基于半电池电位法的水利工程钢筋锈蚀检测

2019-04-09张锦

治淮 2019年3期

张锦

钢筋混凝土作为主要的建筑材料，广泛应用在水利水电、水运等工程建设中。在运行期间，当混凝土中的钢筋遭到锈蚀时，钢筋锈蚀产物的体积比钢筋大2.5～3倍，导致混凝土内产生体积应力，从而使混凝土产生裂缝、剥落，降低了结构受力性以及耐久性，严重影响结构的安全性能。因此，钢筋混凝土结构钢筋锈蚀问题是一个迫切需要解决的问题。通过开展对钢筋混凝土结构锈蚀检测研究，一方面能对已有建筑结构的安全性进行科学的评定，从而选择正确的处理方法；另一方面可对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量。

一、钢筋锈蚀的主要影响因素

引起构件钢筋锈蚀的原因有很多，混凝土的密实度、钢筋保护层厚度、氯离子侵蚀周围介质的影响等都会造成钢筋锈蚀。

1.内在影响因素

（1）混凝土的强度等级。混凝土的强度越高，其耐久性越好，钢筋不易发生锈蚀。

（2）混凝土的渗透性。混凝土渗透性越好，外界的腐蚀性介质、水、氧气等就越容易渗透到混凝土结构内的钢筋表面，钢筋易产生电池反应而被锈蚀。

（3）保护层厚度。保护层厚度越小，导致外界因素越容易进入，从而使钢筋发生锈蚀。

（4）水泥的水灰比。研究表明，水灰比越大，钢筋裂缝分布越密。

2.外在影响因素

（1）氯离子侵蚀对钢筋表面的钝化膜造成破坏。游离态的氯离子半径小，活性大，能穿透致密的钝化薄膜，使钝化膜周围pH降低，致使钢筋表面局部的钝化膜破坏，为金属铁发生电池反应创造了条件。

（2）混凝土碳化的影响。混凝土碳化是影响钢筋混凝土结构耐久性的另一重要因素。当空气中的CO2和H2O从混凝土表面的裂缝中进来时，与混凝土中的碱性物质发生中和反应，直接降低了混凝土的pH值。最终，钢筋表面的钝化膜被直接氧化破坏，钢筋直接与其他物质接触很容易发生锈蚀。

（3）与环境湿度密切相关。空气相对湿度在80%左右时，有利于碳化作用，混凝土中的钢筋锈蚀变得很快。

二、钢筋锈蚀的主要检测方法

目前常用的检测方法可以分为两大类：破损检测和无损检测技术。

1.破损检测技术

混凝土破损检测是去掉混凝土保护层后露出锈蚀的钢筋，观察钢筋的锈蚀情况，再测定钢筋因锈蚀造成的横截面积损失率和质量损失率，破损检测法适合于锈蚀严重的混凝土结构。这种方法的优点是直观、准确性高，缺点是损伤结构、检测范围以及代表性有限。

2.无损检测技术

无损检测在检测过程中对构件的损伤比较小或无损伤，可以分为3大类：分析法、物理法和电化学法。

（1）分析法

分析法根据现场实测的钢筋直径、混凝土保护层厚度、构件纵向裂缝深度等数据，综合考分析并作出合理的推断，进而得出钢筋锈蚀的严重程度。

（2）物理检测法

钢筋锈蚀后会引起物理特性的变化，这种变化可以用物理方法进行检测，主要有电阻棒法、声发射探测法、基于磁场的检测方法等。物理检测方法虽然操作简便，但难以进行定量分析。

（3）电化学法

电化学方法是通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋锈蚀程度。电化学方法因其设备简单、测量精度高且适用于现场检测而越来越受到欢迎，已成为钢筋无损检测的发展方向。目前常用的电化学检测方法有半电池电位法、交流阻抗法、线性极化法等。

在电化学法中，最常用的方法是半电池电位法。钢筋锈蚀是一个电化学反应过程，此时，钢筋表面会形成阳极区和阴极区。两者之间存在电位差，导致混凝土内部产生电流导致钢筋锈蚀。钢筋和混凝土之间的电化学活性可以看作是半个弱电池组，钢筋的作用是一个电极，混凝土是电解质。半电池电位法就是利用“Cu+CuSO4饱和溶液”形成的半电池与“钢筋+混凝土”形成的半电池组成一个全电池系统。鉴于半电池电位法检测的可靠性，本文所采用的检测方法为半电池电位法。

表1给出了钢筋锈蚀状况检测方法的比较。

三、工程实例

某渡槽因建设年代久远，渡槽内部槽身底板因冲蚀，裸露钢筋较多；槽体上部栏杆，部分断裂或缺失；考虑到该渡槽在灌区灌溉引水中的重要作用，一旦出现问题，将造成严重的经济损失。因此对该渡槽钢筋锈蚀情况进行检测，判断其是否能正常工作。

表1 钢筋锈蚀状况检测方法的比较表

根据要检测部位布设测区，在混凝土面板上，纵横向以100mm为间距画出4×7的网格，网格节点作为测点；采用19L饮用水与95mL家用液体清洁剂充分混合构成的液体充分润湿钢筋锈蚀测定仪测试端海绵和混凝土结构表面，凿除钢筋保护层部分的混凝土，使钢筋外露，打磨钢筋表面，除去锈斑或钝化层。将钢筋锈蚀测定仪的湿润海绵端与混凝土表面接触，另一端与钢筋相连，用钢筋锈蚀测定仪读取每条测线上各测点的电位值，读数保持稳定后，记录保存电位值。

部分检测数据见表2。