水工混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋分布及銹蝕檢測

栗寶鵑，張美多，王志豪，劉康和，李 琦，李嘉欣

(1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222;2.黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西 太原 030022)

1 引 言

水工建筑物經(jīng)常會出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象。如水閘、大壩、橋梁等水工建筑物銹蝕情況加重，則會引起混凝土保護(hù)層脫落、混凝土膨脹開裂等破壞現(xiàn)象，從而危及水工建筑物的安全運(yùn)行。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的銹蝕情況對水利工程的影響主要體現(xiàn)在三個方面，可總結(jié)為導(dǎo)致鋼筋混凝土性能的“三降”，即承載力下降、耐久性下降和黏結(jié)性下降。如不及時處理，鋼筋銹蝕情況可引起混凝膨脹開裂、混凝土保護(hù)層脫落等現(xiàn)象，因此鋼筋銹蝕檢測也是保證水工結(jié)構(gòu)安全和質(zhì)量的重要因素[1,2]。

影響混凝土質(zhì)量的因素很多，比如原材料、施工方法、施工工藝、機(jī)械配置、環(huán)境條件等，這些因素都會對混凝土質(zhì)量產(chǎn)生直接或間接影響[3]。對水工混凝土建筑物而言，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與裂縫的發(fā)展有關(guān)。裂縫是混凝土建筑物中常見的一種缺陷，其存在會影響水工混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能[2]。沿裂縫滲入的水分會誘發(fā)鋼筋銹蝕和加速混凝土的自然老化，從而對水工建筑物的安全性能產(chǎn)生影響。

2 理論與方法

混凝土質(zhì)量檢測的方法主要分為兩類：一類是有損檢測法，即取樣試驗(yàn)法；另一類是無損檢測法，也就是工程物探方法[2，3]。取樣試驗(yàn)法首先通過鉆孔取樣從混凝土構(gòu)件中鉆取芯樣，然后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)獲知混凝土內(nèi)部缺陷或強(qiáng)度等參數(shù)。該方法優(yōu)點(diǎn)是檢測精度高，其不足在于對混凝土構(gòu)筑物存在損傷，此外，“一孔之見”也難以對混凝土質(zhì)量進(jìn)行全面分析。水工混凝土構(gòu)件中多含有鋼筋結(jié)構(gòu)，究竟在哪里取樣呢？鉆孔位置、鉆頭直徑、鉆孔垂直度等參數(shù)的確定，需要借助無損檢測法[3]，也就是工程物探方法。工程物探方法以地球物理理論為基礎(chǔ)，借助比如彈性波或電磁波在混凝土中的傳播，通過分析其波形、頻率、相位等地球物理參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)對混凝土缺陷的全面檢測和評價。

在針對水工建筑物中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布探測和銹蝕檢測的過程中，需要解決的問題有兩個：其一是混凝土結(jié)構(gòu)探測，探測內(nèi)容除脫空、裂縫等混凝土缺陷之外，還包括鋼筋結(jié)構(gòu)及分布；其二是鋼筋銹蝕情況檢測。結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)探測和鋼筋銹蝕檢測的結(jié)果，便可對混凝土質(zhì)量進(jìn)行綜合分析評價。

針對上述內(nèi)容，擬采用如下技術(shù)流程(圖1)，具體如下：首先，采用探地雷達(dá)法對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋結(jié)構(gòu)及分布進(jìn)行探測；其次，采用半電池電位法對鋼筋銹蝕程度進(jìn)行檢測；第三，結(jié)合裂縫分布及嚴(yán)重程度，對鋼筋銹蝕情況進(jìn)行分析判斷。綜上，可得出鋼筋銹蝕情況分布圖，從而對鋼筋銹蝕性狀進(jìn)行總結(jié)，并對原因進(jìn)行分析判斷，判斷結(jié)果為水工混凝土結(jié)構(gòu)的維修維護(hù)提供了數(shù)據(jù)服務(wù)和決策支持。

圖1 技術(shù)流程Fig.1 Technical flowchart

2.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是一種用于探測地下結(jié)構(gòu)和埋設(shè)物的無損探測設(shè)備。探地雷達(dá)法是一種用于地球淺表成像的地球物理方法，其理論基礎(chǔ)是電磁波傳播原理：當(dāng)電磁波遇到電性(介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率)差異的界面時，傳播路徑、電磁場強(qiáng)度及波形等將因界面的電性差異而產(chǎn)生變化[4-10]。根據(jù)電磁波傳播理論可知，當(dāng)電磁波在質(zhì)量均勻的混凝土中傳播時，不會形成反射波；當(dāng)電磁波遇到鋼筋等目標(biāo)物時，因存在較大的波阻抗差異，則會存在反射現(xiàn)象[11-16]。

根據(jù)電磁波傳播理論，在低頻情況下，其速度與頻率呈線性變化，而當(dāng)頻率增加到一定程度時，電磁波速度將趨于一常數(shù)。

(1)

式中，v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，單位為m/s；c為真空中電磁波傳播速度，單位為m/s；εr為相對介電常數(shù)。

在現(xiàn)有的雷達(dá)設(shè)備中，通常采用電偶極子激發(fā)源，因此離輻射源較遠(yuǎn)的雷達(dá)波通常可視為平面波。根據(jù)波場分析理論可知：

(2)

式中，t為電磁波自地面至反射界面的雙程旅行時，單位為ns；x為發(fā)射天線與接收天線之間的距離，單位為m；h為反射界面的深度，單位為m。

剖面法與寬角法是常用的兩種工作方式。剖面法指的是發(fā)射和接收天線以固定間距沿測線移動并進(jìn)行觀測，測量結(jié)果以雷達(dá)剖面的形式進(jìn)行表示，具有處理簡單、圖像直觀的優(yōu)點(diǎn)。這里采用剖面法進(jìn)行測量。在采用剖面法進(jìn)行測量的過程中，x≈0，此時電磁波旅行時可簡化如下：

(3)

圖2 探地雷達(dá)測試原理示意Fig.2 Schematic diagram of GPR’s testing principle

探地雷達(dá)系統(tǒng)一般由主機(jī)、天線和顯示器三部分組成。工作過程如下(圖2)： 天線包括發(fā)射天線(TX)和接收天線(RX)，TX向地下發(fā)射寬頻帶、短脈沖的電磁波；然后，電磁波經(jīng)地下不同介電性質(zhì)的目標(biāo)反射后返回地面，被接收天線RX接收；主機(jī)也就是控制單元，除控制整個探測過程之外，還控制數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示；數(shù)據(jù)顯示指的是在控制單元的作用下，將包含數(shù)據(jù)剖面在內(nèi)的探測結(jié)果發(fā)送到顯示器上，以便進(jìn)行采集參數(shù)調(diào)整和初步數(shù)據(jù)分析。

探地雷達(dá)常用的掃描方式為橫向掃描，當(dāng)雷達(dá)天線沿測線移動時，測距輪會相應(yīng)記錄下探地雷達(dá)的移動距離，并按照固定間隔在相應(yīng)測點(diǎn)記錄下相應(yīng)的反射信號。各測點(diǎn)的反射信號通過波形疊加在一起，形成具有反射信號振幅、相位、頻率等信息的雷達(dá)剖面，該剖面可以偽彩色或灰度圖的方式顯示，通過對剖面進(jìn)行解釋，可分析地下目標(biāo)的幾何形態(tài)和物理性質(zhì)。

在使用過程中，探地雷達(dá)檢測混凝土裂縫具有速度快、穿透能力強(qiáng)、無需耦合劑等特點(diǎn)，可確定裂縫缺陷的形狀和方向。該方法不足之處是對混凝土裂縫的識別需要借助探地雷達(dá)圖像來進(jìn)行，因此對檢測人員的水平要求較高，除此之外，該方法適用于大尺度混凝土裂縫的監(jiān)測，對局部小尺寸裂縫的識別存在困難。

2.2 半電池電位法

半電池電位法是鋼筋銹蝕無損檢測中的一種電化學(xué)方法，該方法通過測量鋼筋的自然腐蝕電位來判斷鋼筋的銹蝕程度[17-19]。半電池系統(tǒng)是相對于全電池系統(tǒng)而言的，全電位系統(tǒng)采用的是“銅+硫酸銅(Cu+CuSO4)飽和溶液”，電位值相對穩(wěn)定。半電位系統(tǒng)則由“Cu+CuSO4飽和溶液”半電池。與“鋼筋+混凝土”半電池兩部分組成一個全電池系統(tǒng)。根據(jù)混凝土中鋼筋因銹蝕產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)引起的全電池電位變化，可評定鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕作用的前提是鈍化膜被破壞，其主要原因是碳化作用和Cl-離子的侵蝕作用。當(dāng)腐蝕過程進(jìn)行時，其接觸面上會發(fā)生電荷交換，產(chǎn)生電流并發(fā)生極化作用，此時鋼筋電位是一混合電位，混合電位是鋼筋上所有陽、陰極反應(yīng)耦合的結(jié)果，因此也成為自然腐蝕電位?；旌想娢恢饕从车氖墙饘俚目垢g能力，因此，該參數(shù)也是鋼筋銹蝕度檢測的主要參數(shù)。

由Fe—H2O(鐵—水)系的實(shí)驗(yàn)電位—pH圖(圖3)可知，根據(jù)電位的高低，鐵的表面可以分為免蝕區(qū)、腐蝕區(qū)和鈍化區(qū)[11]。但在O2(氧)存在的條件下，鋼筋表面不可能保持免蝕狀態(tài)，因此對混凝土鋼筋的銹蝕程度，主要討論腐蝕區(qū)和鈍化區(qū)。腐蝕區(qū)也稱為活化區(qū)，主要指的是陽極區(qū)，該區(qū)腐蝕速度較快，鈍化區(qū)則指的是陰極區(qū)，腐蝕速度相對較慢。活化區(qū)和鈍化區(qū)分別顯示出不同的腐蝕電位，鋼筋在鈍化時，腐蝕電位升高，電位偏正；當(dāng)鋼筋由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)入活化狀態(tài)時，腐蝕電位降低，電位偏負(fù)。

鋼筋混凝土銹蝕度評價方法主要有兩種：其一為數(shù)值表示法，即根據(jù)檢測數(shù)值或?qū)z測值繪制成直方圖，然后參考半電池電位值評價鋼筋銹蝕度性狀，依據(jù)檢測數(shù)值對鋼筋銹蝕概率進(jìn)行判斷；其二是等值線圖法，通過將電位各點(diǎn)插值繪制成等值線，并將等值線采用不同顏色進(jìn)行填充，然后根據(jù)等值線數(shù)值或色標(biāo)值域范圍對鋼筋銹蝕概率進(jìn)行判斷。

圖3 Fe—H2O系的實(shí)驗(yàn)電位—pH圖[11]Fig.3 Diagram of experimental potential-pH for Fe—H2O series[11]

半電池電位法也存在不足之處，主要體現(xiàn)在以下方面：①該方法雖是通過檢測自然腐蝕電位數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，從實(shí)施角度而言屬于定量測量，但對鋼筋混凝土銹蝕情況判斷是通過銹蝕概率實(shí)現(xiàn)的，屬于定性判斷；②測量方法只適用于已硬化混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋檢測，且測量過程中采用的是Cu+CuSO4電極，只能在混凝土表面進(jìn)行，因此。無法測得蝕孔內(nèi)電位和pH值急劇下降情況下的電位。

3 案例分析

本研究實(shí)例為某水利樞紐水輪機(jī)層地面混凝土內(nèi)部鋼筋分布和銹蝕性狀檢測。根據(jù)數(shù)據(jù)資料記錄，該處自2012年開始出現(xiàn)裂縫并存在滲水問題，在每年11月下旬至次年3月之間滲水問題嚴(yán)重且存在帶壓現(xiàn)象。根據(jù)上述現(xiàn)象推斷，該處水工混凝土構(gòu)件有可能存在裂縫、脫空、不密實(shí)區(qū)等病害損傷，又根據(jù)設(shè)計(jì)、施工資料可知，在混凝土構(gòu)件中均有鋼筋分布，且局部范圍內(nèi)有兩層鋼筋結(jié)構(gòu)，鑒于滲水現(xiàn)象的發(fā)生，推斷有可能存在鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

根據(jù)上述情況，在采用探地雷達(dá)對全區(qū)進(jìn)行探測的前提下，重點(diǎn)選擇A區(qū)進(jìn)行鋼筋分層及分布探測及鋼筋銹蝕程度檢測，并將結(jié)果與已知裂縫平面分布及貫穿深度結(jié)合，由此對鋼筋混凝土地面滲漏情況進(jìn)行分析。其中，A區(qū)(虛線方框部分)的測線布置示意如圖4所示。

圖4 A區(qū)測線布置示意Fig.4 Layout of survey lines in area A

3.1 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

圖5 鋼筋探地雷達(dá)波形Fig.5 Waveform of steel bars acquired by GPR

采用探地雷達(dá)法對水工混凝土構(gòu)件中埋設(shè)鋼筋的深度及分布進(jìn)行檢測時，可將混凝土視為媒介介質(zhì)，將鋼筋視為混凝土中的異常體。鋼筋在混凝土中成網(wǎng)格狀呈層狀分布，其間距為0.5 m。由于鋼筋和混凝土之間存在明顯的電性差異，電磁波的繞射作用和金屬對電磁波的反射作用使得單根鋼筋的波形如圖5中的黃色方框所示，即表現(xiàn)為向上凸起的弧形，弧頂位置與鋼筋的頂部位置相對應(yīng)。

圖6 探地雷達(dá)探測結(jié)果Fig.6 GPR detection results

采用瑞典MALA的RAMAC/GPR雷達(dá)系統(tǒng)對混凝土構(gòu)筑物中的鋼筋層數(shù)及分布進(jìn)行檢測，使用橫向掃描方式，野外測量方式為剖面法。根據(jù)已知數(shù)據(jù)資料，鋼筋埋藏深度較淺，為達(dá)到良好的探測效果，擬采用中心頻率為1.6 GHz的天線進(jìn)行探測，因現(xiàn)場需快速、準(zhǔn)確地對圖像進(jìn)行處理和解釋，本次研究擬采用剖面法進(jìn)行測量。

在全區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行探地雷達(dá)探測，并從中選取一小塊典型區(qū)域(A區(qū))進(jìn)行分析。該區(qū)包含兩縱(垂直壩軸線)兩橫(順壩軸線)四條測線(圖6)。采用探地雷達(dá)法進(jìn)行探測，結(jié)果如下：

由圖6(a)可知，在探測范圍內(nèi)：①黑色實(shí)線為鋼筋，第一層鋼筋埋深約20 cm，其上方有一層連續(xù)同相軸。第二層鋼筋埋深約50 cm，在測線0～0.3 m有反映，其他位置未見明顯反映；②黃色虛線為裂縫處異常，其中10#裂縫異常延伸約32 cm、9#裂縫異常延伸約36 cm、8#裂縫異常延伸約48 cm、7#裂縫異常延伸約48 cm。

由圖6(b)可知，在探測范圍內(nèi)：①黑色實(shí)線為鋼筋，鋼筋埋深約25 cm，其上方有一層連續(xù)同相軸；②黃色虛線為裂縫處異常，其中12#裂縫異常延伸約42 cm、11#裂縫異常延伸約36 cm、9#裂縫異常延伸約46 cm。

由圖6(c)可知，在探測范圍內(nèi)：①黑色實(shí)線為鋼筋，鋼筋埋深約16～19 cm；②黃色虛線為裂縫處異常，11#裂縫異常延伸約42 cm。

由圖6(d)可知，在探測范圍內(nèi)：①黑色實(shí)線為鋼筋，鋼筋埋深約15～20 cm；②黑色圓形虛線框中為反射弧異常，推測為埋管，位置為測線2.10 m、埋深約0.10 m。

3.2 半電池電位法數(shù)據(jù)分析

采用KON-XSY型鋼筋銹蝕儀進(jìn)行半電池電位法測量，測網(wǎng)設(shè)置采用全覆蓋方式，測網(wǎng)間距為0.5 m，局部疑似銹蝕區(qū)域測網(wǎng)間距為0.3 m。其中，全區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)點(diǎn)為3 078個，電位值主要集中在-250～150 mV之間，分布直方圖如圖7所示。

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)規(guī)程》(SL 713-2015)，當(dāng)采用半電池電位法評價鋼筋銹蝕性狀時，應(yīng)根據(jù)如下表格(表1)進(jìn)行判斷，并根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對鋼筋銹蝕性狀進(jìn)行評價，其結(jié)果如表2所示。

表1 半電池電位值評價鋼筋銹蝕度性狀依據(jù)

根據(jù)半電池電位法測試所得電位值繪制等值線，結(jié)果如圖8所示，其中黑色虛線框內(nèi)為重點(diǎn)研究區(qū)域。紅色填充表示為電位值小于-350 mV，該區(qū)域發(fā)生銹蝕的概率大于90 %；黃色填充表示電位值在-200～-350 mV之間，該區(qū)域深色部分表示銹蝕性狀不確定。針對重點(diǎn)研究的A區(qū)進(jìn)行綜合評價，可以得出以下結(jié)論：A區(qū)發(fā)生銹蝕概率>90 %的區(qū)域、銹蝕性狀不確定區(qū)域、發(fā)生銹蝕概率<10 %的區(qū)域均存在，且大概率發(fā)生銹蝕的區(qū)域占大部分，需引起重視并重點(diǎn)分析。

圖7 半電池電位法測試值分布直方圖Fig.7 Histogram of test values by half-cell potential method

表2 鋼筋銹蝕性狀評價

圖8 半電池電位法測試成果Fig.8 Test results of the half-cell potential method

4 結(jié) 論

根據(jù)水工混凝土構(gòu)件中鋼筋的分層與分布，對鋼筋銹蝕情況進(jìn)行檢測，并結(jié)合裂縫分布對銹蝕原因進(jìn)行分析，其結(jié)果如下：

1)根據(jù)探地雷達(dá)的探測結(jié)果，判斷第一層鋼筋埋深約為20 cm，全區(qū)范圍內(nèi)均有分布，第二層鋼筋埋深約為50 cm，僅在局部范圍內(nèi)分布；測區(qū)內(nèi)裂縫分布較多，貫穿深度在30～50 cm之間；探測范圍內(nèi)分布有埋管，埋深約為10 cm。

2)根據(jù)半電池電位法的探測結(jié)果，判斷不發(fā)生銹蝕情況的測點(diǎn)占大多數(shù)，銹蝕概率>90 %的地區(qū)僅存在于小范圍的局部地區(qū)，未對水工混凝土構(gòu)件的安全質(zhì)量造成損傷。

3)水工混凝土構(gòu)件銹蝕概率較大的區(qū)域，也是裂縫存在較多的區(qū)域。

通過對水工混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼筋分布和銹蝕程度檢測，得出以下結(jié)論：①在不進(jìn)行大面積開鑿的前提下，對鋼筋分布和銹蝕情況進(jìn)行檢測，并將結(jié)果用于工程質(zhì)量和安全評估，不僅具有經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)，并經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，具有一定的可靠性；②鋼筋銹蝕情況的產(chǎn)生與水工混凝土裂縫的形成之間互為因果，水工混凝土構(gòu)件可因鋼筋銹蝕作用而產(chǎn)生銹蝕裂縫，同時，水工混凝土構(gòu)件也可因裂縫的產(chǎn)生而銹蝕程度加重。