蘇忠純，曹忠露，李俊毅，洪志軍，趙衛(wèi)民

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋保護(hù)層厚度是指從鋼筋公稱直徑外邊緣到混凝土表面的最小距離[1]，不同的設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度中“鋼筋”定義不同，JTS 151—2011《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和JTS 153—2015《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》指的是縱向受力的普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋，GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》、JTG/T 3310—2019《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》中還包括箍筋、構(gòu)造筋、分布筋等，鋼筋只要發(fā)生銹脹就會對混凝土造成破壞，因此筆者認(rèn)為現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和公路標(biāo)準(zhǔn)對“鋼筋”的定義更為準(zhǔn)確。保護(hù)層厚度對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體受力和耐久性有重要影響，事關(guān)工程質(zhì)量、使用壽命和結(jié)構(gòu)安全，保護(hù)層厚度過小，隨著時間的推移，混凝土碳化或氯化物滲透會造成鋼筋銹脹，破壞混凝土表面結(jié)構(gòu)，維修成本高，加固維修難度大；保護(hù)層厚度過大，主筋位置改變，受力后構(gòu)件表面易產(chǎn)生裂縫，鋼筋發(fā)揮不出應(yīng)有的結(jié)構(gòu)效應(yīng)[2]。

為保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)合理使用年限，我國住建、水運(yùn)、公路、鐵路和水利等各行業(yè)有關(guān)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和耐久性設(shè)計規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限和使用環(huán)境對鋼筋保護(hù)層最小厚度進(jìn)行限制。JTS 151—2011《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和JTS 153—2015《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最小保護(hù)層厚度范圍為40～65 mm，GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對處于氯化物環(huán)境設(shè)計使用年限100 a 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最小保護(hù)層厚度范圍為45～60 mm，JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》對Ⅲ類近?；蚝Ｑ舐然锃h(huán)境設(shè)計使用年限100 a 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最小保護(hù)層厚度范圍為35 ～65 mm，TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》對處于Ⅲ類氯鹽環(huán)境下橋涵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最小保護(hù)層厚度范圍為45～60 mm，以上設(shè)計規(guī)范對處于氯鹽環(huán)境下鋼筋保護(hù)層厚度設(shè)計范圍為35～65 mm。

深中通道西人工島隧道段屬于海洋氯化物環(huán)境，環(huán)境作用等級Ⅲ-D、Ⅲ-E，隧道結(jié)構(gòu)鋼筋密集，主筋直徑40 mm，側(cè)墻內(nèi)側(cè)主筋直徑32 mm，鋼筋間距150 mm，為保證混凝土的使用年限，內(nèi)外墻設(shè)計鋼筋保護(hù)層厚度分別為66 mm 和86 mm，保護(hù)層厚度相對較大。

電磁法是國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的保護(hù)層厚度無損檢測方法，錢樹波等人對國產(chǎn)和進(jìn)口電磁法保護(hù)層厚度測定儀進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備測量誤差嚴(yán)重偏大、有效測量范圍也在70 mm 以下[3]，劉雨等人用電磁法鋼筋探測儀對鋼筋密集和較大的保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測時發(fā)現(xiàn)鋼筋探測儀直接測得保護(hù)層厚度與實際厚度相差超出±3 mm 的要求[4]，因此精準(zhǔn)檢測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度，保證其合理使用年限不發(fā)生銹蝕破壞是亟待解決的問題。

1 檢測方法確定

1.1 檢測原理

JTS 239—2015《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)實體檢測技術(shù)規(guī)程》和JGJ/T 152—2019《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中鋼筋混凝土保護(hù)層厚度的無損檢測方法有電磁感應(yīng)法和雷達(dá)法。電磁感應(yīng)法的基本原理是：儀器本身或探頭由大電流激勵發(fā)射線圈產(chǎn)生脈沖磁場，當(dāng)磁場下方存在鋼筋時，鋼筋會在磁場作用下產(chǎn)生渦流進(jìn)而形成二次感應(yīng)磁場，接收線圈將接收到的感應(yīng)磁場轉(zhuǎn)換成電磁波強(qiáng)度，儀器對其進(jìn)行實時分析運(yùn)算，以判斷鋼筋的位置和保護(hù)層厚度等信息[5]；雷達(dá)法是通過發(fā)射和接收到的毫微秒級電磁波來檢測保護(hù)層厚度，基本原理是：高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射器經(jīng)天線被定向送入檢測體內(nèi)，經(jīng)存在電性差異的目標(biāo)體反射后返回結(jié)構(gòu)體表面被接受天線接收到接收器，根據(jù)反射回波在波幅及波形上變化的原理形成圖像并進(jìn)行分析。由于金屬是良導(dǎo)體，電導(dǎo)系數(shù)和磁導(dǎo)率很大，微波很難穿透，反射回波基本上為全反射，波形曲線形狀明顯，容易判讀[6]。

1.2 儀器設(shè)備

1.2.1 LR-G200 一體式鋼筋檢測儀

該設(shè)備是電磁法原理的便攜式智能無損檢測設(shè)備，儀器設(shè)備適用于φ6～φ50 mm 的鋼筋，第一量程2～100 mm，第二量程2～200 mm，保護(hù)層厚度最大允許誤差見表1。

表1 LR-G200 一體式鋼筋檢測儀保護(hù)層厚度最大偏差Table 1 Maximum deviation of concrete cover by LR-G200 integrated reinforced detectomr m

1.2.2 NJJ-95B 鋼筋混凝土雷達(dá)

該設(shè)備是主機(jī)與天線一體化的便攜式雷達(dá)法檢測設(shè)備，可探測范圍為5～300 mm，保護(hù)層厚度最大允許誤差見表2。鋼筋混凝土雷達(dá)的電磁波從天線向混凝土表面?zhèn)鞑r，穿透內(nèi)部的電磁波遇到與混凝土電性能不同的鋼筋而反射，并被天線再次接收，通過電磁波反射測量反射體的深度和水平位置，并將鋼筋深度和位置顯示為圖像，檢測示意見圖1。

圖1 雷達(dá)法檢測混凝土保護(hù)層厚度示意圖Fig.1 Indication diagram of concrete cover detected by radar mehtod

表2 雷達(dá)法檢測混凝土保護(hù)層厚度的最大偏差Table 2 Maximum deviation of detected by radar method mm

1.3 對比分析

暗埋段縮尺模型構(gòu)件為西人工島大體積混凝土澆筑工藝性試驗構(gòu)件，內(nèi)外墻設(shè)計保護(hù)層厚度與主體結(jié)構(gòu)一致，保護(hù)層厚度允許偏差為-5~+15 mm。分別采用LR-G200 一體式鋼筋檢測儀和NJJ-95B 鋼筋混凝土雷達(dá)對暗埋段縮尺模型構(gòu)件保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測，采用剔槽直接測量的方法對保護(hù)層厚度進(jìn)行驗證，比對試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 直接法和保護(hù)層厚度測定儀比對試驗數(shù)據(jù)Table 3 Comparison of test data between direct method and concrete cover detector mm

經(jīng)過比對分析，發(fā)現(xiàn)LR-G200 一體式鋼筋檢測儀保護(hù)層厚度測定儀所測數(shù)據(jù)與直接法相差2~6 mm，對個別保護(hù)層厚度超過100 mm 且有其他鋼筋干擾的情況下檢測不出數(shù)據(jù)，不滿足JTS 239—2015《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)實體檢測技術(shù)規(guī)程》中第7.1.3 條規(guī)定保護(hù)層厚度測定儀對檢測誤差±3 mm 的要求；NJJ-95B 鋼筋混凝土雷達(dá)與直接法最大相差為2 mm，滿足JTS 239—2015《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)實體檢測技術(shù)規(guī)程》中第7.1.3 條檢測允許誤差的規(guī)定，精度較高，可對現(xiàn)場大厚度混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測。為準(zhǔn)確測定本工程大厚度鋼筋保護(hù)層厚度，及時發(fā)現(xiàn)保護(hù)層厚度不合格的區(qū)域，有效指導(dǎo)現(xiàn)場鋼筋綁扎施工質(zhì)量，決定采用雷達(dá)法對現(xiàn)場鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測。

2 鋼筋混凝土雷達(dá)的校準(zhǔn)

2.1 鋼筋混凝土雷達(dá)

通過對混凝土雷達(dá)的探測深度、探測精度、水平方向分辨率、顯示模式、一次探測存儲距離、無存儲平滑探測、狹窄空間探測、存儲容量、電池持續(xù)時間等性能進(jìn)行比選，最終選定NJJ-200K鋼筋混凝土雷達(dá)。該設(shè)備是NJJ 系列的最新產(chǎn)品，也是世界上第一款采用智能手機(jī)作為顯示器的遙控雷達(dá)，配備3.4 GHz 的天線，可探測范圍為5～450 mm，間距分辨率高達(dá)1∶0.2，在探測深度≤75 mm 時鋼筋最小間距為15 mm，探測深度75～175 mm 時鋼筋最小間距為40 mm，一次可存儲300 根鋼筋的數(shù)據(jù)，在不保存數(shù)據(jù)的情況下可實現(xiàn)無距離限制的平滑檢測，通過分類主單元、顯示單元和加長桿，可以實現(xiàn)狹窄空間和一定高度范圍的各種鋼筋探測，完全滿足本工程鋼筋直徑大、間距密、保護(hù)層厚度大的要求。

2.2 校準(zhǔn)板的制作

鋼筋混凝土雷達(dá)探測時需要預(yù)先輸入現(xiàn)場混凝土的相對介電常數(shù)，對同一介質(zhì)不同的儀器設(shè)備測的混凝土相對介電常數(shù)也會有所區(qū)別。根據(jù)西人工島主體工程內(nèi)外墻混凝土保護(hù)層厚度制作校準(zhǔn)板2 個，設(shè)計尺寸為1 600 mm×500 mm×300 mm 的鋼筋混凝土板，混凝土采用與主體工程相同的配合比進(jìn)行澆筑，養(yǎng)護(hù)方式與主體工程相同。校準(zhǔn)板為單層鋼筋，鋼筋分別采用直徑φ32 和φ40 的螺紋鋼，埋置深度分別為86 mm、66 mm、46 mm 和106 mm、86 mm、66 mm，鋼筋間距與主體工程一致，在保證鋼筋間距的前提下，將每根鋼筋穿過兩端側(cè)模固定，并保證測試鋼筋水平，兩端均外露校準(zhǔn)板50 mm。

水基淬火液不同于淬火油，由于聚合物淬火劑本身有機(jī)物質(zhì)的屬性，使其不得不面對嚴(yán)峻的細(xì)菌滋生困擾，德州思科研究發(fā)現(xiàn)，并非某些種類的殺菌劑能夠完全解決這一問題，需要從淬火液整體配伍體系綜合考慮，抵抗細(xì)菌滋生，增強(qiáng)穩(wěn)定性。細(xì)菌的滋生則會對淬火液產(chǎn)生十分不良影響，是其冷卻性能不穩(wěn)定的開始，主要危害有以下幾點(diǎn)：

校準(zhǔn)板鋼筋布置見圖2。

2.3 相對介電常數(shù)的確定

2.3.1 相對介電常數(shù)確定方法

混凝土相對介電常數(shù)是鋼筋混凝土雷達(dá)能準(zhǔn)確測定保護(hù)層厚度的關(guān)鍵，以外露鋼筋量測校準(zhǔn)板鋼筋的實際保護(hù)層厚度為基準(zhǔn)，通過調(diào)整混凝土的相對介電常數(shù)使鋼筋混凝土雷達(dá)測定的保護(hù)層厚度與基準(zhǔn)一致的方法確定混凝土的相對介電常數(shù)[7-8]。具體步驟如下：

1） 用游標(biāo)卡尺對測試板外漏鋼筋進(jìn)行準(zhǔn)確測量，確定實際保護(hù)層厚度；

2） 在儀器中預(yù)先輸入一個相對介電常數(shù)對鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行測定；

3） 根據(jù)量測的實際保護(hù)層厚度對相對介電常數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至儀器顯示值與實際保護(hù)層厚度結(jié)果一致或滿足規(guī)范要求的允許偏差；

4） 根據(jù)調(diào)整后的介電常數(shù)重新對校準(zhǔn)板鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行測定，與實際保護(hù)層厚度進(jìn)行對比，再次確認(rèn)相對介電常數(shù)；

2.3.2 不同齡期的混凝土相對介電常數(shù)

用NJJ-200K 鋼筋混凝土雷達(dá)對不同養(yǎng)護(hù)齡期校準(zhǔn)板的保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測，以確定混凝土不同養(yǎng)護(hù)齡期的相對介電常數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 不同齡期相對介電常數(shù)值Table 4 Relative dielectric constant of different ages

從表4 數(shù)據(jù)可知，早齡期混凝土因內(nèi)部含水量較大，相對介電常數(shù)變化明顯，隨著混凝土膠凝材料的水化和水分的蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部自由水逐漸減少，混凝土相對介電常數(shù)也隨之下降，14 d齡期后相對介電常數(shù)在測試深度46~106 mm 的深度范圍內(nèi)沒有差異，均為7.1；同時也可看出隨著混凝土保護(hù)層厚度的增大，混凝土內(nèi)部自由水損失較慢，介電常數(shù)趨于穩(wěn)定的齡期也相應(yīng)增大。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場檢測要確?；炷帘砻嫣幱诟稍餆o水狀態(tài)，否則介電常數(shù)會發(fā)生變化，影響檢測結(jié)果。當(dāng)混凝土中含有鋼筋、管線、鋼管等金屬材質(zhì)時，其介電常數(shù)大于混凝土的介電常數(shù)，最大波形峰值從表面向右側(cè)最大突出；當(dāng)混凝土內(nèi)含有空洞或其他非金屬材質(zhì)時，其介電常數(shù)小于混凝土的介電常數(shù)，最大峰值向左側(cè)突出?，F(xiàn)場檢測過程中根據(jù)波形峰值的突出狀況對混凝土內(nèi)部情況進(jìn)行判斷，通過手機(jī)顯示的橫坐標(biāo)移動距離標(biāo)尺和縱坐標(biāo)深度標(biāo)尺可隨時對空洞的位置、鋼筋間距和鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行讀取和判定。

大體積混凝土灑水養(yǎng)護(hù)14 d 后，拆除養(yǎng)護(hù)用一布一膜土工布，待混凝土表面風(fēng)干后采用NJJ-200K 鋼筋混凝土雷達(dá)（介電常數(shù)設(shè)置7.1）對主筋保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測，同時采用取芯直接量測的方法對保護(hù)層厚度進(jìn)行驗證，比對數(shù)據(jù)見表5。鋼筋混凝土保護(hù)層厚度檢測結(jié)果與實測值偏差為±1 mm，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，滿足規(guī)范的要求。采用鋼筋混凝土雷達(dá)對每一施工段的鋼筋保護(hù)層厚度和間距進(jìn)行檢測，通過檢測數(shù)據(jù)為下一施工段的鋼筋綁扎施工進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整提供參考，現(xiàn)已施工完成的暗埋度、敞開段和匝道隧道各結(jié)構(gòu)段混凝土鋼筋保護(hù)層厚度檢測結(jié)果均滿足設(shè)計≥80%的要求，為本工程順利通過竣工驗收提供有力的保證。

表5 雷達(dá)法和取芯法保護(hù)層厚度比對結(jié)果Table 5 Comparison of concrete cover between radar method and cores method mm

4 結(jié)語

通過對電磁法和雷達(dá)法鋼筋保護(hù)層厚度測定儀的比對分析，對鋼筋混凝土雷達(dá)使用前的校準(zhǔn)和現(xiàn)場的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

1） 對于在60～105 mm 鋼筋保護(hù)層厚度的無損檢測宜采用雷達(dá)法，不宜采用電磁法。

2） 混凝土的介電常數(shù)14 d 后趨于穩(wěn)定，混凝土保護(hù)層厚度越大，介電常數(shù)趨于穩(wěn)定的時間越長。

3） 鋼筋混凝土雷達(dá)實測偏差小，精度高，可準(zhǔn)確測定大厚度鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。