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混凝土结构物中钢筋腐蚀的检测与修复技术

时间:2014-04-22  来源:  编辑:  浏览:983次
本文对目前国内外常用的些针对结构物钢筋腐蚀的检测方法及其修复技术进行了归纳总结,供业内人士参考…同时,交流阻抗测量所用仪器设备较昂贵,交流阻抗技术主要用于混凝土中钢筋锈蚀机理及其影响因素的研究分析以及混凝土修复方案的有效性验证…结构物中钢筋腐蚀的检测方法用于结构物中钢筋腐蚀的检测方法,按对结构物的损伤状况可分为破损检测和无损检测两大类,按检测技术可分为物理和电化学两大类…
混凝土结构物中钢筋腐蚀的检测与修复技术摘 要:介绍近年国内外用于钢筋腐蚀的检测方法和修复技术,检测方法主要包括破损法和非破损法,修复技术主要包括补丁法、电化学氯化物萃取技术及再碱化技术等。

关键词:钢筋腐蚀;结构物;检测方法;修复技术

伴随着水泥混凝土特别是钢筋混凝土这种建筑材料的问世和大量使用,钢筋混凝土的腐蚀已逐渐成为一个世界性的问题。在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上,Mehta教授在其主旨报告《混凝土耐久性——五十年进展》中把钢筋腐蚀列为混凝土结构破坏的首要原因。因此,如何有效地检测混凝土中钢筋锈蚀状况并对其进行有效的修复就显得十分重要了。本文对目前国内外常用的一些针对结构物钢筋腐蚀的检测方法及其修复技术进行了归纳总结,供业内人士参考。

1、结构物中钢筋腐蚀的检测方法

用于结构物中钢筋腐蚀的检测方法,按对结构物的损伤状况可分为破损检测和无损检测两大类,按检测技术可分为物理和电化学两大类。

1.1破损检测

破损检测也是物理检测方法的一种,一般是在钢筋锈蚀比较严重的情况下进行,如结构物中的混凝土或抹灰层由于钢筋锈胀力而导致了明显的空鼓、开裂甚至脱落等现象,为了进一步定量确定钢筋锈蚀的情况,就需要对结构进行破损检测。该法是利用外力将结构物中已部分破坏的混凝土凿开,直至露出钢筋表面,通过肉眼(视觉法)来观察钢筋的锈蚀情况,必要时还可通过截取部分锈蚀最严重的钢筋,通过截面积损失率或重量损失率来计算钢筋的锈蚀率。

破损检测是目前工程中应用较普遍的一种检测结构物中钢筋锈蚀的手段,也是修复钢筋锈蚀结构的一种方法。但该法也存在一定的局限性,就是会对结构物造成较大的损伤,且由于是“点”的检测,故检测范围和数量及其代表性均受到限制。

1.2无损检测

为了不使结构物产生过大的损伤,人们在工程实践中逐渐研究开发出无损检测,该法通常又分为物理检测和电化学检测两大类,前者包括电阻棒法、涡流与磁通减量(涡流探测)法、声发射探测法、射线法、红外热像法等,后者则包括自然电位法、交流阻抗谱法、线性极化法(或极化电阻法)、恒电量法、混凝土电阻法、电流阶跃法等。

⑴电阻棒法

通过测量钢筋锈蚀使钢筋截面积和表面状态变化引起的电阻值状况,利用导电原理间接推算钢筋的剩余面积。该法通常是在浇注混凝土结构时预先埋设电阻探头,较适用于均匀腐蚀的场合,对于以局部腐蚀为特征的钢筋,则无法定量检测其腐蚀速度。

⑵涡流探测法

通过测定励磁电流与发生在钢筋内的次生波的相位关系来判断钢筋锈蚀状况,它是将一台电磁装置放在混凝土结构表面,使其中一段钢筋达到磁饱和,钢筋腐蚀引起的钢筋截面积损失会使磁场中出现某些异常,经分析即可判断钢筋截面积的损失率。

⑶声发射探测法

混凝土中钢筋发生腐蚀时,腐蚀产物膨胀会产生过大的内应力,使周围混凝土开裂,部分能量以发射声波形式释放,用声发射探头可灵敏地检测发射源位置与强弱。声发射探测法是利用传感器接收钢筋锈蚀引起周围混凝土开裂释放的弹性应力波,从而确定钢筋发生锈蚀膨胀的确切位置。但它存在的问题是很难避免其它声波发射的干扰,故很难建立钢筋腐蚀活性高低与声波发射强度的相关性。

射线法是通过拍摄混凝土中钢筋的X、γ射线照片,直接观察钢筋的锈蚀情况。红外热像法通过测量混凝土表面温度分布来分析钢筋锈蚀位置和程度。

⑷自然电位法

该法是20世纪50年代末以来应用最广泛的钢筋锈蚀检测方法之一,美、日、德、英、印度等国均制定了相应的标准,我国冶金部也公布了部颁标准,各国标准不尽相同。混凝土中的钢筋与周围介质在交界面上相互作用形成双电层,并于界面两侧产生电位差,其大小能反映钢筋所处的状态,但至今仍无法直接测得该电位值。自然电位法通过测定钢筋电极对参比电极的相对电位差来判明钢筋的锈蚀状况,其优点是设备简单、价格低、操作方便,对混凝土中的钢筋腐蚀体系无干扰,实验室与现场检测均可采用。该法现场检测根据实际情况可采用单电极法或双电极电位梯度法,分别适用于钢筋端头外露和不外露的构件。但该法的最大缺点是仅能从热力学角度定性判断钢筋锈蚀的可能性,而不能应用于定量测量;混凝土干燥或表面有非导电性覆盖层时,因不能形成回路而不宜采用;钢筋电极电位受环境相对湿度、水泥品种、水灰比、保护层厚度、氯离子含量、碳化深度等因素影响,因此这种评定方法较为粗糙。

⑸交流阻抗谱法

如对电极施加一个小的交流信号并使之不改变电极体系的性质,则可认为输入与输出信号之间呈线性关系,这便是交流阻抗谱技术的理论基础。通过测量和对比输入与输出信号振幅及相位之间的关系来判定该电极体系的性质。交流阻抗谱法是一种暂态频谱分析技术,施加的交流信号对腐蚀体系的影响较小,可提供有关钢筋混凝土覆盖层的双电层电容、混凝土电阻、钢筋腐蚀速度及混凝土腐蚀机理等信息。另外,由阻抗谱还可求出混凝土腐蚀的临界Cl-浓度及其它环境条件。自1978年Dawson等首先用交流阻抗谱法研究钢筋混凝土中的腐蚀行为以来,交流阻抗测量已成为试验室该项研究的常用方法,为了实施现场测量,必须考虑阻抗的空间分布问题。Bohhi等在实践中发现,若被测量的工作电极尺寸大于20~50cm,则可忽略阻抗的空间分布的影响。为此,瑞士联邦工学院开发了一种将参比电极与辅助电极集于一体的探头,现场测量正弦波振幅为20mV,频率范围为10MHZ~10kHZ;但在低频段由于每个阻抗谱的测量均需时过长,一方面会引起测量结果误差较大,另一方面也不太适用于大面积现场检测。同时,交流阻抗测量所用仪器设备较昂贵,交流阻抗技术主要用于混凝土中钢筋锈蚀机理及其影响因素的研究分析以及混凝土修复方案的有效性验证。

⑹线性极化法

线性极化法又称极化电阻法,是Stern和Geary于1957年提出并发展起来的一种快速有效的腐蚀速度测试方法。该法的原理是将锈蚀率与极化曲线在自由锈蚀电位处的斜率联系起来,可用双电极或三电极系统监测材料与环境耦合对的锈蚀率。线性极化技术在试验研究与现场检测中应用广泛,测量方便快捷,试验室测试精度可与失重法不相上下,是主要的电化学检测手段。英国研制了程式化的线性极化测试设备,并用于现场检测,但该技术也存在一些缺点,一是它不能直接测定混凝土中钢筋的电阻值(B值),二是由于过电位小,相应的极化电流也小,混凝土孔隙溶液欧姆压降引起的误差较大,因此要求测试仪器精度较高且能补偿欧姆压降,且线性极化测量建立在已知钢筋表面积的基础上,在一定程度上限制了它在现场检测中的应用。对于新建建筑物,可以预埋已知面积的钢筋作为日常检测之用;最近保护环(GuardRing)技术和外加参考电极(ExtraReferenceElectrodes)技术的应用又为其推广创造了条件,但对其可靠性的评价则褒贬不一,由于不能区分各个因素的影响,也就不能把电化学过程中的各步骤清晰地分辨出来,但这并不影响其现场检测中的应用。

⑺恒电量法

恒电量测量技术仍属于极化测量的范畴,但它不同于控制电位或控制电流的方法,可采用先进的电子技术,测量恒电量激励下腐蚀电极极化电位随时间衰减的曲线,确定钢筋瞬时锈蚀速度。恒电量法测量受腐蚀介质电阻的影响小且对体系的扰动小,故其获得的钢筋低腐蚀速度理论上比线性极化更适合且更精确,虽然该法目前在钢筋锈蚀研究中应用极少,但也是一种值得研究的新技术。

2、结构物中腐蚀钢筋的修复技术

混凝土中的钢筋在水泥水化产物形成的碱性环境下表面生成致密的“钝化膜”,隔绝了与氧气和水的接触,因而得到保护。导致混凝土结构物中钢筋锈蚀的诱因主要有两大类:一类是空气中的CO2侵入后与混凝土中的碱发生中和反应(即混凝土碳化),使得钢筋周围的碱性环境变弱,钢筋钝化膜被破坏,从而导致钢筋锈蚀;另一类是氯离子引起的钢筋腐蚀,其来源是施工过程中由原材料混入以及环境中氯盐通过硬化混凝土由表及里逐渐渗入等。由于引起钢筋腐蚀的原因是多样性的,因而腐蚀钢筋的修复工作是一项复杂的综合性技术。目前国内外对腐蚀钢筋的修复方法可分为物理法和电化学法(电化学氯化物萃取技术和再碱化技术)两大类。

2.1物理法(打补丁)

物理修复法是指凿除发生钢筋腐蚀并导致混凝土膨胀开裂或剥落的混凝土,直至露出钢筋表面,先对已腐蚀的钢筋进行表面除锈处理,再用新的致密混凝土或砂浆进行修补抹平。

如混凝土结构破坏是由氯化物诱发的钢筋腐蚀而造成,且挖补后不打算对其实施阴极保护技术,这种情况下就需要将分层开裂区域附近的混凝土全部铲除,使被腐蚀的钢筋完全暴露出来。一般做法是将混凝土铲除至钢筋后背面约25mm深处,但要保证将氯化物含量超过门槛值的钢筋周围混凝土彻底清除。同时,还要将钢筋表面清理、打磨至接近金属本色,除去表面上的所有铁锈、蚀坑及氯化物。对铲除混凝土后的凹坑要进行修整,使其边缘方正平直,并对新生面进行彻底清理,去除粉尘、碎屑,用清水喷湿或涂以粘结剂,做好填补新拌和料的准备。

如混凝土结构破坏是由混凝土碳化诱发钢筋腐蚀而造成,则一般要求将碳化混凝土铲除至露出腐蚀钢筋,对腐蚀状态严重的混凝土结构,也要求将混凝土铲除至钢筋后背方的一定深度,所挖坑的边缘要求方正平直。

根据实际情况的需要,可以在除锈处理后的钢筋表面再涂抹防锈剂、防锈漆或树脂类涂料等,采用的新拌和料可以是普通混凝土或砂浆,也可以是水泥基聚合物砂浆或混凝土,还可以选用树脂混凝土或砂浆,需要时还可在新拌混凝土或砂浆中加入阻锈剂等。在比较恶劣的环境中,还可在硬化后的新填补混凝土表面涂渗透密封性涂料(氯化物为诱因)或抗碳化涂料(碳化为诱因)。

补丁修补技术主要适用于结构物中钢筋发生局部锈蚀的情况下,同时要求修复材料的收缩率应较小,对新填的混凝土或砂浆应进行良好的养护,以尽量减少新填补区域开裂的危险。

2.2电化学氯化物萃取技术

用电化学法将Cl-从钢筋表面驱除,使其向辅助阳极移动,该法被称为电化学除盐,或电化学氯化物萃取技术。它是以混凝土中的钢筋作为阴极,在混凝土表面敷置电解液保持层并内设金属网作为临时阳极,在金属网和钢筋之间施加电场,在外加电场的作用下,混凝土中钢筋附近的Cl-等阴离子向阳极流动进入电解液中,电解液及混凝土中的阳离子向混凝土中钢筋部位聚集,Cl-的排除和钢筋附近孔溶液pH值提高,有利于钢筋钝化膜的重建及维持。

该技术目前一般采用活化钛板网或镀铂钛作为阳极,但也曾经有采用铜网和低碳钢网作为阳极的。由于铜及其盐类进入混凝土后会加速钢筋腐蚀而被淘汰,低碳钢由于容易发生局部腐蚀且会在混凝土表面留下锈斑,因此目前也很少用其作为临时阳极。

电解液一般采用氢氧化钙、氢氧化锂水溶液,两者在脱盐效果方面没有明显区别,但研究表明使用氢氧化锂电解液可减少产生碱骨料反应的可能性,但价格较高,氢氧化钙则价格较低,因此电解液的选择要根据工程的实际情况(有无碱骨料反应的可能等)来决定。

该技术的优点是处理时间短,可在4~6周内完成,但也有一定的缺点。有研究表明,电化学氯化物萃取技术会对钢筋-混凝土界面产生一定的影响,在微观上表现为孔隙率的变化、Ca/Si增大等,还可能会存在碱骨料反应、降低钢筋与混凝土之间的结合力及在钢筋表面产生析氢反应等副作用。

2.3再碱化技术

再碱化技术主要用于对由碳化引发钢筋腐蚀的建筑结构物的修复与保护,再碱化处理就是根据阴极保护技术的原理,使钢筋表面发生阴极反应,使钢筋周围混凝土碱度得到恢复的电化学防护方法,可看作是碳化型电化学氯化物萃取技术。

再碱化处理系统采用的阳极类型与氯化物萃取技术相似,为带有涂层的钛网或低碳钢网。由于处理时间较短,低碳钢丝网不完全被损耗,且价格较低,因而被较多采用。再碱化处理所采用的电解液一般为碳酸钠水溶液(浓度0.5~1.0molL),其发生反应式为:

Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3

上式表明这种处理阻止了碳酸反应的发生,可抵御CO2的进一步入侵,使处理后的混凝土不再出现碳化现象。但也有学者认为,由电解液带入的钠离子会促进混凝土中碱-骨料反应的发生,所以对于碱-骨料反应敏感的钢筋混凝土结构,有时有必要采用自来水作为电解液。最近有人提出采用含有锂离子的水溶液作为电解液的设想,但由于再碱化处理开始时混凝土的碱度一般较低,发生碱-骨料反应的倾向性不大,因而是否有必要采用这种昂贵的电解液尚需进一步的研究。还有研究表明,再碱化处理后钢筋周围混凝土中孔数增多但孔的尺寸减小。

3、结束语

结构物中钢筋腐蚀的检测方法主要包括破损法和非破损法(电阻棒法、涡流探测法、声发射探测法、自然电位法、交流阻抗谱法、线性极化法、恒电量法等许多种),修复技术主要有补丁法、电化学氯化物萃取技术及再碱化技术等几种。在工程实际中,需要针对具体情况选用合适的检测方法和修复技术,可采用单一的检测方法和修复技术,必要时也可采用多种检测法和修复技术相结合的方法。

来源:项目管理网

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