長齡期地下建筑結構狀態檢測評估方法研究

張建榮 張生保 李 斌

(太原衛星發射中心試驗技術部，山西 太原 030027)

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長齡期地下建筑結構狀態檢測評估方法研究

張建榮 張生保 李 斌

(太原衛星發射中心試驗技術部，山西 太原 030027)

以長齡期地下建筑主體結構為研究對象，對混凝土強度、碳化深度、裂縫情況和鋼筋銹蝕程度作了檢測，根據相關技術規程，處理分析了檢測獲取的數據，并采用鉆芯—回彈綜合法，推定了長齡期混凝土強度，得出了對未來使用和修補工作有益的結論。

混凝土強度，鋼筋，回彈法，結構檢測

1 概述

某建筑是由1口深約50 m的“W”形豎井結構和水平坑道及工作間組成的地下工程。該建筑結構參數如下：外井壁厚0.95 m～1.55 m，內井壁厚0.7 m，筒體中有鋼筋網，水平坑道結構銜接部位有鋼筋，中段為素混凝土。筒體材料為C33混凝土(舊設計標號350號)，坑道材料為C23混凝土(舊設計標號250號)。該建筑所處地理位置為高海拔溫帶地區，屬大陸性高寒干燥氣候，冬長夏短，平均溫度4 ℃～10 ℃，平均濕度為50%～60%。由于為地下建筑，建筑物內部溫濕度變化不大，自然環境因素對混凝土結構強度危害不大。該建筑建于20世紀60年代末，設計使用年限為50年，至今已使用40年。部分區域混凝土出現了裂縫，為保證未來使用需要，亟需對主體結構的技術狀態檢測與評估，掌握建筑的安全性，確定必要的修補和技術改造項目。

2 檢測評估內容

2.1 主要檢測項目

主要檢測項目及方法見表1。

表1 主要檢測項目及方法

2.2 檢測工作程序

根據上述檢測項目，確定檢測工作程序如圖1所示。

3 檢測情況

3.1 測點選取

首先劃分區域，根據建筑結構分為內井內壁、內井外壁、外井內壁及1號、2號、3號坑道等6個區域；分別選定回彈和鉆芯的測區，對選定測區檢測混凝土強度和碳化深度；最后在每個測區確定16個回彈測點。

測區選擇主要考慮測試部位的代表性和日常工作中受沖擊效應較強的位置，可以較為全面準確地反映混凝土技術狀況。

3.2 混凝土強度檢測

當前，混凝土結構強度檢測主要有回彈法和鉆芯法兩種[1]，回彈法是使用回彈儀彈擊混凝土表面，以回彈值作為混凝土強度的相關指標來推定結構混凝土強度的一種方法[2]。回彈法為無損檢測，不會破壞結構且試驗成本不高，可廣泛測試。其不足在于回彈法是以混凝土表面硬度與某些物理量的相關性為基礎的，受到眾多因素的影響。鉆芯法直接取自工程實體，較為可靠準確，但取芯對工程實體造成局部破壞，取芯數量會受到限制，難以全面反映工程勻質性。因此，結合二者特點提出了“鉆芯—回彈”綜合推定法。回彈前，需要對回彈儀進行率定，對墻體表面的白色涂料使用角磨機清除干凈。回彈儀采用ZC-3型回彈儀，測強范圍為10 MPa～100 MPa，沖擊動能為2.207 J。使用環境溫度為-4 ℃～40 ℃，適用于C33混凝土的強度檢測。將鉆芯的位置也進行了回彈，本次檢測用于強度測試的芯樣共計23個，見圖2。根據文獻[3]，將芯樣送建材實驗室進行抗壓強度測試。同時利用現場獲取的混凝土芯樣，用酚酞酒精溶液測試碳化深度。

3.3 混凝土碳化深度檢測

碳化深度檢測采用酚酞酒精溶液顯色方法檢測。原理為堿性的混凝土遇到酚酞顯示為粉紅色，碳化后的混凝土為中性，顯示為無色。碳化的機理為混凝土中的礦物成分與大氣中的水、二氧化碳發生化學反應的過程，可碳化物質包括氫氧化鈣以及硅酸鹽。碳化反應式：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3CO2=3CaCO3·2SiO2·3H2O

3CaO·SiO2+3CO2+H2O=SiO2·H2O+3CaCO3

2CaO·SiO2+2CO2+H2O=SiO2·H2O+2CaCO3

對鉆芯得到的芯樣進行了碳化深度檢測，同時在各豎井和坑道各測區進行了專門的碳化深度檢測。碳化深度檢測方法：

1)在混凝土表面鉆出直徑15 mm的孔洞，深度大于碳化深度(大于10 mm)。

2)用洗耳球或皮老虎吹掉灰塵碎屑，不得使用水擦洗。

3)滴1%的酚酞酒精溶液。

4)用游標卡尺或碳化深度測定儀檢查混凝土碳化深度。

實際檢測時，采取邊鉆孔邊滴酚酞酒精溶液的方法，不斷嘗試，直到變色為止，用游標卡尺測量孔洞深度。實踐證明，該方法可行。檢測數據見表3。

3.4 鋼筋銹蝕程度檢測

鋼筋銹蝕程度檢測利用電化學測定方法對混凝土鋼筋的銹蝕程度進行無損測量。混凝土中鋼筋的銹蝕是一種金屬鐵氧化的電化學過程，鋼筋銹蝕是鋼筋形成局部電池，而在鋼筋周圍形成電位差，鋼筋銹蝕儀工作原理是測量混凝土表面的電位梯度，根據鋼筋銹蝕產生的電位梯度大小判斷鋼筋是否銹蝕或銹蝕程度。檢測結果以數據陣列、數據圖標、數值色譜或等值區色譜的方式顯示。

本次檢測選擇梯度測試與開孔檢測相結合的方法。梯度測試無需將混凝土鑿開，用連接桿連接兩個電位電極，測區內測點布置為縱橫間距均為20 cm的方格區域，測點數30個，共檢測16個測區。依據GB/T 50344—2004建筑結構檢測技術標準，鋼筋銹蝕情況判別標準見表2。

表2 混凝土表面電位水平與鋼筋銹蝕情況判別標準

為驗證和提高梯度測試的正確性，通過鉆芯取樣的方式，檢測了鋼筋的實際銹蝕情況，見圖3。

根據檢測數據，在所有測點中，有5個測點的電位水平小于-200 mV，有3個測點的電位水平小于-350 mV，在所有測點中的比例小于5%，表明該建筑鋼筋保護情況良好，滿足設計要求。這與鋼筋保護層厚度檢測的結果和實際鉆芯遇到的鋼筋銹蝕情況是一致的。檢測表明，鋼筋保護層厚度分布在70 mm～80 mm之間。實測鋼筋保護層厚度較大，這對混凝土耐久性和防止鋼筋銹蝕是非常有利的。

3.5 混凝土裂縫檢測

裂縫測寬儀探頭為一高倍攝像頭，檢測時系統自動對被測裂縫進行攝像并在顯示屏上實時顯示裂縫圖形及裂縫寬度數值，可以保存圖像。

裂縫測深儀器根據波的衍射原理測量，由主機、發射探頭和接收探頭組成。當聲波在混凝土內傳播穿過裂縫時，在裂縫端點處(最深處)產生衍射，其衍射角與裂縫深度具有一定的幾何關系。儀器會自動計算出裂縫深度。探深范圍為10 mm～500 mm，對于貫穿縫則接收探頭無法接收到任何信號。

本次檢測中，豎井外井筒內壁發現6條裂縫，均為表層裂縫，最寬處寬度約1 mm，長度最長的為3 m，出現在5層和6層；內井筒未發現裂縫。

1號水平坑道頂部發現2條裂縫，1條為環形施工縫(有漏水)，1條為拱頂水平縫，水平縫寬度約0.5 mm，長度約1.2 m。

2號水平坑道發現1條裂縫，最寬處約0.8 mm，深度約為16 mm，為表層裂縫。

3號水平坑道發現7條裂縫，最寬為1.9 mm，長度約2 m～3 m，深度約20 mm，為表層裂縫。

3條輔助通道共發現8條裂縫，多數為環形施工縫，其中5條水平裂縫較長，基本對稱分布，寬度約1 mm，最長的一條為24 m，深度約16 mm，為表層裂縫。

4 數據處理

4.1 回彈法推定強度

依據文獻[2]對回彈法得到的數據作如下處理：排序，剔除3個最小值和3個最大值，剩下的10個值為最終檢測數據。

根據平均回彈值和碳化深度查文獻[2]附錄A、附錄B，可得回彈法強度換算值，見表3。由于使用年限較長，碳化深度均超過了6 mm。

表3 回彈法檢測結果

依據式(1)計算回彈法換算值的平均值：

(1)

其中，Rc為測區換算值的平均值；Ri為第i個測點的回彈法換算值。

根據規程，如果測區數量小于10，混凝土強度推定值Rt應按式(2)計算：

Rt=minRi

(2)

如果測區數量大于10，應按式(3),式(4)計算，系數1.645為置信度不低于95%時的標準正態偏量，即混凝土推定值相當于強度換算值總體分布中保證率不低于95%的混凝土抗壓強度值。

Rt=Rc-1.645Sc

(3)

(4)

其中，Rt為混凝土測區強度推定值；Sc為測區的回彈法換算值的標準差。

4.2 鉆芯—回彈綜合推定強度

定義μ為不同置信度下的標準正態偏量，如表4所示，為了與回彈法比較，取置信度為95%時的μ值。

表4 不同置信度下的μ

根據文獻[4]和文獻[1]，鉆芯—回彈綜合推定法的計算步驟如下：

1)計算用鉆芯法獲取的所有芯樣的混凝土強度平均值、標準差和變異系數。

(5)

(6)

(7)

其中，Rx為芯樣平均抗壓強度；Rxi為第i個芯樣的抗壓強度；Sx為芯樣強度的標準差;m為芯樣總數；δx為變異系數。

2)計算用回彈法獲取的所有測區回彈法換算值的平均值、標準差和變異系數。平均值與標準差按式(1)和式(2)計算。變異系數按式(8)計算：

(8)

3)計算鉆芯法和回彈法的組合標準差。

(9)

4)計算混凝土結構最終推定強度。

R=Rx-hS

(10)

鉆芯—回彈綜合法推定的混凝土強度值如表5所示。

表5 綜合法檢測結果

5 評估結論及建議

1)混凝土強度滿足設計強度要求。

根據原設計，井筒材料為350號，坑道材料為250號，用鉆芯法檢測混凝土實際抗壓強度，筒體芯樣試塊的強度范圍為37.6 MPa～40.8 MPa，坑道芯樣試塊的強度范圍為29.8 MPa～38.6 MPa，表明該建筑混凝土經過近40年的使用后，其強度仍滿足設計要求，具有足夠的承載能力。

2)碳化深度遠小于鋼筋保護層厚度。

實測鋼筋保護層厚度分布在70 mm～80 mm之間，碳化深度最大值為57 mm，位于3號坑道靠近洞口位置。推斷原因為，靠近洞口位置受自然環境影響較大，混凝土容易與坑道外空氣中的水分和二氧化碳發生反應。

3)不宜用回彈法單獨推定超長齡期的混凝土強度。

長齡期混凝土因其表層受到碳化，根據表面硬度得到的回彈值無法真實反映混凝土的強度。對比表3和表5發現，回彈法推定混凝土強度多數比芯樣實際抗壓強度值低得多。因此，如果采用回彈法規程推定混凝土的強度，將會造成嚴重的誤判。鉆芯法雖然會對建筑構成局部損壞，但其結果更加直觀、精確，與回彈法綜合應用時，可以作為超長齡期混凝土強度評估的一種重要方法。

4)為確保該建筑結構使用安全，應定期進行結構檢測。

對存在漏水現象和長度較長的裂縫需采取高壓注漿或膠狀水泥封堵修補，處理完畢后應定期加強檢測。

[1] 佟曉君,馬 群,王景利.現場混凝土強度“鉆芯—回彈”綜合推定[J].河北理工學院學報,2002,24(4):114-119.

[2] JGJ/T 23—2011,回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程[S].

[3] CECS 03∶88，鉆芯法檢測混凝土強度技術規程[S].

[4] 傅惠民. 二維單側容限系數法[J].航空學報,1993,3(14):167-172.

Research of station detection and estimation method of long-age underground building structure

Zhang Jianrong Zhang Shengbao Li Bin

(TaiyuanSatelliteLaunchCenterTestTechnologyDepartment,Taiyuan030027,China)

This paper takes long-age underground building structure as research object, introduces the detection of concrete strength, depth of carbonization, fissure and rusting of rebar. According to technology regulations, the data of detection is analyzed and disposed. A combined method used in core-rebound is used to calculate the concrete strength with long-age. Some conclusions and suggests are proposed, and they are beneficial for use and repair the building in future.

concrete strength, rebar, rebound method, structure detection

2016-02-17

張建榮(1983- )，男，博士，工程師

1009-6825(2016)16-0031-03

TU317

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