影響公路橋梁鋼筋腐蝕因素及腐蝕檢測(cè)方法

何雪芬

(廣西壯族自治區(qū)環(huán)江公路管理局，廣西 河池 547199)

0 引言

1 工程概況

某公路橋梁工程總長(zhǎng)度為1 200 m，所在地區(qū)為半濕潤(rùn)、半干旱氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季降雨量大，冬季氣候干燥。橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)使用鉆孔灌注樁和柱式墩基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)橋面凈寬度為2×14.73 m。墩柱主筋設(shè)計(jì)保護(hù)層的厚度為11～15 cm，箍筋保護(hù)層厚度為11～16 cm。橋梁經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)鋼筋已經(jīng)出現(xiàn)了腐蝕的情況，需要對(duì)腐蝕的原因進(jìn)行分析，并對(duì)腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)。

2 公路橋梁鋼筋銹蝕原因分析

2.1 鋼筋銹蝕機(jī)理

當(dāng)鋼筋埋設(shè)在混凝土中，具備一定的條件之后，就會(huì)發(fā)生銹蝕。電化學(xué)銹蝕過程的發(fā)生需要具備四個(gè)方面的條件：(1)鋼筋表面形成陰陽兩級(jí)，從而在鋼筋的表面出現(xiàn)電位差；(2)鋼筋表面的陽極鐵離子能夠轉(zhuǎn)換為二價(jià)鐵離子，加劇氧化過程；(3)鋼筋表面陰極部位存在大量的氧氣和水分；(4)在鋼筋陰陽兩極，電解質(zhì)的阻力比較小[1]。由于混凝土是多孔、多相的混合物，所以水分、二氧化碳、氯離子等能夠存在于混凝土中，引發(fā)橋梁鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

2.2 鋼筋銹蝕過程

在橋梁鋼筋發(fā)生銹蝕之前，氯離子的存在會(huì)使得鋼筋出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象。在銹蝕中期，鋼筋開始發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，并且直接對(duì)混凝土的保護(hù)層產(chǎn)生一定程度的破壞；在銹蝕中后期，銹蝕已經(jīng)具有一定的危害性，銹蝕達(dá)到一定程度后會(huì)對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致一些危險(xiǎn)情況的出現(xiàn)。

2.3 影響公路橋梁鋼筋銹蝕的主要因素

2.3.1混凝土密實(shí)度和保護(hù)層的厚度因素

在相同的外界環(huán)境下，由于混凝土的密度不斷增加，保護(hù)層的厚度也在不斷增加，發(fā)生碳化所需要的時(shí)間也在不斷延長(zhǎng)。此外，由于銹蝕機(jī)理難以滿足，外界的空氣、二氧化碳和水分等難以進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，使得鋼筋發(fā)生銹蝕的速度得到延長(zhǎng)。

2.3.2 混凝土裂縫因素

混凝土的裂縫也會(huì)對(duì)鋼筋的銹蝕產(chǎn)生一定的影響，其主要表現(xiàn)為：(1)混凝土的裂縫加快了銹蝕介質(zhì)進(jìn)入到鋼筋混凝土內(nèi)部，使得鋼筋的銹蝕速度不斷增加；(2)碳化程度也會(huì)隨著混凝土裂縫的增加而加劇。混凝土的裂縫和鋼筋銹蝕之間的影響是相互的。

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2.3.3 濕度因素

濕度會(huì)對(duì)混凝土中存在的電解質(zhì)性能產(chǎn)生影響。混凝土的濕度越大，則混凝土中的導(dǎo)電性能提高，加快鋼筋電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象[2]。鋼筋發(fā)生腐蝕的因素是氧氣，混凝土濕度帶來了水分和氧氣，水分中含有的氧氣越多，則鋼筋發(fā)生銹蝕的速度也有所增加。

2.3.4 氯離子腐蝕因素

由于受到外界環(huán)境和內(nèi)在環(huán)境的影響，氯離子會(huì)逐漸滲入到混凝土內(nèi)部，一旦當(dāng)混凝土中氯離子的含量超過要求之后，則鋼筋內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，混凝土中氯離子的混入因素比較多，一旦當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫后，氯離子就會(huì)進(jìn)入到混凝土的內(nèi)部，從而發(fā)生鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

2.3.5 混凝土碳化因素

鋼筋銹蝕情況與碳化因素也有著直接的關(guān)系。混凝土在發(fā)生碳化時(shí)，氧化碳和水泥中含有的堿性物質(zhì)會(huì)發(fā)生一系列的反應(yīng)，從而破壞混凝土的保護(hù)層，使得混凝土材料暴露在空氣中。由于混凝土施工模塊中，污染比較嚴(yán)重，存在大量的酸性氣體，對(duì)鋼筋產(chǎn)生一定的腐蝕，降低了混凝土的pH數(shù)值，使得混凝土內(nèi)部酸性物質(zhì)的含量大大增加，無法有效提高混凝土的質(zhì)量。

3 公路橋梁鋼筋腐蝕檢測(cè)

3.1 外觀檢測(cè)

破損檢測(cè)是對(duì)鋼筋銹蝕物理檢查方式的一種，主要是在鋼筋銹蝕情況比較嚴(yán)重的情況下進(jìn)行操作。為了更加全面地對(duì)鋼筋銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，需要采用破碎檢測(cè)法來進(jìn)行操作，主要是借助外力將結(jié)構(gòu)中已經(jīng)破壞的部分進(jìn)行開鑿，直至鋼筋表面暴露在空氣中，借助肉眼來對(duì)鋼筋表面的銹蝕情況進(jìn)行檢查[3]。必要時(shí)，可以對(duì)鋼筋銹蝕比較嚴(yán)重的部分進(jìn)行截取，計(jì)算截面積損失率從而確定出鋼筋的銹蝕率。

3.2 超聲波檢測(cè)

根據(jù)我國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的要求，對(duì)橋梁墩柱采用超聲波檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)。在墩柱下部、中部和上部需要按照銹蝕的程度來選擇柱高來檢測(cè)[4]。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要沿著墩柱的表面橫向豎向畫網(wǎng)格，如圖1所示。采用超聲波檢測(cè)法對(duì)墩柱進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)高2.5～3.6 m處的混凝土存在一定的缺陷。對(duì)取芯留下的鉆孔進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)墩柱混凝土表面存在分層現(xiàn)象，并且墩柱的中部情況最為糟糕。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

3.3 墩柱鋼筋銹蝕程度檢測(cè)

3.3.1 自然電位法檢測(cè)

墩柱混凝土中鋼筋的銹蝕程度可以借助自然電位法來對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。在進(jìn)行檢查過程中，混凝土中的鋼筋和周圍的介質(zhì)會(huì)形成雙電層，并且存在一定的電位差，電位差的大小能夠反映出鋼筋自身的狀態(tài)。但是，現(xiàn)階段依然無法借助自然電位法來對(duì)電位值進(jìn)行測(cè)量。采用自然電位法來對(duì)鋼筋電極進(jìn)行測(cè)量，從而判斷出鋼筋的銹蝕情況[5]。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，對(duì)于混凝土中鋼筋的銹蝕體系無任何的干擾，適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作中，可以根據(jù)實(shí)際的情況來選擇單電極法或者雙電極梯度法，主要適用于鋼筋端土外露在空氣中或者不外露在空氣中的構(gòu)件(如圖2所示)。對(duì)墩柱中部和上部高度為1 m的損失嚴(yán)重的部分進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要參照AST法來進(jìn)行操作。通過對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各個(gè)檢測(cè)墩位的數(shù)值主要在-200～500 mV之間。總的規(guī)律為：從墩位的下部向上部逐漸增大，裂縫較多的位置其數(shù)據(jù)值比較大。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土保護(hù)層進(jìn)行清除后，發(fā)現(xiàn)裂縫較多的位置，鋼筋發(fā)生銹蝕的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

3.3.2 水樣化驗(yàn)分析

為了更加全面地對(duì)墩柱混凝土鋼筋表面出現(xiàn)銹蝕的現(xiàn)象進(jìn)行分析，在高潮位時(shí)需要對(duì)橋底下海水水樣進(jìn)行抽取、分析和檢測(cè)。通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，橋底海水中氯離子的含量和硫酸根離子含量比較高。并且海水中氯離子的濃度超過鋼筋混凝土的規(guī)定值。

圖2 自然電位法檢測(cè)示意圖

4 維修加固方案

該路段的橋梁工程已經(jīng)竣工6年，但是由于橋梁所屬的環(huán)境比較惡劣，橋梁銹蝕部位比較嚴(yán)重。橋墩柱的腐蝕現(xiàn)象已經(jīng)達(dá)到第三階段的腐蝕破壞期，并且腐蝕速度也在不斷加快。據(jù)資料顯示，暴露在海洋浪花區(qū)域，鋼筋的銹蝕速度比較快。為了提高鋼筋的耐久性，確保橋墩柱的使用壽命，施工單位需要積極采取措施，對(duì)橋墩柱鋼筋進(jìn)行加固和做好防腐蝕處理工作。

橋梁墩柱在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，其墩柱的保護(hù)層厚度不符合要求，無法確保橋梁的使用壽命和安全性。為了確保橋梁的設(shè)計(jì)壽命和耐久性符合要求，需要對(duì)所有的墩柱進(jìn)行加固處理[6]。因此，對(duì)已經(jīng)嚴(yán)重破壞或者惡化區(qū)域表面的混凝土進(jìn)行鑿取，對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理和加強(qiáng)鋼筋的穩(wěn)固性，然后再進(jìn)行混凝土的澆筑工作。為了有效確保鋼筋保護(hù)層的厚度和密度符合要求，采取措施如下：

(1)蓋梁底部到墩樁接頭以下30 cm處，需要將主鋼筋暴露在空氣中。對(duì)已經(jīng)發(fā)育的部位鋼筋保護(hù)層進(jìn)行及時(shí)鑿除，并且需要控制其深度，不得對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

(2)對(duì)墩柱剝落部位和其他未經(jīng)過處理的表面需要進(jìn)行鑿毛操作。

(3)對(duì)已經(jīng)發(fā)生銹蝕的鋼筋需要進(jìn)行及時(shí)的除銹工作。布置好鋼筋籠之后，再進(jìn)行混凝土的澆筑工作。

(4)為了有效提高混凝土的密實(shí)度，需要在混凝土拌制過程中，對(duì)水灰比進(jìn)行嚴(yán)格控制。在混凝土澆筑過程中，需要密切關(guān)注墩柱周圍混凝土的高度，確保墩柱的高度保持一致。

5 結(jié)語

綜上所述，在橋梁工程運(yùn)營(yíng)過程中，為了滿足橋梁運(yùn)營(yíng)要求，需要對(duì)公路橋梁鋼筋腐蝕的原因進(jìn)行分析，并做好腐蝕檢測(cè)工作。本文以實(shí)際工程為例，對(duì)公路橋梁鋼筋腐蝕的原因進(jìn)行了分析，然后對(duì)鋼筋腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，并提出應(yīng)對(duì)措施，保證了橋梁運(yùn)營(yíng)安全，值得類似工程參考和借鑒。