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(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

引言

鋼筋混凝土是目前用量最大的土木材料。在可以預(yù)見的未來(lái)，鋼筋混凝土仍將用量巨大。在鋼筋混凝土的耐久性問題中，鋼筋銹蝕所占的比例很大，造成的損失也很嚴(yán)重。因此，有必要對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕的檢測(cè)方法進(jìn)行研究，從而可以了解鋼筋混凝土的健康狀況，有效地采取相應(yīng)的措施。

混凝土中鋼筋銹蝕的檢測(cè)方法很多，大體可以分為兩大類：破損檢測(cè)技術(shù)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。無(wú)損檢測(cè)包括很多方法，主要分為3類：物理檢測(cè)方法、分析法和電化學(xué)檢測(cè)法等。

1 破損檢測(cè)技術(shù)

混凝土破型檢測(cè)是去掉混凝土保護(hù)層后露出銹蝕的鋼筋，觀察鋼筋的銹蝕情況，再測(cè)定鋼筋因銹蝕造成的橫截面積損失率和質(zhì)量損失率，也可以通過(guò)重力分析法分析鋼筋的銹蝕情況。其中，重力分析法是將表面混凝土打碎后得到的銹蝕鋼筋在克拉克溶液(ASTMG1-81，20 mg三氧化銻+50 mg氯化亞錫+1 L鹽酸)中浸泡25 min，除去鋼筋表面的銹蝕物，從而得到鋼筋銹蝕量[1]。破損檢測(cè)法適合于銹蝕嚴(yán)重的混凝土結(jié)構(gòu)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是非常直觀、準(zhǔn)確性高，缺點(diǎn)是損傷結(jié)構(gòu)、檢測(cè)范圍以及代表性有限[2]。

2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

無(wú)損檢測(cè)在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)構(gòu)件的損傷比較小或無(wú)損傷，這是鋼筋銹蝕檢測(cè)的發(fā)展方向。無(wú)損檢測(cè)可以分為3大類：分析法、物理法和電化學(xué)法，這3類方法的比較見表1。

表1 鋼筋銹蝕狀況測(cè)試方法的比較[3]

2.1 分析法

分析法是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量鋼筋混凝土自身影響鋼筋銹蝕的因素和影響鋼筋銹蝕的外部環(huán)境因素及不同時(shí)期等影響因子數(shù)據(jù)，分析推斷鋼筋的銹蝕情況[4]。分析法的關(guān)鍵：一是準(zhǔn)確測(cè)量鋼筋銹蝕的影響因子，掌握混凝土自身以及環(huán)境的影響因素；二是建立的銹蝕預(yù)測(cè)模型。其中以采用的鋼筋銹蝕預(yù)測(cè)模型尤為重要?，F(xiàn)有的鋼筋銹蝕速率的模型主要包括：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、反?yīng)(氧氣擴(kuò)散與混凝土電阻率)控制模型和電化學(xué)模型[5]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)單易操作，缺點(diǎn)是理論不足、應(yīng)用有局限性；反應(yīng)控制模型具有一定的理論基礎(chǔ)，但是沒有考慮到電化學(xué)反應(yīng)是鋼筋銹蝕的本質(zhì)；電化學(xué)模型是根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)建立的模型，由于復(fù)雜很難用于工程實(shí)際。

2.2 物理檢測(cè)法

物理檢測(cè)法主要是通過(guò)測(cè)定鋼筋銹蝕引起物理特性的變化來(lái)反映鋼筋的銹蝕情況[6]。物理檢測(cè)法主要包括：電阻棒法、射線法、聲發(fā)射探測(cè)法、紅外熱像法以及基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法等。物理檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，受環(huán)境的影響小。其缺點(diǎn)是只能用于定性分析，比較難以進(jìn)行定量分析，目前基本停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

2.2.1 電阻棒法

電阻棒法是測(cè)量因鋼筋銹蝕引起的鋼筋電阻值變化，再運(yùn)用導(dǎo)電原理推斷鋼筋的剩余截面積[7]，從而判斷鋼筋銹蝕的檢測(cè)方法。由于這種方法是對(duì)電阻的測(cè)量，所以容易受溫度、濕度等的影響。該法通常是在澆筑混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)預(yù)先埋設(shè)電阻探頭，較適用于均勻腐蝕的場(chǎng)合，對(duì)于以局部腐蝕為特征的鋼筋，則無(wú)法定量檢測(cè)其腐蝕速度[8]。

2.2.2 射線法

射線法是用X射線或γ射線拍攝混凝土中鋼筋的照片，從而觀察鋼筋的銹蝕狀況[3]。射線法的優(yōu)點(diǎn)是直觀，缺點(diǎn)是只能定性判斷，不能定量測(cè)量。

2.2.3 聲發(fā)射法

鋼筋銹蝕產(chǎn)物會(huì)發(fā)生體積膨脹，從而導(dǎo)致周圍混凝土開裂。在混凝土開裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波。聲發(fā)射法是采用儀器接收這種應(yīng)力波，從而確定鋼筋發(fā)生銹蝕膨脹的確切位置[3]。聲發(fā)射法的缺點(diǎn)是容易受到非檢測(cè)聲波的干擾，因此可能出現(xiàn)判斷誤差。

2.2.4 紅外熱像法

紅外熱像法是通過(guò)測(cè)量混凝土表面的溫度分布圖的變化來(lái)分析鋼筋銹蝕的位置和程度[3]。其原理是鋼筋銹蝕會(huì)引起銹蝕部位的結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生變化，這些變化會(huì)導(dǎo)致鋼筋輻射出來(lái)的紅外線不同。紅外熱像法分兩步進(jìn)行操作：利用電磁感應(yīng)的方法加熱鋼筋；用紅外熱像儀進(jìn)行成像。采用紅外熱像法的優(yōu)點(diǎn)是可以避免混凝土其他損傷的干擾。

2.2.5 基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法

基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法是利用鋼筋的鐵磁屬性并且鋼筋的缺陷會(huì)引起外加磁場(chǎng)擾動(dòng)，通過(guò)外加磁場(chǎng)擾動(dòng)狀況判斷鋼筋的損傷程度[7]。試驗(yàn)方法是：給鋼筋施加足夠強(qiáng)度的外磁場(chǎng)，使鋼筋完全磁化，這時(shí)磁場(chǎng)順著鋼筋的方向移動(dòng)；此時(shí)鋼筋橫截面積的任何變化都會(huì)引起磁通量的變化，通過(guò)磁通量的變化可以得知鋼筋橫截面積的變化。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)一次測(cè)量可以知道整個(gè)構(gòu)件鋼筋銹蝕的情況。

2.2.6 光纖傳感器

光纖傳感器是利用光子(photon)在玻璃或者有機(jī)纖維中沿長(zhǎng)度方向傳播，當(dāng)纖維應(yīng)變、溫度、界面改變時(shí)，光的波長(zhǎng)、能流密度、頻率、偏振態(tài)、相位發(fā)生變化的性質(zhì)制作的傳感器[9]。利用光纖檢測(cè)鋼筋銹蝕時(shí)主要有兩種方法[10]：用光纖對(duì)鋼筋混凝土周圍的環(huán)境因子進(jìn)行檢測(cè)；利用布拉格光柵對(duì)應(yīng)變的敏感性對(duì)鋼筋的銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)。王彥等[10]通過(guò)長(zhǎng)周期的光纖對(duì)鋼筋的銹蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，這種方法操作簡(jiǎn)單，而且測(cè)量不易受到環(huán)境的影響。光纖傳感器可以對(duì)鋼筋的銹蝕情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但其在混凝土中的封裝耐久性問題亟待解決。

2.3 電化學(xué)方法

電化學(xué)方法是通過(guò)測(cè)定鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性來(lái)確定混凝土中鋼筋銹蝕程度或速度[6]。因此，電化學(xué)方法能反映鋼筋腐蝕的本質(zhì)。它具有靈敏度高、原位測(cè)量、可連續(xù)跟蹤和測(cè)試速度快等優(yōu)點(diǎn)[8]。電化學(xué)方法主要包括：半電池電位法、交流阻抗法、線性極化法、混凝土電阻率法等。常用的電化學(xué)檢測(cè)方法的比較見表2。

表2 常用的電化學(xué)方法的比較[11]

2.3.1 半電池電位法

半電池電位法是測(cè)定鋼筋/混凝土組成的電極和混凝土表面的銅/硫酸銅參考電極的電位差，通過(guò)電位差評(píng)定鋼筋的銹蝕狀態(tài)[12]。參考電極的電位比較穩(wěn)定，而鋼筋/混凝土電極會(huì)因?yàn)殇摻畹匿P蝕而發(fā)生電位的變化。因此可以通過(guò)電位變化判斷鋼筋的銹蝕狀況。半電池電位法是電化學(xué)測(cè)試方法中一種簡(jiǎn)單有效的方法，在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的適用性都很好。它的缺點(diǎn)是只能定性地對(duì)鋼筋銹蝕可能性作判斷，不能定量測(cè)定鋼筋的銹蝕速率[13]。半電池法的具體判斷標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 半電池電位法鋼筋銹蝕判斷標(biāo)準(zhǔn)[13]

2.3.2 交流阻抗法

交流阻抗技術(shù)的基礎(chǔ)是：對(duì)電極施加強(qiáng)度很小的交流信號(hào)，并且不會(huì)改變?cè)姌O體系的性質(zhì)，則可以認(rèn)為輸入與輸出信號(hào)之間呈線性關(guān)系[14]。交流阻抗法所用的交流信號(hào)對(duì)鋼筋銹蝕體系的影響較小，且可確定電極過(guò)程的電化學(xué)參數(shù)和控制步驟[11]。這是一種能反映鋼筋的電化學(xué)行為和材料本身性質(zhì)的方法，比較適合用于鋼筋銹蝕機(jī)理的研究。交流阻抗法也存在一些缺點(diǎn)，例如：試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理繁瑣、只適合在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)操作等。

2.3.3 線性極化法

Skold和Larson在1957年發(fā)現(xiàn)，極化電位與外加極化電流在電流極化密度低的情況下近似成直線關(guān)系，這條直線的斜率與銹蝕速率成反比例關(guān)系[15]。線性極化法是定量研究混凝土中鋼筋腐蝕速率的一種最簡(jiǎn)單的電化學(xué)方法，所用儀器簡(jiǎn)便，測(cè)量速度快，而且結(jié)果容易處理，適合實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)使用[14]。其缺點(diǎn)是對(duì)儀器的精度要求較高。

2.3.4 混凝土電阻率法

混凝土的導(dǎo)電性是水泥漿體孔隙液中離子流動(dòng)時(shí)發(fā)生的電解過(guò)程[16]。有研究者發(fā)現(xiàn)混凝土的電阻率與鋼筋的腐蝕速率成反比[13]?；炷岭娮杪实臏y(cè)量必須要有兩個(gè)電極，其中有一個(gè)電極可以是鋼筋?；炷岭娮杪试囼?yàn)通過(guò)施加外部電壓，測(cè)量電流，兩者的比值為混凝土的電阻。此方法還可以根據(jù)具體的操作方法分為四探針法、圓盤法和兩級(jí)法。電阻率檢測(cè)法設(shè)備簡(jiǎn)單、適應(yīng)范圍廣，但是容易受環(huán)境條件的影響，而且混凝土電阻率法所測(cè)數(shù)據(jù)的離散性高[17]。用電阻率判定鋼筋銹蝕程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 用混凝土的電阻率判定鋼筋銹蝕程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[18]

2.4 鐵離子檢測(cè)法

混凝土中鋼筋銹蝕是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，反應(yīng)產(chǎn)物主要包括Fe2O3、Fe3O4、FeCl3、Fe2(SO4)3等，其中以氧化鐵的含量最高。由于氧化鐵是從鋼筋的表面向混凝土表面擴(kuò)散，所以從混凝土表面到鋼筋表面鐵離子應(yīng)該呈梯度分布。耿建生等[19]以這種原理對(duì)鋼筋的銹蝕進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)兩組試樣Fe2O3的含量明顯地隨鋼筋銹蝕度的變化而呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。鐵離子檢測(cè)法是鋼筋銹蝕的一種無(wú)損檢測(cè)方法，但對(duì)所取試樣的要求比較高。試樣必須沒有遭受污染，否則所測(cè)量的結(jié)果是無(wú)效的。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕的檢測(cè)方法很多并且在不斷的發(fā)展中，其中實(shí)驗(yàn)室內(nèi)基于電化學(xué)原理的數(shù)值模擬和工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀的研發(fā)是今后混凝土中鋼筋銹蝕研究的重點(diǎn)[20]，無(wú)損檢測(cè)是鋼筋混凝土構(gòu)件檢測(cè)的發(fā)展方向。在檢測(cè)的過(guò)程中，建議先掌握鋼筋混凝土本身及其所處環(huán)境中影響鋼筋銹蝕的因素，用分析法對(duì)鋼筋的銹蝕情況進(jìn)行評(píng)估，再運(yùn)用其他無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行分析判斷，最后在條件允許的情況下用破損試驗(yàn)進(jìn)行最終的判定。

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