混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測(cè)與加固技術(shù)

王錫武

(長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000 )

0 前 言

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性可以定義為混凝土結(jié)構(gòu)受工作環(huán)境的外部因素和材料本身內(nèi)部因素的影響作用，在預(yù)定服役期內(nèi)可有效抵御外界環(huán)境因素和內(nèi)部因素影響而不需花費(fèi)大量的費(fèi)用對(duì)其進(jìn)行維修加固，仍能保持應(yīng)有的適用性和安全性的功能狀態(tài)[1]。針對(duì)混凝土耐久性影響因素主要有三種[2],①外部環(huán)境:結(jié)構(gòu)本身受使用環(huán)境和自然環(huán)境侵蝕影響;②使用功能:對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性功能因素是關(guān)于功能與年限相關(guān)聯(lián)的多維函數(shù);③經(jīng)濟(jì)適用性:混凝土結(jié)構(gòu)本身在正常使用年限內(nèi)(設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的環(huán)境因素)不需要大范圍的修復(fù)。服役環(huán)境及材料內(nèi)因的影響是指受物理或化學(xué)因素影響,根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)服役環(huán)境、受損機(jī)理、形態(tài)特征以及現(xiàn)有傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)積累,現(xiàn)將混凝土結(jié)構(gòu)服役環(huán)境分為以下六個(gè)類別：大氣、土壤、海洋、環(huán)境水影響、化學(xué)離子侵蝕和特殊服役環(huán)境。然而對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性又是綜合性能的體現(xiàn)，同時(shí)包含結(jié)構(gòu)本身承載能力和正常使用以及期間的維修，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性只有承載能力極限和正常使用極限的兩個(gè)狀態(tài)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：混凝土結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境影響較大，隨著環(huán)境變化而發(fā)生耐久性的變化，這是一個(gè)漸變的過程[3-4]。如果條件允許，可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，這樣才能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有更加深刻的認(rèn)識(shí)，通過一系列的研究進(jìn)而相應(yīng)地減少維修費(fèi)用，達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)和節(jié)能的目的。

1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測(cè)技術(shù)

1.1 保護(hù)層厚度和鋼筋位置檢測(cè)技術(shù)

現(xiàn)階段針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度和鋼筋位置檢測(cè)主要分為有損和無損檢測(cè)，對(duì)于有損檢測(cè)手段和方法，常以開鑿法為主，對(duì)鋼筋位置和保護(hù)層厚度進(jìn)行直接測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是比較直觀，準(zhǔn)確率較高，但對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件造成一定的損傷，不宜在結(jié)構(gòu)受力不利處進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)目也不宜過多；相較于有損檢測(cè)，無損檢測(cè)是當(dāng)下最便捷的檢測(cè)手段，主要檢測(cè)原理是基于電磁法，使用最廣泛的是鋼筋保護(hù)層厚度測(cè)定儀[5]，無損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，對(duì)結(jié)構(gòu)主體幾乎實(shí)現(xiàn)無損傷。

1.2 碳化深度檢測(cè)技術(shù)

對(duì)正在服役的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)，通常采用回彈法，評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性時(shí)，混凝土碳化深度可作為一項(xiàng)重要參數(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)混凝土碳化深度檢測(cè)方法主要有指示劑法，化學(xué)分析法和X射線衍射法。由于指示劑方法操作方便簡(jiǎn)單，故經(jīng)常被采用。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，可采用電鉆對(duì)被測(cè)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆孔，使用氣囊對(duì)鉆孔點(diǎn)的粉末進(jìn)行清理，立即將1%的酚酞試劑用小型噴霧器噴灑在孔壁內(nèi)，在混凝土表面變紅后，采用游標(biāo)卡尺或碳化深度測(cè)量?jī)x測(cè)量不變色的深度，一般不少于三次，最終取平均值。在室內(nèi)可采用壓力試驗(yàn)機(jī)將被測(cè)試件劈開，噴灑酚酞試劑測(cè)量碳化深度，根據(jù)混凝土顏色判斷混凝土結(jié)構(gòu)的pH值的變化，pH≤7為完全碳化區(qū),7≤pH≤12.5為部分碳化區(qū)，pH≥12.5為未碳化區(qū)。

1.3 鋼筋銹蝕檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于鋼筋銹蝕的檢測(cè)主要分為物理檢測(cè)和化學(xué)檢測(cè)兩大種類，物理檢測(cè)分別包括聲發(fā)射、雷達(dá)波反射、X射線照射、磁通量、電渦流、紅外熱譜、膨脹應(yīng)變探頭以及比較簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)取樣稱量；電化學(xué)檢測(cè)方法主要包括恒流脈沖、直流線性極化電阻法、交流阻抗譜、電阻率法、腐蝕電流密度、電化學(xué)噪聲法和電池電位法?，F(xiàn)如今最常采用電化學(xué)方法檢測(cè)鋼筋銹蝕[6]。

1.4 氯離子檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于混凝土抗氯離子滲透的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外主要檢測(cè)方法包括自然擴(kuò)散法、NEL法、RCM[7]、電通量法[8]。國(guó)內(nèi)一般采用硝酸銀溶液對(duì)氯離子的侵入深度和氯離子含量進(jìn)行檢測(cè)[9]。在使用取芯法對(duì)檢測(cè)部位取芯檢測(cè)時(shí)，為使檢測(cè)更加準(zhǔn)確且具有代表性對(duì)數(shù)目要求不得低于三件試樣，取樣前應(yīng)對(duì)氯離子侵入深度進(jìn)行預(yù)估，對(duì)于取樣深度應(yīng)參照相應(yīng)的規(guī)定，分別按照5 mm或10 mm進(jìn)行取樣，侵入結(jié)果采用同層平均值作為氯離子在該層的代表值。

1.5 抗凍性檢測(cè)技術(shù)

針對(duì)混凝土抗凍性檢測(cè)技術(shù)，目前主要有快速凍融法和慢速凍融法，針對(duì)鹽凍還可采用單面凍融，但這些試驗(yàn)僅可在室內(nèi)進(jìn)行并且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，對(duì)既有結(jié)構(gòu)并不適用。對(duì)于影響混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的主要因素主要包括氣泡間距、有效氣泡含量和氣泡平均半徑，對(duì)于既有混凝土結(jié)構(gòu)可采用氣泡間隔系數(shù)對(duì)抗凍性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，該方法的主要優(yōu)勢(shì)是比較快捷并且該方法的試驗(yàn)周期短。

1.6 堿骨料反應(yīng)檢測(cè)技術(shù)

堿骨料反應(yīng)是混凝土內(nèi)部因素[10]，通常表現(xiàn)為混凝土表面有較大范圍的裂縫,裂縫的形狀主要表現(xiàn)為“龍紋狀”或者“地圖狀”,根據(jù)骨料中不同的活性成分,又可以將堿骨料反應(yīng)分為堿碳酸鹽反應(yīng)(ACR)和堿硅酸鹽反應(yīng)(ASR)。對(duì)于檢測(cè)項(xiàng)目主要通過裂縫特征、骨料的活性成分和種類、混凝土結(jié)構(gòu)中的堿含量以及堿性反應(yīng)物的形態(tài)和成分進(jìn)行判斷，對(duì)于堿骨料反應(yīng)在同一工程中潮濕部位更加嚴(yán)重。

只有更加準(zhǔn)確和科學(xué)地對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)論證進(jìn)而為結(jié)構(gòu)服役后的檢測(cè)評(píng)估和維修加固提供參考意義。隨著人們對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性高度重視，對(duì)于今后混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)從材料的微觀檢測(cè)分析著手，緊接著到對(duì)構(gòu)件實(shí)體進(jìn)行檢測(cè)，最后對(duì)結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行系統(tǒng)的論證，這種循序漸進(jìn)的檢測(cè)流程能使檢測(cè)更加系統(tǒng)，這種檢測(cè)方法更有利于提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，使檢測(cè)有一定的依據(jù)性，更加有利于后期的檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，要以定性檢測(cè)到定量檢測(cè)的量變到質(zhì)變的飛躍式進(jìn)步。

2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性加固技術(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性加固技術(shù)主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)損傷部位進(jìn)行修補(bǔ)，通過對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫和鋼筋銹蝕部位進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，阻止結(jié)構(gòu)損傷部位的繼續(xù)惡化使得損傷隱患得以消除，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的使用功能和結(jié)構(gòu)可靠性，使結(jié)構(gòu)達(dá)到加固的目的并有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

PVA-ECC混凝土結(jié)構(gòu)加固方法最早由美國(guó)密歇根大學(xué)的V.C.Li[11]提出，通過在ECC耐久性材料中加入PVA纖維，該方法有助于提高混凝土密實(shí)度進(jìn)而提升混凝土的抗?jié)B性能，從而提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。河南理工大學(xué)的丁亞紅等[12]對(duì)混凝土梁進(jìn)行抗彎加固靜力加載時(shí)，采用七根內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲和非預(yù)應(yīng)力形成對(duì)照試驗(yàn)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲不僅可以有效減小構(gòu)件的撓度，而且能使開裂荷載和屈服荷載以及最大承載得以提升，同時(shí)還可減小或者閉合既有裂縫，限制裂縫寬度和延遲裂縫開展，進(jìn)而可有效提升梁的抗變形能力并改善正常使用狀態(tài)，通過研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲是一種很好的加固方法。江南大學(xué)的畢遠(yuǎn)志等[13]將凱泰(CTA)改性聚丙烯纖維加入到混凝土的結(jié)構(gòu)中，研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維在混凝土結(jié)構(gòu)中起到微筋的作用，主要作用是增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的韌性和抗變形能力，通過抑制裂縫寬度和減少微裂縫數(shù)目的方式進(jìn)而達(dá)到提升混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的目的。丁一等[14]通過研究ECC材料的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，ECC是一種比較先進(jìn)的細(xì)觀微力學(xué)設(shè)計(jì)的工程材料，該材料具有較好的應(yīng)變與硬化特性，通常在小于2%的纖維體積摻量下能使材料具有3%～7%范圍內(nèi)的極限拉應(yīng)變，ECC的加入能使混凝土材料工作時(shí)具有多縫穩(wěn)態(tài)開裂的特點(diǎn)，對(duì)材料的耐久性、安全性和適用性等方面具有很好的提升效果，由于傳統(tǒng)的混凝土普遍存在脆性大，抗拉伸能力較弱的特點(diǎn)，所以ECC在混凝土的加入能使橋梁道路施工以及結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固中具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有對(duì)于混凝土耐久性的加固技術(shù)應(yīng)用實(shí)例也比較多，例如在濟(jì)南市東興商住樓采用強(qiáng)度較高的C50高強(qiáng)度混凝土應(yīng)用在大底盤雙塔流混凝土建筑中，因高強(qiáng)混凝土具有很大的脆性，所以為了充分發(fā)揮高強(qiáng)混凝土的特點(diǎn)，在每立方體混凝土中加入0.9 kg的聚丙烯纖維可有效解決大體積高強(qiáng)度混凝土的開裂問題。2002年在美國(guó)密歇根州，工程人員對(duì)一處破損嚴(yán)重的公路橋梁面板使用大量ECC對(duì)其進(jìn)行加固處理。2003年對(duì)日本廣島的一處已經(jīng)使用了60年的Mitaka水壩進(jìn)行了維修加固處理，對(duì)已經(jīng)存在嚴(yán)重破壞并有開裂破損和漏水的600 m2混凝土結(jié)構(gòu)表面噴涂一層20 mm厚的ECC的覆蓋層，在不影響正常使用情況下對(duì)水壩工程進(jìn)行了快速高效的修復(fù)加固，水壩修復(fù)后工作狀態(tài)良好。

因此，選用一種合適的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法是加固設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵，混凝土結(jié)構(gòu)加固處理是否能合理發(fā)揮原有結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度、剛度和耐久性，主要根據(jù)對(duì)恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)適用性、安全性和正常使用的重要措施

3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性展望

目前對(duì)混凝土的檢測(cè)應(yīng)用技術(shù)主要以質(zhì)量定性檢測(cè)為主，所以在未來的工程檢測(cè)中，對(duì)于鋼筋銹蝕、化學(xué)腐蝕和內(nèi)部缺陷，要結(jié)合定性到定量的檢測(cè)分析方法，通過相應(yīng)地定量檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并加以論證，以此保證在工程檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)階段隨著我國(guó)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，相應(yīng)地出現(xiàn)了越來越多的檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)方法，但都沒有科學(xué)系統(tǒng)的整套標(biāo)準(zhǔn)，使得科學(xué)技術(shù)受到限制，在未來檢測(cè)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室微觀分析，以此從整體上提升檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用效率并保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性。

隨著我國(guó)基建的快速發(fā)展，人們?cè)诟鄧?yán)酷的環(huán)境中修筑了大量的混凝土結(jié)構(gòu)，這些混凝土結(jié)構(gòu)在經(jīng)受超出預(yù)期的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，就會(huì)出現(xiàn)過早破壞，為了達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的，使混凝土結(jié)構(gòu)朝著高耐久和長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，以此未來發(fā)展的關(guān)鍵問題是解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的問題[15-17]。

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