水工混凝土中鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個重要問題，也是水工建筑物安全鑒定過程中經(jīng)常遇到的問題。結(jié)合工程結(jié)構(gòu)安全檢測實踐，介紹了運用半電池電位法對水工混凝土中鋼筋銹蝕進行檢測的原理、方法、評價準則及應(yīng)用效果，并對提高混凝土中鋼筋銹蝕檢測的可靠性進行了探討。

　　關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)半電池電位法 鋼筋銹蝕 評價準則 可靠性

　　1　鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)的影響

　　水工混凝土中鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個重要問題，也是水工建筑物安全鑒定過程中經(jīng)常遇到的問題。多年來，許多水利工程由于耐久性不良引起的工程損壞事例不斷發(fā)生，由此帶來的工程損失和處理費用也迅速增加，相應(yīng)的經(jīng)濟損失已不可忽視。在水工建筑物安全鑒定過程中，常遇到大壩、水閘、渡槽、橋梁等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因鋼筋銹蝕引起的混凝土膨脹開裂，混凝土保護層脫落的現(xiàn)象很多，使得結(jié)構(gòu)承載力下降，有些危及安全，必須引起高度重視。

　　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。因此，鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)的承載力和適用性都造成了嚴重影響，由此帶來的維修與加固費用也是相當昂貴的。為此，結(jié)合水工建筑物安全檢測實踐，開展了水工混凝土中鋼筋銹蝕檢測技術(shù)及應(yīng)用研究，目的是為水工建筑物的安全評價提供科學的依據(jù)。

　　2　檢測原理及方法

　　2.1　檢測原理

關(guān)于混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)的無損檢測，目前，國內(nèi)外只能進行定性測量，常用的方法是半電池電位法。鋼筋在混凝土中銹蝕是一種電化學過程。此時，在鋼筋表面形成陽極區(qū)和陰極區(qū)。在這些具有不同電位的區(qū)域之間，混凝土的內(nèi)部將產(chǎn)生電流。鋼筋和混凝土的電學活性可以看作是半個弱電池組，鋼的作用是一個電極，而混凝土是電解質(zhì)，這就是半電池電位檢測法的名稱來由。

 一、鋼筋銹蝕機理
    鋼筋混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕主要是電化學反應(yīng)的結(jié)果?；炷翝沧⒑?，水泥的水化反應(yīng)產(chǎn)生強堿環(huán)境，鋼筋會在該環(huán)境中發(fā)生氧化反應(yīng)（又稱鈍化反應(yīng)），從而在鋼筋的外表面產(chǎn)生一層致密的氧化層，就是常說的鈍化膜。完整的鈍化膜能夠?qū)摻詈屯獠凯h(huán)境隔離開來，阻止鋼筋的銹蝕。
    當混凝土受外力破壞或化學侵蝕造成鈍化膜局部消失時，失去保護的鋼筋在具有氧氣和水的環(huán)境中就會逐漸發(fā)生銹蝕。主要有以下幾種常見的因素：
    1、氯化物
    氯化物滲透到鋼筋表面后，C1-的局部酸化作用使鋼筋表面PH值下降，導(dǎo)致鈍化膜的破壞。
    2、酸性環(huán)境
    混凝土處于酸性環(huán)境中時，離子滲透作用會逐漸改變鋼筋周圍的PH環(huán)境，當PH值低于10的時候，鈍化膜被加速破壞，銹蝕發(fā)生。
    3、碳化
    混凝土碳化反映是環(huán)境氣體中的二氧化碳向混凝土內(nèi)部擴散，當混凝土中含有水分時，產(chǎn)生酸性環(huán)境，造成銹蝕發(fā)生的可能。
    4、應(yīng)力
    一般混凝土構(gòu)件都是用來承受壓力、拉力、剪切力等力的作用。當應(yīng)力作用使鋼筋表面發(fā)生裂紋，就會導(dǎo)致鈍化膜的破壞，而且鋼筋周圍沒有從新產(chǎn)生鈍化膜的強堿環(huán)境時，鋼筋失去保護，會加速鋼筋的銹蝕。
    二、鋼筋銹蝕檢測技術(shù)
    長期以來，國內(nèi)外一直都在研究鋼筋銹蝕檢測的方法，目前主要有以下幾種：
    1、電化學法
    電化學法是根據(jù)鋼筋銹蝕的電化學特性，通過一定的檢測方法來測定電參數(shù)，總結(jié)不同銹蝕情況下相應(yīng)的規(guī)律，從而確定鋼筋的銹蝕程度或速度。目前該類方法主要有自然電位法、交流阻抗法、線性極化法、混凝土表面電阻率法、恒電量法、電化學噪聲法等。
    1.1自然電位法
    自然電位法是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的鋼筋銹蝕檢測方法。把鋼筋混凝土作為電極，通過測量鋼筋電極和參考電極的相當電勢來判斷鋼筋的銹蝕情況。
    自然電位法的優(yōu)點是設(shè)備簡單、操作方便。缺點是只能定性的判定鋼筋銹蝕的可能程度，不能定量測量鋼筋銹蝕比例；在混凝土表面有絕緣體覆蓋或不能用水浸潤的情況下不能使用該種方法進行測試。
    1.2交流阻抗法
    交流阻抗法是對混凝土構(gòu)件施加一個小的交流信號，通過測量和對比輸入與輸出信號振幅及相位之間的關(guān)系來判斷混凝土電極體系的性質(zhì)。它不僅可以確定出電極的各種電化學參數(shù)，而且可以確定出電化學反映的控制步驟。通過交流阻抗譜隨時間的演變也可以研究電極過程的變化規(guī)律。該方法的缺點是，測量時間較長，儀器設(shè)備也比較昂貴，對低速率銹蝕體系需要低頻交流信號，測量也有一定的困難；分析方法復(fù)雜，測量的阻抗譜與構(gòu)件的幾何尺寸有關(guān)，不適合現(xiàn)場測試。
    1.3線性極化法
    線性極化法以過電位很小時（<10mV）過電位與極化電流呈線性關(guān)系作為理論依據(jù)。通過向測量區(qū)域施加一個小電流，測量該電流引起的電位變化，電位變化量與電流之比稱為極化電阻，極化電阻與銹蝕電流成反比。因此測定出極化電阻可以求得極化電流，根據(jù)法拉第定律可以將極化電流轉(zhuǎn)換為鋼筋的損失量。該方法測量方便快捷、測試精度較高。缺點是：現(xiàn)場構(gòu)件的計算系數(shù)不容易準確測定；線性極化測量是建立在已知測量范圍的基礎(chǔ)上，由于測量時輸入信號會發(fā)生側(cè)向擴散，很難準確界定測量范圍的大小；儀器精度要求很高。
    1.4混凝土表面電阻率法
    鋼筋銹蝕發(fā)生時，會產(chǎn)生電子的遷移，從而在混凝土表面發(fā)生電子分布差異，通過測量混凝土表面的電阻率分布情況判斷鋼筋的銹蝕可能性。該方法受混凝土表面水分含量和化學成分的影響。
    2、物理法
    主要是通過測定與鋼筋銹蝕相關(guān)的電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲波傳播等物理特性的變化來反映鋼筋的銹蝕狀況。常用方法有電阻棒法、渦流探測法、射線法、聲發(fā)射探測法等。該類方法的優(yōu)點是操作方便，受環(huán)境的影響較小。缺點是容易受到混凝土中其它損傷因素的干擾；而且建立物理測定指標和鋼筋銹蝕量之間的對應(yīng)關(guān)系比較困難。物理法目前主要處于理論研究階段，未見用于現(xiàn)場檢測。
    三、半電池自然電位法檢測的優(yōu)點
    位于離子環(huán)境中的鋼筋可以視為一個電極，銹蝕反應(yīng)發(fā)生后，鋼筋電極的電勢發(fā)生變化，電位大小直接反映鋼筋銹蝕情況。眾所周知，電池是一個陰極和一個陽極構(gòu)成，鋼筋電極只具有電池的一半特征，所以被稱為半電池。在混凝土表面放置一個電勢恒定的參考電極（硫酸銅電極或氯化銀電極），和鋼筋電極構(gòu)成一個電池體，就可以通過測定鋼筋電極和參考電極之間的相對電勢差得到鋼筋電極的電位分布情況?？偨Y(jié)電位分布和鋼筋銹蝕間的統(tǒng)計規(guī)律，就可以通過電位測量結(jié)果判定鋼筋銹蝕情況。
    該方法操作簡單、測試速度快，便于連續(xù)測量和長時間跟蹤，在各國應(yīng)用都比較廣泛，也是目前國內(nèi)使用最多的測試方法。
    四、半電池自然電位法的應(yīng)用
    依據(jù)GB/T50344-2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準》中的電化學測定方法（自然電位法），智博聯(lián)公司研制出的鋼筋銹蝕檢測專用設(shè)備“ZBL-C310鋼筋銹蝕檢測儀”，采用極化電極原理，通過銅/硫酸銅參考電極來測量混凝土表面電位，利用通用的自然電位法判定鋼筋銹蝕程度；
    該產(chǎn)品具有圖形化測試界面，測量直觀、便捷；自動對測量結(jié)果進行統(tǒng)計，幫助用戶判定等特點。技術(shù)指標與國外同類儀器相當：測量范圍±1000mv，分辨率1mV。
    其主要性能特點如下：
      1.操作簡便，測試結(jié)果以數(shù)字或圖形方式顯示；
      2.測點讀數(shù)快速而穩(wěn)定，電位讀數(shù)變動不超過2mv；
      3.鋼筋銹蝕程度分9級灰度或色彩顯示；
      4.繪制電位等值線圖，等值線差值可設(shè)置（50mv～100mv）;

 5.強大的專業(yè)分析處理軟件，可自動生成檢測報告初稿。

　　半電池電位法是利用“Cu＋CuSO4飽和溶液”形成的半電池與“鋼筋＋混凝土”形成為半電池構(gòu)成一個全電池系統(tǒng)。由于“Cu＋CuSO4飽和溶液”的電位值相對恒定，而混凝土中鋼筋因銹蝕產(chǎn)生的化學反應(yīng)將引起全電池的變化。因此，電位值可以評估鋼筋銹蝕狀態(tài)。

　　2.2　檢測方法

　　檢測前，首先配制Cu＋CuSO4飽和溶液。半電池電位法的原理要求混凝土成為電解質(zhì)，因此必須對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表面進行預(yù)先潤濕。采用95ml家用液體清潔劑加上19L飲用水充分混合構(gòu)成的液體潤濕海綿和混凝土結(jié)構(gòu)表面。檢測時，保持混凝土濕潤，但表面不存有自由水。

　　將CANIN鋼筋銹蝕測定儀的一端與混凝土表面接觸，另一端與鋼筋相連，當鋼筋露出結(jié)構(gòu)以外時，可以方便地直接連接。否則，需要首先利用鋼筋定位儀的無損檢測方法確定一根鋼筋的位置，然后鑿除鋼筋保護層部分的混凝土，使鋼筋外露，再進行連接。連接時要求打磨鋼筋表面，除去銹斑。根據(jù)半電池電位法的測試原理，為了保證電路閉合以及鋼筋的電阻足夠小，測試前應(yīng)該使用電壓表檢查測試區(qū)內(nèi)任意兩根鋼筋之間的電阻小于1.

　　檢測時，根據(jù)用鋼筋定位儀測定的鋼筋分布確定測線及測點，測點的間距為10～20cm.用CANIN鋼筋銹蝕測定儀逐個讀取每條測線上各測點的電位值，在至少觀察5min時，電位讀數(shù)保持穩(wěn)定浮動不超過±0.02V時，即認為電位穩(wěn)定，可以記錄測點電位。

　　3　評價準則

　　根據(jù)美國標準《混凝土中鋼筋的半電池電位實驗標準》（ANSI／ASMC76－80）和交通部公路研究院、中國建筑科學研究院等單位的研究成果以及大量的現(xiàn)場直觀檢查驗證情況，混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)判據(jù)

　?。?SPAN lang=EN-US>1）電位＞－150mV時，鋼筋狀態(tài)完好。

　　4　應(yīng)用實例

　　幾年來，在水利工程結(jié)構(gòu)安全無損檢測中，應(yīng)用CANIN鋼筋銹蝕測定儀分別對華新套閘、新港水閘、前衛(wèi)水閘、創(chuàng)建水閘、朱泖河套閘、大浦閘、小礫山排灌站等工程混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)進行了無損檢測?，F(xiàn)將混凝土中鋼筋銹蝕所處狀態(tài)幾種典型的檢測結(jié)果分別介紹如下。

　　4.1　處于完好狀態(tài)的鋼筋

　　朱泖河套閘下閘首左中墩上游面混凝土鋼筋銹蝕電位測試結(jié)果見表1.在檢測結(jié)構(gòu)表面抽檢了28個測點，電位范圍－22mV～－136mV，平均電位－65.9mV，鋼筋處于完好狀態(tài)。測試后對某一檢測點進行了鑿除對比檢查，檢查結(jié)果為鋼筋狀態(tài)完好，未銹蝕。

　　4.2　處于局部銹蝕、全面銹蝕狀態(tài)的鋼筋

　　華新套閘上閘首左下游門槽下游面混凝土鋼筋銹蝕電位測試結(jié)果見表2.在檢測結(jié)構(gòu)表面抽檢了27個測點，電位范圍－150mV～－257mV，平均電位－195mV，鋼筋基本處于局部銹蝕狀態(tài)，部分處于全部銹蝕狀態(tài)。測試結(jié)果與現(xiàn)場實測的混凝土碳化深度、鋼筋保護層厚度變化規(guī)律基本一致，即混凝土碳化深度越深，鋼筋保護層厚度越薄，則混凝土鋼筋銹蝕電位負值越大。

　　4.3  處于全面銹蝕、嚴重銹蝕狀態(tài)的鋼筋

　　新港水閘右橋面板底部下游側(cè)混凝土鋼筋銹蝕電位測試結(jié)果見表3.在檢測結(jié)構(gòu)表面抽檢了21個測點，電位范圍－202mV～－335mV，平均電位－259.3mV，鋼筋基本處于全面銹蝕狀態(tài)，局部處于嚴重銹蝕狀態(tài)。在鋼筋處于嚴重銹蝕狀態(tài)的地方混凝土表面疏松開裂，混凝土保護層很容易地剝落，打開混凝土保護層，里面鋼筋銹蝕十分嚴重，鋼筋銹蝕層較厚且容易剝落，經(jīng)測量計算鋼筋的有效截面積只為原始截面積的60％左右，將嚴重地危及結(jié)構(gòu)的安全。

　　5　幾點討論

　　半電池電位法在檢測水工混凝土鋼筋銹蝕狀態(tài)已獲得了廣泛的應(yīng)用，但要運用該方法很好地解決工程中的實際問題，還必須努力提高半電池電位法檢測混凝土鋼筋銹蝕狀態(tài)的可靠性。結(jié)合工程安全檢測實踐作幾點探討。

　　（1）半電池電位法檢測混凝土鋼筋銹蝕狀態(tài)時，檢測的結(jié)構(gòu)，半電池電位才會隨著潤濕程度逐漸穩(wěn)定下來。為了加強潤濕劑的滲透效果，縮短潤濕結(jié)構(gòu)所需要的時間，采用少量家用液體清潔劑加飲用水的混合液潤濕結(jié)構(gòu)效果較好，僅需約15min時間就可以達到電位穩(wěn)定。

　?。?SPAN lang=EN-US>2）應(yīng)結(jié)合工程安全檢測，開展對比檢查分析。將鋼筋銹蝕狀態(tài)檢測結(jié)果與混凝土碳化深度檢測及鋼筋保護層厚度檢測結(jié)果進行對比分析，從中找出相關(guān)關(guān)系。同時對少量測點鑿除對比檢查，積累經(jīng)驗，從而提高評價鋼筋銹蝕狀態(tài)的可靠性。