水工混凝土结构钢筋分布及锈蚀检测

栗宝鹃，张美多，王志豪，刘康和，李 琦，李嘉欣

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222;2.黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西 太原 030022)

1 引 言

水工建筑物经常会出现钢筋锈蚀现象。如水闸、大坝、桥梁等水工建筑物锈蚀情况加重，则会引起混凝土保护层脱落、混凝土膨胀开裂等破坏现象，从而危及水工建筑物的安全运行。钢筋混凝土结构的锈蚀情况对水利工程的影响主要体现在三个方面，可总结为导致钢筋混凝土性能的“三降”，即承载力下降、耐久性下降和黏结性下降。如不及时处理，钢筋锈蚀情况可引起混凝膨胀开裂、混凝土保护层脱落等现象，因此钢筋锈蚀检测也是保证水工结构安全和质量的重要因素[1,2]。

影响混凝土质量的因素很多，比如原材料、施工方法、施工工艺、机械配置、环境条件等，这些因素都会对混凝土质量产生直接或间接影响[3]。对水工混凝土建筑物而言，钢筋混凝土结构的质量与裂缝的发展有关。裂缝是混凝土建筑物中常见的一种缺陷，其存在会影响水工混凝土结构的抗渗性能[2]。沿裂缝渗入的水分会诱发钢筋锈蚀和加速混凝土的自然老化，从而对水工建筑物的安全性能产生影响。

2 理论与方法

混凝土质量检测的方法主要分为两类：一类是有损检测法，即取样试验法；另一类是无损检测法，也就是工程物探方法[2，3]。取样试验法首先通过钻孔取样从混凝土构件中钻取芯样，然后进行室内试验获知混凝土内部缺陷或强度等参数。该方法优点是检测精度高，其不足在于对混凝土构筑物存在损伤，此外，“一孔之见”也难以对混凝土质量进行全面分析。水工混凝土构件中多含有钢筋结构，究竟在哪里取样呢？钻孔位置、钻头直径、钻孔垂直度等参数的确定，需要借助无损检测法[3]，也就是工程物探方法。工程物探方法以地球物理理论为基础，借助比如弹性波或电磁波在混凝土中的传播，通过分析其波形、频率、相位等地球物理参数的变化，实现对混凝土缺陷的全面检测和评价。

在针对水工建筑物中的钢筋混凝土结构进行分布探测和锈蚀检测的过程中，需要解决的问题有两个：其一是混凝土结构探测，探测内容除脱空、裂缝等混凝土缺陷之外，还包括钢筋结构及分布；其二是钢筋锈蚀情况检测。结合混凝土结构探测和钢筋锈蚀检测的结果，便可对混凝土质量进行综合分析评价。

针对上述内容，拟采用如下技术流程(图1)，具体如下：首先，采用探地雷达法对混凝土结构中的钢筋结构及分布进行探测；其次，采用半电池电位法对钢筋锈蚀程度进行检测；第三，结合裂缝分布及严重程度，对钢筋锈蚀情况进行分析判断。综上，可得出钢筋锈蚀情况分布图，从而对钢筋锈蚀性状进行总结，并对原因进行分析判断，判断结果为水工混凝土结构的维修维护提供了数据服务和决策支持。

图1 技术流程Fig.1 Technical flowchart

2.1 探地雷达法

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一种用于探测地下结构和埋设物的无损探测设备。探地雷达法是一种用于地球浅表成像的地球物理方法，其理论基础是电磁波传播原理：当电磁波遇到电性(介电常数、电导率、磁导率)差异的界面时，传播路径、电磁场强度及波形等将因界面的电性差异而产生变化[4-10]。根据电磁波传播理论可知，当电磁波在质量均匀的混凝土中传播时，不会形成反射波；当电磁波遇到钢筋等目标物时，因存在较大的波阻抗差异，则会存在反射现象[11-16]。

根据电磁波传播理论，在低频情况下，其速度与频率呈线性变化，而当频率增加到一定程度时，电磁波速度将趋于一常数。

(1)

式中，v为电磁波在介质中的传播速度，单位为m/s；c为真空中电磁波传播速度，单位为m/s；εr为相对介电常数。

在现有的雷达设备中，通常采用电偶极子激发源，因此离辐射源较远的雷达波通常可视为平面波。根据波场分析理论可知：

(2)

式中，t为电磁波自地面至反射界面的双程旅行时，单位为ns；x为发射天线与接收天线之间的距离，单位为m；h为反射界面的深度，单位为m。

剖面法与宽角法是常用的两种工作方式。剖面法指的是发射和接收天线以固定间距沿测线移动并进行观测，测量结果以雷达剖面的形式进行表示，具有处理简单、图像直观的优点。这里采用剖面法进行测量。在采用剖面法进行测量的过程中，x≈0，此时电磁波旅行时可简化如下：

(3)

图2 探地雷达测试原理示意Fig.2 Schematic diagram of GPR’s testing principle

探地雷达系统一般由主机、天线和显示器三部分组成。工作过程如下(图2)： 天线包括发射天线(TX)和接收天线(RX)，TX向地下发射宽频带、短脉冲的电磁波；然后，电磁波经地下不同介电性质的目标反射后返回地面，被接收天线RX接收；主机也就是控制单元，除控制整个探测过程之外，还控制数据存储和数据显示；数据显示指的是在控制单元的作用下，将包含数据剖面在内的探测结果发送到显示器上，以便进行采集参数调整和初步数据分析。

探地雷达常用的扫描方式为横向扫描，当雷达天线沿测线移动时，测距轮会相应记录下探地雷达的移动距离，并按照固定间隔在相应测点记录下相应的反射信号。各测点的反射信号通过波形叠加在一起，形成具有反射信号振幅、相位、频率等信息的雷达剖面，该剖面可以伪彩色或灰度图的方式显示，通过对剖面进行解释，可分析地下目标的几何形态和物理性质。

在使用过程中，探地雷达检测混凝土裂缝具有速度快、穿透能力强、无需耦合剂等特点，可确定裂缝缺陷的形状和方向。该方法不足之处是对混凝土裂缝的识别需要借助探地雷达图像来进行，因此对检测人员的水平要求较高，除此之外，该方法适用于大尺度混凝土裂缝的监测，对局部小尺寸裂缝的识别存在困难。

2.2 半电池电位法

半电池电位法是钢筋锈蚀无损检测中的一种电化学方法，该方法通过测量钢筋的自然腐蚀电位来判断钢筋的锈蚀程度[17-19]。半电池系统是相对于全电池系统而言的，全电位系统采用的是“铜+硫酸铜(Cu+CuSO4)饱和溶液”，电位值相对稳定。半电位系统则由“Cu+CuSO4饱和溶液”半电池。与“钢筋+混凝土”半电池两部分组成一个全电池系统。根据混凝土中钢筋因锈蚀产生的电化学反应引起的全电池电位变化，可评定钢筋的锈蚀状态。

混凝土中钢筋发生锈蚀作用的前提是钝化膜被破坏，其主要原因是碳化作用和Cl-离子的侵蚀作用。当腐蚀过程进行时，其接触面上会发生电荷交换，产生电流并发生极化作用，此时钢筋电位是一混合电位，混合电位是钢筋上所有阳、阴极反应耦合的结果，因此也成为自然腐蚀电位。混合电位主要反映的是金属的抗腐蚀能力，因此，该参数也是钢筋锈蚀度检测的主要参数。

由Fe—H2O(铁—水)系的实验电位—pH图(图3)可知，根据电位的高低，铁的表面可以分为免蚀区、腐蚀区和钝化区[11]。但在O2(氧)存在的条件下，钢筋表面不可能保持免蚀状态，因此对混凝土钢筋的锈蚀程度，主要讨论腐蚀区和钝化区。腐蚀区也称为活化区，主要指的是阳极区，该区腐蚀速度较快，钝化区则指的是阴极区，腐蚀速度相对较慢。活化区和钝化区分别显示出不同的腐蚀电位，钢筋在钝化时，腐蚀电位升高，电位偏正；当钢筋由钝化状态转入活化状态时，腐蚀电位降低，电位偏负。

钢筋混凝土锈蚀度评价方法主要有两种：其一为数值表示法，即根据检测数值或将检测值绘制成直方图，然后参考半电池电位值评价钢筋锈蚀度性状，依据检测数值对钢筋锈蚀概率进行判断；其二是等值线图法，通过将电位各点插值绘制成等值线，并将等值线采用不同颜色进行填充，然后根据等值线数值或色标值域范围对钢筋锈蚀概率进行判断。

图3 Fe—H2O系的实验电位—pH图[11]Fig.3 Diagram of experimental potential-pH for Fe—H2O series[11]

半电池电位法也存在不足之处，主要体现在以下方面：①该方法虽是通过检测自然腐蚀电位数据来实现的，从实施角度而言属于定量测量，但对钢筋混凝土锈蚀情况判断是通过锈蚀概率实现的，属于定性判断；②测量方法只适用于已硬化混凝土结构的钢筋检测，且测量过程中采用的是Cu+CuSO4电极，只能在混凝土表面进行，因此。无法测得蚀孔内电位和pH值急剧下降情况下的电位。

3 案例分析

本研究实例为某水利枢纽水轮机层地面混凝土内部钢筋分布和锈蚀性状检测。根据数据资料记录，该处自2012年开始出现裂缝并存在渗水问题，在每年11月下旬至次年3月之间渗水问题严重且存在带压现象。根据上述现象推断，该处水工混凝土构件有可能存在裂缝、脱空、不密实区等病害损伤，又根据设计、施工资料可知，在混凝土构件中均有钢筋分布，且局部范围内有两层钢筋结构，鉴于渗水现象的发生，推断有可能存在钢筋锈蚀现象。

根据上述情况，在采用探地雷达对全区进行探测的前提下，重点选择A区进行钢筋分层及分布探测及钢筋锈蚀程度检测，并将结果与已知裂缝平面分布及贯穿深度结合，由此对钢筋混凝土地面渗漏情况进行分析。其中，A区(虚线方框部分)的测线布置示意如图4所示。

图4 A区测线布置示意Fig.4 Layout of survey lines in area A

3.1 探地雷达数据分析

图5 钢筋探地雷达波形Fig.5 Waveform of steel bars acquired by GPR

采用探地雷达法对水工混凝土构件中埋设钢筋的深度及分布进行检测时，可将混凝土视为媒介介质，将钢筋视为混凝土中的异常体。钢筋在混凝土中成网格状呈层状分布，其间距为0.5 m。由于钢筋和混凝土之间存在明显的电性差异，电磁波的绕射作用和金属对电磁波的反射作用使得单根钢筋的波形如图5中的黄色方框所示，即表现为向上凸起的弧形，弧顶位置与钢筋的顶部位置相对应。

图6 探地雷达探测结果Fig.6 GPR detection results

采用瑞典MALA的RAMAC/GPR雷达系统对混凝土构筑物中的钢筋层数及分布进行检测，使用横向扫描方式，野外测量方式为剖面法。根据已知数据资料，钢筋埋藏深度较浅，为达到良好的探测效果，拟采用中心频率为1.6 GHz的天线进行探测，因现场需快速、准确地对图像进行处理和解释，本次研究拟采用剖面法进行测量。

在全区范围内进行探地雷达探测，并从中选取一小块典型区域(A区)进行分析。该区包含两纵(垂直坝轴线)两横(顺坝轴线)四条测线(图6)。采用探地雷达法进行探测，结果如下：

由图6(a)可知，在探测范围内：①黑色实线为钢筋，第一层钢筋埋深约20 cm，其上方有一层连续同相轴。第二层钢筋埋深约50 cm，在测线0～0.3 m有反映，其他位置未见明显反映；②黄色虚线为裂缝处异常，其中10#裂缝异常延伸约32 cm、9#裂缝异常延伸约36 cm、8#裂缝异常延伸约48 cm、7#裂缝异常延伸约48 cm。

由图6(b)可知，在探测范围内：①黑色实线为钢筋，钢筋埋深约25 cm，其上方有一层连续同相轴；②黄色虚线为裂缝处异常，其中12#裂缝异常延伸约42 cm、11#裂缝异常延伸约36 cm、9#裂缝异常延伸约46 cm。

由图6(c)可知，在探测范围内：①黑色实线为钢筋，钢筋埋深约16～19 cm；②黄色虚线为裂缝处异常，11#裂缝异常延伸约42 cm。

由图6(d)可知，在探测范围内：①黑色实线为钢筋，钢筋埋深约15～20 cm；②黑色圆形虚线框中为反射弧异常，推测为埋管，位置为测线2.10 m、埋深约0.10 m。

3.2 半电池电位法数据分析

采用KON-XSY型钢筋锈蚀仪进行半电池电位法测量，测网设置采用全覆盖方式，测网间距为0.5 m，局部疑似锈蚀区域测网间距为0.3 m。其中，全区范围内现场测试数据点为3 078个，电位值主要集中在-250～150 mV之间，分布直方图如图7所示。

根据《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》(SL 713-2015)，当采用半电池电位法评价钢筋锈蚀性状时，应根据如下表格(表1)进行判断，并根据该标准对钢筋锈蚀性状进行评价，其结果如表2所示。

表1 半电池电位值评价钢筋锈蚀度性状依据

根据半电池电位法测试所得电位值绘制等值线，结果如图8所示，其中黑色虚线框内为重点研究区域。红色填充表示为电位值小于-350 mV，该区域发生锈蚀的概率大于90 %；黄色填充表示电位值在-200～-350 mV之间，该区域深色部分表示锈蚀性状不确定。针对重点研究的A区进行综合评价，可以得出以下结论：A区发生锈蚀概率>90 %的区域、锈蚀性状不确定区域、发生锈蚀概率<10 %的区域均存在，且大概率发生锈蚀的区域占大部分，需引起重视并重点分析。

图7 半电池电位法测试值分布直方图Fig.7 Histogram of test values by half-cell potential method

表2 钢筋锈蚀性状评价

图8 半电池电位法测试成果Fig.8 Test results of the half-cell potential method

4 结 论

根据水工混凝土构件中钢筋的分层与分布，对钢筋锈蚀情况进行检测，并结合裂缝分布对锈蚀原因进行分析，其结果如下：

1)根据探地雷达的探测结果，判断第一层钢筋埋深约为20 cm，全区范围内均有分布，第二层钢筋埋深约为50 cm，仅在局部范围内分布；测区内裂缝分布较多，贯穿深度在30～50 cm之间；探测范围内分布有埋管，埋深约为10 cm。

2)根据半电池电位法的探测结果，判断不发生锈蚀情况的测点占大多数，锈蚀概率>90 %的地区仅存在于小范围的局部地区，未对水工混凝土构件的安全质量造成损伤。

3)水工混凝土构件锈蚀概率较大的区域，也是裂缝存在较多的区域。

通过对水工混凝土结构进行钢筋分布和锈蚀程度检测，得出以下结论：①在不进行大面积开凿的前提下，对钢筋分布和锈蚀情况进行检测，并将结果用于工程质量和安全评估，不仅具有经济、高效的特点，并经实践证实，具有一定的可靠性；②钢筋锈蚀情况的产生与水工混凝土裂缝的形成之间互为因果，水工混凝土构件可因钢筋锈蚀作用而产生锈蚀裂缝，同时，水工混凝土构件也可因裂缝的产生而锈蚀程度加重。