現場無損檢測技術下海洋水工混凝土耐久性技術探析

邢志強

(盤錦市大洼區水利服務中心，遼寧 盤錦 124214)

0 引 言

現階段檢測混凝土耐久性的方法主要是利用與結構相同配合比的混凝土試件，通過實驗室成型室內完成相應的測試。然而，由于邊界效應、尺寸效應以及工程實際與室內外荷載、環境、試驗條件的差異等因素，實體結構的取芯檢測結果與室內試驗結果往往相差較大[3-4]。專項檢測實體結構的耐久性既能夠為使用壽命預測提供數據支持，還可以全面、真實地反映結構狀況，并為科學制定維修加固方案和管養措施提供依據。文章整理歸納了水工混凝土常規檢測指標和技術，并進一步對比了各項技術的優缺點極其使用范圍，重點探討了現場無損檢測設備及技術，為海洋水工混凝土耐久性監測提供技術支持。

1 水工混凝土常規檢測指標

水工混凝土耐久性檢測除了鋼筋銹蝕狀況、保護層厚度、裂縫狀況、抗壓強度等常規指標外，還有抗滲性能和氯離子等專項指標，其中常規檢測內容(如混凝土裂縫、強度等)已經可以實現現場無損檢測，現場檢測時部分專項指標以取粉微損檢測和取芯有損檢測為主，無損檢測相對較少[5]。無損檢測可以有效提高實體結構的檢測效率，最大程度地降低水工結構受檢測工作的干擾，從而防止外界腐蝕介質因有損檢測的侵入，并為揭示水工結構性能變化特征提供數據支持。

目前，混凝土耐久性常規檢測技術的優缺點及其適用范圍見表1，各項檢測技術的研究應用已比較成熟，應結合實際需求選擇合適的檢測方法。

表1 水工混凝土性能常規

2 海洋水工混凝土耐久性檢測技術

2.1 RCT法檢測氯離子含量

工程中主要選用佛爾哈德法、硝酸鹽滴定法及RCT離子電極法檢測水工混凝土氯離子含量，見表2。現場檢測一般選用RCT法，該方法對結構實體的擾動較小，其檢測原理是利用液相中的氯離子濃度與電極作用下不含任何雜質的氯離子溶液電位差成正比的關系，來現場檢測氯離子含量[6-7]。開始檢測前，為界定混凝土碳化區域需要先測量測點處的碳化深度，將特定的萃取液和刮取的未碳化區混凝土粉末相混合，提取灰粉中的氯離子測定萃取后溶液的電壓值，然后對比電位差標準曲線(純溶液中的氯離子濃度已知)，從而獲取相應的氯離子含量。RCT法具有檢測時間段、設備小巧、操作簡單等優勢，除RCT儀器外無需其他設備即可實現混凝土中氯離子含量的快速測定，并且檢測結果清晰、準確，可以滿足現場測試精度要求。測試過程中應先測定溶液電位差，故校準RCT儀器電極直接決定著電極對溶液反應的敏感度和標準電位曲線的精度，對其具有較高要求。

表2 氯離子含量檢測技術

目前，微損檢測RCT法已廣泛應用于實際工程領域，如嘉興港某碼頭利用RCT法檢測不同高度處海水干濕交替區的混凝土氯離子含量，研究揭示了隨高程變化混凝土中的氯離子分布規律[8]。

2.2 混凝土抗滲性檢測技術

工程中多選用室內試驗、實體結構取樣的有損檢測法評價混凝土抗滲性能，但缺少可供參考的現場檢測規范。總體上，可以將抗滲性能檢測技術劃分成氣體、離子以及抗水滲透法3類，見表3。由于抗水滲透法對高強混凝土的適用性差且多為室內成型試件，實際應用時受到一定的限制，一般不作為無損檢測技術。目前，氣體和離子滲透法已有諸多研究成果，在部分工程中其微損、無損檢測技術均已得到應用。

表3 抗滲性檢測技術

續表3 抗滲性檢測技術

2.2.1 離子滲透法

Permit法因具有數據自動采集、時間段、設備便攜等優點而被廣泛應用，這也是迄今唯一的能夠現場測定氯離子滲透性的方法。Permit離子遷移儀有兩個同心溶液室(相互隔離)，內、外室電極分別為陰極和陽極，陰極材質多為不銹鋼而陽極材質多為普通低碳鋼，其結構形式見圖1。

圖1 Permit離子遷移儀結構圖

測試過程中，采用夾鉗或螺栓將測試器固定在被待測區，通過內、外室間施加電壓離子能夠從內室遷移至外室，布設于外室的探頭可以每隔1-15min測定一次電導，然后利用氯離子濃度與溶液電導率之間的關系能夠計算出外室的氯離子濃度。試驗達到穩定狀態下，依據穩態電遷移理論和Nemst-Planck方程測定氯離子單位時間遷移量，并進一步確定氯離子遷移系數。該方法可以準確反映混凝土表層抗氯離子滲透性，試驗前需要將待測構件用去離子水浸泡24h，使混凝土表面達到保水狀態，檢測過程中待測區表面要保持平整，表面鉆孔并用Φ6mm螺栓將測試器固定。實際測試時該方法也存在許多不足，具體如下：①對構件內部離子的影響較小只能保證表層15mm深的測試精度，內部檢測困難；②從主觀上界定的穩態階段具有一定差異，由此測定的電導變化率和氯離子遷移系數存在較大差異；③構件表面保水程度越低則達到穩態遷移的時間越長，試驗時間也就越長。

2.2.2 抗水滲透法

抗水滲透性能主要包括滲水高度法和抗滲標號法等方法，實際工程中大多選用抗滲標號法，該方法采取在水工結構上鉆芯取多組試樣或實驗室成型試樣，然后室內檢測，故不適用于高強混凝土，結構易受到較大擾動，在一定程度上限制了其應用范圍[9]。

2.2.3 氣體滲透系數法

因具有計算結果精準度高、試驗操作簡單等優勢，氣壓差值法是諸多氣體滲透性能測試方法中被國內外學者應用較多的方法，如法國研發的氣體滲透系數檢測技術已成功應用于實體混凝土結構檢測，在混凝土橋梁結構和核電站燃料水池混凝土層中也有應用。該技術使用前需在構件內鉆孔埋設或預埋探針，探針可重復、長期使用且對構件性能無影響。檢測過程中將惰性氣體注入探頭內，經特殊的多孔探針將氣體滲透至構件內部；壓力達到穩定后，將進氣閥關閉，構件內的氣體不斷擴散，氣壓逐漸下降，選取與明顯小于進氣壓的氣壓降測量該氣壓降達成時間；然后利用達西法則即可確定氣體滲透系數，從而實現氣體滲透性能無損、長期且現場檢測[10-11]。

混凝土自身的水飽和度對氣體滲透系數具有較大影響，但其自身的水飽和度很難在工程現場精準測出。所以，在現場檢測前需要在實驗室標定混凝土不同水飽和度的氣體滲透系數，由此以來現場檢測結果既可以獲取其水飽和度，還能夠精準測定氣體滲透系數，這些數據對預測結構使用壽命，揭示混凝土性能劣化規律等具有重要意義[12-13]。

采用氣壓差值法形成的氣體滲透系數檢測技術相對于其它混凝土滲透性測量方法具有諸多優點，如現場無損檢測、結構受擾動程度低、可操作性強、檢測流程簡單、結果直觀、惰性氣體不改變混凝土組成和微觀結構。目前，對于水工結構耐久性評估與檢測，現有規范主要是通過檢測主要構件性能來評估工程結構的整體狀況。研究認為，水工結構耐久性評估與檢測可采用更為科學、全面的結構狀態分析方法，如現場檢測與模態分析相結合的方法，從而提高結構耐久性檢測能力。

3 結 語

研究及推廣應用海洋水工混凝土耐久性的現場微損或無損檢測技術，對于水利工程項目的全周期運營管理、養護和建設等具有重要意義，文章結合研究現狀提出以下幾點建議：①考慮到氣體滲透系數檢測技術尚無可供參考規范的實際情況，通過研究現有評價指標與以上指標的關系，建議在混凝土管理養護標準中納入無損檢測技術指標；②采用優化計算的方式促進在混凝土結構剩余使用壽命預測以及長期性能劣化規律研究中耐久性指標檢測結果的應用；③潮差區的混凝土構件或結構性能劣化情況非常嚴重，該條件下因無法反映結構內部狀況Permit法已不再適用，因此研究氣體滲透系數與氯離子擴散系數的相關性也是亟待解決的問題。