水闸安全鉴定中钢筋锈蚀检测问题探讨

李晓磊，原闻洋

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

1 引言

在水闸安全鉴定中，闸室主体结构的复核是判定水闸安全状态的重要一项，特别是钢筋截面积是计算主体结构力学参数的基础，然而进行安全鉴定的水闸多是运行十几年甚至几十年的老旧病闸，钢筋已经发生锈蚀，无法再按照设计图纸的钢筋截面积来进行计算，故通过现场检测钢筋剩余截面积则是关乎水闸安全鉴定准确的一项重要工作。

2 现行方法存在的问题

在现行水闸安全鉴定中，基本是通过半电池电位法非常粗略地对较大面积的钢筋锈蚀状态进行定性判定，然后辅以对已发生锈蚀钢筋进行取样，剔掉锈蚀部分，测定钢筋剩余截面积。但这种模式难以满足水闸主体结构复核计算的需要，半电池电位法本身就“先天不足”，其方法的适用性导致“普查”的效果并不理想，其后的“详查”即破型取样计算钢筋锈蚀剩余量，自然也难以去重点把握，如果大量对构件钢筋进行取样剔凿，势必破坏水闸结构，影响到水闸使用寿命，且费时费力。故现行水闸安全鉴定破型取样的一般都较少，水闸主体结构的计算准确性受到影响，对水闸安全的评级也难以做出严谨的评价。

3 半电池电位法的适用性

半电池电位法作为电化学检测的一种，因其设备简单，价格便宜，操作较为容易等原因适用最为广泛，但该法也有其局限性，如果操作人员经验不足，往往适得其反。

3.1 半电池电位法简介

半电池电位法基本原理是钢筋锈蚀则会产生电流，影响钢筋的电位值。其检测设备由铜-硫酸铜半电池、电压仪和导线构成。现场实施时，需在混凝土结构及构件上布置测区，每个测区采用矩阵式行与列线，其交叉点则为测点，根据被测物体结构特点或构件的大小尺寸，可根据实际需要采用50mm×50mm至300mm×300mm进行网格化，然后根据表1对混凝土结构中的钢筋锈蚀性状进行定性评估。

表1 半电池电位值评价钢筋锈蚀性状标准表

3.2 实践中发现的问题

3.2.1 从其结果的判定标准来看：

首先，无论按照哪个判定标准其结果只能定性地反映钢筋是否锈蚀，对钢筋锈蚀程度不能做出有效判断，即无法定量的获取剩余钢筋截面积。其次在实际检测过程中发现，大量检测结果处于50%锈蚀概率或可能锈蚀这个状态，这样结果对定性判断也毫无帮助，即定性的问题都没有很好地解决。

3.2.2 从半电池电位法原理来看

半电位法主要是通过电位数值表示钢筋腐蚀程度，其核心主要是通过分析钢筋阴极电子电位情况。然而，在含有饱和水混凝土和浇筑质量特别的密实的混凝土构件中常出现，钢筋阴极在氧扩散作用下，混凝土与钢筋的交界电子富集情况，因此常使结果失真。此外，钢筋电极电位常常还会受到一些其他常见因素影响，例如水灰比、碳化深度、空气相对湿度、混凝土保护层厚度以及品种等情况，Ping Gu和J.J.Beaudoin 总结了半电位法结果不准确的一些情况。

从表2 中可以看到，仅当因混凝土碳化或PH 值降低和氯离子浓度增大的情况下，半电池电位法较为适合，然而水闸所处环境因素并不单一，钢筋的电极电位受环境影响大，空气相对湿度、水灰比、碳化深度、混凝土保护层厚度以及品种等都会给测试数据带来不确定因素，致使半电池电位法检测的结果也有待商榷。

表2 半电池电位法的适用情况表

4 其他钢筋锈蚀检测常用方法的优缺点

4.1 经验分析法

经验分析法是锈蚀程度与时间的数学模型推演，通过大量的试验分析，及原位测量钢筋粗细数值、混凝土强度及厚度、产生裂缝的宽度、氯离子对钢筋的入侵情况等与钢筋锈蚀能建立关系的变量，然后考虑所测构件所处的温度湿度环境等，总结出经验公式以推断钢筋的锈蚀程度。现行较为常用的有综合法和裂缝观察法等。

分析法的优点为所需检测的大部分数据均可相对准确的量测，通过数据能大致定量地推断出钢筋锈蚀程度，即钢筋锈蚀截面积或钢筋锈蚀质量。其缺点为建立数学模型的适用性并不广泛，特别是水闸所处环境与其他工民建钢筋混凝土结构的不同，会造成推断结果与实际误差较大。

4.2 物理检测法

物理检测法主要包含检测电阻特征、电磁特征、热特征及放射性特征来反映钢筋锈蚀程度的方法。其优势在于可以现场进行原位测试，结果相对直观，操作便捷。但其测定的各种特征值与钢筋锈蚀程度之间关系存在一定的不匹配性。

电阻特征的主要检测手段是电阻棒法，基于钢筋截面面积损失与电阻率之间关系来推算，虽然可以进行一定程度的定量计算，实质只能做定性判断。电磁特征主要考虑钢筋界面变化后，磁通量的变化，然后建立与锈蚀量之间的数值关系来反映钢筋锈蚀情况。热特征实质就是红外热成像，利用电磁感应加热钢筋后，对其进行热成像，因截面锈蚀程度不同，捕捉其温差进行分析。放射性特征则是对混凝土中钢筋拍摄X 射线照片来观察锈蚀状况，是一种定性分析的方法，但因其放射性原因受到较强的管制。

4.3 电化学检测分析法

电化学检测分析法最为常见的就是半电池电位法，此外还有线性极化法、交流阻抗法等，电化学方法优势在于可快速检测、数值反应灵敏、可原位检测及可连续跟踪，劣势在于所测结果的指标单一，也受制于环境的影响。另外还有一些实验室的常用方法，如交流阻抗法、铁离子测定法、电流阶跃法等，受环境因素制约在工程现场使用还不尽人意。

5 应用实例

5.1 概况

王集引黄闸位于黄河左岸大堤公里桩号154+650处，1987年11月竣工。设计防洪水位53.83 m（黄海高程），涵闸所在位置堤顶高程54.95 m，闸底板高程43.22 m，该工程为规模小（1）型涵闸，建筑物等级为一级，主体工程为钢筋混凝土箱型结构，设计引水流量30 m3/s，地震设防烈度Ⅶ度设防，王集引黄闸主要用途为防洪、供水与灌溉，承担台前县范围内的马楼乡、后方乡、孙口镇、城关镇四乡镇的农田灌溉任务，设计灌溉面积2万hm2。

该闸闸墩、胸墙、涵洞、砼闸门、机架桥和交通桥混凝土结构的安全性和耐久性均出现了不同程度的下降，混凝土保护层已出现掉块、脱落现象，不少位置钢筋已经暴露于空气之中。这些情况可以初步判断，因钢筋锈蚀产生了体积膨胀，造成了混凝土出现顺筋裂缝，裂缝又加剧了钢筋锈蚀，特别是机架桥和交通桥表现的更为明显，其下部排架立柱混凝土保护层已基本脱落，外露钢筋已严重锈蚀，未脱落的保护层几乎可以手工掰下。

5.2 初步分析

王集闸地处濮阳市台前县黄河滩区，滩区盐碱地对混凝土危害原本就较为严重，加之混凝土保护层厚度较薄，经过对混凝土构件的碳化深度检测，机架桥和交通桥的立柱、主梁等典型部位平均碳化深度均已超过6 mm，混凝土保护层已“中性化”，对钢筋基本起不到保护作用。

5.3 检测布置

为了方便检测和描述，王集引黄闸混凝土结构编号示意如图1 所示。依据《混凝土中钢筋检测技术规程》将王集引黄闸的4 个闸墩、3 个胸墙、3 个闸门、3 个闸底板、机架桥和便桥排架、面板分别作为一个构件，进行了钢筋锈蚀程度检测。采用200 mm×200 mm划分网格，网格的节点为电位测点。

图1 王集引黄闸结构编号示意图

5.4 检测结果

从表3可以看到，机架桥和便桥结构中钢筋发生锈蚀的概率＞90%，结合其外观质量检测判断，该部位钢筋大部分已经不同程度的锈蚀。闸门和闸底板结构中钢筋发生锈蚀的概率＜10%，钢筋基本处于混凝土碱性保护之中。其他部位钢筋锈蚀性状不确定。

表3 钢筋锈蚀程度检测成果表

6 小结

水闸安全鉴定中，钢筋锈蚀后截面剩余率是一个重要参数，直接关系水闸结构复核计算的准确性和水闸最终划分为几类闸，然而现有检测手段虽有发展但仍显粗糙，结果也难以用于水闸结构的复核计算。现阶段，单类型的检测都难以适合水闸安全鉴定的钢筋锈蚀检测，对于较为影响水闸评级的构件，先以较保守的经验来进行估计判断，再采取多种类型检测手段综合判断。综合判断时，应在不影响水闸安全的部位（同类型、工况的混凝土和钢筋的情况下）破型取样，用其结果进行经验性的校正，是现有技术水平下一种较为准确的选择。