水工混凝土中鋼筋銹蝕檢測技術及應用
1 鋼筋銹蝕對結構的影響
水工混凝土中鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結構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生，由此帶來的工程損失和處理費用也迅速增加，相應的經濟損失已不可忽視。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構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象很多，使得結構承載力下降，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構性能的影響主要體現在三方面。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生拉應力，發生順筋開裂，使結構耐久性降低;其三，鋼筋銹蝕使鋼筋與混凝土之間的粘結力下降。因此，鋼筋銹蝕對結構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及應用研究，目的是為水工建筑物的安全評價提供科學的依據。
2 檢測原理及方法
2.1 檢測原理
關于混凝土中鋼筋銹蝕狀態的無損檢測，目前，國內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和陰極區。在這些具有不同電位的區域之間，混凝土的內部將產生電流。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，這就是半電池電位檢測法的名稱來由。
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”形成為半電池構成一個全電池系統。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生的化學反應將引起全電池的變化。因此，電位值可以評估鋼筋銹蝕狀態。
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，因此必須對鋼筋混凝土結構的表面進行預先潤濕。采用95ml家用液體清潔劑加上19L飲用水充分混合構成的液體潤濕海綿和混凝土結構表面。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，當鋼筋露出結構以外時，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，測試前應該使用電壓表檢查測試區內任意兩根鋼筋之間的電阻小于1。
檢測時，根據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，電位讀數保持穩定浮動不超過±0.02V時，即認為電位穩定，可以記錄測點電位。
3 評價準則
根據美國標準《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場直觀檢查驗證情況，混凝土中鋼筋銹蝕狀態判據如下：
(1)電位>-150mV時，鋼筋狀態完好。
4 應用實例
幾年來，在水利工程結構安全無損檢測中，應用CANIN鋼筋銹蝕測定儀分別對華新套閘、新港水閘、前衛水閘、創建水閘、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進行了無損檢測。現將混凝土中鋼筋銹蝕所處狀態幾種典型的檢測結果分別介紹如下。
4.1 處于完好狀態的鋼筋
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果見表1。在檢測結構表面抽檢了28個測點，電位范圍-22mV～-136mV，平均電位-65.9mV，鋼筋處于完好狀態。測試后對某一檢測點進行了鑿除對比檢查，檢查結果為鋼筋狀態完好，未銹蝕。
4.2 處于局部銹蝕、全面銹蝕狀態的鋼筋
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果見表2。在檢測結構表面抽檢了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，部分處于全部銹蝕狀態。測試結果與現場實測的混凝土碳化深度、鋼筋保護層厚度變化規律基本一致，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、嚴重銹蝕狀態的鋼筋
新港水閘右橋面板底部下游側混凝土鋼筋銹蝕電位測試結果見表3。在檢測結構表面抽檢了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，局部處于嚴重銹蝕狀態。在鋼筋處于嚴重銹蝕狀態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，將嚴重地危及結構的安全。
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已獲得了廣泛的應用，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的可靠性。結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時，檢測的結構，半電池電位才會隨著潤濕程度逐漸穩定下來。為了加強潤濕劑的滲透效果，縮短潤濕結構所需要的時間，采用少量家用液體清潔劑加飲用水的混合液潤濕結構效果較好，僅需約15min時間就可以達到電位穩定。
(2)應結合工程安全檢測，開展對比檢查分析。將鋼筋銹蝕狀態檢測結果與混凝土碳化深度檢測及鋼筋保護層厚度檢測結果進行對比分析，從中找出相關關系。同時對少量測點鑿除對比檢查，積累經驗，從而提高評價鋼筋銹蝕狀態的可靠性。
(3)由于半電池電位法具有一定的局限性，既無法定半電池電位法是一種測試混凝土中鋼筋銹蝕概率的無損檢測方法。通過結構測試結果的電位分布，結合已知的環境因素，可以判斷結構銹蝕性和非銹蝕區，從而對水工建筑物的安全評估、維護和加固處理工作起到指導作用。該法測試過程簡單，發展較為成熟，有廣闊的應用前景。今后，一方面要總結和積累半電池電位法在水利工程中的檢測經驗，另一方面要加強評價準則的研究，拓展評估測試水工混凝土中鋼筋銹蝕狀態的手段。
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