混凝土結(jié)構(gòu)物中鋼筋腐蝕的檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)
2006-11-27 00:00
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摘 要： 介紹近年國(guó)內(nèi)外用于鋼筋腐蝕的檢測(cè)方法和修復(fù)技術(shù)， 檢測(cè)方法主要包括破損法和非破損法， 修復(fù)技術(shù)主要包括補(bǔ)丁法、電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)及再堿化技術(shù)等。
關(guān)鍵詞： 鋼筋腐蝕； 結(jié)構(gòu)物； 檢測(cè)方法； 修復(fù)技術(shù)
伴隨著水泥混凝土特別是鋼筋混凝土這種建筑材料的問(wèn)世和大量使用， 鋼筋混凝土的腐蝕已逐漸成為一個(gè)世界性的問(wèn)題。在1991 年召開(kāi)的第二屆混凝土耐久性國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上， Mehta 教授在其主旨報(bào)告《混凝土耐久性———五十年進(jìn)展》中把鋼筋腐蝕列為混凝土結(jié)構(gòu)破壞的首要原因。因此， 如何有效地檢測(cè)混凝土中鋼筋銹蝕狀況并對(duì)其進(jìn)行有效的修復(fù)就顯得十分重要了。本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外常用的一些針對(duì)結(jié)構(gòu)物鋼筋腐蝕的檢測(cè)方法及其修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)， 供業(yè)內(nèi)人士參考。
1 結(jié)構(gòu)物中鋼筋腐蝕的檢測(cè)方法
用于結(jié)構(gòu)物中鋼筋腐蝕的檢測(cè)方法， 按對(duì)結(jié)構(gòu)物的損傷狀況可分為破損檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)兩大類，按檢測(cè)技術(shù)可分為物理和電化學(xué)兩大類。
1.1 破損檢測(cè)
破損檢測(cè)也是物理檢測(cè)方法的一種， 一般是在鋼筋銹蝕比較嚴(yán)重的情況下進(jìn)行， 如結(jié)構(gòu)物中的混凝土或抹灰層由于鋼筋銹脹力而導(dǎo)致了明顯的空鼓、開(kāi)裂甚至脫落等現(xiàn)象， 為了進(jìn)一步定量確定鋼筋銹蝕的情況， 就需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破損檢測(cè)。該法是利用外力將結(jié)構(gòu)物中已部分破壞的混凝土鑿開(kāi)， 直至露出鋼筋表面， 通過(guò)肉眼（ 視覺(jué)法） 來(lái)觀察鋼筋的銹蝕情況， 必要時(shí)還可通過(guò)截取部分銹蝕最嚴(yán)重的鋼筋， 通過(guò)截面積損失率或重量損失率來(lái)計(jì)算鋼筋的銹蝕率。
破損檢測(cè)是目前工程中應(yīng)用較普遍的一種檢測(cè)結(jié)構(gòu)物中鋼筋銹蝕的手段， 也是修復(fù)鋼筋銹蝕結(jié)構(gòu)的一種方法。但該法也存在一定的局限性， 就是會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)物造成較大的損傷， 且由于是“點(diǎn)”的檢測(cè)， 故檢測(cè)范圍和數(shù)量及其代表性均受到限制。
1.2 無(wú)損檢測(cè)
為了不使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生過(guò)大的損傷， 人們?cè)诠こ虒?shí)踐中逐漸研究開(kāi)發(fā)出無(wú)損檢測(cè)， 該法通常又分為物理檢測(cè)和電化學(xué)檢測(cè)兩大類， 前者包括電阻棒法、渦流與磁通減量（ 渦流探測(cè)） 法、聲發(fā)射探測(cè)法、射線法、紅外熱像法等， 后者則包括自然電位法、交流阻抗譜法、線性極化法（ 或極化電阻法） 、恒電量法、混凝土電阻法、電流階躍法等。
?、?電阻棒法
通過(guò)測(cè)量鋼筋銹蝕使鋼筋截面積和表面狀態(tài)變化引起的電阻值狀況， 利用導(dǎo)電原理間接推算鋼筋的剩余面積。該法通常是在澆注混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)預(yù)先埋設(shè)電阻探頭， 較適用于均勻腐蝕的場(chǎng)合， 對(duì)于以局部腐蝕為特征的鋼筋， 則無(wú)法定量檢測(cè)其腐蝕速度。
?、?渦流探測(cè)法
通過(guò)測(cè)定勵(lì)磁電流與發(fā)生在鋼筋內(nèi)的次生波的相位關(guān)系來(lái)判斷鋼筋銹蝕狀況， 它是將一臺(tái)電磁裝置放在混凝土結(jié)構(gòu)表面， 使其中一段鋼筋達(dá)到磁飽和， 鋼筋腐蝕引起的鋼筋截面積損失會(huì)使磁場(chǎng)中出現(xiàn)某些異常， 經(jīng)分析即可判斷鋼筋截面積的損失率。
?、?聲發(fā)射探測(cè)法
混凝土中鋼筋發(fā)生腐蝕時(shí)， 腐蝕產(chǎn)物膨脹會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力， 使周圍混凝土開(kāi)裂， 部分能量以發(fā)射聲波形式釋放， 用聲發(fā)射探頭可靈敏地檢測(cè)發(fā)射源位置與強(qiáng)弱。聲發(fā)射探測(cè)法是利用傳感器接收鋼筋銹蝕引起周圍混凝土開(kāi)裂釋放的彈性應(yīng)力波， 從而確定鋼筋發(fā)生銹蝕膨脹的確切位置。但它存在的問(wèn)題是很難避免其它聲波發(fā)射的干擾， 故很難建立鋼筋腐蝕活性高低與聲波發(fā)射強(qiáng)度的相關(guān)性。
射線法是通過(guò)拍攝混凝土中鋼筋的X、γ射線照片， 直接觀察鋼筋的銹蝕情況。紅外熱像法通過(guò)測(cè)量混凝土表面溫度分布來(lái)分析鋼筋銹蝕位置和程度。
?、?自然電位法
該法是20 世紀(jì)50 年代末以來(lái)應(yīng)用最廣泛的鋼筋銹蝕檢測(cè)方法之一， 美、日、德、英、印度等國(guó)均制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)， 我國(guó)冶金部也公布了部頒標(biāo)準(zhǔn)， 各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同?；炷林械匿摻钆c周圍介質(zhì)在交界面上相互作用形成雙電層， 并于界面兩側(cè)產(chǎn)生電位差， 其大小能反映鋼筋所處的狀態(tài)， 但至今仍無(wú)法直接測(cè)得該電位值。自然電位法通過(guò)測(cè)定鋼筋電極對(duì)參比電極的相對(duì)電位差來(lái)判明鋼筋的銹蝕狀況，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低、操作方便， 對(duì)混凝土中的鋼筋腐蝕體系無(wú)干擾， 實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)均可采用。該法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)根據(jù)實(shí)際情況可采用單電極法或雙電極電位梯度法， 分別適用于鋼筋端頭外露和不外露的構(gòu)件。但該法的最大缺點(diǎn)是僅能從熱力學(xué)角度定性判斷鋼筋銹蝕的可能性， 而不能應(yīng)用于定量測(cè)量； 混凝土干燥或表面有非導(dǎo)電性覆蓋層時(shí)， 因不能形成回路而不宜采用； 鋼筋電極電位受環(huán)境相對(duì)濕度、水泥品種、水灰比、保護(hù)層厚度、氯離子含量、碳化深度等因素影響， 因此這種評(píng)定方法較為粗糙。
?、?交流阻抗譜法
如對(duì)電極施加一個(gè)小的交流信號(hào)并使之不改變電極體系的性質(zhì)， 則可認(rèn)為輸入與輸出信號(hào)之間呈線性關(guān)系， 這便是交流阻抗譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)。通過(guò)測(cè)量和對(duì)比輸入與輸出信號(hào)振幅及相位之間的關(guān)系來(lái)判定該電極體系的性質(zhì)。交流阻抗譜法是一種暫態(tài)頻譜分析技術(shù)， 施加的交流信號(hào)對(duì)腐蝕體系的影響較小， 可提供有關(guān)鋼筋混凝土覆蓋層的雙電層電容、混凝土電阻、鋼筋腐蝕速度及混凝土腐蝕機(jī)理等信息。另外， 由阻抗譜還可求出混凝土腐蝕的臨界Cl-濃度及其它環(huán)境條件。自1978 年Dawson 等首先用交流阻抗譜法研究鋼筋混凝土中的腐蝕行為以來(lái)， 交流阻抗測(cè)量已成為試驗(yàn)室該項(xiàng)研究的常用方法， 為了實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量， 必須考慮阻抗的空間分布問(wèn)題。Bohhi 等在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)， 若被測(cè)量的工作電極尺寸大于20～50cm， 則可忽略阻抗的空間分布的影響。為此， 瑞士聯(lián)邦工學(xué)院開(kāi)發(fā)了一種將參比電極與輔助電極集于一體的探頭， 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量正弦波振幅為20mV， 頻率范圍為10MHZ～10kHZ； 但在低頻段由于每個(gè)阻抗譜的測(cè)量均需時(shí)過(guò)長(zhǎng)， 一方面會(huì)引起測(cè)量結(jié)果誤差較大， 另一方面也不太適用于大面積現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。同時(shí)， 交流阻抗測(cè)量所用儀器設(shè)備較昂貴， 交流阻抗技術(shù)主要用于混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理及其影響因素的研究分析以及混凝土修復(fù)方案的有效性驗(yàn)證。
?、?線性極化法
線性極化法又稱極化電阻法， 是Stern 和Geary于1957 年提出并發(fā)展起來(lái)的一種快速有效的腐蝕速度測(cè)試方法。該法的原理是將銹蝕率與極化曲線在自由銹蝕電位處的斜率聯(lián)系起來(lái)， 可用雙電極或三電極系統(tǒng)監(jiān)測(cè)材料與環(huán)境耦合對(duì)的銹蝕率。線性極化技術(shù)在試驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中應(yīng)用廣泛， 測(cè)量方便快捷， 試驗(yàn)室測(cè)試精度可與失重法不相上下，是主要的電化學(xué)檢測(cè)手段。英國(guó)研制了程式化的線性極化測(cè)試設(shè)備， 并用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)， 但該技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)， 一是它不能直接測(cè)定混凝土中鋼筋的電阻值（B 值） ， 二是由于過(guò)電位小， 相應(yīng)的極化電流也小， 混凝土孔隙溶液歐姆壓降引起的誤差較大， 因此要求測(cè)試儀器精度較高且能補(bǔ)償歐姆壓降， 且線性極化測(cè)量建立在已知鋼筋表面積的基礎(chǔ)上， 在一定程度上限制了它在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用。對(duì)于新建建筑物， 可以預(yù)埋已知面積的鋼筋作為日常檢測(cè)之用； 最近保護(hù)環(huán)（Guard Ring） 技術(shù)和外加參考電極（ Extra Reference Electrodes） 技術(shù)的應(yīng)用又為其推廣創(chuàng)造了條件， 但對(duì)其可靠性的評(píng)價(jià)則褒貶不一，由于不能區(qū)分各個(gè)因素的影響， 也就不能把電化學(xué)過(guò)程中的各步驟清晰地分辨出來(lái)， 但這并不影響其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用。
?、?恒電量法
恒電量測(cè)量技術(shù)仍屬于極化測(cè)量的范疇， 但它不同于控制電位或控制電流的方法， 可采用先進(jìn)的電子技術(shù)， 測(cè)量恒電量激勵(lì)下腐蝕電極極化電位隨時(shí)間衰減的曲線， 確定鋼筋瞬時(shí)銹蝕速度。恒電量法測(cè)量受腐蝕介質(zhì)電阻的影響小且對(duì)體系的擾動(dòng)小，故其獲得的鋼筋低腐蝕速度理論上比線性極化更適合且更精確， 雖然該法目前在鋼筋銹蝕研究中應(yīng)用極少， 但也是一種值得研究的新技術(shù)。
2 結(jié)構(gòu)物中腐蝕鋼筋的修復(fù)技術(shù)
混凝土中的鋼筋在水泥水化產(chǎn)物形成的堿性環(huán)境下表面生成致密的“鈍化膜”， 隔絕了與氧氣和水的接觸， 因而得到保護(hù)。導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)物中鋼筋銹蝕的誘因主要有兩大類： 一類是空氣中的CO2 侵入后與混凝土中的堿發(fā)生中和反應(yīng)（ 即混凝土碳化） ，使得鋼筋周圍的堿性環(huán)境變?nèi)酰?鋼筋鈍化膜被破壞，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕； 另一類是氯離子引起的鋼筋腐蝕， 其來(lái)源是施工過(guò)程中由原材料混入以及環(huán)境中氯鹽通過(guò)硬化混凝土由表及里逐漸滲入等。由于引起鋼筋腐蝕的原因是多樣性的， 因而腐蝕鋼筋的修復(fù)工作是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)腐蝕鋼筋的修復(fù)方法可分為物理法和電化學(xué)法（ 電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)和再堿化技術(shù)） 兩大類。
2.1 物理法（ 打補(bǔ)丁）
物理修復(fù)法是指鑿除發(fā)生鋼筋腐蝕并導(dǎo)致混凝土膨脹開(kāi)裂或剝落的混凝土， 直至露出鋼筋表面， 先對(duì)已腐蝕的鋼筋進(jìn)行表面除銹處理， 再用新的致密混凝土或砂漿進(jìn)行修補(bǔ)抹平。
如混凝土結(jié)構(gòu)破壞是由氯化物誘發(fā)的鋼筋腐蝕而造成， 且挖補(bǔ)后不打算對(duì)其實(shí)施陰極保護(hù)技術(shù)， 這種情況下就需要將分層開(kāi)裂區(qū)域附近的混凝土全部鏟除， 使被腐蝕的鋼筋完全暴露出來(lái)。一般做法是將混凝土鏟除至鋼筋后背面約25mm 深處， 但要保證將氯化物含量超過(guò)門檻值的鋼筋周圍混凝土徹底清除。同時(shí)， 還要將鋼筋表面清理、打磨至接近金屬本色， 除去表面上的所有鐵銹、蝕坑及氯化物。對(duì)鏟除混凝土后的凹坑要進(jìn)行修整， 使其邊緣方正平直， 并對(duì)新生面進(jìn)行徹底清理， 去除粉塵、碎屑， 用清水噴濕或涂以粘結(jié)劑， 做好填補(bǔ)新拌和料的準(zhǔn)備。
如混凝土結(jié)構(gòu)破壞是由混凝土碳化誘發(fā)鋼筋腐蝕而造成， 則一般要求將碳化混凝土鏟除至露出腐蝕鋼筋， 對(duì)腐蝕狀態(tài)嚴(yán)重的混凝土結(jié)構(gòu)， 也要求將混凝土鏟除至鋼筋后背方的一定深度， 所挖坑的邊緣要求方正平直。
根據(jù)實(shí)際情況的需要， 可以在除銹處理后的鋼筋表面再涂抹防銹劑、防銹漆或樹(shù)脂類涂料等， 采用的新拌和料可以是普通混凝土或砂漿， 也可以是水泥基聚合物砂漿或混凝土， 還可以選用樹(shù)脂混凝土或砂漿， 需要時(shí)還可在新拌混凝土或砂漿中加入阻銹劑等。在比較惡劣的環(huán)境中， 還可在硬化后的新填補(bǔ)混凝土表面涂滲透密封性涂料（ 氯化物為誘因） 或抗碳化涂料（ 碳化為誘因）。
補(bǔ)丁修補(bǔ)技術(shù)主要適用于結(jié)構(gòu)物中鋼筋發(fā)生局部銹蝕的情況下， 同時(shí)要求修復(fù)材料的收縮率應(yīng)較小， 對(duì)新填的混凝土或砂漿應(yīng)進(jìn)行良好的養(yǎng)護(hù)， 以盡量減少新填補(bǔ)區(qū)域開(kāi)裂的危險(xiǎn)。
2.2 電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)
用電化學(xué)法將Cl-從鋼筋表面驅(qū)除， 使其向輔助陽(yáng)極移動(dòng)， 該法被稱為電化學(xué)除鹽， 或電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)。它是以混凝土中的鋼筋作為陰極， 在混凝土表面敷置電解液保持層并內(nèi)設(shè)金屬網(wǎng)作為臨時(shí)陽(yáng)極， 在金屬網(wǎng)和鋼筋之間施加電場(chǎng)， 在外加電場(chǎng)的作用下， 混凝土中鋼筋附近的Cl- 等陰離子向陽(yáng)極流動(dòng)進(jìn)入電解液中， 電解液及混凝土中的陽(yáng)離子向混凝土中鋼筋部位聚集， Cl- 的排除和鋼筋附近孔溶液pH 值提高， 有利于鋼筋鈍化膜的重建及維持。
該技術(shù)目前一般采用活化鈦板網(wǎng)或鍍鉑鈦?zhàn)鳛殛?yáng)極， 但也曾經(jīng)有采用銅網(wǎng)和低碳鋼網(wǎng)作為陽(yáng)極的。由于銅及其鹽類進(jìn)入混凝土后會(huì)加速鋼筋腐蝕而被淘汰， 低碳鋼由于容易發(fā)生局部腐蝕且會(huì)在混凝土表面留下銹斑， 因此目前也很少用其作為臨時(shí)陽(yáng)極。
電解液一般采用氫氧化鈣、氫氧化鋰水溶液， 兩者在脫鹽效果方面沒(méi)有明顯區(qū)別， 但研究表明使用氫氧化鋰電解液可減少產(chǎn)生堿骨料反應(yīng)的可能性，但價(jià)格較高， 氫氧化鈣則價(jià)格較低， 因此電解液的選擇要根據(jù)工程的實(shí)際情況（ 有無(wú)堿骨料反應(yīng)的可能等） 來(lái)決定。
該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是處理時(shí)間短， 可在4～6 周內(nèi)完成， 但也有一定的缺點(diǎn)。有研究表明， 電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)會(huì)對(duì)鋼筋- 混凝土界面產(chǎn)生一定的影響，在微觀上表現(xiàn)為孔隙率的變化、Ca /Si 增大等， 還可能會(huì)存在堿骨料反應(yīng)、降低鋼筋與混凝土之間的結(jié)合力及在鋼筋表面產(chǎn)生析氫反應(yīng)等副作用。
2.3 再堿化技術(shù)
再堿化技術(shù)主要用于對(duì)由碳化引發(fā)鋼筋腐蝕的建筑結(jié)構(gòu)物的修復(fù)與保護(hù)， 再堿化處理就是根據(jù)陰極保護(hù)技術(shù)的原理， 使鋼筋表面發(fā)生陰極反應(yīng)， 使鋼筋周圍混凝土堿度得到恢復(fù)的電化學(xué)防護(hù)方法， 可看作是碳化型電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)。
再堿化處理系統(tǒng)采用的陽(yáng)極類型與氯化物萃取技術(shù)相似， 為帶有涂層的鈦網(wǎng)或低碳鋼網(wǎng)。由于處理時(shí)間較短， 低碳鋼絲網(wǎng)不完全被損耗， 且價(jià)格較低， 因而被較多采用。再堿化處理所采用的電解液一般為碳酸鈉水溶液（ 濃度0.5～1.0mol L） ， 其發(fā)生反應(yīng)式為：
Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3
上式表明這種處理阻止了碳酸反應(yīng)的發(fā)生， 可抵御CO2 的進(jìn)一步入侵， 使處理后的混凝土不再出現(xiàn)碳化現(xiàn)象。但也有學(xué)者認(rèn)為， 由電解液帶入的鈉離子會(huì)促進(jìn)混凝土中堿- 骨料反應(yīng)的發(fā)生， 所以對(duì)于堿- 骨料反應(yīng)敏感的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 有時(shí)有必要采用自來(lái)水作為電解液。最近有人提出采用含有鋰離子的水溶液作為電解液的設(shè)想， 但由于再堿化處理開(kāi)始時(shí)混凝土的堿度一般較低， 發(fā)生堿- 骨料反應(yīng)的傾向性不大， 因而是否有必要采用這種昂貴的電解液尚需進(jìn)一步的研究。還有研究表明， 再堿化處理后鋼筋周圍混凝土中孔數(shù)增多但孔的尺寸減小。
3 結(jié)束語(yǔ)
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| 原作者： 王新祥 文梓蕓 曹華先 余其俊 |
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