混凝土結(jié)構(gòu)物中鋼筋腐蝕的檢測與修復(fù)技術(shù)

摘 要： 介紹近年國內(nèi)外用于鋼筋腐蝕的檢測方法和修復(fù)技術(shù)， 檢測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世和大量使用， 鋼筋混凝土的腐蝕已逐漸成為一個世界性的問題。在1991 年召開的第二屆混凝土耐久性國際學(xué)術(shù)會議上， Mehta 教授在其主旨報告《混凝土耐久性———五十年進展》中把鋼筋腐蝕列為混凝土結(jié)構(gòu)破壞的首要原因。因此， 如何有效地檢測混凝土中鋼筋銹蝕狀況并對其進行有效的修復(fù)就顯得十分重要了。本文對目前國內(nèi)外常用的一些針對結(jié)構(gòu)物鋼筋腐蝕的檢測方法及其修復(fù)技術(shù)進行了歸納總結(jié)， 供業(yè)內(nèi)人士參考。

 

 

　　用于結(jié)構(gòu)物中鋼筋腐蝕的檢測方法， 按對結(jié)構(gòu)物的損傷狀況可分為破損檢測和無損檢測兩大類，按檢測技術(shù)可分為物理和電化學(xué)兩大類。

 

 

　　破損檢測也是物理檢測方法的一種， 一般是在鋼筋銹蝕比較嚴重的情況下進行， 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、開裂甚至脫落等現(xiàn)象， 為了進一步定量確定鋼筋銹蝕的情況， 就需要對結(jié)構(gòu)進行破損檢測。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， 直至露出鋼筋表面， 通過肉眼（ 視覺法） 來觀察鋼筋的銹蝕情況， 必要時還可通過截取部分銹蝕最嚴重的鋼筋， 通過截面積損失率或重量損失率來計算鋼筋的銹蝕率。

 

　　破損檢測是目前工程中應(yīng)用較普遍的一種檢測結(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， 就是會對結(jié)構(gòu)物造成較大的損傷， 且由于是“點”的檢測， 故檢測范圍和數(shù)量及其代表性均受到限制。

 

 

　　為了不使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生過大的損傷， 人們在工程實踐中逐漸研究開發(fā)出無損檢測， 該法通常又分為物理檢測和電化學(xué)檢測兩大類， 前者包括電阻棒法、渦流與磁通減量（ 渦流探測） 法、聲發(fā)射探測法、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。

 

　　⑴ 電阻棒法

　　通過測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)時預(yù)先埋設(shè)電阻探頭， 較適用于均勻腐蝕的場合， 對于以局部腐蝕為特征的鋼筋， 則無法定量檢測其腐蝕速度。

 

　?、?渦流探測法

　　通過測定勵磁電流與發(fā)生在鋼筋內(nèi)的次生波的相位關(guān)系來判斷鋼筋銹蝕狀況， 它是將一臺電磁裝置放在混凝土結(jié)構(gòu)表面， 使其中一段鋼筋達到磁飽和， 鋼筋腐蝕引起的鋼筋截面積損失會使磁場中出現(xiàn)某些異常， 經(jīng)分析即可判斷鋼筋截面積的損失率。

 

　　⑶ 聲發(fā)射探測法

　　混凝土中鋼筋發(fā)生腐蝕時， 腐蝕產(chǎn)物膨脹會產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力， 使周圍混凝土開裂， 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發(fā)射源位置與強弱。聲發(fā)射探測法是利用傳感器接收鋼筋銹蝕引起周圍混凝土開裂釋放的彈性應(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)射強度的相關(guān)性。

 

　　射線法是通過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。紅外熱像法通過測量混凝土表面溫度分布來分析鋼筋銹蝕位置和程度。

 

　?、?自然電位法

　　該法是20 世紀50 年代末以來應(yīng)用最廣泛的鋼筋銹蝕檢測方法之一， 美、日、德、英、印度等國均制定了相應(yīng)的標準， 我國冶金部也公布了部頒標準， 各國標準不盡相同。混凝土中的鋼筋與周圍介質(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)， 但至今仍無法直接測得該電位值。自然電位法通過測定鋼筋電極對參比電極的相對電位差來判明鋼筋的銹蝕狀況，其優(yōu)點是設(shè)備簡單、價格低、操作方便， 對混凝土中的鋼筋腐蝕體系無干擾， 實驗室與現(xiàn)場檢測均可采用。該法現(xiàn)場檢測根據(jù)實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)用于定量測量； 混凝土干燥或表面有非導(dǎo)電性覆蓋層時， 因不能形成回路而不宜采用； 鋼筋電極電位受環(huán)境相對濕度、水泥品種、水灰比、保護層厚度、氯離子含量、碳化深度等因素影響， 因此這種評定方法較為粗糙。

 

　?、?交流阻抗譜法

　　如對電極施加一個小的交流信號并使之不改變電極體系的性質(zhì)， 則可認為輸入與輸出信號之間呈線性關(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)， 施加的交流信號對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， 交流阻抗測量已成為試驗室該項研究的常用方法， 為了實施現(xiàn)場測量， 必須考慮阻抗的空間分布問題。Bohhi 等在實踐中發(fā)現(xiàn)， 若被測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)場測量正弦波振幅為20mV， 頻率范圍為10MHZ～10kHZ； 但在低頻段由于每個阻抗譜的測量均需時過長， 一方面會引起測量結(jié)果誤差較大， 另一方面也不太適用于大面積現(xiàn)場檢測。同時， 交流阻抗測量所用儀器設(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)展起來的一種快速有效的腐蝕速度測試方法。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， 可用雙電極或三電極系統(tǒng)監(jiān)測材料與環(huán)境耦合對的銹蝕率。線性極化技術(shù)在試驗研究與現(xiàn)場檢測中應(yīng)用廣泛， 測量方便快捷， 試驗室測試精度可與失重法不相上下，是主要的電化學(xué)檢測手段。英國研制了程式化的線性極化測試設(shè)備， 并用于現(xiàn)場檢測， 但該技術(shù)也存在一些缺點， 一是它不能直接測定混凝土中鋼筋的電阻值（B 值） ， 二是由于過電位小， 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， 因此要求測試儀器精度較高且能補償歐姆壓降， 且線性極化測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)場檢測中的應(yīng)用。對于新建建筑物， 可以預(yù)埋已知面積的鋼筋作為日常檢測之用； 最近保護環(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， 但對其可靠性的評價則褒貶不一，由于不能區(qū)分各個因素的影響， 也就不能把電化學(xué)過程中的各步驟清晰地分辨出來， 但這并不影響其現(xiàn)場檢測中的應(yīng)用。

 

　?、?恒電量法

　　恒電量測量技術(shù)仍屬于極化測量的范疇， 但它不同于控制電位或控制電流的方法， 可采用先進的電子技術(shù)， 測量恒電量激勵下腐蝕電極極化電位隨時間衰減的曲線， 確定鋼筋瞬時銹蝕速度。恒電量法測量受腐蝕介質(zhì)電阻的影響小且對體系的擾動小，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)。

 

 

　　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。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， 其來源是施工過程中由原材料混入以及環(huán)境中氯鹽通過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)工作是一項復(fù)雜的綜合性技術(shù)。目前國內(nèi)外對腐蝕鋼筋的修復(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。

 

 

　　物理修復(fù)法是指鑿除發(fā)生鋼筋腐蝕并導(dǎo)致混凝土膨脹開裂或剝落的混凝土， 直至露出鋼筋表面， 先對已腐蝕的鋼筋進行表面除銹處理， 再用新的致密混凝土或砂漿進行修補抹平。

 

　　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， 且挖補后不打算對其實施陰極保護技術(shù)， 這種情況下就需要將分層開裂區(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。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門檻值的鋼筋周圍混凝土徹底清除。同時， 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。對鏟除混凝土后的凹坑要進行修整， 使其邊緣方正平直， 并對新生面進行徹底清理， 去除粉塵、碎屑， 用清水噴濕或涂以粘結(jié)劑， 做好填補新拌和料的準備。

 

　　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， 對腐蝕狀態(tài)嚴重的混凝土結(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， 還可以選用樹脂混凝土或砂漿， 需要時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）。

 

　　補丁修補技術(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， 同時要求修復(fù)材料的收縮率應(yīng)較小， 對新填的混凝土或砂漿應(yīng)進行良好的養(yǎng)護， 以盡量減少新填補區(qū)域開裂的危險。

 

 

　　用電化學(xué)法將Cl^-從鋼筋表面驅(qū)除， 使其向輔助陽極移動， 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)作為臨時陽極， 在金屬網(wǎng)和鋼筋之間施加電場， 在外加電場的作用下， 混凝土中鋼筋附近的Cl^- 等陰離子向陽極流動進入電解液中， 電解液及混凝土中的陽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)或鍍鉑鈦作為陽極， 但也曾經(jīng)有采用銅網(wǎng)和低碳鋼網(wǎng)作為陽極的。由于銅及其鹽類進入混凝土后會加速鋼筋腐蝕而被淘汰， 低碳鋼由于容易發(fā)生局部腐蝕且會在混凝土表面留下銹斑， 因此目前也很少用其作為臨時陽極。

 

　　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，但價格較高， 氫氧化鈣則價格較低， 因此電解液的選擇要根據(jù)工程的實際情況（ 有無堿骨料反應(yīng)的可能等） 來決定。

 

　　該技術(shù)的優(yōu)點是處理時間短， 可在4～6 周內(nèi)完成， 但也有一定的缺點。有研究表明， 電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)會對鋼筋- 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。

 

 

　　再堿化技術(shù)主要用于對由碳化引發(fā)鋼筋腐蝕的建筑結(jié)構(gòu)物的修復(fù)與保護， 再堿化處理就是根據(jù)陰極保護技術(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)。由于處理時間較短， 低碳鋼絲網(wǎng)不完全被損耗， 且價格較低， 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)者認為， 由電解液帶入的鈉離子會促進混凝土中堿- 骨料反應(yīng)的發(fā)生， 所以對于堿- 骨料反應(yīng)敏感的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 有時有必要采用自來水作為電解液。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始時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。