桥梁混凝土中钢筋锈蚀评定方法研究

李 艳

（1.同济大学，上海市 200092；2.上海市政工程检测中心有限公司，上海市 201114）

0 引言

近年来,混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[1]。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[2]。

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》（JTG/T J21-2011）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Wi，进而得出评定钢筋锈蚀的方法[4，5]。

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“0-1”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bij与权值Wi和Wj的关系为：

权值Wi的计算公式为：

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1中所列的判断矩阵及权值Wi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》（JTG/T J21-2011）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Ei值，再结合模糊判断矩阵计算得出的Wi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E和Ei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[6]

表3 桥梁结构混凝土钢筋锈蚀评定标度[6]

表4 钢筋锈蚀状况评定

4 工程应用

工程一：多跨简支梁桥，桥梁全长481.62 m，桥面宽33.9 m，其跨径组合为22.90 m+22.96 m×3+23.09 m+30.00 m+41.00 m+39.00 m+43.00 m+30.00 m+23.09 m+22.96 m×6+22.90 m=481.62 m。该桥上部结构采用两种形式，跨径30.00 m及以上的桥跨采用预应力混凝土T梁，共5跨，混凝土标号为50号，其它均为预应力混凝土空心板梁，混凝土标号为40号。

预应力混凝土T梁马蹄底面混凝土出现纵向裂缝，裂缝沿预应力筋走向，且裂缝长期渗水，有钟乳石状白色析出物，现场照片见图1。

图1 工程一现场照片

工程二：沿海地区一座三跨简支梁桥，桥长36m，桥面宽24.00 m，其跨径组合为10 m+16 m+10 m=36 m。该桥的一侧桥台的台帽出现多条竖向裂缝，缝宽超限，现场照片见图2。

图2 工程二现场照片

为了解混凝土中钢筋的锈蚀情况，对两个工程进行现场检测。根据检测结果，按照表1计算方法得到钢筋锈蚀评价结果，见表5。

表5 钢筋锈蚀评价结果

根据表4的结果，工程一钢筋锈蚀评定标度E在[1.00,2.00]且所有影响因素的评定标度Ei均小于5，钢筋锈蚀评定等级为1，钢筋不会锈蚀。工程一钢筋锈蚀评定标度E在（3.00,5.00]且有一项影响因素的评定标度Ei为5，钢筋锈蚀评定等级为3，钢筋有锈蚀的可能性很大。

为验证评价结果，凿除钢筋处混凝土保护层。工程一现场照片见图3，钢绞线和纵向主筋均未见锈蚀。工程二现场照片见图4，台帽处竖向构造筋锈蚀明显。可见采用本文提出的量化综合分析法的评价结果与工程实际相符。

5 结语

本方法结合现行桥梁检测规范，对钢筋锈蚀无损检测方法中的综合分析法进行量化研究，发扬其方便快捷、经济的优点，克服其不能提供定量评价、主观、依赖经验的缺点，使综合分析法更具实用价值，并指导工程经验不够丰富的检测人员，应用该方法对桥梁结构混凝土中钢筋锈蚀状况进行分析评定。

图3 工程一凿除混凝土保护层后现场照片

图4 工程二凿除混凝土保护层后现场照片

[1]蔺洪臣，李丽莎.浅谈水工混凝土中钢筋锈蚀检测技术[J].科技创新导报，2008（11）：40-43.

[2]张伟平，张誉，刘亚芹.混凝土中钢筋锈蚀的电化学检测方法[J].工业建筑，1998,28（12）：21-32.

[3]李斌，袁群，常向前.钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的检测与评估[J].人民黄河，2005（2）：34-35.

[4]董传洲.混凝土桥梁耐久性模糊综合评价[D].武汉：武汉理工大学，2004.

[5]杨光强.基于模糊理论的桥梁耐久性评估研究[D].成都：西南交通大学，2005.

[6]JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].