李 艷
(1.同濟(jì)大學(xué),上海市 200092;2.上海市政工程檢測中心有限公司,上海市 201114)
近年來,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題成為了結(jié)構(gòu)工程學(xué)科研究的熱點和重點,受到工程界的普遍關(guān)注和重視。鋼筋銹蝕是耐久性研究中的核心問題,在使用期間對結(jié)構(gòu)進(jìn)行銹蝕檢測、評估,不僅是工程建設(shè)安全的要求,也是結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的一個重要環(huán)節(jié)。
鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響主要體現(xiàn)在三方面。其一,鋼筋銹蝕直接使鋼筋截面減小,從而使鋼筋的承載力下降,極限延伸率減少;其二,鋼筋銹蝕產(chǎn)生的體積比銹蝕前的體積大得多(一般可達(dá)2~3倍),體積膨脹壓力使鋼筋外圍混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力,發(fā)生順筋開裂,使結(jié)構(gòu)耐久性降低;其三,鋼筋銹蝕使鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力下降[1]。因此,鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)的承載力和適用性都造成了嚴(yán)重影響,由此帶來的維修與加固費(fèi)用也是相當(dāng)昂貴的。因此,檢測結(jié)構(gòu)混凝土中鋼筋的銹蝕狀況是一項重要的參數(shù)。
本文對結(jié)構(gòu)混凝土鋼筋銹蝕無損檢測的評定方法進(jìn)行探討,針對綜合分析法帶有一定的主觀性,且依賴一定的實際工程經(jīng)驗的缺點,提出對其進(jìn)行量化的辦法,結(jié)合具體工程實際,驗證方法的可行性,為工程實際中應(yīng)用提供有實用價值的參考。
鋼筋的銹蝕是指鋼筋接觸到周圍的氣體或液體后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使金屬(或合金)腐蝕損耗的過程。鋼筋腐蝕是由于在混凝土中形成了腐蝕微電池:陽極是進(jìn)行氧化反應(yīng)的金屬,即發(fā)生銹蝕的鋼筋部位,失去電子,陰極進(jìn)行還原反應(yīng),得到電子,電解液是混凝土的孔溶液,傳輸電子,使陰極和陽極連接起來。
由腐蝕電池的電化學(xué)反應(yīng)過程可以看出,鋼筋的銹蝕即腐蝕電池的發(fā)生需要三個條件:第一,腐蝕電池陽極和陰極的存在;第二,混凝土保護(hù)層被碳化到鋼筋表面,失去了對鋼筋的保護(hù)作用;第三,鋼筋表面必須有電化學(xué)反應(yīng)和離子擴(kuò)散所需要的水和氧氣。
混凝土的高堿性在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜,有效保護(hù)鋼筋,所以在正常情況下混凝土中的鋼筋不會銹蝕。
由鋼筋發(fā)生銹蝕的原理以及發(fā)生銹蝕需要的三個條件,歸納出鋼筋銹蝕的無損檢測方法主要分為三類:綜合分析法、物理檢測法、電化學(xué)檢測法[2]。
綜合分析法:根據(jù)現(xiàn)場實測的鋼筋直徑、保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、有害離子的浸入深度及其含量、縱向裂縫寬度等數(shù)據(jù),綜合考慮構(gòu)件所處的環(huán)境情況推斷鋼筋腐蝕程度。
物理方法:主要通過測定鋼筋引起電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲波傳播等物理特性的變化來反映鋼筋腐蝕情況,主要方法有電阻探針法、X光照相法、渦流探測法、射線法、紅外線熱像法、聲發(fā)射探測法等。目前國內(nèi)外的物理方法還停留在實驗室階段。
電化學(xué)方法:混凝土中鋼筋腐蝕是一個電化學(xué)過程,電化學(xué)測量是反映其本質(zhì)過程的有力手段,與分析法或物理法相比,電化學(xué)方法還有測試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測量等優(yōu)點,因而電化學(xué)檢測方法得到了很大的重視和發(fā)展。主要方法有半電池電位法、線性極化電阻法、交流阻抗譜法、恒電流脈沖法、掃描參比電極方法等。
目前檢測方法大都只能檢測單個方面的因素,檢測結(jié)果判定的是發(fā)生銹蝕的概率(可能性)或速率,而不能定量反映銹蝕后的有效截面積和發(fā)生銹蝕后的使用壽命。往往需要多種方法結(jié)合,綜合各種因素并配合剔鑿法驗證,分析判斷鋼筋銹蝕的狀況。因此,綜合分析法是判斷鋼筋銹蝕狀況的重要手段。
綜合分析法的優(yōu)點是快速、經(jīng)濟(jì),而且在橋梁的定期結(jié)構(gòu)檢查和特殊檢查中,包含了對結(jié)構(gòu)混凝土周邊環(huán)境,混凝土質(zhì)量,碳化深度,保護(hù)層厚度、強(qiáng)度,有害離子的含量,縱向裂縫的檢查和檢測,在這些因素檢測結(jié)果的基礎(chǔ)之上,對鋼筋銹蝕狀況的銹蝕分析就更加方便、快速和經(jīng)濟(jì)。
綜合分析法也有它的缺點,該方法是一種定性的測量方法,對材料損失不能提供定量的評價,同時,缺乏靈敏度,還帶有一定的主觀性,依賴一定的實際工程經(jīng)驗。因此,目前常常作為銹蝕檢查方法的一種輔助手段。
基于綜合分析法顯著的優(yōu)點和缺點,本文提出一種對該方法進(jìn)行定量的辦法,克服其不能提供定量評價、主觀、依賴經(jīng)驗的缺點,指導(dǎo)沒有豐富工程經(jīng)驗的檢測人員,應(yīng)用該方法對橋梁結(jié)構(gòu)混凝土中鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行分析。
依據(jù)混凝土中鋼筋銹蝕發(fā)生的機(jī)理,結(jié)合《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)以及大量工程實踐,綜合眾多影響鋼筋銹蝕的因素,從其中篩選出影響最大且最常見的七種因素,它們分別是:周邊環(huán)境、混凝土質(zhì)量、碳化深度、保護(hù)層厚度、強(qiáng)度、有害離子的含量、縱向裂縫[3]。
采用模糊一致矩陣法確定出綜合分析法的各種影響因素的權(quán)重Wi,進(jìn)而得出評定鋼筋銹蝕的方法[4,5]。
模糊判斷矩陣B表示針對上一層某元素,本層次與之有關(guān)元素之間相對重要性的比較,構(gòu)造時采用“0-1”標(biāo)度法。模糊判斷矩陣中隱含了各因素指標(biāo)的權(quán)值,B中元素bij與權(quán)值Wi和Wj的關(guān)系為:
權(quán)值Wi的計算公式為:
根據(jù)上述模糊判斷矩陣?yán)碚摵凸剑罁?jù)大量工程實際經(jīng)驗和向?qū)<易稍?,判斷每個因素對鋼筋銹蝕的重要程度,計算得出表1中所列的判斷矩陣及權(quán)值Wi的計算結(jié)果。
表1 模糊一致判斷矩陣
首先按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)對橋梁混凝土進(jìn)行現(xiàn)場檢測,根據(jù)檢測結(jié)果按表2確定每個銹蝕因素的Ei值,再結(jié)合模糊判斷矩陣計算得出的Wi按照表3的公式計算出橋梁結(jié)構(gòu)混凝土鋼筋銹蝕評定標(biāo)度E,最后由E和Ei值按表4確定鋼筋銹蝕等級。
表2 各影響因素的評定標(biāo)度劃分[6]
表3 橋梁結(jié)構(gòu)混凝土鋼筋銹蝕評定標(biāo)度[6]
表4 鋼筋銹蝕狀況評定
工程一:多跨簡支梁橋,橋梁全長481.62 m,橋面寬33.9 m,其跨徑組合為22.90 m+22.96 m×3+23.09 m+30.00 m+41.00 m+39.00 m+43.00 m+30.00 m+23.09 m+22.96 m×6+22.90 m=481.62 m。該橋上部結(jié)構(gòu)采用兩種形式,跨徑30.00 m及以上的橋跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁,共5跨,混凝土標(biāo)號為50號,其它均為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁,混凝土標(biāo)號為40號。
預(yù)應(yīng)力混凝土T梁馬蹄底面混凝土出現(xiàn)縱向裂縫,裂縫沿預(yù)應(yīng)力筋走向,且裂縫長期滲水,有鐘乳石狀白色析出物,現(xiàn)場照片見圖1。
圖1 工程一現(xiàn)場照片
工程二:沿海地區(qū)一座三跨簡支梁橋,橋長36m,橋面寬24.00 m,其跨徑組合為10 m+16 m+10 m=36 m。該橋的一側(cè)橋臺的臺帽出現(xiàn)多條豎向裂縫,縫寬超限,現(xiàn)場照片見圖2。
圖2 工程二現(xiàn)場照片
為了解混凝土中鋼筋的銹蝕情況,對兩個工程進(jìn)行現(xiàn)場檢測。根據(jù)檢測結(jié)果,按照表1計算方法得到鋼筋銹蝕評價結(jié)果,見表5。
表5 鋼筋銹蝕評價結(jié)果
根據(jù)表4的結(jié)果,工程一鋼筋銹蝕評定標(biāo)度E在[1.00,2.00]且所有影響因素的評定標(biāo)度Ei均小于5,鋼筋銹蝕評定等級為1,鋼筋不會銹蝕。工程一鋼筋銹蝕評定標(biāo)度E在(3.00,5.00]且有一項影響因素的評定標(biāo)度Ei為5,鋼筋銹蝕評定等級為3,鋼筋有銹蝕的可能性很大。
為驗證評價結(jié)果,鑿除鋼筋處混凝土保護(hù)層。工程一現(xiàn)場照片見圖3,鋼絞線和縱向主筋均未見銹蝕。工程二現(xiàn)場照片見圖4,臺帽處豎向構(gòu)造筋銹蝕明顯??梢姴捎帽疚奶岢龅牧炕C合分析法的評價結(jié)果與工程實際相符。
本方法結(jié)合現(xiàn)行橋梁檢測規(guī)范,對鋼筋銹蝕無損檢測方法中的綜合分析法進(jìn)行量化研究,發(fā)揚(yáng)其方便快捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點,克服其不能提供定量評價、主觀、依賴經(jīng)驗的缺點,使綜合分析法更具實用價值,并指導(dǎo)工程經(jīng)驗不夠豐富的檢測人員,應(yīng)用該方法對橋梁結(jié)構(gòu)混凝土中鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行分析評定。
圖3 工程一鑿除混凝土保護(hù)層后現(xiàn)場照片
圖4 工程二鑿除混凝土保護(hù)層后現(xiàn)場照片
[1]藺洪臣,李麗莎.淺談水工混凝土中鋼筋銹蝕檢測技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2008(11):40-43.
[2]張偉平,張譽(yù),劉亞芹.混凝土中鋼筋銹蝕的電化學(xué)檢測方法[J].工業(yè)建筑,1998,28(12):21-32.
[3]李斌,袁群,常向前.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的檢測與評估[J].人民黃河,2005(2):34-35.
[4]董傳洲.混凝土橋梁耐久性模糊綜合評價[D].武漢:武漢理工大學(xué),2004.
[5]楊光強(qiáng).基于模糊理論的橋梁耐久性評估研究[D].成都:西南交通大學(xué),2005.
[6]JTG/T J21-2011,公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].