海洋環(huán)境下混凝土耐久性現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)技術(shù)

楊 迪，韓依璇，張宇峰，張 研

（1.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.長(zhǎng)大橋梁健康檢測(cè)與診斷技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112；4.江蘇省公路橋梁工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211112）

我國海岸線蜿蜒曲折且漫長(zhǎng)，處于海洋或臨海環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)量眾多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球各國因材料腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失可占GDP的4%~6%，其中鋼筋混凝土的腐蝕占一半以上［1］。大量工程實(shí)際表明，處于海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，由于長(zhǎng)期受氯鹽侵蝕、海水干濕循環(huán)等作用的影響，性能劣化現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，故其結(jié)構(gòu)耐久性能受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能的控制和提升，可以從結(jié)構(gòu)全壽命周期的各個(gè)階段入手。例如，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50476—2008）、鐵道部頒布的《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10005—2010）和在編的交通部規(guī)程《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)細(xì)則》［2］均對(duì)處于海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)提出了明確要求。由于相關(guān)研究起步較晚以及重視度不夠等原因，針對(duì)已建成和處于使用階段混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能檢測(cè)的相關(guān)規(guī)范不全，檢測(cè)工作開展不夠。目前對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的檢測(cè)，往往是采用和結(jié)構(gòu)相同的配合比，針對(duì)在實(shí)驗(yàn)室成型混凝土試件，開展室內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)。由于室內(nèi)試驗(yàn)條件、環(huán)境、外荷載與工程實(shí)際的差異以及尺寸效應(yīng)、邊界效應(yīng)等原因，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果通常與實(shí)體結(jié)構(gòu)取芯檢測(cè)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。對(duì)實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)開展耐久性能的專項(xiàng)檢測(cè)，不僅能夠真實(shí)、全面地了解結(jié)構(gòu)狀況，為使用壽命預(yù)測(cè)提供重要參數(shù)，也能為管養(yǎng)措施和維修加固方案的制定提供參考和依據(jù)［3-4］。本文首先梳理了海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性指標(biāo)，并對(duì)各指標(biāo)的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了比對(duì)分析。此外，著重介紹了可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的無損檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)今后的研究發(fā)展提出了建議。

1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)和技術(shù)

海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能檢測(cè)，除混凝土強(qiáng)度、裂縫狀況、保護(hù)層厚度、鋼筋銹蝕狀況等常規(guī)指標(biāo)外，還包括混凝土氯離子含量以及混凝土抗?jié)B性能等專項(xiàng)指標(biāo)。混凝土強(qiáng)度、裂縫是常規(guī)檢測(cè)內(nèi)容，目前已能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)，而部分專項(xiàng)指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，有些為取芯有損檢測(cè)，有些為取粉微損檢測(cè)，較少能夠做到無損［5］。對(duì)于實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)而言，無損檢測(cè)技術(shù)能夠最大限度地減少檢測(cè)工作對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擾動(dòng)，提高檢測(cè)效率，也能夠避免因有損檢測(cè)可能侵入的外界腐蝕介質(zhì)，適宜長(zhǎng)期使用，其檢測(cè)數(shù)據(jù)也能夠?yàn)檠芯拷Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能的變化規(guī)律提供重要依據(jù)［6］。

國內(nèi)外混凝土耐久性能常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)及其技術(shù)的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)見表1，表中各指標(biāo)的檢測(cè)技術(shù)已較為成熟，檢測(cè)時(shí)可根據(jù)需要選取相應(yīng)的方法。

表1 混凝土結(jié)構(gòu)性能常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)

2 RCT法檢測(cè)混凝土氯離子含量

混凝土結(jié)構(gòu)氯離子含量的檢測(cè)可選用RCT法（離子選擇電極法）、硝酸銀滴定法以及佛爾哈德法，詳見表2。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，宜選用對(duì)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小的RCT法。

表2 混凝土氯離子含量檢測(cè)方法及技術(shù)

RCT法是根據(jù)不含任何雜質(zhì)的氯離子溶液在電極作用下產(chǎn)生的電位差與液相中的氯離子濃度成正比的關(guān)系，來推定混凝土中氯離子含量的一種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。檢測(cè)前，應(yīng)先測(cè)量測(cè)點(diǎn)處混凝土碳化深度以界定混凝土碳化區(qū)域，將沿未碳化區(qū)刮取的適量混凝土粉末與特定的萃取液混合，僅提取混凝土灰粉中的氯離子，測(cè)定萃取后溶液的電壓值，對(duì)比已知氯離子濃度的純?nèi)芤核a(chǎn)生的電位差畫出電位差（電壓）標(biāo)準(zhǔn)曲線即可找出其對(duì)應(yīng)的氯離子含量百分比［7］。該方法操作簡(jiǎn)單、設(shè)備小巧、檢測(cè)時(shí)間短，可以快速測(cè)定混凝土中氯離子含量，無需使用除RCT儀器外的其他設(shè)備，并且能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試精度的要求，結(jié)果明確、清晰。但由于需要檢測(cè)溶液的電位差，故RCT儀器電極的校準(zhǔn)至關(guān)重要，它直接關(guān)系到標(biāo)準(zhǔn)電位曲線的準(zhǔn)確性和電極對(duì)溶液反應(yīng)的敏感度，因此要求較高。

RCT法作為一種微損的檢測(cè)方法，在我國已經(jīng)應(yīng)用于部分工程之中，如采用RCT法檢測(cè)嘉興港某碼頭的混凝土墻不同高度處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用以研究海水干濕交替區(qū)的混凝土中氯離子分布隨高程的變化規(guī)律等［8］。

3 混凝土抗?jié)B性能檢測(cè)

對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能的評(píng)價(jià)多采用實(shí)體結(jié)構(gòu)取樣、室內(nèi)試驗(yàn)的有損檢測(cè)方法，而現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)尚無相應(yīng)的參考規(guī)范。混凝土抗?jié)B性能的指標(biāo)和技術(shù)可以劃分為3類：抗水滲透法、離子滲透性法以及氣體滲透法，見表3。由于抗水滲透法采取室內(nèi)成型試件，且對(duì)高強(qiáng)混凝土不適用，在應(yīng)用中受到限制，故不能作為現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)的手段。而離子滲透性法及氣體滲透法目前已有一定的研究成果，其現(xiàn)場(chǎng)無損、微損檢測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于部分工程之中。

表3 混凝土抗?jié)B性能檢測(cè)方法及技術(shù)

3.1 抗水滲透法

混凝土結(jié)構(gòu)抗水滲透性能的檢測(cè)方法包括抗?jié)B標(biāo)號(hào)法（逐級(jí)加壓法）及滲水高度法，以抗?jié)B標(biāo)號(hào)法為主。該方法采取實(shí)驗(yàn)室成型試樣或在混凝土結(jié)構(gòu)上鉆取較多芯樣，而后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，故該方法對(duì)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較大，且不適用于高強(qiáng)混凝土，其應(yīng)用范圍受到限制。

3.2 離子滲透法

Permit法作為現(xiàn)今唯一一種可以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定混凝土抗氯離子滲透性能的方法，因其設(shè)備便攜、時(shí)間短、易于操作及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集等優(yōu)點(diǎn)，被較多使用。

Permit離子遷移儀由2個(gè)互相隔離的同心溶液室構(gòu)成，內(nèi)室電極為陰極，材質(zhì)為不銹鋼，外室電極為陽極，材質(zhì)為普通低碳鋼，儀器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1、圖2［9-10］。測(cè)試時(shí)，測(cè)試器可用螺栓或夾鉗固定于被測(cè)試區(qū)域，通過在內(nèi)、外室間施加電壓，離子可由內(nèi)室遷移至外室［11］。外室中設(shè)有用于測(cè)定電導(dǎo)的探頭，測(cè)試時(shí)間間隔通常在1~15 min范圍內(nèi)選擇。使用溶液電導(dǎo)率與氯離子濃度的關(guān)系可換算出外室溶液的氯離子濃度。當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段，基于穩(wěn)態(tài)電遷移理論，測(cè)定單位時(shí)間氯離子的遷移量，應(yīng)用Nernst-Planck方程即可計(jì)算出氯離子遷移系數(shù)。

該方法能夠反映表層混凝土抗氯離子滲透性能，檢測(cè)時(shí)要求測(cè)區(qū)內(nèi)構(gòu)件表面平整，試驗(yàn)前需要用去離子水浸泡待測(cè)構(gòu)件表面24 h以上以達(dá)到表面飽水，然后在表面鉆孔，并用直徑為6 mm螺栓固定測(cè)試器固定。該方法也存在著一些不足，如僅對(duì)表層15 mm深度范圍內(nèi)混凝土的測(cè)試精度較高，而對(duì)構(gòu)件內(nèi)部離子影響較小，難以檢測(cè)；對(duì)穩(wěn)態(tài)階段的界定存在主觀性差異，所得電導(dǎo)變化率不同，導(dǎo)致測(cè)得的氯離子遷移系數(shù)也有所差異；混凝土表面飽水程度越低，到達(dá)穩(wěn)態(tài)遷移時(shí)間越長(zhǎng)，試驗(yàn)所需時(shí)間也越長(zhǎng)。

圖1 Permit離子遷移儀測(cè)試器示意圖

3.3 氣體滲透系數(shù)法

在眾多混凝土氣體滲透性能測(cè)試方法中，氣壓差值法由于試驗(yàn)步驟簡(jiǎn)化、結(jié)果準(zhǔn)確度較高而被國內(nèi)外較多學(xué)者采用。法國研發(fā)出應(yīng)用于實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)的基于氣壓差值法的氣體滲透系數(shù)檢測(cè)技術(shù)，已在核電站乏燃料水池的混凝土層和混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中進(jìn)行應(yīng)用。

使用該技術(shù)檢測(cè)前，在混凝土構(gòu)件內(nèi)預(yù)埋或鉆孔埋設(shè)探針，探針對(duì)構(gòu)件性能無影響且可長(zhǎng)期、重復(fù)使用。檢測(cè)時(shí)，首先向探頭內(nèi)注入惰性氣體（如氬氣），氣體通過由特殊多孔不銹鋼制成的探針滲透入混凝土構(gòu)件內(nèi)部；當(dāng)壓力穩(wěn)定后關(guān)閉進(jìn)氣閥，隨著氣體在構(gòu)件內(nèi)的擴(kuò)散氣壓開始下降，選取一個(gè)與進(jìn)氣壓相比足夠小的氣壓降，測(cè)量該氣壓降形成的時(shí)間［12］。基于達(dá)西法則，即可求出混凝土的氣體滲透系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)氣體滲透性能的現(xiàn)場(chǎng)、長(zhǎng)期且無損檢測(cè)，檢測(cè)裝置見圖2。

圖2 基于氣壓差值法的氣體滲透系數(shù)測(cè)量技術(shù)

由于混凝土的氣體滲透系數(shù)受其自身的水飽和度影響較大，且工程現(xiàn)場(chǎng)很難測(cè)出混凝土自身的水飽和度。因而現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)前，需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)不同水飽和度的混凝土氣體滲透系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。這樣現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果不僅可以獲得混凝土的氣體滲透系數(shù)，還能夠獲得其水飽和度。這些數(shù)據(jù)對(duì)研究混凝土的性能劣化規(guī)律，開展使用壽命預(yù)測(cè)而言，十分重要。

與其他混凝土滲透性能測(cè)量方法相比，基于氣壓差值法的氣體滲透系數(shù)檢測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)結(jié)構(gòu)性能擾動(dòng)極低，為現(xiàn)場(chǎng)、無損檢測(cè)；（2）檢測(cè)步驟簡(jiǎn)單，操作性強(qiáng)，結(jié)果直觀；（3）以惰性氣體為介質(zhì)，不改變混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和組成。

4 結(jié)語

海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的現(xiàn)場(chǎng)無損或微損檢測(cè)技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)營全周期的管理和養(yǎng)護(hù)具有重要意義，基于研究現(xiàn)狀，今后可以從以下幾個(gè)方面開展深入研究：

（1）針對(duì)Permit法以及基于氣壓差值法的混凝土氣體滲透性系數(shù)檢測(cè)尚無參考規(guī)范的情況，研究以上指標(biāo)與現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)將無損檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)納入混凝土結(jié)構(gòu)管理養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中；

（2）通過優(yōu)化計(jì)算方法與方式，進(jìn)一步提升耐久性指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果在混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能劣化規(guī)律以及剩余使用壽命預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用；

（3）對(duì)處于潮差區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，其性能劣化情況尤為嚴(yán)重，此時(shí)Permit法因不能反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況而不再適用，因此，研究氯離子擴(kuò)散系數(shù)與氣體滲透系數(shù)的相關(guān)性也是有待解決的重要問題；

（4）目前，我國對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性能狀況檢測(cè)與評(píng)估的相關(guān)規(guī)范中，主要通過對(duì)各主要構(gòu)件的性能檢測(cè)，進(jìn)而評(píng)估各構(gòu)件和橋梁結(jié)構(gòu)整體狀況等級(jí)；但最新研究表明，橋梁耐久性能的檢測(cè)與評(píng)估僅停留在構(gòu)件層次仍不夠，可采用更為全面、科學(xué)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析方法，如模態(tài)分析法等與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)合，從而提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性能的檢測(cè)水平。

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