水工混凝土鋼筋銹蝕檢測中半電池電位法的應(yīng)用

莊文新

(彰武縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 彰武 123200)

0 引 言

鋼筋銹蝕是評定水工結(jié)構(gòu)安全等級所必須考慮的問題，也是決定結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素之一[1-2]。一直以來，因鋼筋銹蝕造成的水利工程損壞事例頻繁發(fā)生，并帶來了較大的經(jīng)濟損失及較多的工程事故?？傮w上，鋼筋銹蝕對水工結(jié)構(gòu)的影響體現(xiàn)在3個方面：①混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)力因鋼筋銹蝕而不斷下降；②較銹蝕之前鋼筋銹蝕后的體積明顯增大，鋼筋外圍混凝土受體積膨脹壓力作用產(chǎn)生拉應(yīng)力，順筋開裂并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性下降；③鋼筋銹蝕導(dǎo)致截面有效面積減小，使得鋼筋承載力和極限延伸率大大減小。因此，必須高度重視結(jié)構(gòu)的適用性和承載力受鋼筋銹蝕的影響，科學(xué)研究鋼筋銹蝕檢測技術(shù)，可為科學(xué)評價水利工程安全狀態(tài)提供可靠依據(jù)。

1 半電池點位法

1.1 基本原理

半電池電位法是一種依據(jù)鋼筋腐蝕電位(即鋼筋上某區(qū)域的混合電位)來評判鋼筋銹蝕狀況的電化學(xué)無損檢測方法，腐蝕電位反映了金屬的抗腐蝕能力[3]。鋼筋的鈍化區(qū)和陽極區(qū)擁有不同的腐蝕電位，鈍化狀態(tài)的鋼筋腐蝕電位偏正，而銹蝕(活化)狀態(tài)下的鋼筋腐蝕電位偏負[4-5]。檢測過程中使用“混凝土+鋼筋”半電池與“銅+硫酸銅飽和溶液”半電池構(gòu)成一個全電池系統(tǒng)，全電池系統(tǒng)中“銅+硫酸銅飽和溶液”具有相對恒定的電位值，全電池電位受鋼筋銹蝕發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)變化，故以鋼筋表面各點的電位作為鋼筋銹蝕狀態(tài)的評定依據(jù)。

1.2 檢測方法

半電池電位檢測前要先配置Cu+CuSO4飽和液，配置過程中以生成少量Cu+CuSO4結(jié)晶沉淀為準(zhǔn)。該方法將混凝土作為電解質(zhì)，所以必須預(yù)先濕潤混凝土結(jié)構(gòu)表面。一般地，采用純凈水+適量清潔劑調(diào)成的混合液濕潤水工結(jié)構(gòu)表面與鋼筋銹蝕儀測試端海綿，檢測過程中保持混凝土濕潤，并且表面無自由水。對于電阻足夠小或難以形成閉合電路的情況，應(yīng)對任意兩鋼筋間的電阻用多用表進行檢測，確保電阻≤1。海綿濕潤端與測定儀另一端分別與結(jié)構(gòu)表面、鋼筋接觸，有出露鋼筋時能夠快速簡便的連接，檢測時確保測區(qū)鋼筋的正常連接；否則，應(yīng)將測區(qū)附近的混凝土保護層鑿除使鋼筋外露，再連接鋼筋，以鋼筋網(wǎng)節(jié)點作為最佳連接處。連接時要打磨鋼筋表面的銹斑或鈍化膜，確保線路與新鋼筋面的連接[6-7]。

檢測過程中，測點及測線位置應(yīng)結(jié)合鋼筋實際分布合理確定，一般以鋼筋間距作為測點與測線間距，準(zhǔn)確讀取電位值，保持鋼筋銹蝕測定儀讀數(shù)穩(wěn)定后記錄并保存各測點的電位值。

2 實例應(yīng)用

2.1 工程概況

遼寧省某水庫是一座以工農(nóng)業(yè)供水為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖、發(fā)電、防洪排澇等功能的水利樞紐工程。小湯河流域面積478.85km2，干流河長37.4km，河道比降4.61‰，壩址以上30.13 km，控制范圍176.77 km2，占整個流域的35.29%。水庫位置十分重要，水庫的安全運行對本溪市經(jīng)濟社會發(fā)展以及下游沿河居民安全起著至關(guān)重要的作用。

水庫主要包括電站、泄洪輸水洞、溢洪道和混凝土面板堆石壩等組成部分，經(jīng)現(xiàn)場檢查：

1)大壩頂高程滿足要求，壩頂混凝土出現(xiàn)多條縱向貫穿裂縫，裂縫長度約20-50m，縫寬約5-10mm；下游背水坡混凝土溢流面風(fēng)化破損嚴(yán)重；下游挑流反弧段混凝土風(fēng)化破損嚴(yán)重且溢流面與壩體挑坎接觸處存在破損；下游消能設(shè)施破損嚴(yán)重，干砌石消能護底局部段存在塌方，東側(cè)存在沖刷坑。

2)輸水洞進口攔污柵損壞，梯級臥管部分進口被堵塞，已不能使用；輸水洞消力池破損嚴(yán)重，已不能使用；輸水洞出口退水閘門全部損壞。

3)縱梁與主梁連接處及溢洪道閘門支臂鉸座銹蝕，止水不嚴(yán)[8-11]。

為保證水庫大壩的安全運行，進一步驗證安全評價及鑒定報告所述工程問題，更加科學(xué)的設(shè)計水庫除險加固工程，有必要全面檢測水工建筑物運行狀況，其中溢洪道鋼筋銹蝕檢測是水工建筑物安全評價的重要內(nèi)容之一。

2.2 檢測儀器設(shè)備

本次選用混凝土鉆孔取樣機、KON-RBL(D+)型保護層及鋼筋位置測定儀、KON-XSY型鋼筋銹蝕儀等儀器設(shè)備，檢測關(guān)門山水庫溢洪道鋼筋混凝土鋼筋銹蝕狀況。

2.3 現(xiàn)場檢測流程

1)測點布設(shè)。在溢洪道閘門支臂鉸座及縱梁與主梁連接處布置7個檢測區(qū)，每個測區(qū)布設(shè)測點20個。具體而言，在混凝土表面用鋼筋位置測定儀掃描，準(zhǔn)確掌握鋼筋分布情況并做好標(biāo)記，然后結(jié)合鋼筋實際分布合理選擇測點。

2)電位測試。將預(yù)先配置好的Cu+CuSO4飽和溶液按照一定順序連接主機與金屬電極、主機與電位電極，接通電源開機，設(shè)置測試類型、測區(qū)序號、環(huán)境溫度、測點間距等參數(shù)，在測區(qū)測點上和鑿開的鋼筋上夾持連接電位電極、金屬電極，保持結(jié)構(gòu)表面與電位電極垂直，施加一定的壓力測試并保存各測點電位值。待各測區(qū)所有測點的電位測試完成后，修補鋼筋鑿開處的混凝土，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并用電腦軟件完成相應(yīng)的處理分析。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1)電位數(shù)據(jù)等值線圖。溢洪道閘門支臂鉸座及縱梁與主梁連接處7個測區(qū)，電位等值線，見圖1。實際上，電位等值線圖就是測區(qū)內(nèi)的電位等值線，其繪制依據(jù)是測試的各測點電位數(shù)據(jù)。其中，數(shù)字為各測點的電位值(mV)，x、y軸為橫向、縱向鋼筋走向，被檢測構(gòu)件的銹蝕走向和分區(qū)可以通過電位等值線圖來描述。

圖1 電位等值線圖

2)判定標(biāo)準(zhǔn)。選擇電位測試結(jié)果的評定依據(jù)為《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，鋼筋銹蝕狀態(tài)與鋼筋電位判別標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 鋼筋銹蝕狀態(tài)與鋼筋電位判別標(biāo)準(zhǔn)

3)結(jié)果分析。從電位等值線圖可以看出，溢洪道閘門支臂鉸座及縱梁與主梁連接處7個測區(qū)電位均勻、隨機分布，整體未表現(xiàn)出規(guī)律性破壞，即沿鋼筋布置方向銹蝕概率未呈現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢?；诎腚姵仉娢环ǖ匿摻钿P蝕檢測結(jié)果，見表2。

表2 基于半電池電位法的鋼筋銹蝕檢測結(jié)果

續(xù)表2 基于半電池電位法的鋼筋銹蝕檢測結(jié)果

從表2可以看出，溢洪道閘門支臂鉸座及縱梁與主梁連接處7個測區(qū)電位值均超過-200mV，可以判定為銹蝕概率為5%，銹蝕活動性不確定?？紤]到測區(qū)的布設(shè)情況，整個結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕電位可以利用上述7個測區(qū)的檢測結(jié)果來衡量，鋼筋銹蝕電位平均值處于-158--85mV之間，均>-200mV的標(biāo)準(zhǔn)，這表明各測區(qū)電位檢測結(jié)果具有較好的一致性，因此可以判定為銹蝕概率5%，銹蝕活動性不確定。

2.5 現(xiàn)場取筋驗證

為驗證半電池電位法檢測結(jié)果以及更加直觀地了解鋼筋銹蝕情況，隨機選擇A-3測區(qū)、A-7測區(qū)進行鉆孔取樣，在A-3、A-7測區(qū)各鉆取1截鋼筋并測得電位為-160mV和-30mV。結(jié)果表明：①A-3測區(qū)鋼筋未發(fā)生銹蝕，鋼筋總體完整，混凝土保護層有少量銹跡；②A-7測區(qū)沒有銹蝕，鋼筋完整，混凝土保護層較好。研究表明，現(xiàn)場取筋檢測結(jié)果與半電池檢測的情況基本相符。

3 結(jié) 論

半電池電位法是一種發(fā)展較為成熟的無損檢測技術(shù)，因具有直觀、快捷、高效等優(yōu)勢，在鋼筋銹蝕概率檢測等水利工程領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，在不破壞結(jié)構(gòu)完整性的條件下真實反映混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕狀況，為水庫除險加固工程設(shè)計提供強有力的技術(shù)支持。雖然半電池電位法僅僅是對鋼筋銹蝕的可能性(概率)進行判定，但該方法實現(xiàn)了鋼筋銹蝕發(fā)展走向、分布情況的預(yù)判，對水庫加固措施、防銹蝕處理和結(jié)構(gòu)安全性評價等具有重要意義。