水工混凝土钢筋锈蚀检测中半电池电位法的应用

庄文新

(彰武县水利事务服务中心，辽宁 彰武 123200)

0 引 言

钢筋锈蚀是评定水工结构安全等级所必须考虑的问题，也是决定结构耐久性的主要因素之一[1-2]。一直以来，因钢筋锈蚀造成的水利工程损坏事例频繁发生，并带来了较大的经济损失及较多的工程事故。总体上，钢筋锈蚀对水工结构的影响体现在3个方面：①混凝土与钢筋之间的黏结力因钢筋锈蚀而不断下降；②较锈蚀之前钢筋锈蚀后的体积明显增大，钢筋外围混凝土受体积膨胀压力作用产生拉应力，顺筋开裂并导致结构耐久性下降；③钢筋锈蚀导致截面有效面积减小，使得钢筋承载力和极限延伸率大大减小。因此，必须高度重视结构的适用性和承载力受钢筋锈蚀的影响，科学研究钢筋锈蚀检测技术，可为科学评价水利工程安全状态提供可靠依据。

1 半电池点位法

1.1 基本原理

半电池电位法是一种依据钢筋腐蚀电位(即钢筋上某区域的混合电位)来评判钢筋锈蚀状况的电化学无损检测方法，腐蚀电位反映了金属的抗腐蚀能力[3]。钢筋的钝化区和阳极区拥有不同的腐蚀电位，钝化状态的钢筋腐蚀电位偏正，而锈蚀(活化)状态下的钢筋腐蚀电位偏负[4-5]。检测过程中使用“混凝土+钢筋”半电池与“铜+硫酸铜饱和溶液”半电池构成一个全电池系统，全电池系统中“铜+硫酸铜饱和溶液”具有相对恒定的电位值，全电池电位受钢筋锈蚀发生的电化学反应而出现变化，故以钢筋表面各点的电位作为钢筋锈蚀状态的评定依据。

1.2 检测方法

半电池电位检测前要先配置Cu+CuSO4饱和液，配置过程中以生成少量Cu+CuSO4结晶沉淀为准。该方法将混凝土作为电解质，所以必须预先湿润混凝土结构表面。一般地，采用纯净水+适量清洁剂调成的混合液湿润水工结构表面与钢筋锈蚀仪测试端海绵，检测过程中保持混凝土湿润，并且表面无自由水。对于电阻足够小或难以形成闭合电路的情况，应对任意两钢筋间的电阻用多用表进行检测，确保电阻≤1。海绵湿润端与测定仪另一端分别与结构表面、钢筋接触，有出露钢筋时能够快速简便的连接，检测时确保测区钢筋的正常连接；否则，应将测区附近的混凝土保护层凿除使钢筋外露，再连接钢筋，以钢筋网节点作为最佳连接处。连接时要打磨钢筋表面的锈斑或钝化膜，确保线路与新钢筋面的连接[6-7]。

检测过程中，测点及测线位置应结合钢筋实际分布合理确定，一般以钢筋间距作为测点与测线间距，准确读取电位值，保持钢筋锈蚀测定仪读数稳定后记录并保存各测点的电位值。

2 实例应用

2.1 工程概况

辽宁省某水库是一座以工农业供水为主，兼顾水产养殖、发电、防洪排涝等功能的水利枢纽工程。小汤河流域面积478.85km2，干流河长37.4km，河道比降4.61‰，坝址以上30.13 km，控制范围176.77 km2，占整个流域的35.29%。水库位置十分重要，水库的安全运行对本溪市经济社会发展以及下游沿河居民安全起着至关重要的作用。

水库主要包括电站、泄洪输水洞、溢洪道和混凝土面板堆石坝等组成部分，经现场检查：

1)大坝顶高程满足要求，坝顶混凝土出现多条纵向贯穿裂缝，裂缝长度约20-50m，缝宽约5-10mm；下游背水坡混凝土溢流面风化破损严重；下游挑流反弧段混凝土风化破损严重且溢流面与坝体挑坎接触处存在破损；下游消能设施破损严重，干砌石消能护底局部段存在塌方，东侧存在冲刷坑。

2)输水洞进口拦污栅损坏，梯级卧管部分进口被堵塞，已不能使用；输水洞消力池破损严重，已不能使用；输水洞出口退水闸门全部损坏。

3)纵梁与主梁连接处及溢洪道闸门支臂铰座锈蚀，止水不严[8-11]。

为保证水库大坝的安全运行，进一步验证安全评价及鉴定报告所述工程问题，更加科学的设计水库除险加固工程，有必要全面检测水工建筑物运行状况，其中溢洪道钢筋锈蚀检测是水工建筑物安全评价的重要内容之一。

2.2 检测仪器设备

本次选用混凝土钻孔取样机、KON-RBL(D+)型保护层及钢筋位置测定仪、KON-XSY型钢筋锈蚀仪等仪器设备，检测关门山水库溢洪道钢筋混凝土钢筋锈蚀状况。

2.3 现场检测流程

1)测点布设。在溢洪道闸门支臂铰座及纵梁与主梁连接处布置7个检测区，每个测区布设测点20个。具体而言，在混凝土表面用钢筋位置测定仪扫描，准确掌握钢筋分布情况并做好标记，然后结合钢筋实际分布合理选择测点。

2)电位测试。将预先配置好的Cu+CuSO4饱和溶液按照一定顺序连接主机与金属电极、主机与电位电极，接通电源开机，设置测试类型、测区序号、环境温度、测点间距等参数，在测区测点上和凿开的钢筋上夹持连接电位电极、金属电极，保持结构表面与电位电极垂直，施加一定的压力测试并保存各测点电位值。待各测区所有测点的电位测试完成后，修补钢筋凿开处的混凝土，导出数据并用电脑软件完成相应的处理分析。

2.4 数据处理与分析

1)电位数据等值线图。溢洪道闸门支臂铰座及纵梁与主梁连接处7个测区，电位等值线，见图1。实际上，电位等值线图就是测区内的电位等值线，其绘制依据是测试的各测点电位数据。其中，数字为各测点的电位值(mV)，x、y轴为横向、纵向钢筋走向，被检测构件的锈蚀走向和分区可以通过电位等值线图来描述。

图1 电位等值线图

2)判定标准。选择电位测试结果的评定依据为《建筑结构检测技术标准》，钢筋锈蚀状态与钢筋电位判别标准，见表1。

表1 钢筋锈蚀状态与钢筋电位判别标准

3)结果分析。从电位等值线图可以看出，溢洪道闸门支臂铰座及纵梁与主梁连接处7个测区电位均匀、随机分布，整体未表现出规律性破坏，即沿钢筋布置方向锈蚀概率未呈现出逐渐上升的变化趋势。基于半电池电位法的钢筋锈蚀检测结果，见表2。

表2 基于半电池电位法的钢筋锈蚀检测结果

续表2 基于半电池电位法的钢筋锈蚀检测结果

从表2可以看出，溢洪道闸门支臂铰座及纵梁与主梁连接处7个测区电位值均超过-200mV，可以判定为锈蚀概率为5%，锈蚀活动性不确定。考虑到测区的布设情况，整个结构的钢筋锈蚀电位可以利用上述7个测区的检测结果来衡量，钢筋锈蚀电位平均值处于-158--85mV之间，均>-200mV的标准，这表明各测区电位检测结果具有较好的一致性，因此可以判定为锈蚀概率5%，锈蚀活动性不确定。

2.5 现场取筋验证

为验证半电池电位法检测结果以及更加直观地了解钢筋锈蚀情况，随机选择A-3测区、A-7测区进行钻孔取样，在A-3、A-7测区各钻取1截钢筋并测得电位为-160mV和-30mV。结果表明：①A-3测区钢筋未发生锈蚀，钢筋总体完整，混凝土保护层有少量锈迹；②A-7测区没有锈蚀，钢筋完整，混凝土保护层较好。研究表明，现场取筋检测结果与半电池检测的情况基本相符。

3 结 论

半电池电位法是一种发展较为成熟的无损检测技术，因具有直观、快捷、高效等优势，在钢筋锈蚀概率检测等水利工程领域中得到广泛的应用，在不破坏结构完整性的条件下真实反映混凝土结构钢筋锈蚀状况，为水库除险加固工程设计提供强有力的技术支持。虽然半电池电位法仅仅是对钢筋锈蚀的可能性(概率)进行判定，但该方法实现了钢筋锈蚀发展走向、分布情况的预判，对水库加固措施、防锈蚀处理和结构安全性评价等具有重要意义。