陳 敏 謝 文 徐海濤
(中國(guó)建筑材料檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司,北京 1000 24)
源于18世紀(jì)末的混凝土,以及后來(lái)發(fā)展改進(jìn)的鋼筋混凝土,在土木工程領(lǐng)域中成為使用量最大的結(jié)構(gòu)材料,它幾乎應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、道路橋梁、水利碼頭等各個(gè)領(lǐng)域。然而,我們?cè)谙硎茕摻罨炷两o我們帶來(lái)的一列優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),不得不關(guān)注這種材 料在運(yùn)用中暴露的一些問(wèn)題――混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題十分復(fù)雜,尤其是多重作用綜合作用下是很復(fù)雜的。鋼筋混凝土在建造過(guò)程以及其后的使用過(guò)程中,將受到周圍環(huán)境的荷載、溫度、濕度、凍融、海水侵蝕、生物生長(zhǎng)腐爛、與結(jié)構(gòu)接觸的土壤,空氣中有害化學(xué)物質(zhì)的影響,使結(jié)構(gòu)材料的性能衰退減弱、鋼筋有效截面面積減小,逐漸降低承載力,最終使結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失?;炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外工程界的關(guān)注和重視,而鋼筋銹蝕是引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不良的重要原因,鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞,是降低結(jié)構(gòu)耐久性研究的重要原因。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕原理的深入了解,各國(guó)工程界在不斷的研究與開(kāi)發(fā)運(yùn)用于混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕測(cè)試的儀器,并在不斷的運(yùn)用與相關(guān)工程。本文著重在介紹混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的機(jī)理、鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的危害,以及對(duì)鋼筋銹蝕的進(jìn)行檢測(cè)的基本原理,結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)講述國(guó)內(nèi)外有關(guān)鋼筋銹蝕檢測(cè)的主要方法。拋磚引玉,希望能有更好的檢測(cè)方法出現(xiàn),提高混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕檢測(cè)技術(shù)以及合理的預(yù)防措施,到達(dá)提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的目的,減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
在拌制混凝土過(guò)程中,水泥在水化過(guò)程中不斷發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng),生成大量的Ca(OH)2,等堿性物質(zhì),使混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋處于強(qiáng)堿性條件下(pH值在12.5~13.2),鋼筋表面形成將一層致密的氧化膜(鈍化膜),厚度大約在0.2~1μm,鈍化膜的存在阻止了外界環(huán)境與鋼筋的接觸,保護(hù)鋼筋免受外界環(huán)境的腐蝕,延緩混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕。當(dāng)鋼筋表面的氧化膜一旦遭受破壞,鋼筋就會(huì)開(kāi)始銹蝕,截面面積減小,并引起混凝土產(chǎn)生順?shù)摻罘较虻牧芽p,從而影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和耐久性。鋼筋表面鈍化膜的破壞,引起鋼筋銹蝕原因很多,主要有以下幾種:
2.1 混凝土的碳化
混凝土暴露在空氣中,混凝土的外表面與CO2充分接觸后,在潮濕的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng):Ca(OH)2+CO2+H2O→CaCO3↓+2H2O,CaCO3呈中性。隨著該反應(yīng)的進(jìn)行,混凝土內(nèi)的Ca(OH)2不斷減少,混凝土的pH值不斷減小,當(dāng)pH值小于11.8時(shí),鋼筋表面的鈍化膜開(kāi)始破壞,混凝土開(kāi)始失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用,當(dāng)pH值減小到一定的程度,并在潮濕和氧氣的共同作用下,鋼筋開(kāi)始發(fā)生電化學(xué)作用,開(kāi)始銹蝕,隨著時(shí)間的推移,鋼筋的銹蝕不斷加劇和加重。
2.2 Cl-的侵蝕
當(dāng)由于種種原因,結(jié)構(gòu)混凝土中具有充分的可溶性氯離子時(shí),鋼筋表面的鈍化層將會(huì)立即遭到破壞,導(dǎo)致鋼筋腐蝕。 在這個(gè)過(guò)程中,Cl-本身并不參與反應(yīng),在腐蝕過(guò)程也不消耗,在整個(gè)腐蝕過(guò)程的起催化劑的作 用。Cl-引起鋼筋腐蝕過(guò)程的主要反應(yīng)式如下:
圖1 鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土保護(hù)層脫落
4Fe (OH)2+ O2+ 2H2O →4Fe (OH)3↓(值得注意的是Cl-引起鋼筋腐蝕是局部的坑蝕:Cl-含量在鋼筋周圍達(dá)到某一臨界值時(shí),鋼筋的鈍化膜開(kāi)始破裂,Cl-一般首先在較小區(qū)域的鋼筋表面破壞鈍化膜,形成小陽(yáng)極,與大部分表面鈍化膜完好的鋼筋區(qū)域-即大陰極間形成腐蝕電偶, 坑蝕的深度可以達(dá)到平均銹蝕程度的10倍以上。
有關(guān)的研究和實(shí)際情況表明,埋在混凝土中的鋼筋銹蝕以后,其產(chǎn)生的體積是響應(yīng)鋼筋體積的2~4 倍,因而會(huì)向四周膨脹;當(dāng)銹蝕膨脹力達(dá)到某一數(shù)值時(shí),混凝土表面將開(kāi)裂, 而表面開(kāi)裂又會(huì)進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕,圖1為鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土保護(hù)。
2.3 應(yīng)力應(yīng)變影響
幾乎所有的鋼筋銹蝕都是發(fā)生在受力狀態(tài)下的。根據(jù)鋼筋混凝土銹脹力學(xué)及金屬力學(xué)化學(xué)原理分析計(jì)算認(rèn)為在混凝土完好的條件下應(yīng)力因素對(duì)鋼筋銹蝕速度無(wú)顯著影響[5]。若在應(yīng)力狀態(tài)下鋼筋表面有微小裂紋,會(huì)加速鋼筋的銹蝕和破壞。
鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土構(gòu)件、結(jié)構(gòu)承載力、穩(wěn)定性能劣化, 其主要影響因素可歸納如下:
3.1 鋼筋銹蝕不僅使其截面積減小,而且會(huì)使鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度有不同程度的降低,同時(shí)鋼筋與混凝土粘結(jié)力下降,從而降低了結(jié)構(gòu)的承載能力,這是導(dǎo)致構(gòu)件承載力降低的原因之一。
3.2 鋼筋銹蝕會(huì)使混凝土出現(xiàn)順筋脹裂裂縫,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層的剝落,造成混凝土構(gòu)件有效截面積的減小, 從而降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度,增大構(gòu)件的變形量,影響結(jié)構(gòu)的正常使用。
3.3 鋼筋銹蝕會(huì)使鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度降低,在承載力 計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮粘結(jié)力的影響。粘結(jié)力喪失后,可能會(huì)使受拉鋼筋不能充分發(fā)揮作用,使受壓鋼筋失穩(wěn),不能充分發(fā)揮鋼筋的抗壓承載力;對(duì)于受拉構(gòu)件,鋼筋與混凝土不能充分錨固,鋼筋與混凝土分開(kāi)工作,降低構(gòu)件的承載力。
3.4 提到的鋼筋銹蝕多指受力鋼筋,對(duì)于梁柱類構(gòu)件,箍筋首先銹蝕,尤其是縱筋與箍筋相交處的箍筋銹蝕更為嚴(yán)重,當(dāng)縱筋銹蝕截面損失率在5 %~10 %范圍內(nèi)時(shí),已有很多箍筋銹斷。箍筋銹斷極大削弱了構(gòu)件的抗剪承載力。 箍筋的銹蝕加劇了保護(hù)層的酥松剝落,使構(gòu)件截面面積減小,削弱構(gòu)件的剛度;同時(shí)銹斷的箍筋不能有效地約束混凝土,使主筋與混凝土不能協(xié)同工作,對(duì)受壓構(gòu)件的承載力和剛度有間接的影響。
3.5 鋼筋銹蝕在混凝土中產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力,使混凝土承受雙向或三向的應(yīng)力?;炷恋目估瓘?qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度,在雙向或三向的應(yīng)力作用下混凝土實(shí)際抗壓強(qiáng)度會(huì)比單向應(yīng)力作用下小。鋼筋應(yīng)力腐蝕,導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低,從而降低了構(gòu)件的承載力及延性,改變了破壞形態(tài)。
混凝土中鋼筋銹蝕的非破損檢測(cè)方法有視覺(jué)法和聲音法、分析法、物理檢測(cè)法和電化學(xué)方檢測(cè)法三大類。
4.1 視覺(jué)法和聲音法
在常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)中,鋼筋銹蝕的第一視覺(jué)特征是鋼筋表面出現(xiàn)大量的銹斑,只要檢查鋼筋表面就可以看到;有時(shí)混凝土的表面下的裂縫發(fā)展到表面,混凝土最終開(kāi)裂時(shí)可直接檢查鋼筋在早期可以用“發(fā)聲”方法估計(jì)下部裂縫引起的破壞。使用小錘敲擊表面,用聲波方面檢測(cè)順筋方向裂縫的出現(xiàn)。
4.2 分析檢測(cè)法
分析法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的混凝土強(qiáng)度、中性化深度、鋼筋直徑、保護(hù)層厚度、縱向裂縫寬度、有害離子的侵入深度及其含量等數(shù)據(jù),綜合考慮構(gòu)件所處的環(huán)境情況推斷鋼筋銹蝕程度;分析法的應(yīng)用有賴于建立合理可靠的鋼筋銹蝕實(shí)用預(yù)測(cè)模型。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究、工程調(diào)查和理論分析,建立了各種不同環(huán)境條件下鋼筋銹蝕的數(shù)學(xué)模型,如現(xiàn)有的“鋼筋截面損失率的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式”、“海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋銹蝕的理論數(shù)學(xué)模型”等;但到目前為止,還沒(méi)有既有充分理論依據(jù)、又全面考慮各種影響因素的實(shí)用數(shù)學(xué)模型,在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中,分析法并不是很實(shí)用。分析法用于混凝土中鋼筋銹蝕評(píng)估尚有不少工作要做。
4.3 物理檢測(cè)法
用于混凝土中鋼筋銹蝕檢測(cè)的物理方法主要通過(guò)測(cè)定鋼筋銹蝕引起電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲波傳播等物理特性的變化來(lái)反映鋼筋銹蝕情況;
電阻棒法是通過(guò)測(cè)量銹蝕鋼筋電阻值的變化,利用導(dǎo)電原理間接推算鋼筋的剩余面積。渦流探測(cè)法通過(guò)測(cè)定勵(lì)磁電流與發(fā)生在鋼筋內(nèi)的次生波的相位關(guān)系來(lái)判斷鋼筋銹蝕狀況。射線法拍攝混凝土中鋼筋的X射線或γ射線照片,直接觀察鋼筋的銹蝕情況。紅外熱像法通過(guò)測(cè)量混凝土表面的溫度分布圖分析鋼筋銹蝕位置和程度。聲發(fā)射探測(cè)法利用傳感器接收鋼筋銹蝕引起周圍混凝土開(kāi)裂釋放的彈性應(yīng)力波,確定鋼筋發(fā)生銹蝕膨脹的確切位置。物理方法主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段,沒(méi)有形成可靠的檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)儀器,在實(shí)際運(yùn)用中還存在許多的不足。
4.4 電化學(xué)檢測(cè)法
電化學(xué)方法通過(guò)測(cè)定鋼筋、混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性來(lái)確定混凝土中鋼筋銹蝕程度和速度。混凝土中鋼筋銹蝕的電化學(xué)檢測(cè)方法主要有自然電位法、交流阻抗譜技術(shù)和極化測(cè)量技術(shù)等。目前,國(guó)內(nèi)外常用的方法是半電池電位法。
鋼筋在混凝土中銹蝕是一種電化學(xué)過(guò)程。此時(shí),在鋼筋表面形成陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)。在這些具有不同電位的區(qū)域之間,混凝土的內(nèi)部將產(chǎn)生電流。鋼筋和混凝土的電學(xué)活性可以看作是半個(gè)弱電池組,鋼的作用是一個(gè)電極,而混凝土是電解質(zhì),這就是半電池電位檢測(cè)法的名稱來(lái)由。半電池電位法是利用“Cu+CuSO4飽和溶液”形成的半電池與“鋼筋+混凝土”形成為半電池構(gòu)成一個(gè)全電池系統(tǒng)。由于“Cu+CuSO4飽和溶液”的電位值相對(duì)恒定,而混凝土中鋼筋因銹蝕產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)將引起全電池的變化。因此,電位值可以評(píng)估鋼筋銹蝕狀態(tài)。
圖2 半電池電位法檢測(cè)原理圖
圖3 半電池電位法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)鋼筋銹蝕
半電池電位法設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、操作方便,還有測(cè)試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)均可采用。圖2a為對(duì)鋼筋混凝土試樣進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室裝置示意圖:半電池電位法法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)根據(jù)實(shí)際情況可采用單電極法或雙電極電位梯度法,前者適用于鋼筋端頭外露的構(gòu)件,后者適用于鋼筋不外露的構(gòu)件,參見(jiàn)圖2b和圖2c。
半電池電位法最大的缺點(diǎn)是只能定性判斷鋼筋發(fā)生銹蝕的可能性,不能應(yīng)用于定量測(cè)量。半電池電位法在檢測(cè)水工混凝土鋼筋銹蝕狀態(tài)已獲得了廣泛的應(yīng)用,但要運(yùn)用該方法很好地解決工程中的實(shí)際問(wèn)題,還必須努力提高半電池電位法檢測(cè)混凝土鋼筋銹蝕狀態(tài)的可靠性。由于半電池電位法具有一定的局限性,半電池電位法只是一種定性測(cè)試混凝土中鋼筋銹蝕概率的無(wú)損檢測(cè)方法,測(cè)量結(jié)果和使用環(huán)境條件關(guān)系很大。實(shí)際應(yīng)用中需要通過(guò)結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果的電位分布和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)照,才可以判斷結(jié)構(gòu)銹蝕性和非銹蝕區(qū)。
自上世紀(jì)50年代末以來(lái)半電池電位法就廣泛應(yīng)用于鋼筋銹蝕。各個(gè)國(guó)家都有自己的檢測(cè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),其中就有美、日、德、英、中國(guó)等國(guó)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同,詳見(jiàn)表1。
表1 各國(guó)自然電位法檢測(cè)鋼筋銹蝕判別標(biāo)準(zhǔn)狀況
電化學(xué)檢測(cè)法中除上面提到的幾種方法外,還有恒電量法、混凝土電阻法、電化噪聲法、諧波法等也在發(fā)展中,但尚未用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中。
在進(jìn)行鋼筋銹蝕檢測(cè)時(shí),主要依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50344-2004)和《混凝土中鋼筋檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T152-2008),圖4是混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕檢查流程圖。
鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性和結(jié)構(gòu)承載力的危害甚大,每年給國(guó)家?guī)?lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失,通過(guò)本文的論述,為減少鋼筋銹蝕帶來(lái)的損失,應(yīng)注意到幾點(diǎn):(1)對(duì)于新建項(xiàng)目,應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、選材等方面綜合考慮,以防為主,盡量降低混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕。對(duì)既有建筑采用合理可靠的鋼筋銹蝕預(yù)測(cè)模型診斷其銹蝕程度,再進(jìn)行修繕加固;(2)加快混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的預(yù)防與整治技術(shù); (3)國(guó)內(nèi)外學(xué)者加快鋼筋銹蝕現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究,研制能準(zhǔn)確檢測(cè)混凝土中鋼筋相關(guān)指標(biāo)的儀器。
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