橋梁鋼筋腐蝕檢測(cè)方法探討

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1 橋梁鋼筋腐蝕環(huán)境與腐蝕機(jī)理

1.1 橋梁鋼筋腐蝕環(huán)境

橋梁在長(zhǎng)期使用過程中，受自然環(huán)境的影響會(huì)造成腐蝕問題，在腐蝕極為嚴(yán)重的情況下，會(huì)導(dǎo)致橋梁整體結(jié)構(gòu)失效，釀成坍塌事故。橋梁鋼筋面臨的腐蝕環(huán)境主要包括大氣環(huán)境、水環(huán)境和土壤環(huán)境。

（1）大氣環(huán)境。溫度、濕度、酸雨和氯離子是對(duì)橋梁鋼筋起腐蝕作用的大氣環(huán)境因素。具體表現(xiàn)如下：①溫度。當(dāng)氣溫為-20～20℃時(shí)，鋼筋銹蝕率隨著溫度的升高而增加，且增加幅度不斷增大。這說明平均氣溫較高的地區(qū)，其橋梁鋼筋腐蝕破壞程度越大。②濕度。鋼筋腐蝕的臨界濕度為65%，在超過臨界濕度的情況下，鋼筋表面會(huì)形成水膜，溶解氧、氯離子，發(fā)生化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，加快鋼筋腐蝕速度。③酸雨。酸雨中的SO4-對(duì)橋梁鋼筋的腐蝕性較大，鋼筋受酸雨侵蝕會(huì)形成硫酸鹽，尤其在潮濕的氣候條件下，會(huì)成倍增加鋼筋腐蝕速度。

（2）水環(huán)境。①淡水環(huán)境。淡水環(huán)境對(duì)橋梁鋼筋的腐蝕性相對(duì)較弱，如果淡水環(huán)境受到工業(yè)排放物的污染，增加了淡水中Cl-、H+、SO2等污染物質(zhì)的含量，會(huì)對(duì)鋼筋表面造成鈍化，出現(xiàn)局部腐蝕。②海水環(huán)境。海水中Cl-含量較高，pH值超過8.0時(shí)會(huì)對(duì)鋼筋造成嚴(yán)重腐蝕。

（3）土壤環(huán)境。橋梁基礎(chǔ)、墩身部分的鋼筋會(huì)深扎到土壤中，當(dāng)橋梁周圍建有地鐵、輕軌等軌道交通設(shè)施或鋪設(shè)大量電纜時(shí)，帶電物體會(huì)從電纜中流出，選擇土壤中的鋼筋結(jié)構(gòu)傳遞電流，如果此時(shí)鋼筋位于陽(yáng)極區(qū)域，那么會(huì)使鋼筋發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

1.2 橋梁鋼筋的腐蝕機(jī)理

橋梁鋼筋腐蝕主要包括鋼鐵構(gòu)件與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕兩大類，其腐蝕機(jī)理基本一致?；炷梁懈邏A性物質(zhì)，在混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)過程中會(huì)產(chǎn)生水泥水化熱現(xiàn)象，生成堿金屬氧化物，對(duì)鋼筋表面形成鈍化膜，起到保護(hù)鋼筋的作用。當(dāng)氯離子滲入到混凝土內(nèi)層，并逐步積累到一定濃度后，會(huì)使混凝土的pH值從12.5降至8～9，影響鋼筋所處的環(huán)境。一旦氯離子接觸鋼筋，會(huì)使鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，讓鋼筋緩慢腐蝕，再經(jīng)過氧化反應(yīng)，生成鐵銹。在這一過程中，涉及的電化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式為2Fe+O2+H2O=2Fe(OH)2。

2 橋梁鋼筋腐蝕常用的檢測(cè)方法

2.1 物理試驗(yàn)檢測(cè)法

此類檢測(cè)方法具備操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，由于此類檢測(cè)方法屬于定性分析、靜態(tài)分析，因此僅限于橋梁鋼筋原位測(cè)試。

（1）電阻探針法。該檢測(cè)方法需找到與鋼筋材質(zhì)相同的電阻針，將電阻針埋入混凝土中，通過施加恒定電流測(cè)量出電阻探頭的電阻值，再根據(jù)探針直徑變化量換算出鋼筋腐蝕深度值。電阻探針法擁有復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，無需取出試樣和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)，具備檢測(cè)精度高、檢測(cè)速度快的優(yōu)勢(shì)。在橋梁鋼筋檢測(cè)中應(yīng)用電阻探針法進(jìn)行檢測(cè)，能夠達(dá)到以下應(yīng)用效果；能夠保證腐蝕檢測(cè)的精度，準(zhǔn)確反映腐蝕的嚴(yán)重程度；能夠反映鋼筋在真實(shí)環(huán)境中的腐蝕行為，準(zhǔn)確測(cè)定鋼筋腐蝕速率，跟蹤鋼筋腐蝕狀況變化。

（2）光纖傳感技術(shù)。該檢測(cè)方法是在光纖纖芯上鍍一層合金敏感膜，形成光纖傳感器裝置，將其安裝在鋼筋上，對(duì)鋼筋腐蝕情況進(jìn)行定性分析。該檢測(cè)方法是智能檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要成果，當(dāng)前常用的智能傳感器包括S+R陽(yáng)極梯形傳感器、多探頭俯視傳感器等，這些傳感器具備耐高溫、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)。在橋梁鋼筋檢測(cè)中應(yīng)用光纖傳感探測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)，能夠達(dá)到以下應(yīng)用效果：能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的腐蝕情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷是否會(huì)出現(xiàn)鋼筋腐蝕現(xiàn)象及可能發(fā)生鋼筋腐蝕現(xiàn)象的時(shí)間。以公司參與建設(shè)的港珠澳大橋的鋼筋腐蝕檢測(cè)為例，應(yīng)用多功能腐蝕檢測(cè)傳感器，將傳感器安裝到檢測(cè)部位，可準(zhǔn)確測(cè)得混凝土環(huán)境中的pH值和氯離子濃度，并對(duì)鋼筋腐蝕狀態(tài)和腐蝕速度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，為評(píng)估港珠澳大橋整體結(jié)構(gòu)安全性提供了數(shù)據(jù)支持。

2.2 自然電位檢測(cè)法

該檢測(cè)方法通過測(cè)量鋼筋的自然電位，用于評(píng)價(jià)鋼筋的腐蝕情況。鋼筋處于強(qiáng)堿性的混凝土環(huán)境中，其發(fā)生腐蝕部位與未發(fā)生腐蝕部位的自然電位存在一定差異，前者的自然電位低于后者的自然電位。從電化學(xué)層面來看，鋼筋完好區(qū)視為陰極，腐蝕區(qū)視為陽(yáng)極，由此形成腐蝕電池。因此，通過測(cè)定鋼筋表面的自然電位分布參數(shù)，判斷鋼筋是否存在腐蝕情況。自然電位檢測(cè)法十分適用于海洋環(huán)境下的橋梁鋼筋腐蝕檢測(cè)及工程現(xiàn)場(chǎng)原位檢測(cè)，具備操作簡(jiǎn)便、無損傷檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。在橋梁鋼筋檢測(cè)中應(yīng)用自然電位探測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)，能夠檢測(cè)出鋼筋正在發(fā)生腐蝕的情況，將自然電位檢測(cè)法與表面觀察法結(jié)合應(yīng)用，能夠判斷出鋼筋腐蝕狀態(tài)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外較具代表性的橋梁鋼筋腐蝕檢測(cè)情況，以日本井岸大橋的鋼筋腐蝕檢測(cè)為例，檢測(cè)中運(yùn)用自然電位法，對(duì)主橋4#和5#橋墩承臺(tái)以上鋼筋構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，每間隔50cm布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行依次檢測(cè)，生成鋼筋構(gòu)件檢測(cè)的電位圖。檢測(cè)人員結(jié)合鋼筋表面病害情況，根據(jù)電位圖評(píng)估鋼筋腐蝕情況，判斷出具體的腐蝕區(qū)域位置，為橋梁鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)提供了數(shù)據(jù)支持。以珠海海燕大橋的腐蝕性檢測(cè)為例，采用自然電位法對(duì)橋墩墩柱部位的鋼筋腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果區(qū)分腐蝕區(qū)與完好區(qū)。對(duì)檢測(cè)的腐蝕區(qū)現(xiàn)場(chǎng)開鑿，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域與自然電位法檢測(cè)的結(jié)果完全相符。

2.3 極化電阻法

該檢測(cè)方法利用雙電極或三電極系統(tǒng)，對(duì)混凝土環(huán)境與鋼筋的耦合腐蝕率進(jìn)行檢測(cè)，定量分析鋼筋自由腐蝕電位處的腐蝕電流，評(píng)價(jià)鋼筋腐蝕情況。該檢測(cè)方法適用于現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，具備檢測(cè)速度快、測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì)。但是，該檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求較高，只能對(duì)導(dǎo)電性較好的介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，得到鋼筋整體性的腐蝕信息，而不能測(cè)定出鋼筋局部腐蝕信息。以杭州灣跨海大橋的腐蝕檢測(cè)為例，在檢測(cè)中運(yùn)用電化學(xué)原理研制預(yù)埋式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)不同檢測(cè)部位采用不同的陽(yáng)極元件和陰極元件，借助腐蝕脫鈍敏感膜構(gòu)建起檢測(cè)信號(hào)通道，形成鋼筋脫鈍傳感單位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁鋼筋腐蝕速率的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，為制訂大橋維護(hù)方案提供了可靠依據(jù)。

2.4 交流阻抗譜法

該檢測(cè)方法需要對(duì)電極施加交流信號(hào)，分析輸出輸入信號(hào)的相位、振幅等變量，進(jìn)而判斷鋼筋的腐蝕情況。該檢測(cè)方法屬于暫態(tài)頻譜分析技術(shù)，利用電荷轉(zhuǎn)移電阻值與低頻容抗弧半徑存在的線性關(guān)系，對(duì)鋼筋腐蝕信息進(jìn)行分析，一般情況下低頻容抗弧半徑越小，鋼筋腐蝕速率越大，腐蝕程度越嚴(yán)重。在橋梁鋼筋檢測(cè)中應(yīng)用交流阻抗譜法進(jìn)行檢測(cè)，能夠達(dá)到以下應(yīng)用效果：能夠獲取鋼筋混凝土電阻值、雙電層電容、鋼筋腐蝕速率等多方面的信息；能夠測(cè)算出混凝土鋼筋腐蝕的氯離子臨界濃度；能夠?qū)炷龄摻罡g機(jī)制和鋼筋修復(fù)方案進(jìn)行有效性分析。

2.5 EIR綜合評(píng)估法

該檢測(cè)方法為三要素綜合評(píng)價(jià)方法，主要通過綜合分析鋼筋自然腐蝕電位、腐蝕電流密度、混凝土電阻率三項(xiàng)要素，對(duì)鋼筋腐蝕狀態(tài)做出評(píng)價(jià)。該方法能夠避免單一檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鋼筋腐蝕狀態(tài)造成的誤判斷，使檢測(cè)結(jié)果更全面、更準(zhǔn)確。在運(yùn)用EIR綜合評(píng)估法時(shí)，需要建立數(shù)學(xué)模型，劃分鋼筋腐蝕區(qū)與完好區(qū)，確定三要素變量，建立三元判別函數(shù)，最終計(jì)算出檢測(cè)結(jié)果。在橋梁鋼筋檢測(cè)中應(yīng)用EIR綜合評(píng)估法，能夠達(dá)到以下應(yīng)用效果：能夠提高概率分析結(jié)果的可靠性，綜合考慮影響鋼筋腐蝕的多項(xiàng)因素，對(duì)鋼筋腐蝕狀態(tài)做出完整性的評(píng)價(jià)；能夠構(gòu)建起科學(xué)的鋼筋腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)，提高鋼筋腐蝕檢測(cè)效率。

2.6 聲發(fā)射探測(cè)法

該檢測(cè)方法主要利用聲發(fā)射探頭對(duì)混凝土開裂產(chǎn)生的應(yīng)力波進(jìn)行感知，并將探測(cè)到的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行增益，輸送到采集系統(tǒng)中進(jìn)行處理，最終得出鋼筋腐蝕探測(cè)結(jié)果。該檢測(cè)方法屬于無損檢測(cè)技術(shù)，具備檢測(cè)信息豐富、檢測(cè)速度快速的優(yōu)點(diǎn)。由于會(huì)受到其他檢測(cè)聲波的干擾，其檢測(cè)結(jié)果的精度相對(duì)偏低。在橋梁鋼筋檢測(cè)中應(yīng)用聲發(fā)射探測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)，能夠達(dá)到以下應(yīng)用效果：能夠?qū)︿摻钸M(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，快速確定鋼筋腐蝕部位以及腐蝕破壞范圍；能夠長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕損傷，推演出鋼筋腐蝕變化趨勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，橋梁鋼筋腐蝕檢測(cè)要科學(xué)運(yùn)用無損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)鋼筋腐蝕情況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。在實(shí)際檢測(cè)中，要結(jié)合橋梁工程實(shí)際情況，靈活選用電阻探針法、光纖傳感技術(shù)、自然電位檢測(cè)法、極化電阻法、交流阻抗譜法、EIR綜合評(píng)估法以及聲發(fā)射探測(cè)法，對(duì)橋梁鋼筋腐蝕部位、腐蝕速率、腐蝕程度以及腐蝕發(fā)展?fàn)顩r等方面做全面檢測(cè)，從而為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估及橋梁維修方案制訂提供數(shù)據(jù)支持。