混凝土钢筋锈蚀原因及检测分析

2020-11-26郑世杰

商品与质量 2020年45期

郑世杰

健研检测集团有限公司福建厦门 361101

钢筋混凝土因其抗压强度较高、耐久实用、整体性好等优点被应用在土木建设、港口工程与桥梁工程施工。但是钢筋混凝土也拥有抗裂性不足、自重力较大和钢筋锈蚀等缺陷，通常会对建筑结构稳固性形成危害，从而产生非常大的经济损失。因此，施工部门需要高度重视钢筋混凝土的结构安全性和结构耐久性，及时进行维修和加固，确保钢筋混凝土不会出现质量问题[1]。

1 钢筋锈蚀的机理

一般来说，钢筋的锈蚀从本质上说是钢筋与周围环境或介质发生的化学或电化学作用而引起的破坏，钢筋锈蚀会使钢筋截面积减小，锈蚀后会形成或大或小的蚀坑或锈斑，从而引起应力过于集中，使结构失效加快。钢筋锈蚀所生成的铁锈会膨胀，造成混凝土出现膨胀裂纹，严重的会造成钢筋与混凝土之间黏结力丧失，而加重结构破坏。根据被锈蚀原理的不同，可以将钢筋锈蚀分成化学锈蚀和电化学锈蚀两种类型。

钢筋的化学锈蚀是指钢筋与非电解质之间通过直接接触发生的化学反应，该反应属于氧化还原过程。例如钢材在干燥环境中能直接被氧化形成铁的氧化物，化学锈蚀速度较慢。当钢材处于潮湿环境或有盐溶液存在的情况下时，此时则发生电化学锈蚀，电化学锈蚀被认为是钢材锈蚀的最主要的一种形式。电化学锈蚀的原理是钢筋与电解质作为两个电极，组成锈蚀原电池，通过电子传递完成电化学反应使钢筋锈蚀。根据锈蚀电池构成的形式不同，又分为组分电池与浓差电池。组分电池是两类活性不同的金属组成，浓差电池是混合物中溶解离子的浓度差不同而形成的电池[2]。

2 混凝土钢筋锈蚀检测

2.1 电化学检测

电化学检测为混凝土钢筋锈蚀检测的常用方式，本文主要介绍两种基于电化学原理的无损检测技术。

2.1.1 混凝土电阻率检测法

混凝土电阻率检测法的原理为：水泥浆空隙液内，离子流动过程会发生电解，即混凝土所具备的导电性。电阻率检测通过2 电极完成，其中1 个电极为钢筋构件，检测过程进行外部加压，获取实时电流参数，可计算混凝土电阻。依照操作方式不同，可将混凝土电阻率检测法分为四探针法、两级法、圆盘法等。以四探针法为例，若检测出的混凝土电阻率＞20Ω·m，可判断为低速率锈蚀；若电阻率在10-20Ω·m，可判断为中、低速率锈蚀；若电阻率在5-10Ω·m，可判断为高速率锈蚀；若电阻率低于5Ω·m，说明钢筋锈蚀速率已非常高。混凝土电阻率检测方法虽然具备操作简单、适用范围广等优势，但其检测过程易受到周围环境的干扰，获得的数据离散性较强，可将其与其他检测技术结合使用。

2.1.2 半电池检测法

半电池检测法可对钢筋锈蚀程度做量化分析，在目前的建筑混凝土质量检测中被频繁应用，且已经构建起相对成熟的检测标准。半电池检测系统内设置2 个电极，测量电极间电位差即可对钢筋锈蚀程度做分析评价。该检测方法的主要工具有恒电位参比电极、连接线、高输入电阻伏特表等。

现阶段，半电池检测法主要遵循两类检测标准。一是中国国家标准化管理委员会颁布的《全钒液流电池系统测试方法》GB/T33339-2016：若结果＞-200mV，锈蚀概率为5%；若结果在-200--350mV 之间，锈蚀概率为50%；若结果＜-350，锈蚀概率在90%。二是国家能源局颁布的《全钒液流电池电极测试方法》NB/T42082-2016：若结果＞-250mV，判定为未锈蚀；若结果在-200--400mV 之间，判定为可能锈蚀；若结果＜-400mV，判定为锈蚀。半电池检测法检测过程不破坏原本的混凝土结构，且钢筋锈蚀程度可被量化观测，但该检测方法仅可确定钢筋锈蚀位置，为无法得到钢筋锈蚀速率信息[3]。

2.2 物理检测

2.2.1 射线检测法

射线检测为一类常用的混凝土钢筋锈蚀检测技术，其通过拍摄混凝土内部钢筋构件的X 或γ 射线图像，以直观观测钢筋锈蚀情况。实际检测中多将该技术与红外热象法结合应用，采集混凝土表面温度信息，以判断钢筋构件锈蚀的具体位置。射线检测最大的缺陷在于检测过程可能对操作人员人身健康造成威胁，随着检测技术的研究创新，该技术在实际工作中的应用比例也越来越低。

2.2.2 声发射检测法

声发射检测法为一种新型的混凝土钢筋锈蚀无损检测技术。声发射原本为一种常见的物理现象，建筑混凝土结构使用过程中，受复杂因素的影响，材料内部被破坏并释放出带有能量的弹性波，该弹性波传递至材料表面引发表面位移。使用专门的声发射探头，可准确监测该过程产生的机械振动，并将其转化为电信号，通过放大处理后记录为可被直接观测的检测结果。

采用声发射检测法，可动态化监测混凝土材料变化，准确找出材料内部质量缺陷及能量释放信号，进而在短时间内准确定位质量缺陷发生位置。

2.3 检测案例

某框架剪力墙结构建筑层数14，现已使用12 年，结构检测中发现其地下室剪力墙柱结构发生严重的混凝土开裂、钢筋构件锈蚀问题，对锈蚀原因做深入分析。建筑仍在试用期年内，且使用环境无异常，因此可基本排除以上两项因素对钢筋锈蚀的影响。进行混凝土强度检测，锈胀开裂结构的混凝土强度在39.8MPa，未发生锈蚀位置的强度在42.1MPa，二者差距不大，可排除混凝土密实度引发锈蚀的原因。另外，氯离子含量检测结果在0.083%＜0.15%，也符合要求。经综合分析，认为钢筋锈蚀的原因为构件质量缺陷，长期受外部环境影响导致混凝土碳化，引发开裂及锈蚀问题。