水工混凝土中钢筋锈蚀检测技术及应用
1 钢筋锈蚀对结构的影响
水工混凝土中钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要问题，也是水工建筑物安全鉴定过程中经常遇到的问题。多年来，许多水利工程由于耐久性不良引起的工程损坏事例不断发生，由此带来的工程损失和处理费用也迅速增加，相应的经济损失已不可忽视。在水工建筑物安全鉴定过程中，常遇到大坝、水闸、渡槽、桥梁等钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀开裂，混凝土保护层脱落的现象很多，使得结构承载力下降，有些危及安全，必须引起高度重视。
钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响主要体现在三方面。其一，钢筋锈蚀直接使钢筋截面减小，从而使钢筋的承载力下降，极限延伸率减少;其二，钢筋锈蚀产生的体积比锈蚀前的体积大得多(一般可达2～3倍)，体积膨胀压力使钢筋外围混凝土产生拉应力，发生顺筋开裂，使结构耐久性降低;其三，钢筋锈蚀使钢筋与混凝土之间的粘结力下降。因此，钢筋锈蚀对结构的承载力和适用性都造成了严重影响，由此带来的维修与加固费用也是相当昂贵的。为此，结合水工建筑物安全检测实践，开展了水工混凝土中钢筋锈蚀检测技术及应用研究，目的是为水工建筑物的安全评价提供科学的依据。
2 检测原理及方法
2.1 检测原理
关于混凝土中钢筋锈蚀状态的无损检测，目前，国内外只能进行定性测量，常用的方法是半电池电位法。钢筋在混凝土中锈蚀是一种电化学过程。此时，在钢筋表面形成阳极区和阴极区。在这些具有不同电位的区域之间，混凝土的内部将产生电流。钢筋和混凝土的电学活性可以看作是半个弱电池组，钢的作用是一个电极，而混凝土是电解质，这就是半电池电位检测法的名称来由。
半电池电位法是利用“Cu+CuSO4饱和溶液”形成的半电池与“钢筋+混凝土”形成为半电池构成一个全电池系统。由于“Cu+CuSO4饱和溶液”的电位值相对恒定，而混凝土中钢筋因锈蚀产生的化学反应将引起全电池的变化。因此，电位值可以评估钢筋锈蚀状态。
2.2 检测方法
检测前，首先配制Cu+CuSO4饱和溶液。半电池电位法的原理要求混凝土成为电解质，因此必须对钢筋混凝土结构的表面进行预先润湿。采用95ml家用液体清洁剂加上19L饮用水充分混合构成的液体润湿海绵和混凝土结构表面。检测时，保持混凝土湿润，但表面不存有自由水。
将CANIN钢筋锈蚀测定仪的一端与混凝土表面接触，另一端与钢筋相连，当钢筋露出结构以外时，可以方便地直接连接。否则，需要首先利用钢筋定位仪的无损检测方法确定一根钢筋的位置，然后凿除钢筋保护层部分的混凝土，使钢筋外露，再进行连接。连接时要求打磨钢筋表面，除去锈斑。根据半电池电位法的测试原理，为了保证电路闭合以及钢筋的电阻足够小，测试前应该使用电压表检查测试区内任意两根钢筋之间的电阻小于1。
检测时，根据用钢筋定位仪测定的钢筋分布确定测线及测点，测点的间距为10～20cm。用CANIN钢筋锈蚀测定仪逐个读取每条测线上各测点的电位值，在至少观察5min时，电位读数保持稳定浮动不超过±0.02V时，即认为电位稳定，可以记录测点电位。
3 评价准则
根据美国标准《混凝土中钢筋的半电池电位实验标准》(ANSI/ASMC76-80)和交通部公路研究院、中国建筑科学研究院等单位的研究成果以及大量的现场直观检查验证情况，混凝土中钢筋锈蚀状态判据如下：
(1)电位>-150mV时，钢筋状态完好。
4 应用实例
几年来，在水利工程结构安全无损检测中，应用CANIN钢筋锈蚀测定仪分别对华新套闸、新港水闸、前卫水闸、创建水闸、朱泖河套闸、大浦闸、小砾山排灌站等工程混凝土中钢筋锈蚀状态进行了无损检测。现将混凝土中钢筋锈蚀所处状态几种典型的检测结果分别介绍如下。
4.1 处于完好状态的钢筋
朱泖河套闸下闸首左中墩上游面混凝土钢筋锈蚀电位测试结果见表1。在检测结构表面抽检了28个测点，电位范围-22mV～-136mV，平均电位-65.9mV，钢筋处于完好状态。测试后对某一检测点进行了凿除对比检查，检查结果为钢筋状态完好，未锈蚀。
4.2 处于局部锈蚀、全面锈蚀状态的钢筋
华新套闸上闸首左下游门槽下游面混凝土钢筋锈蚀电位测试结果见表2。在检测结构表面抽检了27个测点，电位范围-150mV～-257mV，平均电位-195mV，钢筋基本处于局部锈蚀状态，部分处于全部锈蚀状态。测试结果与现场实测的混凝土碳化深度、钢筋保护层厚度变化规律基本一致，即混凝土碳化深度越深，钢筋保护层厚度越薄，则混凝土钢筋锈蚀电位负值越大。
4.3 处于全面锈蚀、严重锈蚀状态的钢筋
新港水闸右桥面板底部下游侧混凝土钢筋锈蚀电位测试结果见表3。在检测结构表面抽检了21个测点，电位范围-202mV～-335mV，平均电位-259.3mV，钢筋基本处于全面锈蚀状态，局部处于严重锈蚀状态。在钢筋处于严重锈蚀状态的地方混凝土表面疏松开裂，混凝土保护层很容易地剥落，打开混凝土保护层，里面钢筋锈蚀十分严重，钢筋锈蚀层较厚且容易剥落，经测量计算钢筋的有效截面积只为原始截面积的60%左右，将严重地危及结构的安全。
5 几点讨论
半电池电位法在检测水工混凝土钢筋锈蚀状态已获得了广泛的应用，但要运用该方法很好地解决工程中的实际问题，还必须努力提高半电池电位法检测混凝土钢筋锈蚀状态的可靠性。结合工程安全检测实践作几点探讨。
(1)半电池电位法检测混凝土钢筋锈蚀状态时，检测的结构，半电池电位才会随着润湿程度逐渐稳定下来。为了加强润湿剂的渗透效果，缩短润湿结构所需要的时间，采用少量家用液体清洁剂加饮用水的混合液润湿结构效果较好，仅需约15min时间就可以达到电位稳定。
(2)应结合工程安全检测，开展对比检查分析。将钢筋锈蚀状态检测结果与混凝土碳化深度检测及钢筋保护层厚度检测结果进行对比分析，从中找出相关关系。同时对少量测点凿除对比检查，积累经验，从而提高评价钢筋锈蚀状态的可靠性。
(3)由于半电池电位法具有一定的局限性，既无法定半电池电位法是一种测试混凝土中钢筋锈蚀概率的无损检测方法。通过结构测试结果的电位分布，结合已知的环境因素，可以判断结构锈蚀性和非锈蚀区，从而对水工建筑物的安全评估、维护和加固处理工作起到指导作用。该法测试过程简单，发展较为成熟，有广阔的应用前景。今后，一方面要总结和积累半电池电位法在水利工程中的检测经验，另一方面要加强评价准则的研究，拓展评估测试水工混凝土中钢筋锈蚀状态的手段。
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