水工混凝土結構腐蝕檢測評價方法分析

高 飛

(撫順市大興水利工程有限公司，遼寧 撫順 113006)

1 水工結構腐蝕檢測程序

檢測評估水工結構腐蝕狀態的基本程序如下：首先，管理單位應結合結構腐蝕現狀提出腐蝕檢測與評估立項申請；其次，立項獲批后要委托檢測與評估單位，實地調研水工結構的損傷程度、賦值現狀和現場工作條件等，并利用科學的檢測方法和經率定的試驗儀器檢測結構狀態，經評估提出維修加固建議；最后，通過召開維修加固設計方案評審會或專家鑒定會等形式，管理單位從經濟合理性、技術可行性的角度論證檢測評估單位的維修加固方案。

值得一提的是，結構設計與腐蝕檢測評估有所不同，前者可以自由選擇材料、確定形式、調整斷面，對設計參數取值按現行有效規范確定；然而，腐蝕檢測評估有關參數必須經現場檢測和調查才能獲取，并以此判斷滿足現行規范的程度或是否符合現行規范要求。因此，腐蝕檢測必須以現場檢測和現狀調查為基礎。

腐蝕檢測的目的是為鑒定與評價水工結構性能提供有效、可靠、詳實的檢測結果。所以，檢測單位要具備相應的設備、資質和人員，健全的計量認證體系和質量管理體系，保證企業資質與承擔的任務相匹配。檢測人員必須持有專業資質證書，每項檢測工作至少有兩名人員，水下潛水檢測的作業人員還要有年度身體健康體檢證明和潛水員資格證書，嚴格執行潛水條例有關規定開展潛水作業，并主動接受水上監督和專業指導。

2 腐蝕監測評價分析

2.1 檢測評估依據

在工程實踐和結構設計中混凝土結構耐久性設計理念不斷發展，如日本、歐洲、RILEM、歐盟出版發布的《混凝土結構耐久性設計建議》、《CEB耐久混凝土結構設計指南》、《混凝土結構的耐久性設計》和《混凝土結構耐久性設計指南》。通過對國外研究成果的總結分析，我國交通部、中國土木工程學會、中國工程建設標準化協會等頒布了《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》、《混凝土結構耐久性評定標準》等，適用于一般房屋、構筑物、橋梁等既有結構以及氯鹽侵蝕、碳化引起的凍融損傷和鋼筋銹蝕等結構耐久性評定；不適于特殊和輕骨料混凝土、火災、疲勞荷載、化學腐蝕，以及因荷載變化、施工、設計等損傷引起的結構安全性評定。

為確保工程的達到合理使用要求以及規定的設計服役年限，住建部2008年頒布了適用于常見環境作用下的隧道、城市橋梁、房屋建筑等市政基礎設施和一般構筑物的《混凝土結構耐久性設計規范》，該規范是適用于特種結構及輕骨料混凝土；主要內容有設計等級劃分、環境類別劃分、設計原則、使用年限、構造措施、原材料要求以及化學腐蝕、氯化物、凍融環境下的耐久性設計方法。

2010年國家能源局參考國外相關標準，通過對國內外成功經驗和研究成果的總結分析，結合水工混凝土特點編制頒布了《水工混凝土耐久性技術規范》，重點突出了水工混凝土相關技術措施、質量評定、施工工藝和耐久性設計等，主要包括堿骨料反應、鋼筋銹蝕、凍融、沖磨、空蝕、水侵蝕等；同年，為規范水工混凝土缺陷檢測方法、評估程序頒布了《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術規程》，對于延長水工結構使用壽命以及保障結構安全穩定運行具有積極意義，該標準突出水工建筑物特點實現了與其他相關標準的銜接。2014年水利部頒布了《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》，對于有特殊要求或特別重要的工程，其耐久性和合理使用年限要求需要做專門論證，對擴建、改建項目可參照執行。2015年水利部頒布了適用于在建項目的《水工混凝土結構缺陷檢測技術規程》，主要內容有水下滲漏與缺陷檢測、鋼筋銹蝕及分布檢測、結構厚度與強度檢測、裂縫深度及內部缺陷檢測、混凝土外觀缺陷調查等；同時，規范了檢測技術要求和缺陷檢測方法，提高了檢測結果的可比性和可靠性。

對于改善混凝土結構耐久性以上標準都發揮著積極的促進作用，也為延長結構服役壽命和耐久性設計明確了方向。然而，水工混凝土結構與普通鋼筋混凝土結構的運行環境、條件具有明顯差異，廣泛應用發電洞混凝土結構、新型特種混凝土和大體積水工混凝土等。因此，應以現場水工混凝土結構相關標準作為腐蝕監測與評估的主要依據，并結合其他建設行業標準突出水工結構應力、腐蝕環境等因素。因此，腐蝕檢測與評估既要借鑒相關技術規程，同時又要考慮不同建筑物類型等因素選擇相應的標準。例如，水庫大壩工程以《水庫大壩安全評價導則》或《水電站大壩運行安全評價導則》為依據，水閘工程、泵站工程、船閘工程分別以《水閘安全評價導則》、《泵站安全鑒定規程》和《港口水工建筑物監測與技術評估規范》為依據，水工啟閉機和鋼閘門安全以《水工啟閉機和鋼閘門安全監測技術規程》為檢測依據。

2.2 主要檢測內容

一般地，水工結構腐蝕檢測按照《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術規程》可以分為現場安全檢測和一般檢查兩種，其中現場安全檢測項目有結構變形與位移、鋼筋銹蝕程度與保護層厚度、混凝土內部缺陷和裂縫性狀、抗滲性、侵蝕性、凍融情況、碳化程度、混凝土強度等；一般檢測包括資料調查、損傷情況、伸縮縫狀況、外觀缺陷、滲漏狀態、裂縫分布等，水下檢測還包括沉積物和附著物埋深狀態、建筑物外觀的整體性等，必要時還要對結構與基礎變形情況、腐蝕變化過程等進行調查[1]。

2.2.1 一般檢查

水工混凝土結構外觀缺陷是指對混凝土結構使用功能和外觀質量可能造成影響的裂縫、麻面、蜂窩、露筋、脫落、孔洞等外在形式的不完整或缺陷[2-3]。通常采用普查的方式調查外觀缺陷，結合錄像記錄、照片、目測、描述、簡單兩側和資料調查等方法。

調查內容主要包括：①外觀缺陷，如疏松區、孔洞、麻面、蜂窩、裂縫、露石、露筋等②裂縫情況，如寬度、數量、長度、走向、部位等，并掌握裂縫變化趨勢；③損傷狀態，如沖蝕、剝蝕、壓碎、脫落、凍融等情況，特別是鋼筋銹蝕引起的露筋、起鼓、銹跡、剝落、裂縫等的位置、數量、面積、長度和寬度等；④滲漏狀態，如面、線、點的滲漏情況；⑤伸縮縫的變形情況和工作狀態，結構整體和基礎的變形、位移情況、形態尺寸等。通過調查外觀缺陷，并結合缺陷分布情況繪制孔洞、麻面、蜂窩等分布圖。

2.2.2 現狀調查

總體上，腐蝕現狀調查包括的內容如下：首先，要對現場實際情況進行查看，全面調查結構現狀并掌握工程周邊環境、場地特征情況，對工程驗收記錄和施工中的各項原始記錄進行檢查，初步把握和了解工程施工的初始狀況；其次，對施工圖紙和資料做進一步的查閱，符合實際地基情況與地質勘察報告的相符程度，對設計方案和結構布置合理性、構造措施的適用性、設計計算的準確性進行檢查；最后，調查結構使用情況，如水流是否存在不穩定的因素、使用環境是否變化、結構構建是否受到人為傷害、使用過程中有無超載現象等。

盡量保證收集的技術資料完整、真實，以更好地滿足腐蝕檢測需求。根據原有檢查觀測成果開展現狀檢查分析，對水工結構隱蔽、薄弱部位要特別注意進行仔細的檢查，檢查過程中發現缺陷和問題時要初步分析其成因，并明確可能會造成的不利影響[4]。

技術資料收集主要包括技術管理、施工設計等資料的收集，其中設計資料包括工程設計圖紙和施工文件、初步設計資料、可行性研究報告、水工模型試驗和工程地質勘測等數據。施工資料包括澆筑及養護情況(如施工、養護、澆筑、運輸和攪拌環境條件等)、施工和設計配合比、混凝土原材料等；混凝土試驗資料包括變形性能、彈性模量、抗拉強度、絕熱溫升、抗壓強度、含氣量、塌落度、極限啦甚至等；施工技術總結資料包括模板使用情況(如拆模時間、模板安裝與制作、種類)、基礎情況(如基礎及斷層處理、變形模量、巖性、巖種類等)；工程質量監督檢測包括施工監理資料、驗收交接文件、竣工圖、施工期觀測資料、觀測設施考證資料、第三方抽查檢測資料、監理旁站檢測資料、施工單位自檢記錄等與工程質量相關的技術資料。

技術管理資料包括歷次安全鑒定報告、歷年定期檢查、控制運行技術文件、運行管理規章制度、特別檢查資料、運行記錄資料等；觀測資料成果有水位、溫度、應力、滲流、變形等水工結構資料，工程重大事故處理和大修技術措施等資料。

工程資料比較和分析包括地基實際情況與地質勘測報告相符程度復核、設計方案與結構布置是否合理檢查、運行與設計荷載比較，分析水工結構運行維護是否達到設計要求、構造措施是否得當、設計參數取值是否合理、計算參數是否正確。

2.2.3 現場檢測

1)抗壓強度檢測。一般地，可采用鉆芯法、超聲法、回彈法或綜合法等抗壓強度檢測方法，優先選用無損的超聲法、回彈法和綜合法等。對于粗骨料最大粒徑、混凝土齡期或抗壓強度等超過技術規程允許的范圍，或被檢測表層代表性較差需要進行復核驗證時，可以選用鉆芯法。

2)裂縫深度檢測。混凝土裂縫深度一般選用超聲波對斜測法和平測法，其中對斜測法適用于深度超過50cm的裂縫，裂縫深度不超過50cm時比較適用平測法。此外，對斜測法只適用于可鉆孔對測或有條件兩面對測的水工結構，為了提供裂縫發展數據需要定期觀測仍在發展的裂縫。

3)內部缺陷監測。工程中通常選用彈性波CT法、沖擊回波法、探地雷達法和超聲法等非破損方法檢測混凝土內部缺陷。其中，CT技術又稱為彈性波層析成像技術，主要是利用物理力學參數與檢測對象彈性波速度之間練好的相關性，在不損傷檢測對象的條件下結合CT技術、剖面上檢測的彈性波速，以圖像的法方式反映結構的內部特征，從而達到檢測內部缺陷的目的[5]。目前，在工程、科學等諸多領域中彈性波CT技術均已得到應用，尤其是在地基處理、混凝土堤壩和構件隱患探測、工程地質勘探、加固效果評價、防滲墻質量檢測等方面應用廣泛。在反演成像彈性波CT圖像過程中，對同一試件四側的聲波測試可以實現上下、左右方向上的透視，當射線足夠密時生成的CT圖像分辨率較高。

沖擊回波法是一種無損檢測結構缺陷、厚度的方法，該方法主要是在結構內部快速傳遞使用沖擊產生的應力波，在結構的外表面和內部的縫隙反射回來[6]。因此，能夠快速檢測出砌體結構和混凝土缺陷，并測出缺陷的深度和構件的厚度。目前，已有超波沖擊回波檢測系統、帶表面波的沖擊回波系統和IES掃描式沖擊回波系統等類型。

探地雷達法實現探測目的根本途徑是利用電磁脈沖波的反射原理，天地雷達通過天線發射器將短脈沖寬平臺的電磁波由混凝土表面發送至內部，經地層的界面或內部目的體后反射至表面，接收器接受反射信號[7]。在介質中傳播時電磁波的波形、電磁強度、路徑等參數，隨著介質幾何形態和電性的變化而改變。所以，利用波形、幅度、波的雙程走時等資料可以探測埋設固體、介質構造，在雷達圖上能夠反映出內部的均質情況，如混凝土內部存在異物、松散物、孔洞等缺陷雷達圖像將出現變化異常。

4)鋼筋銹蝕、分布情況和保護層厚度檢測。可以采用電磁感應閥或雷達法檢測鋼筋數量、位置、直徑、保護層厚度等項目，比較常見的儀器有鋼筋定位儀和探地雷達。可以利用電磁感應法對待測部位是否有鋼筋的搭接和錨固進行檢測，甚至可鑿開以驗證保護層厚度或鋼筋直徑，也可利用半電池法檢測鋼筋的銹蝕程度。

5)剝蝕與凍融檢測。混凝土所處環境的年凍融循環次數、凍融速率、最低氣溫、最大洞身、混凝土的保水程度和抗凍性等因素決定了凍融破壞的發展與發展。通常利用現場檢測的方式確定凍融破壞程度，如鋼筋是否暴露銹蝕、凍融剝蝕深度和范圍等。若要進一步識別引起破壞的原因，還要進行抗滲等級、抗凍等級、動彈性模量和抗壓強度等檢測。

6)空蝕和過流面磨損檢查。在泄水孔或溢洪道等沖磨區域存在嚴重空蝕和磨損時，在高速水流作用下會加速沖蝕破壞危機結構的安全運行。一般地，易遭受空蝕和沖磨破壞的部位有消力池、護坦與基礎連接處、不同襯砌材料連接處、邊墻與底板的交界不額外、溢流堰面、低檻與閘門槽、坡降突出部位等。.

通過檢查分析實際情況，判別破壞類型和引起空蝕、磨損的主要原因，分析效能功能特征、殘積物數量和分布范圍，判斷基巖與水工結構連接部位的破壞程度并做好描繪、記錄。泄水建筑物出現嚴重磨蝕破壞的情況下，要重新審查與評估接縫合理性、抗磨蝕性、溢流面施工與梯形不平整度、結構體型設計與布置的合理性。

7)結構變形與位移檢測。可以采用三軸定位儀、激光定位儀、激光測距儀、水準儀和全站儀等監測結構的變形和位移。一般利用水準儀檢測結構基礎的不均勻沉降，對需要確定基礎沉降發展情況時還要對混凝土結構布置測點，測點位置要能夠反映結構特點及地基變形特征，利用位移監測設施長期觀測沉降量，結合結構腐蝕評價標準合理確定觀測頻次和周期，以更好地滿足檢測評價數據需求。

2.3 腐蝕評估方法

傳統意義上的水工結構以強度設計為主，主要考慮結構在荷載作用下的適用性和安全性要求，對長期服役過程中腐蝕因素影響、環境作用劣化材料性能等考慮較少。調查顯示，我國許多水工結構都面臨著狀態差、耐久性不良等問題，特別是侵蝕性環境大大縮短了結構的服役年限[8-9]。

水工混凝土結構腐蝕評估的重點是對結構耐久性受腐蝕作用的影響評估，即水工混凝土結構規定的耐久性不得受結構構件剝蝕、裂縫等局部損傷的影響，水工混凝土合理使用年限不得受結構、構件表面被磨損或侵蝕的影響，明確被腐蝕后水工結構的剩余使用壽命。此外，建筑物的地基、構件及其總體變形不得產生滲漏、不均勻沉降或過大沉降等影響正常使用的情況，保證結構安全不受影響，以滿足水工混凝土結構達到設計規劃時預定的各項功能。

3 腐蝕評估指標及方法

根據結構的耐久性和安全性影響程度[10]，將水工混凝土結構腐蝕劃分成Ⅰ類輕微腐蝕、Ⅱ類一般腐蝕、Ⅲ類嚴重腐蝕、Ⅳ類特別嚴重腐蝕，各類腐蝕對建筑物耐久性和安全性的影響為無影響、輕微影響、一定影響、重大影響。

通常以檢測參數作為水工混凝土結構腐蝕評價的基礎，利用定性與定量相結合的方法，結合經驗性專業知識和行業標準科學評估腐蝕程度[11]。其中，檢測內容主要有保護層厚度、碳化程度、結構強度、裂縫分布、外觀缺陷、鋼筋銹蝕程度和分布情況等，輔以內部缺陷探測、密實度等，水工混凝土結構位于鹽堿和沿海地區時還要對氯離子含量進行檢測。

3.1 環境條件與使用年限評估

在建成運營、建設施工、規劃設計時，水工混凝土結構不可避免地會出現環境腐蝕、開裂、內部和外觀缺陷等因素作用，對結構的合理使用年限都將間接或直接地產生影響。水工混凝土結構腐蝕評估中各類永久水工建筑物可參照《水利合理使用年限及耐久性設計規范》執行，將水工混凝土結構所處的環境條件按照《水工混凝土設計規范》劃分成5類。

3.2 混凝土質量評估

3.2.1 外觀缺陷

混凝土外觀缺陷有空蝕、滲漏、裂縫、磨損和凍融剝蝕，可借鑒單元工程施工質量驗收、構筑物缺陷檢測和評估、設計規范等行業標準分類評價。

3.2.2 混凝土強度與碳化

混凝土強度按照所處的環境和結構受力確定，參照標準有抗沖磨防空蝕技術規范、結構設計規范，以缺陷檢測和評估技術規程為基礎合理評定混凝土抗碳化性能。

3.2.3 保護層厚度、鋼筋銹蝕

參照《水工混凝土結構設計規范》確定混凝土保護層厚度和允許偏差，結合混凝土表面開裂情況和鋼筋外露情況評估內部鋼筋銹蝕程度等級。

3.2.4 抗水、抗氯離子滲透性和抗凍性

實體混凝土抗滲等級、抗氯離子滲透性應結合水質條件、承受的水頭、滲水危害程度、水利梯度等因素，參照《水工混凝土結構設計規范》綜合評估。采用快凍試驗方法按照《水工混凝土結構設計規范》確定混凝土抗凍等級，水工結構有抗凍要求時，還要結合表面局部小氣候、結構重要性、凍融循環次數、檢修情況、水飽和程度等評定抗凍等級。

3.3 剩余使用壽命評估法

目前，有加速試驗、數學模型、隨機壽命、基于經驗和基于比較等生物使用壽命評估方法[12-13]。其中，數學模型預測法是以材料裂化模型(如耐久性綜合評價模型、氯離子侵蝕模型、混凝土碳化預測模型等)預測使用壽命的方法，該方法的提出極大地推進了剩余使用壽命的研究，但因建筑材料性能裂化和環境作用機理的不確知性、不確定性、復雜性以及缺乏足夠的數據和經驗，簡單的數學模型無法反映劣化過程中實際的作用機理和所有的因素，加之難以確定模型的參數，在建筑物的剩余使用年限及其耐久性預測時難以給出準確的結論[14-15]。因此，為提高評價標準及相關指標的可比性及權威性，應盡量以水工混凝土結構現行標準為依據，參考其它行業標準合理制定評估指標及相關指標。在腐蝕評估時直接引用現行標準會出現標準不完全合適、內容不夠全面等現象，對此應結合腐蝕評估要求重新調整或劃定指標分析，從而保證評價標準和指標的可行性[16-17]。

4 結 語

在建筑工程中對于混凝土的應用已有150年，受各種不利因素作用結構提前失效，這與結構耐久性和設計抗力不足、使用荷載不利變化等因素有關。結構合理使用年限按照水利水電工程耐久性設計規范為30-100a，而在長期運行過程中很容易出現結構腐蝕破壞甚至造成嚴重的社會、經濟影響，所以必須科學設計混凝土耐久性。文章全面分析了水工結構腐蝕檢測的相關要求和程序，并提出剩余使用壽命評估方法、腐蝕評估方法、水工結構腐蝕檢測的內容和依據，以期為科學檢測和評估水工結構腐蝕狀況提供一定借鑒。