(biāo)記，然后結(jié)合鋼筋實(shí)際分布合理選擇測(cè)點(diǎn)。

2)電位測(cè)試。將預(yù)先配置好的Cu+CuSO4飽和溶液按照一定順序連接主機(jī)與金屬電極、主機(jī)與電位電極，接通電源開(kāi)機(jī)，設(shè)置測(cè)試類(lèi)型、測(cè)區(qū)序號(hào)、環(huán)境溫度、測(cè)點(diǎn)間距等參數(shù)，在測(cè)區(qū)測(cè)點(diǎn)上和鑿開(kāi)的鋼筋上夾持連接電位電極、金屬電極，保持結(jié)構(gòu)表面與電位電極垂直，施加一定的壓力測(cè)試并保存各測(cè)點(diǎn)電位值。待各測(cè)區(qū)所有測(cè)點(diǎn)的電位測(cè)試完成后，修補(bǔ)鋼筋鑿開(kāi)處的混凝土，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并用電腦軟件完成相應(yīng)的處理分析。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1)電位數(shù)據(jù)等值線圖。溢洪道閘門(mén)支臂鉸座及縱梁與主梁連接處7個(gè)測(cè)區(qū)，電位等值線，見(jiàn)圖1。實(shí)際上，電位等值線圖就是測(cè)區(qū)內(nèi)的電位等值線，其繪制依據(jù)是測(cè)試的各測(cè)點(diǎn)電位數(shù)據(jù)。其中，數(shù)字為各測(cè)點(diǎn)的電位值(mV)，x、y軸為橫向、縱向鋼筋走向，被檢測(cè)構(gòu)件的銹蝕走向和分區(qū)可以通過(guò)電位等值線圖來(lái)描述。

圖1 電位等值線圖

2)判定標(biāo)準(zhǔn)。選擇電位測(cè)試結(jié)果的評(píng)定依據(jù)為《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，鋼筋銹蝕狀態(tài)與鋼筋電位判別標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 鋼筋銹蝕狀態(tài)與鋼筋電位判別標(biāo)準(zhǔn)

3)結(jié)果分析。從電位等值線圖可以看出，溢洪道閘門(mén)支臂鉸座及縱梁與主梁連接處7個(gè)測(cè)區(qū)電位均勻、隨機(jī)分布，整體未表現(xiàn)出規(guī)律性破壞，即沿鋼筋布置方向銹蝕概率未呈現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢(shì)。基于半電池電位法的鋼筋銹蝕檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 基于半電池電位法的鋼筋銹蝕檢測(cè)結(jié)果

續(xù)表2 基于半電池電位法的鋼筋銹蝕檢測(cè)結(jié)果

從表2可以看出，溢洪道閘門(mén)支臂鉸座及縱梁與主梁連接處7個(gè)測(cè)區(qū)電位值均超過(guò)-200mV，可以判定為銹蝕概率為5%，銹蝕活動(dòng)性不確定。考慮到測(cè)區(qū)的布設(shè)情況，整個(gè)結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕電位可以利用上述7個(gè)測(cè)區(qū)的檢測(cè)結(jié)果來(lái)衡量，鋼筋銹蝕電位平均值處于-158--85mV之間，均>-200mV的標(biāo)準(zhǔn)，這表明各測(cè)區(qū)電位檢測(cè)結(jié)果具有較好的一致性，因此可以判定為銹蝕概率5%，銹蝕活動(dòng)性不確定。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)取筋驗(yàn)證

為驗(yàn)證半電池電位法檢測(cè)結(jié)果以及更加直觀地了解鋼筋銹蝕情況，隨機(jī)選擇A-3測(cè)區(qū)、A-7測(cè)區(qū)進(jìn)行鉆孔取樣，在A-3、A-7測(cè)區(qū)各鉆取1截鋼筋并測(cè)得電位為-160mV和-30mV。結(jié)果表明：①A-3測(cè)區(qū)鋼筋未發(fā)生銹蝕，鋼筋總體完整，混凝土保護(hù)層有少量銹跡；②A-7測(cè)區(qū)沒(méi)有銹蝕，鋼筋完整，混凝土保護(hù)層較好。研究表明，現(xiàn)場(chǎng)取筋檢測(cè)結(jié)果與半電池檢測(cè)的情況基本相符。

3 結(jié) 論

半電池電位法是一種發(fā)展較為成熟的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，因具有直觀、快捷、高效等優(yōu)勢(shì)，在鋼筋銹蝕概率檢測(cè)等水利工程領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，在不破壞結(jié)構(gòu)完整性的條件下真實(shí)反映混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕狀況，為水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。雖然半電池電位法僅僅是對(duì)鋼筋銹蝕的可能性(概率)進(jìn)行判定，但該方法實(shí)現(xiàn)了鋼筋銹蝕發(fā)展走向、分布情況的預(yù)判，對(duì)水庫(kù)加固措施、防銹蝕處理和結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)等具有重要意義。