混凝土結構中鋼筋銹蝕及檢測

2010-02-23 09:12:58徐海濤

中國建材科技 2010年2期

陳敏謝文徐海濤

（中國建筑材料檢驗認證中心有限公司，北京 1000 24）

1 前言

源于18世紀末的混凝土，以及后來發展改進的鋼筋混凝土，在土木工程領域中成為使用量最大的結構材料，它幾乎應用于工業與民用建筑、道路橋梁、水利碼頭等各個領域。然而，我們在享受鋼筋混凝土給我們帶來的一列優點的同時，不得不關注這種材料在運用中暴露的一些問題――混凝土結構的耐久性。鋼筋混凝土結構的耐久性問題十分復雜，尤其是多重作用綜合作用下是很復雜的。鋼筋混凝土在建造過程以及其后的使用過程中，將受到周圍環境的荷載、溫度、濕度、凍融、海水侵蝕、生物生長腐爛、與結構接觸的土壤，空氣中有害化學物質的影響，使結構材料的性能衰退減弱、鋼筋有效截面面積減小，逐漸降低承載力，最終使結構構件失效，造成嚴重的經濟損失。混凝土結構的耐久性問題越來越受到國內外工程界的關注和重視，而鋼筋銹蝕是引起鋼筋混凝土結構耐久性不良的重要原因，鋼筋銹蝕引起混凝土結構過早破壞，是降低結構耐久性研究的重要原因。隨著科學技術的發展以及對混凝土結構中鋼筋銹蝕原理的深入了解，各國工程界在不斷的研究與開發運用于混凝土結構中鋼筋銹蝕測試的儀器，并在不斷的運用與相關工程。本文著重在介紹混凝土結構中鋼筋銹蝕的機理、鋼筋銹蝕對結構安全性的危害，以及對鋼筋銹蝕的進行檢測的基本原理，結合我國現行的相關結構設計標準和檢測標準講述國內外有關鋼筋銹蝕檢測的主要方法。拋磚引玉，希望能有更好的檢測方法出現，提高混凝土結構中鋼筋銹蝕檢測技術以及合理的預防措施，到達提高混凝土結構耐久性的目的，減少不必要的經濟損失。

2 混凝土結構中鋼筋銹蝕的機理

在拌制混凝土過程中，水泥在水化過程中不斷發生一系列的化學反應，生成大量的Ca(OH)2,等堿性物質，使混凝土結構中的鋼筋處于強堿性條件下（pH值在12.5～13.2），鋼筋表面形成將一層致密的氧化膜（鈍化膜），厚度大約在0.2～1μm，鈍化膜的存在阻止了外界環境與鋼筋的接觸，保護鋼筋免受外界環境的腐蝕，延緩混凝土結構中鋼筋的銹蝕。當鋼筋表面的氧化膜一旦遭受破壞，鋼筋就會開始銹蝕，截面面積減小，并引起混凝土產生順鋼筋方向的裂縫，從而影響結構構件的承載力和耐久性。鋼筋表面鈍化膜的破壞，引起鋼筋銹蝕原因很多，主要有以下幾種：

2.1 混凝土的碳化

混凝土暴露在空氣中，混凝土的外表面與CO2充分接觸后，在潮濕的條件下發生化學反應：Ca(OH)2＋CO2＋H2O→CaCO3↓＋2H2O，CaCO3呈中性。隨著該反應的進行，混凝土內的Ca(OH)2不斷減少，混凝土的pH值不斷減小，當pH值小于11.8時，鋼筋表面的鈍化膜開始破壞，混凝土開始失去對鋼筋的保護作用，當pH值減小到一定的程度，并在潮濕和氧氣的共同作用下，鋼筋開始發生電化學作用，開始銹蝕，隨著時間的推移，鋼筋的銹蝕不斷加劇和加重。

2.2 Cl-的侵蝕

當由于種種原因,結構混凝土中具有充分的可溶性氯離子時,鋼筋表面的鈍化層將會立即遭到破壞,導致鋼筋腐蝕。在這個過程中，Cl-本身并不參與反應,在腐蝕過程也不消耗,在整個腐蝕過程的起催化劑的作用。Cl-引起鋼筋腐蝕過程的主要反應式如下：

圖1 鋼筋銹蝕導致混凝土保護層脫落

4Fe (OH)2+ O2+ 2H2O →4Fe (OH)3↓(值得注意的是Cl-引起鋼筋腐蝕是局部的坑蝕：Cl-含量在鋼筋周圍達到某一臨界值時,鋼筋的鈍化膜開始破裂，Cl-一般首先在較小區域的鋼筋表面破壞鈍化膜,形成小陽極,與大部分表面鈍化膜完好的鋼筋區域－即大陰極間形成腐蝕電偶, 坑蝕的深度可以達到平均銹蝕程度的10倍以上。

有關的研究和實際情況表明,埋在混凝土中的鋼筋銹蝕以后,其產生的體積是響應鋼筋體積的2～4 倍,因而會向四周膨脹;當銹蝕膨脹力達到某一數值時,混凝土表面將開裂, 而表面開裂又會進一步加劇結構中鋼筋的銹蝕，圖1為鋼筋銹蝕導致混凝土保護。

2.3 應力應變影響

幾乎所有的鋼筋銹蝕都是發生在受力狀態下的。根據鋼筋混凝土銹脹力學及金屬力學化學原理分析計算認為在混凝土完好的條件下應力因素對鋼筋銹蝕速度無顯著影響[5]。若在應力狀態下鋼筋表面有微小裂紋,會加速鋼筋的銹蝕和破壞。

3 鋼筋銹蝕對結構安全性的危害

鋼筋銹蝕導致混凝土構件、結構承載力、穩定性能劣化, 其主要影響因素可歸納如下：

3.1 鋼筋銹蝕不僅使其截面積減小,而且會使鋼筋的屈服強度和極限強度有不同程度的降低,同時鋼筋與混凝土粘結力下降,從而降低了結構的承載能力，這是導致構件承載力降低的原因之一。

3.2 鋼筋銹蝕會使混凝土出現順筋脹裂裂縫,嚴重時還會導致混凝土保護層的剝落,造成混凝土構件有效截面積的減小, 從而降低結構構件的剛度，增大構件的變形量，影響結構的正常使用。

3.3 鋼筋銹蝕會使鋼筋與混凝土的粘結強度降低,在承載力計算時應考慮粘結力的影響。粘結力喪失后,可能會使受拉鋼筋不能充分發揮作用,使受壓鋼筋失穩,不能充分發揮鋼筋的抗壓承載力；對于受拉構件，鋼筋與混凝土不能充分錨固，鋼筋與混凝土分開工作，降低構件的承載力。

3.4 提到的鋼筋銹蝕多指受力鋼筋,對于梁柱類構件，箍筋首先銹蝕,尤其是縱筋與箍筋相交處的箍筋銹蝕更為嚴重,當縱筋銹蝕截面損失率在5 %～10 %范圍內時,已有很多箍筋銹斷。箍筋銹斷極大削弱了構件的抗剪承載力。箍筋的銹蝕加劇了保護層的酥松剝落，使構件截面面積減小，削弱構件的剛度；同時銹斷的箍筋不能有效地約束混凝土，使主筋與混凝土不能協同工作，對受壓構件的承載力和剛度有間接的影響。

3.5 鋼筋銹蝕在混凝土中產生相當大的拉應力,使混凝土承受雙向或三向的應力。混凝土的抗拉強度遠低于抗壓強度，在雙向或三向的應力作用下混凝土實際抗壓強度會比單向應力作用下小。鋼筋應力腐蝕,導致混凝土強度降低，從而降低了構件的承載力及延性,改變了破壞形態。

4 鋼筋銹蝕的非破損檢測方法

混凝土中鋼筋銹蝕的非破損檢測方法有視覺法和聲音法、分析法、物理檢測法和電化學方檢測法三大類。

4.1 視覺法和聲音法

在常規的混凝土結構中，鋼筋銹蝕的第一視覺特征是鋼筋表面出現大量的銹斑，只要檢查鋼筋表面就可以看到；有時混凝土的表面下的裂縫發展到表面，混凝土最終開裂時可直接檢查鋼筋在早期可以用“發聲”方法估計下部裂縫引起的破壞。使用小錘敲擊表面，用聲波方面檢測順筋方向裂縫的出現。

4.2 分析檢測法

分析法根據現場實測的混凝土強度、中性化深度、鋼筋直徑、保護層厚度、縱向裂縫寬度、有害離子的侵入深度及其含量等數據,綜合考慮構件所處的環境情況推斷鋼筋銹蝕程度;分析法的應用有賴于建立合理可靠的鋼筋銹蝕實用預測模型。國內外學者進行了大量的試驗研究、工程調查和理論分析，建立了各種不同環境條件下鋼筋銹蝕的數學模型，如現有的“鋼筋截面損失率的經驗計算公式”、“海洋環境下混凝土中鋼筋銹蝕的理論數學模型”等;但到目前為止,還沒有既有充分理論依據、又全面考慮各種影響因素的實用數學模型,在實際的現場檢測中，分析法并不是很實用。分析法用于混凝土中鋼筋銹蝕評估尚有不少工作要做。

4.3 物理檢測法

用于混凝土中鋼筋銹蝕檢測的物理方法主要通過測定鋼筋銹蝕引起電阻、電磁、熱傳導、聲波傳播等物理特性的變化來反映鋼筋銹蝕情況;

電阻棒法是通過測量銹蝕鋼筋電阻值的變化,利用導電原理間接推算鋼筋的剩余面積。渦流探測法通過測定勵磁電流與發生在鋼筋內的次生波的相位關系來判斷鋼筋銹蝕狀況。射線法拍攝混凝土中鋼筋的X射線或γ射線照片,直接觀察鋼筋的銹蝕情況。紅外熱像法通過測量混凝土表面的溫度分布圖分析鋼筋銹蝕位置和程度。聲發射探測法利用傳感器接收鋼筋銹蝕引起周圍混凝土開裂釋放的彈性應力波,確定鋼筋發生銹蝕膨脹的確切位置。物理方法主要停留在實驗室階段，沒有形成可靠的檢驗方法標準和檢驗儀器，在實際運用中還存在許多的不足。

4.4 電化學檢測法

電化學方法通過測定鋼筋、混凝土腐蝕體系的電化學特性來確定混凝土中鋼筋銹蝕程度和速度。混凝土中鋼筋銹蝕的電化學檢測方法主要有自然電位法、交流阻抗譜技術和極化測量技術等。目前，國內外常用的方法是半電池電位法。

鋼筋在混凝土中銹蝕是一種電化學過程。此時，在鋼筋表面形成陽極區和陰極區。在這些具有不同電位的區域之間，混凝土的內部將產生電流。鋼筋和混凝土的電學活性可以看作是半個弱電池組，鋼的作用是一個電極，而混凝土是電解質，這就是半電池電位檢測法的名稱來由。半電池電位法是利用“Cu＋CuSO4飽和溶液”形成的半電池與“鋼筋＋混凝土”形成為半電池構成一個全電池系統。由于“Cu＋CuSO4飽和溶液”的電位值相對恒定，而混凝土中鋼筋因銹蝕產生的化學反應將引起全電池的變化。因此，電位值可以評估鋼筋銹蝕狀態。

圖2 半電池電位法檢測原理圖

圖3 半電池電位法現場檢測鋼筋銹蝕

半電池電位法設備簡單、價格便宜、操作方便,還有測試速度快、靈敏度高、可連續跟蹤和原位測量等優點。實驗室與現場檢測均可采用。圖2a為對鋼筋混凝土試樣進行測量的實驗室裝置示意圖：半電池電位法法現場檢測根據實際情況可采用單電極法或雙電極電位梯度法,前者適用于鋼筋端頭外露的構件,后者適用于鋼筋不外露的構件，參見圖2b和圖2c。

半電池電位法最大的缺點是只能定性判斷鋼筋發生銹蝕的可能性,不能應用于定量測量。半電池電位法在檢測水工混凝土鋼筋銹蝕狀態已獲得了廣泛的應用，但要運用該方法很好地解決工程中的實際問題，還必須努力提高半電池電位法檢測混凝土鋼筋銹蝕狀態的可靠性。由于半電池電位法具有一定的局限性，半電池電位法只是一種定性測試混凝土中鋼筋銹蝕概率的無損檢測方法，測量結果和使用環境條件關系很大。實際應用中需要通過結構測試結果的電位分布和現場實際情況對照，才可以判斷結構銹蝕性和非銹蝕區。

自上世紀50年代末以來半電池電位法就廣泛應用于鋼筋銹蝕。各個國家都有自己的檢測規范標準，其中就有美、日、德、英、中國等國制定了相應的標準,各國標準不盡相同,詳見表1。

表1 各國自然電位法檢測鋼筋銹蝕判別標準狀況

電化學檢測法中除上面提到的幾種方法外，還有恒電量法、混凝土電阻法、電化噪聲法、諧波法等也在發展中,但尚未用于現場檢測中。

在進行鋼筋銹蝕檢測時，主要依據《建筑結構檢測技術標準》(GB/T50344-2004)和《混凝土中鋼筋檢測技術規程》（JGJ/T152-2008），圖4是混凝土結構鋼筋銹蝕檢查流程圖。

5 結語

鋼筋銹蝕對結構的耐久性和結構承載力的危害甚大，每年給國家帶來很大的經濟損失，通過本文的論述，為減少鋼筋銹蝕帶來的損失，應注意到幾點：（1）對于新建項目，應從設計、施工、選材等方面綜合考慮，以防為主，盡量降低混凝土結構中鋼筋的銹蝕。對既有建筑采用合理可靠的鋼筋銹蝕預測模型診斷其銹蝕程度，再進行修繕加固；（2）加快混凝土結構中鋼筋銹蝕的預防與整治技術; （3）國內外學者加快鋼筋銹蝕現場無損檢測技術研究，研制能準確檢測混凝土中鋼筋相關指標的儀器。

[1] GB/T50344-2004建筑結構檢測技術標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2004

[2] GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2010

[3] JGJ/T152-2008混凝土中鋼筋檢測技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2008

[4] 袁海軍,姜紅.建筑結構檢測鑒定與加固手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2003

[5] 趙卓,馬亞麗,李鋒.氯離子環境下鋼筋腐蝕速度分階段模型[J].工業建筑,2005,35(382)：1~4.

[6] 張偉平，張譽.混凝土中鋼筋銹蝕的電化學檢測方法[J].工業建筑，1998，28（12）：21~25