建（构）筑物结构侵蚀性损伤的检测与评定

2020-10-09李文岭

工程质量 2020年9期

李文岭，陶里

（中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

一般建筑或构筑物的设计使用寿命是 50 年，随着时间的推移，大量建（构）筑物逐渐接近设计使用年限，其中部分出现了结构材料的侵蚀性破坏，结构性能逐渐劣化，构件和结构的耐久性、可靠性不断降低，结构和构件出现安全隐患，严重的可导致结构失效等事故。本文结合工程实例，介绍建（构）筑物结构侵蚀性损伤的检测、评定方法和结构处理措施，为老旧建筑，特别是遭受侵蚀损伤建（构）筑物的结构检测与可靠性评定提供借鉴。

1 造成结构材料侵蚀性损伤的环境因素

常见结构材料有砌筑块材（黏土砖、石块、各种混合材料压制的砌块），砌筑砂浆、混凝土、金属（钢、铝合金）、木材等。正常室内环境对结构材料侵蚀作用很小，但某些环境因素侵蚀性明显。

1）风雨、干湿交替。干湿交替环境对砌块、砂浆、钢材、混凝土均可造成侵蚀破坏，对黏土砖尤为明显。

2）反复冻融。反复冻融对砌体、混凝土的破坏比较明显，可造成砌块和混凝土开裂、脱落，强度降低。钢材、石材抵抗反复冻融能力稍强。

3）高温。钢材等金属材料比混凝土和块材对高温更敏感，在高温下金属材料强度明显降低，塑性增加。混凝土在高温下也容易快速失水，因水化物产生化学反应而强度降低。

4）氯盐或硫酸盐。氯盐或硫酸盐对金属材料腐蚀性极强。混凝土和钢材在酸性环境中均易遭受侵蚀。

5）酸性或碱性物质接触，包括二氧化硫、高含盐海风、温泉蒸汽等气体，海水、酸雨、侵蚀性地下水等液体，除冰盐（氯化物）、硫酸盐（硫化物）和其它固体侵蚀性材料。

钢筋-混凝土结构是应用最广泛的建筑结构材料，混凝土中碱性物质 Ca（OH）2可与空气中的 CO2反应，生成碳酸钙和水，这个过程称为混凝土的碳化［1］。碳化使混凝土碱性降低，体积收缩变形，减小了对混凝土内碱性钢筋的保护作用，可使钢筋与 CO2及酸性物质接触，导致钢筋锈蚀。铁质材料主要是以钢材、钢筋两种形式用于建（构）筑物的结构，钢材、钢筋在常温下容易与环境中的氧气、水发生化学反应，生成铁的氧化物或氢氧化物［2］。

2 侵蚀性损伤的主要检测内容和方法

对于遭受侵蚀性损伤的建（构）筑物，一般需要检测下列项目。

1）损伤范围。首先需要在初步检查的基础上，明确损伤的范围，按照损伤严重程度划分出不同区域，便于采用相应的检测手段，也便于后续采取针对性措施处理修复。

2）损伤程度和相关技术参数。除不同程度损伤范围之外，一般需要测定影响构件或结构功能或性能的相关参数，下面结合不同材料或类型的损伤分别说明。评定结构构件的损伤程度需要确定损伤类型、损伤部位、损伤深度等。有些损伤是材料本身的损坏，材料的基本物理属性被破坏，比如抗拉或抗压的强度，弹性模量，有些损伤是构件的开裂、变形、移位。常见的裂缝损伤一般检测开裂部位和裂缝的形态、宽度，必要的时候还要检测裂缝深度。损伤深度影响构件有效截面面积，是影响构件性能的关键因素。

3）损伤区域和无损部位的对比检测。为了准确评定损伤的影响大小，可以对损伤区域和其它无明显损伤的部位进行对比检测。比如钢材或钢筋的强度，分别对火损严重区域和无损区域取样，做力学性能实验，可以准确地分析火损对钢材和钢筋材料性能的影响。

4）侵蚀因素和环境侵蚀性程度。对环境侵蚀性因素、侵蚀作用程度进行调查，有利于对损伤的评定和后续采取适当处理措施。不同侵蚀性环境的调查内容应有针对性，比如冻融损伤，可以调查低温持续时间、反复冻融的频次；高盐海风的腐蚀损伤，可以调查海风含盐量、海雾天数，等等。

3 侵蚀性损伤结构的工程检测实例

国内某煤气厂的直立炉、储气柜，建于1986年，因常年处于侵蚀性环境，结构局部遭受明显侵蚀破坏。

3.1 环境侵蚀性因素分析

直立炉是煤气、焦炭等产品的生产车间，包括炼焦车间、炉间台、炉端台和 6 个炉体。该构筑物主要部分为框架结构，局部为钢结构。直立炉局部外观照片如图1 所示。储气柜用于煤气存储，为钢结构。储气柜局部外观照片如图2 所示。

图 1 直立炉局部外观

图2 储气柜局部外观

煤气、焦炭等产品的生产原料主要是煤炭。煤炭除了含有大量的碳（C）、氧（O）、氢（H），还有硫（S）、氮（N）。煤炭含有可挥发性硫（主要为 H2S）、溶于水具腐蚀性的碳氧化物（主要为 CO2）及溶于水生成铵盐的HCN、NH3，本身有一定腐蚀性，燃烧或生产焦炭的过程中可生成具腐蚀性的硫氧化物、氮氧化物和腐蚀性盐分，所生产产品煤焦油、煤气等也有腐蚀性［3］。除直接与煤炭等原材料接触的结构易腐蚀外，暴露于厂区空气中的建筑结构均可受弱酸性气体侵蚀。

3.2 结构侵蚀性损伤的外观检查和损伤测量

对损伤的检测最基本的是外观检查，对检查发现损伤严重的部位进行重点检测，必要的进行测量、对比，定性、定量相结合，为后续处理提供技术依据。

外观检查发现，直立炉存在明显缺陷和损伤，主要包括：①框架柱、框架梁存在主筋或箍筋锈蚀、混凝土腐蚀、脱落或开裂。部分框架柱主筋（多为柱根部角筋）或箍筋锈蚀，局部框架梁的底部主筋和箍筋以及楼板底筋锈蚀。钢筋锈蚀后体积膨胀，导致混凝土保护层被胀裂，加速了钢筋的锈蚀过程。②现浇板和屋面预制板损伤。楼板炉体安装孔洞开孔处现浇楼板混凝土长期受高温影响强度降低，其它部位存在局部楼板开裂、渗漏。局部屋面长期渗漏，屋面堆积煤块，在雨水作用下形成腐蚀性液体，预制屋面板混凝土腐蚀、钢筋锈蚀。③炉体平台板锈蚀严重、围护墙体开裂且承载能力降低。炉体围护墙在长期高温作用下砌筑砂浆丧失强度，多处形成上下贯通的长裂缝，裂缝宽度最大超过30 mm。④外围护墙底层局部砌筑砖风化酥裂，局部墙体出现较长贯通裂缝。直立炉受损构件的局部外观照片如图3～8 所示。检测中采用多种手段，针对所发现的直立炉不同类型损伤分别进行了定位、测量。

图3 框架柱根部混凝土开裂、钢筋锈蚀

图4 连续梁混凝土受腐蚀大面积脱落钢筋锈蚀

图5 炉体基础框架梁混凝土腐蚀脱落、钢筋锈蚀

图6 预制屋面板混凝土腐蚀

图7 炉体平台钢板、楼梯踏步钢板锈蚀严重

图8 炉体围护墙因长期高温作用砌块掉落

储气柜主要钢结构构件存在不同程度锈蚀，其中储气柜内部支撑结构构件和环形围护钢板、穹顶钢板锈蚀轻微，水槽壁板、斜梯的立柱和柱间斜撑在底部节点处锈蚀明显，部分外观照片如图9～10 所示。

3.3 侵蚀因素和损伤程度的检测

构件的耐久性与环境的侵蚀性、构件的保护能力、损伤程度有关。混凝土的耐侵蚀性比钢筋强，需要检测构件钢筋的混凝土保护层厚度和混凝土碳化深度。受生产工艺影响，框架柱根部侵蚀明显，为了解环境的侵蚀性及混凝土的侵蚀程度，在锈蚀普遍明显的框架柱根部和中段分别取样做了对比实验，实验混凝土中有害离子（硫酸根离子和氯离子）的含量。检测结果分别如表1～2 所示。

图9 储气柜内部构件钢材表面锈蚀

图10 储气柜外部斜梯局部锈蚀严重

表1 直立炉框架柱混凝土中硫酸根离子含量对比检测结果

表2 直立炉框架柱混凝土中氯离子含量对比检测结果

根据实验结果，直立炉框架柱根部表面混凝土的 Cl-、SO42-平均含量分别为内部平均含量的 3.24 倍、802.6 倍，所测框架柱根部处于腐蚀性环境中。其他腐蚀明显的构件或结构部位均可做类似对比实验以鉴别环境是否有侵蚀性、侵蚀因素及其严重程度。

储气柜为钢结构构筑物，钢结构的耐久性与钢材的厚度、防腐涂层厚度、锈蚀程度有直接关系。本次检测采用超生波测厚仪、磁性覆层测厚仪、游标卡尺等仪器测量了构件钢材厚度、防腐涂层厚度和锈蚀深度。根据检测结果，局部防腐涂层厚度达不到规范要求，主要构件仅表面轻微锈蚀（最大约 0.2 mm），个别构件最大锈蚀深度约 1.2 mm。

3.4 遭受侵蚀性损伤结构的可靠性评定和结构处理措施

遭受侵蚀性损伤结构的可靠性评定内容主要包括：损伤对承载能力、耐久性能、使用功能和人体感受的影响程度。

损伤对承载能力的影响应当考虑以下几方面的因素：对截面有效受力面积和构件物理特性的影响、对材料性能的影响、对计算模型适用性的影响（构造措施的破坏）。直立炉结构构件的损伤主要包括：混凝土构件因环境侵蚀造成的混凝土脱落、混凝土强度降低、钢筋保护层厚度减小或丧失、钢筋锈蚀，钢结构防腐涂层丧失、构件锈蚀破坏，砌体开裂和砂浆强度降低、砌块脱落。储气柜的损伤主要包括防腐涂层破坏、构件锈蚀。

根据这些损伤的性质、影响，分别采取针对性措施考虑、处理。对于影响有效截面面积、构件承载能力的，测量损伤程度，按照最大损伤截面计算实际承载力。比如，对储气柜主要受力构件截面损伤很小，型钢截面按照厚度减小 0.2 mm 计算。对于影响承载能力而又不便计算分析的，比如箍筋受损，采取修复措施，恢复构件承载和构造要求。受损严重的应予更换，比如局部长期受堆煤、渗漏侵蚀的预制屋面板，锈蚀严重的钢平台、钢楼梯。对于强度降低的材料，如混凝土强度、砌块和砂浆强度，可按照实际强度进行计算。直立炉大部分构件的侵蚀破坏并不明显，经检测可按照设计强度计算，但需对明显受侵蚀影响的构件采取修复措施。炉体的围护砌体强度很低，砂浆强度接近丧失，因此后续如继续使用应重新砌筑。

对于耐久性能（使用寿命）受损的构件，比如碳化深度过大、防腐涂层受损或破坏的构件，一般可按照GB/T 51355－2019《既有混凝土结构耐久性评定标准》［4］等相关规范的规定，计算剩余使用寿命。在使用环境不发生显著改变的情况下，也可通过已损伤程度与侵蚀作用因素及侵蚀时间的关系，推定剩余保护时间。所检测的直立炉混凝土构件表面碳化深度大多已超过钢筋保护层厚度，除直接接触腐蚀性物质的部位之外，构件内钢筋并未锈蚀，可采取针对性措施阻断侵蚀、修复耐久性能，比如剔除受损材料并修复、采用表面处理防腐措施。