栗寶鵑，張美多，王志豪，劉康和，李 琦，李嘉欣

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222;2.黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司，山西 太原 030022)

1 引 言

水工建筑物經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象。如水閘、大壩、橋梁等水工建筑物銹蝕情況加重，則會(huì)引起混凝土保護(hù)層脫落、混凝土膨脹開(kāi)裂等破壞現(xiàn)象，從而危及水工建筑物的安全運(yùn)行。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的銹蝕情況對(duì)水利工程的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，可總結(jié)為導(dǎo)致鋼筋混凝土性能的“三降”，即承載力下降、耐久性下降和黏結(jié)性下降。如不及時(shí)處理，鋼筋銹蝕情況可引起混凝膨脹開(kāi)裂、混凝土保護(hù)層脫落等現(xiàn)象，因此鋼筋銹蝕檢測(cè)也是保證水工結(jié)構(gòu)安全和質(zhì)量的重要因素[1,2]。

影響混凝土質(zhì)量的因素很多，比如原材料、施工方法、施工工藝、機(jī)械配置、環(huán)境條件等，這些因素都會(huì)對(duì)混凝土質(zhì)量產(chǎn)生直接或間接影響[3]。對(duì)水工混凝土建筑物而言，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與裂縫的發(fā)展有關(guān)。裂縫是混凝土建筑物中常見(jiàn)的一種缺陷，其存在會(huì)影響水工混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能[2]。沿裂縫滲入的水分會(huì)誘發(fā)鋼筋銹蝕和加速混凝土的自然老化，從而對(duì)水工建筑物的安全性能產(chǎn)生影響。

2 理論與方法

混凝土質(zhì)量檢測(cè)的方法主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是有損檢測(cè)法，即取樣試驗(yàn)法；另一類(lèi)是無(wú)損檢測(cè)法，也就是工程物探方法[2，3]。取樣試驗(yàn)法首先通過(guò)鉆孔取樣從混凝土構(gòu)件中鉆取芯樣，然后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)獲知混凝土內(nèi)部缺陷或強(qiáng)度等參數(shù)。該方法優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)精度高，其不足在于對(duì)混凝土構(gòu)筑物存在損傷，此外，“一孔之見(jiàn)”也難以對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行全面分析。水工混凝土構(gòu)件中多含有鋼筋結(jié)構(gòu)，究竟在哪里取樣呢？鉆孔位置、鉆頭直徑、鉆孔垂直度等參數(shù)的確定，需要借助無(wú)損檢測(cè)法[3]，也就是工程物探方法。工程物探方法以地球物理理論為基礎(chǔ)，借助比如彈性波或電磁波在混凝土中的傳播，通過(guò)分析其波形、頻率、相位等地球物理參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土缺陷的全面檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

在針對(duì)水工建筑物中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布探測(cè)和銹蝕檢測(cè)的過(guò)程中，需要解決的問(wèn)題有兩個(gè)：其一是混凝土結(jié)構(gòu)探測(cè)，探測(cè)內(nèi)容除脫空、裂縫等混凝土缺陷之外，還包括鋼筋結(jié)構(gòu)及分布；其二是鋼筋銹蝕情況檢測(cè)。結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)探測(cè)和鋼筋銹蝕檢測(cè)的結(jié)果，便可對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。

針對(duì)上述內(nèi)容，擬采用如下技術(shù)流程(圖1)，具體如下：首先，采用探地雷達(dá)法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋結(jié)構(gòu)及分布進(jìn)行探測(cè)；其次，采用半電池電位法對(duì)鋼筋銹蝕程度進(jìn)行檢測(cè)；第三，結(jié)合裂縫分布及嚴(yán)重程度，對(duì)鋼筋銹蝕情況進(jìn)行分析判斷。綜上，可得出鋼筋銹蝕情況分布圖，從而對(duì)鋼筋銹蝕性狀進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)原因進(jìn)行分析判斷，判斷結(jié)果為水工混凝土結(jié)構(gòu)的維修維護(hù)提供了數(shù)據(jù)服務(wù)和決策支持。

圖1 技術(shù)流程Fig.1 Technical flowchart

2.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)GPR)是一種用于探測(cè)地下結(jié)構(gòu)和埋設(shè)物的無(wú)損探測(cè)設(shè)備。探地雷達(dá)法是一種用于地球淺表成像的地球物理方法，其理論基礎(chǔ)是電磁波傳播原理：當(dāng)電磁波遇到電性(介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率)差異的界面時(shí)，傳播路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度及波形等將因界面的電性差異而產(chǎn)生變化[4-10]。根據(jù)電磁波傳播理論可知，當(dāng)電磁波在質(zhì)量均勻的混凝土中傳播時(shí)，不會(huì)形成反射波；當(dāng)電磁波遇到鋼筋等目標(biāo)物時(shí)，因存在較大的波阻抗差異，則會(huì)存在反射現(xiàn)象[11-16]。

根據(jù)電磁波傳播理論，在低頻情況下，其速度與頻率呈線(xiàn)性變化，而當(dāng)頻率增加到一定程度時(shí)，電磁波速度將趨于一常數(shù)。

(1)

式中，v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，單位為m/s；c為真空中電磁波傳播速度，單位為m/s；εr為相對(duì)介電常數(shù)。

在現(xiàn)有的雷達(dá)設(shè)備中，通常采用電偶極子激發(fā)源，因此離輻射源較遠(yuǎn)的雷達(dá)波通?？梢暈槠矫娌ā８鶕?jù)波場(chǎng)分析理論可知：

(2)

式中，t為電磁波自地面至反射界面的雙程旅行時(shí)，單位為ns；x為發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)之間的距離，單位為m；h為反射界面的深度，單位為m。

剖面法與寬角法是常用的兩種工作方式。剖面法指的是發(fā)射和接收天線(xiàn)以固定間距沿測(cè)線(xiàn)移動(dòng)并進(jìn)行觀(guān)測(cè)，測(cè)量結(jié)果以雷達(dá)剖面的形式進(jìn)行表示，具有處理簡(jiǎn)單、圖像直觀(guān)的優(yōu)點(diǎn)。這里采用剖面法進(jìn)行測(cè)量。在采用剖面法進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，x≈0，此時(shí)電磁波旅行時(shí)可簡(jiǎn)化如下：

(3)

圖2 探地雷達(dá)測(cè)試原理示意Fig.2 Schematic diagram of GPR’s testing principle

探地雷達(dá)系統(tǒng)一般由主機(jī)、天線(xiàn)和顯示器三部分組成。工作過(guò)程如下(圖2)： 天線(xiàn)包括發(fā)射天線(xiàn)(TX)和接收天線(xiàn)(RX)，TX向地下發(fā)射寬頻帶、短脈沖的電磁波；然后，電磁波經(jīng)地下不同介電性質(zhì)的目標(biāo)反射后返回地面，被接收天線(xiàn)RX接收；主機(jī)也就是控制單元，除控制整個(gè)探測(cè)過(guò)程之外，還控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示；數(shù)據(jù)顯示指的是在控制單元的作用下，將包含數(shù)據(jù)剖面在內(nèi)的探測(cè)結(jié)果發(fā)送到顯示器上，以便進(jìn)行采集參數(shù)調(diào)整和初步數(shù)據(jù)分析。

探地雷達(dá)常用的掃描方式為橫向掃描，當(dāng)雷達(dá)天線(xiàn)沿測(cè)線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，測(cè)距輪會(huì)相應(yīng)記錄下探地雷達(dá)的移動(dòng)距離，并按照固定間隔在相應(yīng)測(cè)點(diǎn)記錄下相應(yīng)的反射信號(hào)。各測(cè)點(diǎn)的反射信號(hào)通過(guò)波形疊加在一起，形成具有反射信號(hào)振幅、相位、頻率等信息的雷達(dá)剖面，該剖面可以偽彩色或灰度圖的方式顯示，通過(guò)對(duì)剖面進(jìn)行解釋?zhuān)煞治龅叵履繕?biāo)的幾何形態(tài)和物理性質(zhì)。

在使用過(guò)程中，探地雷達(dá)檢測(cè)混凝土裂縫具有速度快、穿透能力強(qiáng)、無(wú)需耦合劑等特點(diǎn)，可確定裂縫缺陷的形狀和方向。該方法不足之處是對(duì)混凝土裂縫的識(shí)別需要借助探地雷達(dá)圖像來(lái)進(jìn)行，因此對(duì)檢測(cè)人員的水平要求較高，除此之外，該方法適用于大尺度混凝土裂縫的監(jiān)測(cè)，對(duì)局部小尺寸裂縫的識(shí)別存在困難。

2.2 半電池電位法

半電池電位法是鋼筋銹蝕無(wú)損檢測(cè)中的一種電化學(xué)方法，該方法通過(guò)測(cè)量鋼筋的自然腐蝕電位來(lái)判斷鋼筋的銹蝕程度[17-19]。半電池系統(tǒng)是相對(duì)于全電池系統(tǒng)而言的，全電位系統(tǒng)采用的是“銅+硫酸銅(Cu+CuSO4)飽和溶液”，電位值相對(duì)穩(wěn)定。半電位系統(tǒng)則由“Cu+CuSO4飽和溶液”半電池。與“鋼筋+混凝土”半電池兩部分組成一個(gè)全電池系統(tǒng)。根據(jù)混凝土中鋼筋因銹蝕產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)引起的全電池電位變化，可評(píng)定鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕作用的前提是鈍化膜被破壞，其主要原因是碳化作用和Cl-離子的侵蝕作用。當(dāng)腐蝕過(guò)程進(jìn)行時(shí)，其接觸面上會(huì)發(fā)生電荷交換，產(chǎn)生電流并發(fā)生極化作用，此時(shí)鋼筋電位是一混合電位，混合電位是鋼筋上所有陽(yáng)、陰極反應(yīng)耦合的結(jié)果，因此也成為自然腐蝕電位?；旌想娢恢饕从车氖墙饘俚目垢g能力，因此，該參數(shù)也是鋼筋銹蝕度檢測(cè)的主要參數(shù)。

由Fe—H2O(鐵—水)系的實(shí)驗(yàn)電位—pH圖(圖3)可知，根據(jù)電位的高低，鐵的表面可以分為免蝕區(qū)、腐蝕區(qū)和鈍化區(qū)[11]。但在O2(氧)存在的條件下，鋼筋表面不可能保持免蝕狀態(tài)，因此對(duì)混凝土鋼筋的銹蝕程度，主要討論腐蝕區(qū)和鈍化區(qū)。腐蝕區(qū)也稱(chēng)為活化區(qū)，主要指的是陽(yáng)極區(qū)，該區(qū)腐蝕速度較快，鈍化區(qū)則指的是陰極區(qū)，腐蝕速度相對(duì)較慢?；罨瘏^(qū)和鈍化區(qū)分別顯示出不同的腐蝕電位，鋼筋在鈍化時(shí)，腐蝕電位升高，電位偏正；當(dāng)鋼筋由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)入活化狀態(tài)時(shí)，腐蝕電位降低，電位偏負(fù)。

鋼筋混凝土銹蝕度評(píng)價(jià)方法主要有兩種：其一為數(shù)值表示法，即根據(jù)檢測(cè)數(shù)值或?qū)z測(cè)值繪制成直方圖，然后參考半電池電位值評(píng)價(jià)鋼筋銹蝕度性狀，依據(jù)檢測(cè)數(shù)值對(duì)鋼筋銹蝕概率進(jìn)行判斷；其二是等值線(xiàn)圖法，通過(guò)將電位各點(diǎn)插值繪制成等值線(xiàn)，并將等值線(xiàn)采用不同顏色進(jìn)行填充，然后根據(jù)等值線(xiàn)數(shù)值或色標(biāo)值域范圍對(duì)鋼筋銹蝕概率進(jìn)行判斷。

圖3 Fe—H2O系的實(shí)驗(yàn)電位—pH圖[11]Fig.3 Diagram of experimental potential-pH for Fe—H2O series[11]

半電池電位法也存在不足之處，主要體現(xiàn)在以下方面：①該方法雖是通過(guò)檢測(cè)自然腐蝕電位數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從實(shí)施角度而言屬于定量測(cè)量，但對(duì)鋼筋混凝土銹蝕情況判斷是通過(guò)銹蝕概率實(shí)現(xiàn)的，屬于定性判斷；②測(cè)量方法只適用于已硬化混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋檢測(cè)，且測(cè)量過(guò)程中采用的是Cu+CuSO4電極，只能在混凝土表面進(jìn)行，因此。無(wú)法測(cè)得蝕孔內(nèi)電位和pH值急劇下降情況下的電位。

3 案例分析

本研究實(shí)例為某水利樞紐水輪機(jī)層地面混凝土內(nèi)部鋼筋分布和銹蝕性狀檢測(cè)。根據(jù)數(shù)據(jù)資料記錄，該處自2012年開(kāi)始出現(xiàn)裂縫并存在滲水問(wèn)題，在每年11月下旬至次年3月之間滲水問(wèn)題嚴(yán)重且存在帶壓現(xiàn)象。根據(jù)上述現(xiàn)象推斷，該處水工混凝土構(gòu)件有可能存在裂縫、脫空、不密實(shí)區(qū)等病害損傷，又根據(jù)設(shè)計(jì)、施工資料可知，在混凝土構(gòu)件中均有鋼筋分布，且局部范圍內(nèi)有兩層鋼筋結(jié)構(gòu)，鑒于滲水現(xiàn)象的發(fā)生，推斷有可能存在鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

根據(jù)上述情況，在采用探地雷達(dá)對(duì)全區(qū)進(jìn)行探測(cè)的前提下，重點(diǎn)選擇A區(qū)進(jìn)行鋼筋分層及分布探測(cè)及鋼筋銹蝕程度檢測(cè)，并將結(jié)果與已知裂縫平面分布及貫穿深度結(jié)合，由此對(duì)鋼筋混凝土地面滲漏情況進(jìn)行分析。其中，A區(qū)(虛線(xiàn)方框部分)的測(cè)線(xiàn)布置示意如圖4所示。

圖4 A區(qū)測(cè)線(xiàn)布置示意Fig.4 Layout of survey lines in area A

3.1 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

圖5 鋼筋探地雷達(dá)波形Fig.5 Waveform of steel bars acquired by GPR

采用探地雷達(dá)法對(duì)水工混凝土構(gòu)件中埋設(shè)鋼筋的深度及分布進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可將混凝土視為媒介介質(zhì)，將鋼筋視為混凝土中的異常體。鋼筋在混凝土中成網(wǎng)格狀呈層狀分布，其間距為0.5 m。由于鋼筋和混凝土之間存在明顯的電性差異，電磁波的繞射作用和金屬對(duì)電磁波的反射作用使得單根鋼筋的波形如圖5中的黃色方框所示，即表現(xiàn)為向上凸起的弧形，弧頂位置與鋼筋的頂部位置相對(duì)應(yīng)。

圖6 探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果Fig.6 GPR detection results

采用瑞典MALA的RAMAC/GPR雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)混凝土構(gòu)筑物中的鋼筋層數(shù)及分布進(jìn)行檢測(cè)，使用橫向掃描方式，野外測(cè)量方式為剖面法。根據(jù)已知數(shù)據(jù)資料，鋼筋埋藏深度較淺，為達(dá)到良好的探測(cè)效果，擬采用中心頻率為1.6 GHz的天線(xiàn)進(jìn)行探測(cè)，因現(xiàn)場(chǎng)需快速、準(zhǔn)確地對(duì)圖像進(jìn)行處理和解釋?zhuān)敬窝芯繑M采用剖面法進(jìn)行測(cè)量。

在全區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行探地雷達(dá)探測(cè)，并從中選取一小塊典型區(qū)域(A區(qū))進(jìn)行分析。該區(qū)包含兩縱(垂直壩軸線(xiàn))兩橫(順壩軸線(xiàn))四條測(cè)線(xiàn)(圖6)。采用探地雷達(dá)法進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果如下：

由圖6(a)可知，在探測(cè)范圍內(nèi)：①黑色實(shí)線(xiàn)為鋼筋，第一層鋼筋埋深約20 cm，其上方有一層連續(xù)同相軸。第二層鋼筋埋深約50 cm，在測(cè)線(xiàn)0～0.3 m有反映，其他位置未見(jiàn)明顯反映；②黃色虛線(xiàn)為裂縫處異常，其中10#裂縫異常延伸約32 cm、9#裂縫異常延伸約36 cm、8#裂縫異常延伸約48 cm、7#裂縫異常延伸約48 cm。

由圖6(b)可知，在探測(cè)范圍內(nèi)：①黑色實(shí)線(xiàn)為鋼筋，鋼筋埋深約25 cm，其上方有一層連續(xù)同相軸；②黃色虛線(xiàn)為裂縫處異常，其中12#裂縫異常延伸約42 cm、11#裂縫異常延伸約36 cm、9#裂縫異常延伸約46 cm。

由圖6(c)可知，在探測(cè)范圍內(nèi)：①黑色實(shí)線(xiàn)為鋼筋，鋼筋埋深約16～19 cm；②黃色虛線(xiàn)為裂縫處異常，11#裂縫異常延伸約42 cm。

由圖6(d)可知，在探測(cè)范圍內(nèi)：①黑色實(shí)線(xiàn)為鋼筋，鋼筋埋深約15～20 cm；②黑色圓形虛線(xiàn)框中為反射弧異常，推測(cè)為埋管，位置為測(cè)線(xiàn)2.10 m、埋深約0.10 m。

3.2 半電池電位法數(shù)據(jù)分析

采用KON-XSY型鋼筋銹蝕儀進(jìn)行半電池電位法測(cè)量，測(cè)網(wǎng)設(shè)置采用全覆蓋方式，測(cè)網(wǎng)間距為0.5 m，局部疑似銹蝕區(qū)域測(cè)網(wǎng)間距為0.3 m。其中，全區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)為3 078個(gè)，電位值主要集中在-250～150 mV之間，分布直方圖如圖7所示。

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 713-2015)，當(dāng)采用半電池電位法評(píng)價(jià)鋼筋銹蝕性狀時(shí)，應(yīng)根據(jù)如下表格(表1)進(jìn)行判斷，并根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼筋銹蝕性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果如表2所示。

表1 半電池電位值評(píng)價(jià)鋼筋銹蝕度性狀依據(jù)

根據(jù)半電池電位法測(cè)試所得電位值繪制等值線(xiàn)，結(jié)果如圖8所示，其中黑色虛線(xiàn)框內(nèi)為重點(diǎn)研究區(qū)域。紅色填充表示為電位值小于-350 mV，該區(qū)域發(fā)生銹蝕的概率大于90 %；黃色填充表示電位值在-200～-350 mV之間，該區(qū)域深色部分表示銹蝕性狀不確定。針對(duì)重點(diǎn)研究的A區(qū)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以得出以下結(jié)論：A區(qū)發(fā)生銹蝕概率>90 %的區(qū)域、銹蝕性狀不確定區(qū)域、發(fā)生銹蝕概率<10 %的區(qū)域均存在，且大概率發(fā)生銹蝕的區(qū)域占大部分，需引起重視并重點(diǎn)分析。

圖7 半電池電位法測(cè)試值分布直方圖Fig.7 Histogram of test values by half-cell potential method

表2 鋼筋銹蝕性狀評(píng)價(jià)

圖8 半電池電位法測(cè)試成果Fig.8 Test results of the half-cell potential method

4 結(jié) 論

根據(jù)水工混凝土構(gòu)件中鋼筋的分層與分布，對(duì)鋼筋銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合裂縫分布對(duì)銹蝕原因進(jìn)行分析，其結(jié)果如下：

1)根據(jù)探地雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果，判斷第一層鋼筋埋深約為20 cm，全區(qū)范圍內(nèi)均有分布，第二層鋼筋埋深約為50 cm，僅在局部范圍內(nèi)分布；測(cè)區(qū)內(nèi)裂縫分布較多，貫穿深度在30～50 cm之間；探測(cè)范圍內(nèi)分布有埋管，埋深約為10 cm。

2)根據(jù)半電池電位法的探測(cè)結(jié)果，判斷不發(fā)生銹蝕情況的測(cè)點(diǎn)占大多數(shù)，銹蝕概率>90 %的地區(qū)僅存在于小范圍的局部地區(qū)，未對(duì)水工混凝土構(gòu)件的安全質(zhì)量造成損傷。

3)水工混凝土構(gòu)件銹蝕概率較大的區(qū)域，也是裂縫存在較多的區(qū)域。

通過(guò)對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼筋分布和銹蝕程度檢測(cè)，得出以下結(jié)論：①在不進(jìn)行大面積開(kāi)鑿的前提下，對(duì)鋼筋分布和銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，并將結(jié)果用于工程質(zhì)量和安全評(píng)估，不僅具有經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)，并經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，具有一定的可靠性；②鋼筋銹蝕情況的產(chǎn)生與水工混凝土裂縫的形成之間互為因果，水工混凝土構(gòu)件可因鋼筋銹蝕作用而產(chǎn)生銹蝕裂縫，同時(shí)，水工混凝土構(gòu)件也可因裂縫的產(chǎn)生而銹蝕程度加重。