李 艷

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092；2.上海市政工程檢測(cè)中心有限公司，上海市 201114）

0 引言

近年來,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題成為了結(jié)構(gòu)工程學(xué)科研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn),受到工程界的普遍關(guān)注和重視。鋼筋銹蝕是耐久性研究中的核心問題,在使用期間對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行銹蝕檢測(cè)、評(píng)估,不僅是工程建設(shè)安全的要求,也是結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響主要體現(xiàn)在三方面。其一，鋼筋銹蝕直接使鋼筋截面減小，從而使鋼筋的承載力下降，極限延伸率減少；其二，鋼筋銹蝕產(chǎn)生的體積比銹蝕前的體積大得多（一般可達(dá)2～3倍），體積膨脹壓力使鋼筋外圍混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，發(fā)生順筋開裂，使結(jié)構(gòu)耐久性降低；其三，鋼筋銹蝕使鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力下降[1]。因此，鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力和適用性都造成了嚴(yán)重影響，由此帶來的維修與加固費(fèi)用也是相當(dāng)昂貴的。因此，檢測(cè)結(jié)構(gòu)混凝土中鋼筋的銹蝕狀況是一項(xiàng)重要的參數(shù)。

本文對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土鋼筋銹蝕無損檢測(cè)的評(píng)定方法進(jìn)行探討，針對(duì)綜合分析法帶有一定的主觀性，且依賴一定的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的缺點(diǎn)，提出對(duì)其進(jìn)行量化的辦法，結(jié)合具體工程實(shí)際，驗(yàn)證方法的可行性，為工程實(shí)際中應(yīng)用提供有實(shí)用價(jià)值的參考。

1 鋼筋發(fā)生銹蝕的原理

鋼筋的銹蝕是指鋼筋接觸到周圍的氣體或液體后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使金屬（或合金）腐蝕損耗的過程。鋼筋腐蝕是由于在混凝土中形成了腐蝕微電池：陽極是進(jìn)行氧化反應(yīng)的金屬，即發(fā)生銹蝕的鋼筋部位，失去電子，陰極進(jìn)行還原反應(yīng)，得到電子，電解液是混凝土的孔溶液，傳輸電子，使陰極和陽極連接起來。

由腐蝕電池的電化學(xué)反應(yīng)過程可以看出，鋼筋的銹蝕即腐蝕電池的發(fā)生需要三個(gè)條件：第一，腐蝕電池陽極和陰極的存在；第二，混凝土保護(hù)層被碳化到鋼筋表面，失去了對(duì)鋼筋的保護(hù)作用；第三，鋼筋表面必須有電化學(xué)反應(yīng)和離子擴(kuò)散所需要的水和氧氣。

混凝土的高堿性在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，有效保護(hù)鋼筋，所以在正常情況下混凝土中的鋼筋不會(huì)銹蝕。

2 鋼筋銹蝕狀況無損檢測(cè)方法

由鋼筋發(fā)生銹蝕的原理以及發(fā)生銹蝕需要的三個(gè)條件，歸納出鋼筋銹蝕的無損檢測(cè)方法主要分為三類：綜合分析法、物理檢測(cè)法、電化學(xué)檢測(cè)法[2]。

綜合分析法：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的鋼筋直徑、保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、有害離子的浸入深度及其含量、縱向裂縫寬度等數(shù)據(jù),綜合考慮構(gòu)件所處的環(huán)境情況推斷鋼筋腐蝕程度。

物理方法：主要通過測(cè)定鋼筋引起電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲波傳播等物理特性的變化來反映鋼筋腐蝕情況,主要方法有電阻探針法、X光照相法、渦流探測(cè)法、射線法、紅外線熱像法、聲發(fā)射探測(cè)法等。目前國內(nèi)外的物理方法還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

電化學(xué)方法：混凝土中鋼筋腐蝕是一個(gè)電化學(xué)過程,電化學(xué)測(cè)量是反映其本質(zhì)過程的有力手段,與分析法或物理法相比,電化學(xué)方法還有測(cè)試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),因而電化學(xué)檢測(cè)方法得到了很大的重視和發(fā)展。主要方法有半電池電位法、線性極化電阻法、交流阻抗譜法、恒電流脈沖法、掃描參比電極方法等。

3 綜合分析法量化研究

目前檢測(cè)方法大都只能檢測(cè)單個(gè)方面的因素，檢測(cè)結(jié)果判定的是發(fā)生銹蝕的概率（可能性）或速率，而不能定量反映銹蝕后的有效截面積和發(fā)生銹蝕后的使用壽命。往往需要多種方法結(jié)合，綜合各種因素并配合剔鑿法驗(yàn)證，分析判斷鋼筋銹蝕的狀況。因此，綜合分析法是判斷鋼筋銹蝕狀況的重要手段。

綜合分析法的優(yōu)點(diǎn)是快速、經(jīng)濟(jì)，而且在橋梁的定期結(jié)構(gòu)檢查和特殊檢查中，包含了對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土周邊環(huán)境，混凝土質(zhì)量，碳化深度，保護(hù)層厚度、強(qiáng)度，有害離子的含量，縱向裂縫的檢查和檢測(cè)，在這些因素檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)之上，對(duì)鋼筋銹蝕狀況的銹蝕分析就更加方便、快速和經(jīng)濟(jì)。

綜合分析法也有它的缺點(diǎn)，該方法是一種定性的測(cè)量方法，對(duì)材料損失不能提供定量的評(píng)價(jià)，同時(shí)，缺乏靈敏度，還帶有一定的主觀性，依賴一定的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。因此，目前常常作為銹蝕檢查方法的一種輔助手段。

基于綜合分析法顯著的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本文提出一種對(duì)該方法進(jìn)行定量的辦法，克服其不能提供定量評(píng)價(jià)、主觀、依賴經(jīng)驗(yàn)的缺點(diǎn)，指導(dǎo)沒有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員，應(yīng)用該方法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)混凝土中鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行分析。

3.1 確定影響銹蝕的因素

依據(jù)混凝土中鋼筋銹蝕發(fā)生的機(jī)理，結(jié)合《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）以及大量工程實(shí)踐，綜合眾多影響鋼筋銹蝕的因素，從其中篩選出影響最大且最常見的七種因素，它們分別是：周邊環(huán)境、混凝土質(zhì)量、碳化深度、保護(hù)層厚度、強(qiáng)度、有害離子的含量、縱向裂縫[3]。

3.2 計(jì)算各影響因素的權(quán)值

采用模糊一致矩陣法確定出綜合分析法的各種影響因素的權(quán)重Wi，進(jìn)而得出評(píng)定鋼筋銹蝕的方法[4，5]。

模糊判斷矩陣B表示針對(duì)上一層某元素，本層次與之有關(guān)元素之間相對(duì)重要性的比較，構(gòu)造時(shí)采用“0-1”標(biāo)度法。模糊判斷矩陣中隱含了各因素指標(biāo)的權(quán)值，B中元素bij與權(quán)值Wi和Wj的關(guān)系為：

權(quán)值Wi的計(jì)算公式為：

根據(jù)上述模糊判斷矩陣?yán)碚摵凸剑罁?jù)大量工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和向?qū)＜易稍?，判斷每個(gè)因素對(duì)鋼筋銹蝕的重要程度，計(jì)算得出表1中所列的判斷矩陣及權(quán)值Wi的計(jì)算結(jié)果。

表1 模糊一致判斷矩陣

3.3 銹蝕評(píng)價(jià)方法

首先按照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）對(duì)橋梁混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果按表2確定每個(gè)銹蝕因素的Ei值，再結(jié)合模糊判斷矩陣計(jì)算得出的Wi按照表3的公式計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)混凝土鋼筋銹蝕評(píng)定標(biāo)度E，最后由E和Ei值按表4確定鋼筋銹蝕等級(jí)。

表2 各影響因素的評(píng)定標(biāo)度劃分[6]

表3 橋梁結(jié)構(gòu)混凝土鋼筋銹蝕評(píng)定標(biāo)度[6]

表4 鋼筋銹蝕狀況評(píng)定

4 工程應(yīng)用

工程一：多跨簡(jiǎn)支梁橋，橋梁全長(zhǎng)481.62 m，橋面寬33.9 m，其跨徑組合為22.90 m+22.96 m×3+23.09 m+30.00 m+41.00 m+39.00 m+43.00 m+30.00 m+23.09 m+22.96 m×6+22.90 m=481.62 m。該橋上部結(jié)構(gòu)采用兩種形式，跨徑30.00 m及以上的橋跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，共5跨，混凝土標(biāo)號(hào)為50號(hào)，其它均為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，混凝土標(biāo)號(hào)為40號(hào)。

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁馬蹄底面混凝土出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫沿預(yù)應(yīng)力筋走向，且裂縫長(zhǎng)期滲水，有鐘乳石狀白色析出物，現(xiàn)場(chǎng)照片見圖1。

圖1 工程一現(xiàn)場(chǎng)照片

工程二：沿海地區(qū)一座三跨簡(jiǎn)支梁橋，橋長(zhǎng)36m，橋面寬24.00 m，其跨徑組合為10 m+16 m+10 m=36 m。該橋的一側(cè)橋臺(tái)的臺(tái)帽出現(xiàn)多條豎向裂縫，縫寬超限，現(xiàn)場(chǎng)照片見圖2。

圖2 工程二現(xiàn)場(chǎng)照片

為了解混凝土中鋼筋的銹蝕情況，對(duì)兩個(gè)工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，按照表1計(jì)算方法得到鋼筋銹蝕評(píng)價(jià)結(jié)果，見表5。

表5 鋼筋銹蝕評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表4的結(jié)果，工程一鋼筋銹蝕評(píng)定標(biāo)度E在[1.00,2.00]且所有影響因素的評(píng)定標(biāo)度Ei均小于5，鋼筋銹蝕評(píng)定等級(jí)為1，鋼筋不會(huì)銹蝕。工程一鋼筋銹蝕評(píng)定標(biāo)度E在（3.00,5.00]且有一項(xiàng)影響因素的評(píng)定標(biāo)度Ei為5，鋼筋銹蝕評(píng)定等級(jí)為3，鋼筋有銹蝕的可能性很大。

為驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果，鑿除鋼筋處混凝土保護(hù)層。工程一現(xiàn)場(chǎng)照片見圖3，鋼絞線和縱向主筋均未見銹蝕。工程二現(xiàn)場(chǎng)照片見圖4，臺(tái)帽處豎向構(gòu)造筋銹蝕明顯?？梢姴捎帽疚奶岢龅牧炕C合分析法的評(píng)價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際相符。

5 結(jié)語

本方法結(jié)合現(xiàn)行橋梁檢測(cè)規(guī)范，對(duì)鋼筋銹蝕無損檢測(cè)方法中的綜合分析法進(jìn)行量化研究，發(fā)揚(yáng)其方便快捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，克服其不能提供定量評(píng)價(jià)、主觀、依賴經(jīng)驗(yàn)的缺點(diǎn)，使綜合分析法更具實(shí)用價(jià)值，并指導(dǎo)工程經(jīng)驗(yàn)不夠豐富的檢測(cè)人員，應(yīng)用該方法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)混凝土中鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行分析評(píng)定。

圖3 工程一鑿除混凝土保護(hù)層后現(xiàn)場(chǎng)照片

圖4 工程二鑿除混凝土保護(hù)層后現(xiàn)場(chǎng)照片

[1]藺洪臣，李麗莎.淺談水工混凝土中鋼筋銹蝕檢測(cè)技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（11）：40-43.

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[6]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].