混凝土耐久性无损检（监）测技术研究与应用

王新明，杨 迪，韩依璇（.苏州市公路管理处，江苏 苏州 5004；.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 ）



混凝土耐久性无损检（监）测技术研究与应用

王新明1，杨 迪2，韩依璇2
（1.苏州市公路管理处，江苏 苏州 215004；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

随着我国混凝土结构服役年限的不断增长和耐久性能的持续劣化，对实体结构耐久性能进行连续跟踪观测和研究以了解结构性能随时间的变化规律显得尤为重要，混凝土现场无损检（监）测技术的研究与应用逐渐引起研究者的重视。然而，现有的混凝土耐久性检（监）测技术多为室内试验，在推广到现场应用之前仍需进一步的研究和梳理，相应的检（监）测指标体系也亟待建立。文章研究总结了现有混凝土耐久性无损检（监）测技术的研究成果，初步建立了耐久性检（监）测指标体系，选取并介绍了多参数传感器实时监测钢筋锈蚀状况技术和混凝土气体渗透检测技术两种方法及其工程现场的应用情况，为推动和完善混凝土耐久性无损检（监）测技术的工程现场应用和标准化研究提供了参考和依据。关键词：混凝土耐久性；无损检测；监测指标体系；气体渗透检测

1　概述

处于侵蚀（如碳化、化学腐蚀及冻融破坏等）环境作用下的混凝土结构，因钢筋锈蚀、混凝土开裂从而导致结构过早破坏、耐久性衰退严重的现象，已愈发地成为我国混凝土结构核心问题之一。日本混凝土学会（JCI）对不同服役期内的混凝土桥梁养护维修比例的调查结果显示，使用年限大于50年的桥梁中，有近半数的桥梁需要进行维修加固，其中约21.4%的桥梁结构损坏是因钢筋锈蚀引发的耐久性衰退造成的，全球各国因钢筋混凝土材料腐蚀造成的直接经济损失高达GDP的3%［1］。因此，为保证结构在设计使用年限内安全服役，对结构耐久性能进行连续跟踪观测和研究，以了解实体结构性能随时间的变化规律就显得尤为重要，因而，混凝土现场无损检（监）测技术的研究与应用已刻不容缓。然而，现有的混凝土耐久性检（监）测技术多为室内试验，直接应用在实体结构上需要取芯检测，这就难免会对结构造成较大的扰动，难以满足性能长期研究的需求，另外，新型无损检（监）测技术在推广到现场应用之前也需进一步的整理归纳，并且相应的检（监）测指标体系也亟需建立。

2　混凝土结构耐久性检（监）测指标体系

就混凝土结构耐久性检（监）测而言，首要任务就是构建适宜的指标体系。检（监）测指标体系的建立是为了监测和采集具有代表性的数据所挑选的诸多指标的集合，通过选定针对性的指标，经过长期的数据采集和对比分析，即可全面地反映混凝土结构耐久性能衰退规律和发展状况，进而实现预防性养护，最大限度地延长结构使用寿命，保证结构安全服役。然而，近年来的桥梁等混凝土结构工程实践和相关耐久性检（监）测标准、规范的研究结果表明，目前仍未能建立起规范化的混凝土耐久性检（监）测指标体系［2］。

基于笔者近年积累的经验，根据江苏省内公路桥梁常见病害类别及其出现的难易程度、病害对桥梁承载能力和长期性能的影响程度，选取了与混凝土耐久性相关的长期性能研究关键病害，分析了选定关键病害的主要评价指标，并结合江苏省区域性环境特点，初步构建了江苏省混凝土桥梁耐久性检（监）测指标体系，如表1所示，通过改变环境影响因素，从而适当地调整检（监）测指标，如低温冻害发生地区需增设抗冻性能指标等，即可形成符合我国各地区的混凝土结构耐久性检（监）测指标体系。指标体系的建立是耐久性检验、评定的基础和前提，适宜的指标体系可以指导现场检（监）测工作的重点，合理分配人力、设备等资源，节约成本、提高工作效率。

表1　江苏省混凝土桥梁耐久性检（监）测指标体系

3　典型耐久性无损检（监）测技术研究与应用

3.1现有混凝土耐久性检（监）测技术成熟度研究

对于现有混凝土结构耐久性检（监）测方法而言，国家标准和规范中所列的大多为室内试验方法，当将其应用于工程现场时，需在结构上钻（刮）取数量、尺寸不等的混凝土试样，而后再返回实验室内进行检测。虽然，国内外学者也在致力于研究和开发相关的无损检（监）测技术，但目前多停留在理论研究或是实验室内验证阶段，仍未能推广至工程现场。研究表明，现有混凝土结构耐久性无损检（监）测技术成熟度大致可分为3个层次，其中部分指标/参数的无损检（监）测技术仍处于理论研究阶段，需先在实验室内进行验证；部分检（监）测方法已具备成熟的理论支持，有待进一步推广至工程实体应用；其余指标/参数已具有标准化的无损检（监）测技术，且广泛应用于工程现场，如表2所示。

本文以混凝土结构钢筋锈蚀状况实时监测技术以及基于气压差值法的混凝土气体渗透检测技术为例，介绍了无损检（监）测技术的工程现场应用研究情况，实现了理论向实践的转化以及室内试验向工程实体应用验证的突破。

3.2钢筋锈蚀状况实时监测技术

混凝土中钢筋锈蚀状况是结构耐久性评价的重要方面之一，目前钢筋锈蚀的监测方法和传感器系统大多采用腐蚀电流或腐蚀电位评价，现有的检测方法主要是以半电池电位法和交流阻抗谱法为代表的电化学检测法，前者测得的腐蚀电位并不能直接反映钢筋的腐蚀速度，仅为定性测量；后者所需的仪器昂贵，测量费时，数据处理复杂，且受混凝土构件的几何尺寸的影响，因而并不适于现场检测。综上所述，目前较为常用的钢筋锈蚀检（监）测方法很难满足实体工程耐久性能长期检（监）测的需求。

表2　典型指标无损检（监）测技术成熟度分析

本文对混凝土中钢筋锈蚀状况的实时监测技术进行了深入研究，采用了基于某钢筋锈蚀集成传感器，该传感器系统由1个传感器装置和1个高度集成的探头组成，而探头中集成了多电极阵列探头（9针）、氯离子探头（Ag/AgCl）、pH探头、温度探头以及电阻率探头，如图1所示。可对钢筋均匀锈蚀或局部锈蚀的锈蚀速率、混凝土内部的氯离子浓度、pH值、温度以及混凝土的电阻率等参数进行实时测量，并将测量数据通过Wi-Fi无线网络远程回传至用户的后台应用软件系统，以作进一步的分析和评估。相比于其他传感器，该传感器具有紧凑的结构和小巧的外形尺寸，可以较方便地安装于钢筋混凝土结构内部。所有探头均采用全固态电极，在工作时不需要使用充填溶液，无需任何维护。所有探头均具有很高的耐久性及可靠性，可以长时间在混凝土结构内部工作［3］。

图1　尺寸不到2 cm的传感器

考虑到沿混凝土保护层不同厚度处氯离子等影响钢筋锈蚀参数的差异性，在进行现场检测时，单个传感器装置上拟封装3个探头，如图2、图3所示，基于此传感器监测系统，在钢筋锈蚀实时监测及传输方面能够实现不间断的采集数据，及时准确地掌握锈蚀的形成与发展过程，以及当前最新的钢筋锈蚀损伤程度，进而实现对《混凝土结构耐久性评定标准》（CECS 220：2007）中性能劣化模型的修正研究，增加钢筋锈蚀在寿命预测模型中的影响，使得预测结果更加真实反映结构的耐久性能衰退情况，最终使用修正后的模型在实体工程上进行应用，通过长期、实时的耐久性指标观测数据的采集和分析，实现对其剩余使用寿命和耐久性状态的预测和评判。

图2　沿混凝土保护层厚度安装的具有3个探头的传感器

3.3气体渗透性能检测技术的研究与应用

混凝土抗渗性能检测可分为抗水渗透法、离子渗透法以及气体渗透法3种，气体渗透法因可以避免与水泥基反应，具有较高的检测精度，且已经过实验室大量试验验证等诸多优点，目前已在核电站乏燃料水池的混凝土层检测中进行了应用。气体渗透法主要包括Cembureau法、气压差值法以及F.Wagner试验法等 ，在众多的检测方法中，气压差值法由于试验步骤简化、结果准确度较高而被国内外较多学者采用。下文介绍了此项技术在228省道苏虞张公路改扩建工程朝阳河桥工程中的应用，其地面辅道桥的某混凝土墩柱的现场情况。

图3　多电极9针探头传感器

3.3.1原理及设备

基于气压差值法的混凝土气体渗透性能检测设备主要包括气压输入装置、气压缓冲装置（高、低压缓冲罐）、传感器以及压力表等，检测装置简图如图4所示。

图4　基于气压差值法的气体渗透系数测量技术［4］

使用此项技术检测前，需在混凝土构件内预埋或钻孔埋设传感器，传感器对构件性能无影响且可长期、重复使用，预埋的传感器通过导气管与外部控制箱连接，控制箱另一端连接气压输入装置（如氩气罐）。检测时，首先向传感器内注入惰性气体，气体通过由特殊孔隙不锈钢制成的传感器渗透入混凝土构件内部；当压力稳定后关闭进气阀，随着气体在构件内的扩散气压开始下降，选取一个与进气压相比足够小的气压降，测量该气压降形成的时间，记录测试过程中传感器内的气压降规律。而后基于达西定律、气体扩散方程等，结合室内标定试验和数值模拟，即可判断混凝土的渗透性能。

3.3.2室内标定试验

对现场混凝土结构进行检测时，由于局部环境条件对混凝土的含水率影响非常大，每次实测数据是混凝土处于不同含水率条件下的气体渗透系数，因而需要结合室内标定试验，计算获得检测时刻混凝土的含水率。因此在现场检测时，对混凝土进行了现场留样，并对其进行了室内标定试验，获得同种混凝土在不同含水率条件下的气体渗透系数，即气体渗透系数与含水率的关系曲线，而后比对实体结构测量所得的气压降情况，从而获得实体结构混凝土的气体渗透系数和含水率。

3.3.3工程现场应用

现场检测时，选取了典型构件内的若干关键部位作为测点，测试过程主要包括钢筋笼绑扎固定、无损检（监）测探头安装、模板安装、混凝土浇筑、拆模等工序。检测时，共布置了10个检测传感器，为了固定无损检测传感器在混凝土中的测试位置，因而在原有的钢筋笼中增设了5根定位筋，竖直方向1根，水平方向4根（其中1根是用于不锈钢导气管的布置和固定），导气管最终是汇总到暴露在混凝土表面的输出盒中，具体布置如图5所示。待混凝土硬化后，选取适宜的时间间隔（如3个月）作为测试周期，对测试设备校准后逐点检测混凝土气体渗透系数。

图5　检测用传感器施工图

3.3.4检测结果

通过现场检测、标定试验与数值模拟相结合，经过为期2年的跟踪观测，得到了依托工程桥梁构件不同测点位置混凝土的气体渗透系数，现场检测时，纵向传感器共有6个，分别是0号～5号，其中4号和5号传感器基本处于水位线以下，3号传感器处于水位变动区域；水平向传感器共有5个，分别是1号、6号、7号、8号和9号，其中1号传感器处于墩柱背水面，面向地面，8号和9号朝向朝阳河，处于迎水面，纵向及水平向有效气体渗透系数测试结果如图6、图7所示，由此分析得出了混凝土的抗渗性能与距表面距离的变化规律，以及构件不同位置混凝土抗渗性能的变化规律，研究总结出了结构设计、施工质量、环境条件等因素对混凝土的抗渗性能和密实性的影响，验证了此项技术在工程现场应用的可行性，为进一步了解和掌握结构耐久性衰退状况奠定了基础。

4　结论

混凝土耐久性无损检（监）测技术从技术研发，直至技术标准化，最终实现工程应用与推广，各个环节均需要大量的研究工作来支撑。本文总结了现有混凝土耐久性无损检测和监测技术的相关成果，初步建立了耐久性检（监）测指标体系。研究所提出的气压差值法混凝土气体渗透性能现场测试技术，通过预埋传感器、结合室内标定试验等，获得了实体结构构件检测时刻的混凝土有效气体渗透系数和水饱和度两项重要性能指标，验证了此项技术应用于桥梁结构的可靠性及有效性。另外，多参数传感器实时监测钢筋锈蚀状况技术也正逐步推广至工程现场。

图6　纵向传感器的有效气体渗透系数

图7　水平向传感器的有效气体渗透系数

建议可对以下几方面进行更为深入的研究：（1）混凝土抗水渗透性性能等为代表的混凝土耐久性无损检（监）测技术的研究与应用；（2）混凝土气体渗透性能测试技术在结构裂缝状态评定中的应用研究；（3）混凝土气体渗透性能测试技术及钢筋锈蚀实时监测技术的精确度研究。

［1］胡力平.日本韩国海工高性能混凝土研究及发展趋势［J］.中国港湾建设，2002（3）：1-3.

［2］韩依璇，张建东.混凝土结构耐久性研究、设计和相关规范的探讨［C］∥2012年全国桥梁学术会议，北京：人民交通出版社，2012，168-176.

［3］耿欧，李果，袁迎曙.电化学检测技术在混凝土内钢筋腐蚀研究中的应用现状与展望［J］.混凝土，2005（2）：20-23.

［4］杨迪，韩依璇，张宇峰，等.海洋环境下混凝土耐久性现场无损检测技术［J］.现代交通技术，2015，12（3）：47-50.

Research and Application of Nondestructive Testing Technique for Concrete Durability

Wang Xinming1， Yang Di2， Han Yixuan2
（1. Suzhou Highway Administration Department， Suzhou 215004， China； 2. JSTI Group， Nanjing 211112， China）

Along with the continuous growth of the concrete structure and the continuous deterioration of the concrete durability in our country， in order to understand the structural performance of the law， doing continuous tracking observation and research on the structure is particularly important. Therefore， the research and application of nondestructive testing technology of concrete has caused wide attention. However， the existing concrete durability monitoring technologies are always suited for indoor testing，further research are needed before used on site， and the corresponding monitoring index system also needs to be established. In this paper， the researches results of the nondestructive testing technology for the durability of concrete are summarized. It establishes the index system of the durability test and introduces the real-time monitoring of the steel bar corrosion conditions of the multi parameter sensor and the concrete gas permeability detection technology and the application of the engineering field，which can be provided as reference and basis for promoting and improving the engineering field application and standardization research of the nondestructive testing technology of concrete durability.

concrete durability； nondestructive testing； monitoring index system； gas permeability detection

TU317

A

1672-9889（2016）02-0046-04

王新明（1975-），男，江苏苏州人，高级工程师，主要从事公路桥梁建设与管养方面的工作。

（2015-12-09）