鋼筋混凝土文物建筑的病害檢測技術(shù)應(yīng)用
——以浙江省寧波鼓樓為例

童蕓蕓,余 輝，葉 良，王華超，呂偉加

(1. 浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023；2. 杭州聚代科技有限公司，杭州 310011)

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鋼筋混凝土文物建筑的病害檢測技術(shù)應(yīng)用
——以浙江省寧波鼓樓為例

童蕓蕓1,余 輝1，葉 良1，王華超1，呂偉加2

(1. 浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023；2. 杭州聚代科技有限公司，杭州 310011)

混凝土碳化是工程中常見的問題，結(jié)合寧波鼓樓工程實(shí)例，介紹碳化的無損檢測方法，即選取用于混凝土的碳化深度檢測的原位酚酞測試技術(shù),混凝土表面回彈強(qiáng)度檢測技術(shù)，以及用于檢測鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)技術(shù)和X衍射儀混凝土成分分析技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)場勘測和取樣采集到的技術(shù)數(shù)據(jù)，寧波鼓樓的混凝土成分主要含CaCO3、SiO2等成分，與普通碳化混凝土成分相似，沒有檢測到氯離子等其他特殊成分。鼓樓瞭望臺梁和板碳化嚴(yán)重，碳化深度已達(dá)鋼筋位置，板內(nèi)鋼筋銹蝕概率大于90%。同時，混凝土表面回彈強(qiáng)度檢測顯示，其警鐘臺的柱和瞭望臺梁底推定強(qiáng)度只有14 MPa左右。上述結(jié)果說明，本課題組選取的檢測技術(shù)能夠在一定程度上對鋼筋混凝土文物建筑的病害進(jìn)行定性的分析，但是需要補(bǔ)充其他微損的實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)參數(shù)進(jìn)行量化分析。

鋼筋混凝土文物建筑；碳化；混凝土回彈強(qiáng)度檢測；鋼筋腐蝕電位；混凝土成分

混凝土雖然是一種耐久性材料，但是從澆筑之日起，就會遭受多方面的破壞，主要有碳化、堿骨料反應(yīng)、凍融破壞，以及氯化物、硫酸鹽破壞等。在房齡近百年的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)文物建筑中，以碳化病害最為常見，損失也最嚴(yán)重[1]。干凈的混凝土間隙液具有高堿性，在這個高堿性的環(huán)境下，鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，可保證鋼筋不會繼續(xù)銹蝕?；炷撂蓟瘯档烷g隙液堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起鋼筋銹蝕不斷進(jìn)行，銹蝕產(chǎn)生的膨脹體積使得混凝土保護(hù)層剝落，繼而使得構(gòu)件的截面減小，承載力降低，使得結(jié)構(gòu)破損或失效，并最終導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞[2]。目前國內(nèi)外學(xué)者對混凝土碳化的研究已經(jīng)很全面了，混凝土碳化的檢測手段也是多種多樣的，有的適用于快速現(xiàn)場檢測，有的只限于實(shí)驗(yàn)室分析。目前常用的混凝土碳化現(xiàn)場檢測方法是從混凝土表面一定深度取芯后在芯樣上噴灑酚酞試劑，混凝土碳化部分顯示無色，未碳化部分顯示粉紅色，因此可以根據(jù)芯樣顯色深度初步判斷混凝土的碳化深度。但是，由于碳化會帶來混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕，因此，對鋼筋銹蝕程度的檢測是鋼筋混凝土碳化病害分析不可缺少的內(nèi)容。然而，現(xiàn)場檢測中對鋼筋銹蝕程度的檢測較少涉及，現(xiàn)場人員一般通過銹脹后裸露的鋼筋判斷銹蝕情況，這種方法是不準(zhǔn)確的，因?yàn)槁懵对诳諝庵械匿摻钍チ嘶炷帘Ｗo(hù)層的屏障保護(hù)，長期與空氣中的氧氣和水分直接接觸，銹蝕速度較混凝土保護(hù)層內(nèi)的鋼筋快很多。

本研究結(jié)合浙江省寧波鼓樓工程實(shí)例，介紹混凝土碳化無損檢測方法。為了最大程度保護(hù)歷史信息的真實(shí)，延續(xù)歷史的完整性，本課題組遵循最少干預(yù)原則，選取針對混凝土碳化深度檢測的原位酚酞測試技術(shù)，針對混凝土表面回彈強(qiáng)度檢測技術(shù)[3-5]，針對鋼筋銹蝕程度的電化學(xué)技術(shù)和針對混凝土成分分析的X衍射儀技術(shù)，把它們應(yīng)用于寧波鼓樓鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)瞭望臺和警鐘臺的病害分析。對寧波鼓樓瞭望臺和警鐘臺的病害分析以無損檢測技術(shù)為主，無損檢測技術(shù)較有損的檢測具有以下幾個優(yōu)勢[6]：一是不破壞建筑物和構(gòu)筑物本身的結(jié)構(gòu)；二是能進(jìn)行全面檢測；三是能用于老舊建筑，特別是文物建筑的檢測。

1 工程概況

圖1 寧波鼓樓警鐘臺和瞭望臺Fig.1 The alarm clock stand and observatory of Ningbo Drum Tower

寧波鼓樓又稱海曙樓，位于寧波市海曙區(qū)中山西路公園路口，2011年被公布為浙江省第六批文物保護(hù)單位。它始建于唐長慶元年(821年)，基礎(chǔ)是唐長慶元年的子城南門，城高8 m，拱形門深10 m，寬5 m，石砌建筑，東北設(shè)有踏道。后梁開平三年(909年)置明州望海軍，鼓樓稱為望海軍門(樓)。宋太祖建隆元年(960年)又改為明州奉國軍，鼓樓也隨之改稱為奉國軍門(樓)，由太守潘良貴書“奉國軍樓”額。鼓樓現(xiàn)存樓閣建筑是清咸豐五年(1855年)由巡道段光清所督建，1989年重修。民國十九年(1930年)，救火聯(lián)合會呈請市政府撥租全部房屋為會所，即在這一年，在鼓樓三層樓木結(jié)構(gòu)建筑中間，建造了水泥鋼骨正方形瞭望臺及警鐘臺。警鐘臺采用平屋面形式，分為2層，層高3.3 m，建筑面積約14 m2，并置標(biāo)準(zhǔn)鐘一座，四面如一，既便于市民計時，亦可報火警，如圖1所示。鼓樓是寧波市唯一尚存的古城樓遺址。

目前，瞭望臺及警鐘臺屋面及外墻滲漏水嚴(yán)重,內(nèi)粉刷和外粉刷部分混凝土構(gòu)件表面酥松、剝落，鋼筋銹蝕，迫切需要對瞭望臺及警鐘臺進(jìn)行現(xiàn)狀勘測和病害分析，并提出合理、適宜的維護(hù)和修復(fù)方案，以提高建筑的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

2 病害檢測技術(shù)運(yùn)用

圖2 沖擊鉆鉆孔Fig.2 Impact drill hole

2.1 酚酞檢測技術(shù)

為了最低程度破壞混凝土本體，本課題組采用原位酚酞檢測技術(shù)[7-8]，使用鉆頭直徑為10 mm的沖擊鉆在檢測構(gòu)件的適當(dāng)位置鉆取深度20 mm左右的小洞，如圖 2 所示，對混凝土洞內(nèi)進(jìn)行足夠的濕潤，并用酚酞試劑(1 g酚酞溶于100 mL體積分?jǐn)?shù)為 95%的乙醇)噴涂，根據(jù)顯色反應(yīng)，判斷混凝土碳化情況，測量碳化深度，呈粉紅色部分的混凝土沒被碳化，顏色沒有發(fā)生變化的部分則混凝土完全被碳化。相對于劈開混凝土和從混凝土表面一定深度取芯，該方法對混凝土的破壞程度相對要小一些，比較適用于文物建筑。

2.2 混凝土回彈強(qiáng)度檢測技術(shù)

混凝土回彈強(qiáng)度是評定結(jié)構(gòu)可靠性的重要依據(jù)，對混凝土回彈強(qiáng)度的檢測一般采用從混凝土表面取芯，再通過抗壓試驗(yàn)了解混凝土的抗壓強(qiáng)度。為了避免取樣對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本體的破壞，檢測采用無損傷的α-5000cn型數(shù)字回彈儀(深圳市深博瑞儀器儀表有限公司)對混凝土表面的回彈強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?；貜梼x測讀數(shù)值對混凝土表面局部性差異很敏感，特別對有骨料顆粒的地方更突出，因此在每個測區(qū)上必須讀若干個數(shù)，取其平均值[9-10]。選取瞭望臺柱、警鐘臺樓板、警鐘臺梁底面和梁截面進(jìn)行混凝土強(qiáng)度場檢測，并依據(jù)回彈強(qiáng)度值及混凝土碳化深度對混凝土強(qiáng)度進(jìn)行推算。

2.3 電化學(xué)腐蝕電位檢測技術(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用瑞士Proceq公司的Canin+鋼筋銹蝕儀對梁、板、柱的鋼筋銹蝕程度進(jìn)行無損檢測(圖3)。Canin+鋼筋銹蝕儀采用硫酸銅參比電極，其相對標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)的開路電位是316 mV。根據(jù)ASTM C 876-91[11]經(jīng)驗(yàn)值，由鋼筋的腐蝕電位大小可初步判定鋼筋的銹蝕概率[12]。鋼筋的銹蝕程度與鋼筋的腐蝕電位有關(guān)，測得的鋼筋腐蝕電位負(fù)值越大，鋼筋的銹蝕概率越大，銹蝕程度也越大。表1是鋼筋腐蝕電位與銹蝕概率關(guān)系，由表1可知，當(dāng)電位大于-52 mV時，銹蝕的概率很?。浑娢辉?52 mV到-202 mV之間時，銹蝕概率不確定；電位小于-202 mV時，銹蝕概率很大。采用電化學(xué)檢測技術(shù)可以較準(zhǔn)確地了解對大范圍混凝土保護(hù)層內(nèi)鋼筋的銹蝕程度，對混凝土本體基本無破壞，特別適用于文物建筑。

圖3 鋼筋銹蝕檢測Fig.3 Reinforcement corrosion detection

表1 鋼筋自然腐蝕電位與銹蝕概率的關(guān)系(ASTM C 876-91；飽和硫酸銅參比電極)

Table 1 Relationship between rest corrosion potential of steel rebars and corrosion probability (ASTM C 876-91;CSE reference electrode)

Ecorr/mV銹蝕概率>-52很小(<10%)-202和-52之間不確定<-202很大(>90%)

圖4 D-8 Advance X射線衍射儀Fig.4 D-8 Advance X-ray diffractometer

2.4 混凝土成分檢測技術(shù)

X衍射儀分析是一種通過記錄X射線束照射晶體樣品時得到物質(zhì)的衍射花樣或衍射線條譜圖的方法。多晶體衍射線條的數(shù)目及其強(qiáng)度是每種物質(zhì)的特征，因而能夠成為鑒別物相的標(biāo)志[13-15]。X衍射儀成分分析只需要1～2 g粉末試樣，因此對混凝土本體的破壞不大。本課題組直接收集現(xiàn)場混凝土碳化深度酚酞測試時的鉆孔粉末，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室研磨和315 μm篩分后，用布魯克(北京)科技有限公司生產(chǎn)的D-8 Advance X射線衍射儀(圖4)對柱、梁和板各構(gòu)件混凝土成分進(jìn)行檢測。

3 病害檢測結(jié)果與分析

3.1 混凝土碳化深度

原位酚酞檢測技術(shù)對瞭望臺柱、警鐘臺板、警鐘臺梁進(jìn)行鉆孔及濕潤和酚酞噴涂(圖5)。碳化深度原位酚酞檢測結(jié)果顯示，警鐘臺柱基本上無碳化，瞭望臺梁橫面碳化深度約為52 mm，梁底面碳化深度約為24 mm，樓板面碳化深度約為28 mm。由此可見，梁和板的混凝土碳化深度已經(jīng)達(dá)到甚至超過混凝土保護(hù)層厚度，這些構(gòu)件內(nèi)部鋼筋完全處于碳化混凝土包裹的環(huán)境中，從理論上分析，鋼筋的鈍化膜已經(jīng)被破壞。當(dāng)然，鋼筋本身的銹蝕情況還需要由電化學(xué)測試數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。

原位酚酞檢測技術(shù)方法簡單、方便、快捷，適用于現(xiàn)場檢測，對建筑物本身破壞程度不大。現(xiàn)行規(guī)范將其作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，但混凝土碳化是逐步向內(nèi)部擴(kuò)散的，未碳化和完全碳化之間還存在碳化進(jìn)行區(qū)域，導(dǎo)致指示劑變色分界面不明顯，或由于混凝土碳化變脆，導(dǎo)致碳化測量時出現(xiàn)孔口邊緣不齊整，孔內(nèi)可見粗骨料或測量角度不同，這些都會影響測量的碳化深度[16]。

圖5 混凝土碳化深度原位酚酞測試Fig.5 Concrete carbonation depth phenolphthalein in situ testing

3.2 混凝土強(qiáng)度推定值

選取瞭望臺柱、警鐘臺樓板、警鐘臺梁底面和梁截面進(jìn)行混凝土表面回彈強(qiáng)度檢測，結(jié)果如表2所示。由表2可知，警鐘臺梁橫面和樓板的強(qiáng)度推定值基本上符合目前對新建建筑構(gòu)件混凝土強(qiáng)度最低值(25 MPa)的要求，但是瞭望臺柱和警鐘臺梁底面的強(qiáng)度推定值比新建建筑構(gòu)件混凝土強(qiáng)度最低值(25 MPa)低了42%左右，原因有待其他實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析。同時，須要結(jié)合現(xiàn)場整體結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)一步核實(shí)是否需要對其進(jìn)行加固處理。

表2 混凝土表面回彈強(qiáng)度及構(gòu)件強(qiáng)度推定值Table 2 Concrete surface rebound strength and component strength estimate value

針對混凝土的強(qiáng)度檢測，表面回彈檢測技術(shù)對結(jié)構(gòu)無損傷，檢測過程快捷、方便，特別適用于鋼筋混凝土檢測技術(shù)。但是，回彈儀測讀數(shù)值對混凝土表面局部性差異很敏感，由表面回彈值推定的混凝土強(qiáng)度與取芯抗壓強(qiáng)度值之間存在一定的偏差及不穩(wěn)定性，因此須要謹(jǐn)慎分析結(jié)果。

3.3 鋼筋銹蝕程度

選取瞭望臺柱、警鐘臺梁和板內(nèi)鋼筋的3個不同位置，應(yīng)用電化學(xué)腐蝕電位檢測技術(shù)對鋼筋的銹蝕程度進(jìn)行評估。結(jié)果如表3所示，瞭望臺柱內(nèi)鋼筋的腐蝕電位較高，介于-4 mV到-85 mV之間，銹蝕概率低，情況良好；警鐘臺梁內(nèi)鋼筋的腐蝕電位較低，介于-74 mV到-130 mV之間，銹蝕概率較大；板內(nèi)鋼筋的腐蝕電位則處于-194 mV到-216 mV之間，銹蝕概率很大，銹蝕程度嚴(yán)重。由此可見，柱內(nèi)鋼筋的銹蝕情況良好，板內(nèi)鋼筋的銹蝕情況最嚴(yán)重。

電化學(xué)腐蝕電位檢測技術(shù)僅僅是對鋼筋銹蝕的概率進(jìn)行初步定性的判斷，而檢測的結(jié)果受周圍環(huán)境的溫度、濕度等影響，數(shù)據(jù)有較大的不穩(wěn)定性。同時，由檢測數(shù)據(jù)離散性可以看出，同一根鋼筋的不同位置，鋼筋的腐蝕電位有一定的差距，這可能與不同位置材質(zhì)的不均勻性和銹蝕的不均勻性有關(guān)。

表3 混凝土中鋼筋銹蝕程度Table 3 The degree of reinforcement corrosion in concrete

3.4 混凝土成分分析

對混凝土粉末試樣的成分分析結(jié)果表明，瞭望臺柱、警鐘臺梁和板的混凝土主要含CaCO3、SiO2等成分，與普通碳化混凝土成分相似，沒有檢測到氯離子等其他特殊成分。但是，由于取樣部位靠近鋼筋的原因，X射線衍射儀檢測到少量的鐵離子，這可能是來自于鋼筋的銹蝕產(chǎn)物。

從理論上分析，未受污染的混凝土的主要成分為Ca(OH)2(主要來自水泥水化反應(yīng))和SiO2(主要來自骨料)。混凝土碳化過程中，Ca(OH)2與空氣中的CO2和H2O發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3。成分分析結(jié)果表明，混凝土保護(hù)層的混凝土主要成分為CaCO3和SiO2，檢測部分的混凝土已經(jīng)被碳化，這與酚酞碳化深度檢測的警鐘臺梁和板結(jié)果一致。瞭望臺柱也檢測到CaCO3成分，這應(yīng)該是由于柱內(nèi)混凝土有部分Ca(OH)2被碳化成CaCO3，但由于沒有完全被碳化，原位酚酞檢測仍顯示粉紅色。

4 建 議

基于病害分析結(jié)果，建議警鐘臺屋面防水重做，警鐘臺地面增設(shè)防潮層，以及內(nèi)墻地面處增設(shè)防潮層；針對混凝土疏松剝落和鋼筋嚴(yán)重銹蝕的問題，建議采用傳統(tǒng)挖補(bǔ)修復(fù)法，更換舊混凝土；針對面積較大的混凝土碳化和鋼筋銹蝕問題，可通過電化學(xué)再堿化技術(shù)來提高混凝土堿性，降低鋼筋的銹蝕程度，以阻止或避免鋼筋的繼續(xù)銹蝕。建議寧波市文物部門正式委托其他檢測部門，結(jié)合鋼筋腐蝕電位的檢測數(shù)據(jù)和鋼筋銹蝕層厚度的檢測結(jié)果，更加準(zhǔn)確地對鋼筋銹蝕程度和銹蝕速率進(jìn)行定量分析。

5 結(jié) 論

本課題組基于最少干預(yù)原則，使用混凝土碳化深度檢測的原位酚酞測試技術(shù)、混凝土表面回彈強(qiáng)度檢測技術(shù)、鋼筋腐蝕程度的電化學(xué)技術(shù)和針對混凝土成分分析的X衍射儀技術(shù)，對寧波鼓樓鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)瞭望臺和警鐘臺進(jìn)行病害分析。整個檢測過程和檢測結(jié)果表明：

1)原位酚酞檢測技術(shù)、表面回彈檢測技術(shù)、電化學(xué)腐蝕電位檢測技術(shù)對建筑本體基本無損傷，非常適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)文物建筑的病害分析，但檢測數(shù)據(jù)也存在一定的不穩(wěn)定性和不確定性；

2)基于X射線衍射儀的混凝土成分檢測能夠依據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)一步判斷混凝土是否受到氯離子和硫酸鹽污染，有助于全面地分析混凝土的病害情況；

3)混凝土碳化是寧波鼓樓鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)瞭望臺和警鐘臺病害的主要原因，梁和板的混凝土碳化深度已經(jīng)達(dá)到甚至超過混凝土保護(hù)層厚度，板內(nèi)鋼筋銹蝕程度嚴(yán)重，柱和梁內(nèi)鋼筋情況較好。

綜上所述，這4種接近無損的檢測技術(shù)的綜合使用，可以較全面地了解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的病害情況，并對病害原因進(jìn)行深入分析。與本課題組前期的浙江省湖州市頔塘碑亭檢測技術(shù)[17]相比，此次檢測開發(fā)了原位酚酞檢測技術(shù)，增加了表面回彈檢測技術(shù)，優(yōu)化了電化學(xué)腐蝕電位檢測技術(shù)，補(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)室基于X射線衍射儀的混凝土成分檢測分析，因此可以作為其他鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)文物類建筑的病害檢測與分析的參考。

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TONG Yunyun1， YU Hui1， YE Liang1，WANG Huachao1，LYU Weijia2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China; 2.Hangzhou Judai Technology Co. Ltd, Hangzhou 310011, Zhejiang, China)

In response to concrete carbonization, a common problem in engineering, the nondestructive testing methods of carbonization is introduced in this article. With Ningbo Drum Tower as an engineering example, it applies the on-site phenolphthalein test for carbonation depth of concrete, the concrete snapping back test, the electrochemical technique for steel corrosion degree and the technique for concrete composition analysis by X-ray diffraction. Based on the technical data obtained by the on-site investigations and sampling, the main compositions in the concrete of Ningbo Drum Tower are CaCO3and SiO2, which are similar to ordinary concrete, with no chloride ions detected. The beams and the slabs of the observatory are seriously carbonated, reaching deep to the steel level, with the steel corrosion probability of slabs more than 90%. Meanwhile, the concrete snapping back test indicates the deducted concrete strength of columns of the alarm clock stand and beam bottoms of the observatory is only around 14 MPa. The detection techniques applied by this study can partly provide qualitative diagnostic analysis for diseases of historic buildings of reinforced concrete structure. However, other small-invasive laboratory technical parameters should be complemented for quantitative analysis.

reinforced concrete historical buildings; carbonization ; concrete snapping back test;corrosion potential of steel; concrete composition

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.03.002

2017-02-22

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(51408546)；浙江省文物保護(hù)科技項目(2015018)；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計劃項目(2015C33058)

童蕓蕓(1978— )，女，浙江省杭州人，副教授，博士，主要從事鋼筋混凝土的耐久性研究。E-mail:2195838307@qq.com。

TB302.2;TU-87

A

1671-8798(2017)03-0166-06