水閘安全鑒定中鋼筋銹蝕檢測問題探討

李曉磊，原聞洋

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

1 引言

在水閘安全鑒定中，閘室主體結構的復核是判定水閘安全狀態的重要一項，特別是鋼筋截面積是計算主體結構力學參數的基礎，然而進行安全鑒定的水閘多是運行十幾年甚至幾十年的老舊病閘，鋼筋已經發生銹蝕，無法再按照設計圖紙的鋼筋截面積來進行計算，故通過現場檢測鋼筋剩余截面積則是關乎水閘安全鑒定準確的一項重要工作。

2 現行方法存在的問題

在現行水閘安全鑒定中，基本是通過半電池電位法非常粗略地對較大面積的鋼筋銹蝕狀態進行定性判定，然后輔以對已發生銹蝕鋼筋進行取樣，剔掉銹蝕部分，測定鋼筋剩余截面積。但這種模式難以滿足水閘主體結構復核計算的需要，半電池電位法本身就“先天不足”，其方法的適用性導致“普查”的效果并不理想，其后的“詳查”即破型取樣計算鋼筋銹蝕剩余量，自然也難以去重點把握，如果大量對構件鋼筋進行取樣剔鑿，勢必破壞水閘結構，影響到水閘使用壽命，且費時費力。故現行水閘安全鑒定破型取樣的一般都較少，水閘主體結構的計算準確性受到影響，對水閘安全的評級也難以做出嚴謹的評價。

3 半電池電位法的適用性

半電池電位法作為電化學檢測的一種，因其設備簡單，價格便宜，操作較為容易等原因適用最為廣泛，但該法也有其局限性，如果操作人員經驗不足，往往適得其反。

3.1 半電池電位法簡介

半電池電位法基本原理是鋼筋銹蝕則會產生電流，影響鋼筋的電位值。其檢測設備由銅-硫酸銅半電池、電壓儀和導線構成。現場實施時，需在混凝土結構及構件上布置測區，每個測區采用矩陣式行與列線，其交叉點則為測點，根據被測物體結構特點或構件的大小尺寸，可根據實際需要采用50mm×50mm至300mm×300mm進行網格化，然后根據表1對混凝土結構中的鋼筋銹蝕性狀進行定性評估。

表1 半電池電位值評價鋼筋銹蝕性狀標準表

3.2 實踐中發現的問題

3.2.1 從其結果的判定標準來看：

首先，無論按照哪個判定標準其結果只能定性地反映鋼筋是否銹蝕，對鋼筋銹蝕程度不能做出有效判斷，即無法定量的獲取剩余鋼筋截面積。其次在實際檢測過程中發現，大量檢測結果處于50%銹蝕概率或可能銹蝕這個狀態，這樣結果對定性判斷也毫無幫助，即定性的問題都沒有很好地解決。

3.2.2 從半電池電位法原理來看

半電位法主要是通過電位數值表示鋼筋腐蝕程度，其核心主要是通過分析鋼筋陰極電子電位情況。然而，在含有飽和水混凝土和澆筑質量特別的密實的混凝土構件中常出現，鋼筋陰極在氧擴散作用下，混凝土與鋼筋的交界電子富集情況，因此常使結果失真。此外，鋼筋電極電位常常還會受到一些其他常見因素影響，例如水灰比、碳化深度、空氣相對濕度、混凝土保護層厚度以及品種等情況，Ping Gu和J.J.Beaudoin 總結了半電位法結果不準確的一些情況。

從表2 中可以看到，僅當因混凝土碳化或PH 值降低和氯離子濃度增大的情況下，半電池電位法較為適合，然而水閘所處環境因素并不單一，鋼筋的電極電位受環境影響大，空氣相對濕度、水灰比、碳化深度、混凝土保護層厚度以及品種等都會給測試數據帶來不確定因素，致使半電池電位法檢測的結果也有待商榷。

表2 半電池電位法的適用情況表

4 其他鋼筋銹蝕檢測常用方法的優缺點

4.1 經驗分析法

經驗分析法是銹蝕程度與時間的數學模型推演，通過大量的試驗分析，及原位測量鋼筋粗細數值、混凝土強度及厚度、產生裂縫的寬度、氯離子對鋼筋的入侵情況等與鋼筋銹蝕能建立關系的變量，然后考慮所測構件所處的溫度濕度環境等，總結出經驗公式以推斷鋼筋的銹蝕程度。現行較為常用的有綜合法和裂縫觀察法等。

分析法的優點為所需檢測的大部分數據均可相對準確的量測，通過數據能大致定量地推斷出鋼筋銹蝕程度，即鋼筋銹蝕截面積或鋼筋銹蝕質量。其缺點為建立數學模型的適用性并不廣泛，特別是水閘所處環境與其他工民建鋼筋混凝土結構的不同，會造成推斷結果與實際誤差較大。

4.2 物理檢測法

物理檢測法主要包含檢測電阻特征、電磁特征、熱特征及放射性特征來反映鋼筋銹蝕程度的方法。其優勢在于可以現場進行原位測試，結果相對直觀，操作便捷。但其測定的各種特征值與鋼筋銹蝕程度之間關系存在一定的不匹配性。

電阻特征的主要檢測手段是電阻棒法，基于鋼筋截面面積損失與電阻率之間關系來推算，雖然可以進行一定程度的定量計算，實質只能做定性判斷。電磁特征主要考慮鋼筋界面變化后，磁通量的變化，然后建立與銹蝕量之間的數值關系來反映鋼筋銹蝕情況。熱特征實質就是紅外熱成像，利用電磁感應加熱鋼筋后，對其進行熱成像，因截面銹蝕程度不同，捕捉其溫差進行分析。放射性特征則是對混凝土中鋼筋拍攝X 射線照片來觀察銹蝕狀況，是一種定性分析的方法，但因其放射性原因受到較強的管制。

4.3 電化學檢測分析法

電化學檢測分析法最為常見的就是半電池電位法，此外還有線性極化法、交流阻抗法等，電化學方法優勢在于可快速檢測、數值反應靈敏、可原位檢測及可連續跟蹤，劣勢在于所測結果的指標單一，也受制于環境的影響。另外還有一些實驗室的常用方法，如交流阻抗法、鐵離子測定法、電流階躍法等，受環境因素制約在工程現場使用還不盡人意。

5 應用實例

5.1 概況

王集引黃閘位于黃河左岸大堤公里樁號154+650處，1987年11月竣工。設計防洪水位53.83 m（黃海高程），涵閘所在位置堤頂高程54.95 m，閘底板高程43.22 m，該工程為規模小（1）型涵閘，建筑物等級為一級，主體工程為鋼筋混凝土箱型結構，設計引水流量30 m3/s，地震設防烈度Ⅶ度設防，王集引黃閘主要用途為防洪、供水與灌溉，承擔臺前縣范圍內的馬樓鄉、后方鄉、孫口鎮、城關鎮四鄉鎮的農田灌溉任務，設計灌溉面積2萬hm2。

該閘閘墩、胸墻、涵洞、砼閘門、機架橋和交通橋混凝土結構的安全性和耐久性均出現了不同程度的下降，混凝土保護層已出現掉塊、脫落現象，不少位置鋼筋已經暴露于空氣之中。這些情況可以初步判斷，因鋼筋銹蝕產生了體積膨脹，造成了混凝土出現順筋裂縫，裂縫又加劇了鋼筋銹蝕，特別是機架橋和交通橋表現的更為明顯，其下部排架立柱混凝土保護層已基本脫落，外露鋼筋已嚴重銹蝕，未脫落的保護層幾乎可以手工掰下。

5.2 初步分析

王集閘地處濮陽市臺前縣黃河灘區，灘區鹽堿地對混凝土危害原本就較為嚴重，加之混凝土保護層厚度較薄，經過對混凝土構件的碳化深度檢測，機架橋和交通橋的立柱、主梁等典型部位平均碳化深度均已超過6 mm，混凝土保護層已“中性化”，對鋼筋基本起不到保護作用。

5.3 檢測布置

為了方便檢測和描述，王集引黃閘混凝土結構編號示意如圖1 所示。依據《混凝土中鋼筋檢測技術規程》將王集引黃閘的4 個閘墩、3 個胸墻、3 個閘門、3 個閘底板、機架橋和便橋排架、面板分別作為一個構件，進行了鋼筋銹蝕程度檢測。采用200 mm×200 mm劃分網格，網格的節點為電位測點。

圖1 王集引黃閘結構編號示意圖

5.4 檢測結果

從表3可以看到，機架橋和便橋結構中鋼筋發生銹蝕的概率＞90%，結合其外觀質量檢測判斷，該部位鋼筋大部分已經不同程度的銹蝕。閘門和閘底板結構中鋼筋發生銹蝕的概率＜10%，鋼筋基本處于混凝土堿性保護之中。其他部位鋼筋銹蝕性狀不確定。

表3 鋼筋銹蝕程度檢測成果表

6 小結

水閘安全鑒定中，鋼筋銹蝕后截面剩余率是一個重要參數，直接關系水閘結構復核計算的準確性和水閘最終劃分為幾類閘，然而現有檢測手段雖有發展但仍顯粗糙，結果也難以用于水閘結構的復核計算。現階段，單類型的檢測都難以適合水閘安全鑒定的鋼筋銹蝕檢測，對于較為影響水閘評級的構件，先以較保守的經驗來進行估計判斷，再采取多種類型檢測手段綜合判斷。綜合判斷時，應在不影響水閘安全的部位（同類型、工況的混凝土和鋼筋的情況下）破型取樣，用其結果進行經驗性的校正，是現有技術水平下一種較為準確的選擇。