混凝土结构耐久性检测技术

［摘要］本文介绍了混凝土结构耐久性的现状，系统地介绍了混凝土结构耐久性的检测技术，主要包括：混凝土构件外观质量、内部缺陷与尺寸变形检测，混凝土强度、表层混凝土渗透性及钢筋材料性能检测，混凝土中钢筋位置、保护层厚度、钢筋锈蚀程度检测，混凝土碳化深度、氯离子侵入混凝土深度检测，特殊情况如碱一集料反应检测、杂散电流腐蚀性检测等。
 

混凝土结构耐久性已成为国际工程界普遍关注的重大课题。各种混凝土工程，如跨海大桥、海洋工程、核反应堆、电站大坝、标志性建筑物、构筑物必须实现百年大计甚至千年大计，要求混凝土结构具有优异的耐久性。然而大量的钢筋混凝土结构，特别是沿海及近海地区的混凝土结构远远达不到预定的服务年限而提前失效，造成重大工程事故或耗费巨额维修资金，主要原因是结构的耐久性不足。
国内外统计资料表明，由于混凝土结构的耐久性不足而导致的损失是巨大的。美国国家标准局（NBS）1975 年调查，当时美国国内因各种腐蚀造成的年经济损失为700亿美元，其中因混凝土结构腐蚀带来的损失就达280亿美元，英国30年来的腐蚀损失平均占GDP的3.5%，澳大利亚的腐蚀损失占GDP的4.2%，波兰的腐蚀损失占GDP的6%～10%[1]。我国城镇民用建筑到2000年底达到77.9亿㎡，普遍存在设计强度标准低、过早损坏等现象；截止2000年底，公路危桥9597座；1998年统计，铁路隧道受腐蚀裂损的占隧道总数的13.2%。
由于环境作用的不确定性和结构耐久性问题的复杂性，许多结构很难在结构的设计阶段做到耐久性准确预测，这就需要在结构竣工后对结构材料性能做实际测定，并对结构在使用过程中做定期检测评估，及时维护，以确保结构安全性。

结构耐久性检测流程图见图1

图1  建筑结构耐久性检测工作流程图

混凝土结构耐久性可分为环境、材料、构件、结构四个层次。混凝土结构所处的工作环境可分为大气环境、土壤环境、海洋环境及工业环境；材料层次的耐久性主要有混凝土碳化、氯盐腐蚀、冻融破坏、碱－集料反应、钢筋锈蚀；构件层次的耐久性主要包括钢筋锈后混凝土构件承载力的计算；结构层次的耐久性主要包括对未建结构的耐久性设计和对在役结构的耐久性评估[3]。
混凝土结构耐久性的检测建立在可靠性鉴定检测基础之上，包括如下内容：

① 混凝土构件外观质量、内部缺陷与尺寸变形检测；
② 混凝土强度、表层混凝土渗透性及钢筋材料性能检测；
③ 混凝土中钢筋位置、保护层厚度、钢筋锈蚀程度检测；
④ 外界环境影响检测，包括混凝土碳化深度、氯离子侵入混凝土深度；
⑤ 碱- 集料反应检测、杂散电流腐蚀性检测。

▌混凝土构件外观质量、内部缺陷与尺寸变形检测

01 检测内容包括蜂窝、麻面、露筋、裂缝、裂缝周围有无锈迹、锈蚀产物和凝胶泌出物、夹渣、不密实区和孔洞、混凝土结合面质量、混凝土损伤层、混凝土构件外观实际截面尺寸、构件或结构变形情况等。
02 混凝土构件外观缺陷可采用目测、尺量及锤击检查的方法检测，对层离、剥落或露筋、掉棱或缺角、蜂窝麻面、表面侵蚀及表面沉积等表观损伤的检测，主要检测面积和深度。检测数量对于建筑结构工程质量检测时宜为全部构件。外观缺陷可按《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204 评定。

03 混凝土结构裂缝的检测
裂缝的出现可能预示着结构承载力不足，而且过大的裂缝不利于混凝土结构的耐久性，外界的有害介质会顺着裂缝进入混凝土构件内部，使钢筋锈蚀而降低混凝土构件耐久性。裂缝的检测主要是检测裂缝的分布、部位、数量、走向、长度、宽度、深度。
▷ 裂缝的分布、部位、数量、走向：依据现场情况按比例将裂缝分布、部位、数量及走向情况描绘在方格纸上，并注明裂缝大致形状及裂缝周边混凝土表面状况，尽可能辅助拍照手段。
▷ 裂缝长度、宽度、深度：长度可用钢卷尺进行测量；宽度采用读数放大镜、裂缝对比卡及塞尺等工具进行检测；深度主要采用非金属超声波检测仪或凿开的方法进行检测，采用凿开方法检测前，先向缝中注入有色墨水。当构件中钢筋较粗、较密时，超声波法不宜用于裂缝检测，具体可参考《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CECS21。对于仍在发展的裂缝，可以用骑缝粘贴石膏法或在裂缝的两侧粘贴手持应变仪检测，具体可参考《建筑变形测量规程》JGJ/T8。

04 混凝土构件实际截面尺寸应以设计图纸规定的尺寸为基准确定尺寸偏差，可用钢卷尺测量。在量测时，应考虑构件外部粉刷情况和腐蚀情况，对于受到环境侵蚀和荷载影响的构件，其截面尺寸应在损伤最严重的部位量测。
05 构件或结构的变形主要指构件（梁和板）的挠度、结构的倾斜和基础的不均匀沉降等。构件的挠度可用激光测距仪、水准仪或拉线的方法检测；房屋整体结构的倾斜，可通过经纬仪或吊锤的方法测试；基础不均匀沉降可用水准仪检测，具体可参考《建筑变形测量规程》JGJ/T8。

▌混凝土强度、表层混凝土渗透性及钢筋材料性能检测

01 混凝土强度
混凝土强度的现场检测方法可分为局部破损法和非破损法。局部破损法是在不影响结构承载力前提下从结构物上直接取样做试验或进行局部破损试验，根据测试结果确定混凝土的抗压强度。目前常用的方法有钻芯法、拔出法，标准有《钻芯法检测混凝土强度技术规程》CECS03、《后装拔出法检验评定砼抗压强度技术规程》CECS 69。非破损法是以某些物理量和混凝土立方试块强度之间相互关系为依据，在不损坏结构的前提下，测试混凝土的这些物理量，并按其相关关系推算出混凝土强度，常用的方法有回弹法、超声法、超声回弹综合法等，标准有《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》JGJ/T 23、《超声回弹综合法检验混凝土强度技术规程》CECS 02。在运用回弹法时要注意混凝土的龄期，必要时参考《混凝土结构加固设计规范》GB50367 附录B 已有结构混凝土回弹值龄期修订的规定。

02 表层混凝土渗透性能现场检测
混凝土结构耐久性与混凝土材料本身的渗透性密切相关，有害物质CO2、氯化物、硫酸盐等以气体或溶解在水中的形式穿透表层混凝土，进而破坏混凝土层及钢筋钝化膜，使钢筋发生锈蚀，降低构件承载力。目前国际上比较先进的现场检测表层混凝土渗透性的设备有英国北爱尔兰Belfast 女王大学开发的Autoclam 自动渗透测试系统及Permit 氯离子扩散系数检测系统，Autoclam 自动渗透测试系统可以进行表层混凝土的透气性、吸水性和渗透性三种试验，Permit 氯离子扩散系数检测系统用于现场直接检测表层混凝土抗氯离子扩散能力，避免了从结构物中取芯并在试验室中进行检测的麻烦。

03 钢筋材料性能测试
当外围环境致使钢筋锈蚀或使钢筋材性发生变化的情况下，需要对钢筋的材料性能进行检测，测试项目有如下几项：
▷ 钢筋的强度：常用方法是在现场截取钢筋试样，确定钢筋强度及延伸率等。现场钢筋取样要考虑到试样的代表性，同时要尽可能使取样对结构损伤最小，尽量在非重要构件或构件的非重要部位取样。
▷ 钢筋的化学分析：化学分析主要是分析各种元素( 如C、Si、Mn、P、S) 在钢筋中的含量，尤其使用外国的钢筋更要化验其化学成分。

▌混凝土中钢筋位置、保护层厚度、钢筋锈蚀程度检测

01 混凝土中钢筋位置、保护层厚度检测
测定混凝土中钢筋位置及保护层厚度是为了查明混凝土结构构件的实际配筋情况，他们与构件的受力性能和构件的耐久性相关。检测有两种方法：现场抽样局部破损检测；用钢筋测定仪检测。
▷ 现场抽样局部破损检测
在现场凿去混凝土构件上局部位置保护层，直接测量钢筋位置及保护层厚度。这种方法使混凝土构件局部受到损伤，适合做少量检测。若要进行全面检测，则需要采用钢筋测定仪检测。
▷ 钢筋测定仪检测
按照《建筑结构检测技术标准》GB/T50344 进行抽样，选取有代表性的部位且宜选在结构构件受力的不利部位用钢筋测定仪测量。在某些工程条件下用现场局部破损方法来验证仪器检测结果。

02 钢筋锈蚀程度检测
钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素。结构构件的钢筋锈蚀后，钢筋截面积减小，钢筋与混凝土的粘结力降低，锈蚀产生的膨胀应力还会引起混凝土保护层剥落。
检测钢筋锈蚀程度的方法有观察法、剔凿法、取样法和电化学测定法。
▷ 观察法：钢筋锈蚀后会产生体积膨胀，造成混凝土出现顺筋裂缝。因此观察混凝土构件表面有无锈痕、是否有顺筋裂缝，顺筋裂缝的长度和宽度可以反映钢筋的锈蚀程度。
▷ 剔凿法：敲掉混凝土保护层构件的保护层，用钢丝刷刷去浮锈，露出钢筋，用游标卡尺测量钢筋剩余直径，计算钢筋截面损失率，一般适用于混凝土表面已出现锈痕、顺筋裂缝或保护层已胀裂、剥落的情况。
▷ 取样法：在现场截取锈蚀钢筋的样品，经除锈处理后，测得钢筋残余质量，残余质量与该种钢筋公称质量之比即为钢筋的剩余截面率。

▷ 电化学测定法：包括基于半电池原理测量钢筋电位法和基于极化电极原理测量钢筋锈蚀电流法及混凝土电阻率法。测区及测点布置应符合下列要求：
① 应根据构件的环境差异及外观检查的结果来确定测区，测区应能代表不同环境条件和不同的锈蚀外观表征，每种条件的测区数量不宜少于3 个。
② 在测区上布置测试网格, 网格节点为测点, 网格间距可为200mm×200mm、300mm×300mm 或200mm×l00mm 等。测区中的测点数不宜少于20 个，测点与构件边缘的距离应大于50mm。
③ 测区应统一编号, 注明位置, 并描述其外观情况。
另外，用钢丝刷、砂纸打磨测区混凝土表面，去除涂料、浮浆、污迹、尘土等，并用接触液将表面润湿。钢筋锈蚀情况判别见《建筑结构检测技术标准》GB/T50344 附录D。

▌外界环境影响检测

外界环境会对混凝土结构耐久性带来不利的影响，主要检测项目有混凝土碳化深度、氯离子侵入深度。

01 混凝土的碳化深度
碳化深度是钢筋混凝土结构评价的重要参数，是回弹法测定混凝土抗压强度及确定混凝土结构耐久系数不可缺少的参数。用合适的工具在混凝土构件表面形成直径为15mm 的孔洞，用吸耳球清除孔中的粉末和碎屑后( 不能用液体冲洗孔洞)，用1% 的酚酞溶液滴在孔洞内壁的边缘处，稍等片刻后用游标卡尺或碳化深度尺测量不变色的深度若干次，精确到0.5mm，取其平均值。测区数不应小于3 个，测区应布置在构件的不同侧面，且每个测区应布置3 个测孔，呈“品”字排列，孔距应大于2 倍孔径。

02 氯离子侵入混凝土深度
氯离子侵入深度，采用硝酸银滴定法测定。用混凝土取芯机钻取直径不宜小于50mm 芯样，芯样长度应大于预估氯离子侵入深度，数量一般不少于3 个。将混凝土芯样按照每层约10mm 的厚度加工成若干层并加以标记，分别测定各层氯离子含量（按照《建筑结构检测技术标准》GB/T50344 附录C 检测），取同层样品实测值的平均值作为该层氯离子含量的代表值，根据各层的氯离子含量值确定界限含量，从而确定氯离子侵入深度。

▌碱- 集料反应检测及杂散电流腐蚀性检测

01 碱- 集料反应检测（AAR）
当混凝土中的碱与集料中的活性矿物发生反应，生成凝胶物质并吸收水分产生内部膨胀应力，造成混凝土构件开裂，这种反应称为碱- 集料反应，被称为”混凝土癌症”。主要检测项目有裂缝特征、反应产物形貌、成分、骨料种类与活性成分、混凝土中碱含量。从外观上看受AAR 膨胀开裂的混凝土，在少钢筋约束的部位为网状裂缝，在受钢筋约束的部位多沿主筋方向开裂，在多数情况下可见裂缝处溢出乳白色或黄褐色胶体痕迹[6]。从破坏的试样中可以鉴定出碱硅酸凝胶的存在，集料颗粒周围出现反应环。在同一工程中潮湿部位要比干燥部位发展严重。

02 杂散电流腐蚀性检测
在某些环境下，由于杂散电流的存在而引起结构中的钢筋发生腐蚀破坏，它会降低钢筋混凝土结构的强度和耐久性。杂散电流腐蚀检测主要是鉴别环境中有无杂散电流影响，可通过测试钢筋电位的方法来判断是否产生腐蚀。当钢筋电位不稳定或出现明显偏离正常值的电位时，表明此构件存在杂散电流。
 

混凝土结构的耐久性取决于以下四个方面的因素：混凝土结构的设计与施工质量、混凝土材料性能、混凝土结构所处的环境、混凝土结构的使用条件与防护措施。但是要将结构安全事故降低到最低程度，还应该以预防为主，通过例行检测及时发现问题，及时进行正常的维护修理，这样混凝土结构才能真正经久耐用。