桥梁混凝土中钢筋锈蚀评定方法研究.pdf

2 0 1 5 年 1 O月第 1 O期 城 市道桥 与防洪 科技研究 1 6 5 桥梁混凝土中钢筋锈蚀评定方法研究 李艳 1 , 2 ( 1 同济大学 ， 上海市 2 0 0 0 9 2 ； 2 上海市政工程检测中心有限公司， 上海市2 0 1 1 1 4 ) 摘 要： 阐述了结构混凝土中钢筋锈蚀的原理及无损检测方法 ， 结合 公路桥梁承载能力检测评定规程 ( J T G ， r J 2 1 2 0 1 1 ) 对钢 筋锈蚀无损检测方法中综合分析法的评定方法进行研究 ， 利用模糊判断矩阵得出影响钢筋锈蚀 的影响因素的权重 ， 并计算钢筋 锈蚀的评定标度， 从而对该方法进行了量化。结合具体桥梁实际工程， 验证了方法的可行性 ， 为工程实际应用提供参考。 关键词 ： 桥梁结构混凝土； 钢筋锈蚀无损检测； 综合分析法 ； 模糊判断矩阵； 量化研究 中图分 类号 ： U 4 4 5 7 + 3 文献 标 志码 ： A 文章 编 号 ： 1 0 W一 7 7 1 6 ( 2 0 1 5) 1 0 0 1 6 5 0 3 0 引言 近年来， 昆 凝土结构的耐久性问题成为了结构 工程学科研究的热点和重点， 受到工程界的普遍关 注和重视 。钢筋锈蚀是耐久性研究 中的核心问题 ， 在使用期 间对结构进行锈 蚀检测 、 评估 ， 不仅是 工 程建设安全的要求， 也是结构寿命预测的一个重要 环节 。 钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响主要 体现在三方面。其一 ， 钢筋锈蚀直接使钢筋截面减 小 ， 从而使钢筋的承载力下降， 极限延伸率减少 ； 其二 ，钢筋锈蚀产生的体积比锈蚀前的体积大得 多( 一般可达 2 3 倍) ， 体积膨胀压力使钢筋外围 混凝土产生拉应力， 发生顺筋开裂， 使结构耐久性 降低 ； 其三 ， 钢筋锈蚀使钢筋与混凝土之间的粘结 力下降 。因此 ， 钢筋锈蚀 对结 构的承载力和适 用 性都造成 了严重影响 ，由此带来 的维修 与加 固费 用也是相 当昂贵的。因此 ， 检测结构混凝土 中钢筋 的锈蚀状况是一项重要的参数。 本文对结构混凝土钢筋锈蚀无损检测的评定方 法进行探讨， 针对综合分析法带有一定的主观性， 且 依赖一定的实际工程经验的缺点 ， 提出对其进行量 化的办法， 结合具体工程实际， 验证方法的可行性 ， 为工程实际中应用提供有实用价值的参考。 1 钢筋发生锈蚀的原理 钢 筋 的锈蚀是指钢 筋接触到周 围的气体 或液 体后发生化学反应而使金属( 或合金) 腐蚀损耗的 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 5 2 1 作者简介： 李艳( 1 9 8 2 一 ) ， 女， 河南遂平人， 工程师， 从事桥梁检 测 工作 。 过程。钢筋腐蚀是由于在混凝土中形成了腐蚀微 电池 ： 阳极 是进行氧化反应的金属 ， 即发生锈蚀 的 钢筋部位 ， 失去电子， 阴极进行还原反应 ， 得到电 子 ， 电解液是混凝土的孔溶液， 传输电子 ， 使阴极 和 阳极连接起来 。 由腐蚀电池的电化学反应过程可以看出， 钢 筋 的锈蚀 即腐蚀 电池 的发生需要三个条件 ： 第一 ， 腐蚀 电池 阳极 和阴极 的存在 ； 第二 ， 混凝 土保 护层 被碳化到钢筋表面 ， 失去了对钢筋的保护作用； 第 三 ，钢筋表 面必须有 电化学反应 和离子 扩散所 需 要 的水 和氧气 。 混凝土的高碱性在钢筋表面形成一层致密的 钝化膜 ， 有效保护钢筋， 所以在正常情况下混凝土 中的钢筋不会锈蚀 。 2 钢筋锈蚀状况无损检测方法 由钢 筋发生锈蚀 的原理 以及发生锈 蚀需要 的 三个条件 ， 归纳 出钢筋锈蚀的无损检测方法 主要分 为三类 ： 综合分析法、 物理检测法、 电化学检测法【2J 。 综合分析法 ： 根据现场实测的钢筋直径 、 保护 层厚度 、 混凝土强度 、 有害离子 的浸入深度及其含 量、 纵向裂缝宽度等数据， 综合考虑构件所处的环 境情况推断钢筋腐蚀程度。 物理方法 ： 主要通过测定钢筋引起 电阻 、 电磁 、 热传导、 声波传播等物理特性的变化来反映钢筋腐 蚀情况， 主要方法有 电阻探针法 、 X光 照相法 、 涡流 探测法、 射线法、 红外线热像法、 声发射探测法等。 目前国内外的物理方法还停留在实验室阶段。 电化 学方法 ：混凝土 中钢筋腐蚀是 一个 电化 学过程，电化学测量是反映其本质过程的有力手 段， 与分析法或 物理法相 比， 电化学方 法还有测试 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 6 科技研究 城 市道桥与 防洪 2 0 1 5 年 1 0 月第 1 0 期 速度快 、 灵敏度高 、 可连续跟踪和原位测量等优点， 因而 电化学检 测方法得 到了很大 的重视 和发展 。 主要方法有半 电池 电位法 、 线性极化电阻法 、 交流 阻抗谱法、 恒电流脉冲法、 扫描参比电极方法等。 3 综合分析法量化研究 目前检测方法大都只能检测单个方面的因 素 ， 检测结果判定的是发生锈蚀的概率( 可能性 ) 或速率 ，而不能定量反映锈蚀后的有效截面积和 发生锈蚀后的使用寿命。 往往需要多种方法结合， 综合各种 因素并配合剔凿法验证 ，分析判 断钢筋 锈蚀的状况。因此 ， 综合分析法是判断钢筋锈蚀状 况的重要手段 。 综合分析法 的优点是快速 、 经济 ， 而且在桥梁 的定期结构检查和特殊检查 中，包含 了对结构混 凝 土周边环境 ， 混凝 土质量 ， 碳化深 度 ， 保 护层厚 度 、 强度 ， 有害离子 的含 量 ， 纵 向裂缝 的检查和检 测 ， 在这些 因素检测结果 的基础之上 ， 对钢筋锈蚀 状况 的锈蚀分析就更加方便 、 快速和经济 。 综合分析法也有它 的缺点 ，该方法是一种定 性的测量方法 ， 对材料损失不能提供定量的评价， 同时 ， 缺乏灵敏 度 ， 还带有一定 的主观性 ， 依赖 一 定的实际工程经验。因此 ， 目前常常作为锈蚀检查 方法的一种辅助手段 。 基于综合分析法显著的优点和缺点，本文提 出一种对该方法进行定量的办法，克服其不能提 供定量评价 、 主观、 依赖经验的缺点， 指导没有丰 富工程经验的检测人员 ，应用该方法对桥梁结构 混凝土中钢筋锈蚀状况进行分析 。 3 1 确定影响锈蚀的因素 依据混凝土 中钢筋锈蚀发生的机理 ，结合 公 路 桥 梁 承 载 能 力 检 测 评 定 规 程 ( J T G T J 2 1 2 0 1 1 ) 以及大量工程实践 ， 综合众多影响钢筋 锈蚀 的 因素 ， 从其 中筛选 出影 响最大且最 常见 的 七种因素， 它们分别是 ： 周边环境 、 混凝土质量、 碳化深度、 保护层厚度 、 强度、 有害离子的含量、 纵 向裂缝 _ 3 _ 。 3 2 计算各影响 因素的权值 采用模糊一致矩阵法确定出综合分析法的各 种影响 因素的权重 ，进而得出评定钢筋锈蚀 的 方法 ， 。 模 糊判断矩 阵 B表示 针对上一层某 元素 ， 本 层次与之有关元素之间相对重要性的比较，构造 时采用“ 0 一 l ” 标度法。模糊判断矩阵中隐含 了各因 素指标的权值 ， B中元素 b 与权值 和 的关 系为 ： 6 =O r ( 广 ) + 0 5 权值 的计算公式为 ： Wi = 1 一 丢 Ol + O t l ，2 ， 凡 n Z 式中： 为满足 旦 的参数。 根据上述模糊判 断矩 阵理论 和公式 ，依据 大 量工程实际经验和向专家咨询 ，判断每个因素对 钢筋锈蚀的重要程度，计算得出表 l 中所列的判 断矩阵及权值 的计算结果。 表 1 模糊一 致判断矩 阵 3 3 锈蚀评价方法 首先按照 公路桥梁承载能力检测评定规程 ( J T G 厂 r J 2 1 2 0 1 1 ) 对桥梁混凝 土进行现场检测 ， 根 据检测结果按表 2 确定每个锈蚀因素的 E i 值 ， 再 结合模 糊判断矩 阵计算得 出的 按照表 3的公 式计算出桥梁结构混凝土钢筋锈蚀评定标度 E ， 最 后由 和E值按表 4 确定钢筋锈蚀等级。 表 2 各影响 因素 的评定标度 划分 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m