水工混凝土结构腐蚀检测评价方法分析

高 飞

(抚顺市大兴水利工程有限公司，辽宁 抚顺 113006)

1 水工结构腐蚀检测程序

检测评估水工结构腐蚀状态的基本程序如下：首先，管理单位应结合结构腐蚀现状提出腐蚀检测与评估立项申请；其次，立项获批后要委托检测与评估单位，实地调研水工结构的损伤程度、赋值现状和现场工作条件等，并利用科学的检测方法和经率定的试验仪器检测结构状态，经评估提出维修加固建议；最后，通过召开维修加固设计方案评审会或专家鉴定会等形式，管理单位从经济合理性、技术可行性的角度论证检测评估单位的维修加固方案。

值得一提的是，结构设计与腐蚀检测评估有所不同，前者可以自由选择材料、确定形式、调整断面，对设计参数取值按现行有效规范确定；然而，腐蚀检测评估有关参数必须经现场检测和调查才能获取，并以此判断满足现行规范的程度或是否符合现行规范要求。因此，腐蚀检测必须以现场检测和现状调查为基础。

腐蚀检测的目的是为鉴定与评价水工结构性能提供有效、可靠、详实的检测结果。所以，检测单位要具备相应的设备、资质和人员，健全的计量认证体系和质量管理体系，保证企业资质与承担的任务相匹配。检测人员必须持有专业资质证书，每项检测工作至少有两名人员，水下潜水检测的作业人员还要有年度身体健康体检证明和潜水员资格证书，严格执行潜水条例有关规定开展潜水作业，并主动接受水上监督和专业指导。

2 腐蚀监测评价分析

2.1 检测评估依据

在工程实践和结构设计中混凝土结构耐久性设计理念不断发展，如日本、欧洲、RILEM、欧盟出版发布的《混凝土结构耐久性设计建议》、《CEB耐久混凝土结构设计指南》、《混凝土结构的耐久性设计》和《混凝土结构耐久性设计指南》。通过对国外研究成果的总结分析，我国交通部、中国土木工程学会、中国工程建设标准化协会等颁布了《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》、《混凝土结构耐久性评定标准》等，适用于一般房屋、构筑物、桥梁等既有结构以及氯盐侵蚀、碳化引起的冻融损伤和钢筋锈蚀等结构耐久性评定；不适于特殊和轻骨料混凝土、火灾、疲劳荷载、化学腐蚀，以及因荷载变化、施工、设计等损伤引起的结构安全性评定。

为确保工程的达到合理使用要求以及规定的设计服役年限，住建部2008年颁布了适用于常见环境作用下的隧道、城市桥梁、房屋建筑等市政基础设施和一般构筑物的《混凝土结构耐久性设计规范》，该规范是适用于特种结构及轻骨料混凝土；主要内容有设计等级划分、环境类别划分、设计原则、使用年限、构造措施、原材料要求以及化学腐蚀、氯化物、冻融环境下的耐久性设计方法。

2010年国家能源局参考国外相关标准，通过对国内外成功经验和研究成果的总结分析，结合水工混凝土特点编制颁布了《水工混凝土耐久性技术规范》，重点突出了水工混凝土相关技术措施、质量评定、施工工艺和耐久性设计等，主要包括碱骨料反应、钢筋锈蚀、冻融、冲磨、空蚀、水侵蚀等；同年，为规范水工混凝土缺陷检测方法、评估程序颁布了《水工混凝土建筑物缺陷检测和评估技术规程》，对于延长水工结构使用寿命以及保障结构安全稳定运行具有积极意义，该标准突出水工建筑物特点实现了与其他相关标准的衔接。2014年水利部颁布了《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》，对于有特殊要求或特别重要的工程，其耐久性和合理使用年限要求需要做专门论证，对扩建、改建项目可参照执行。2015年水利部颁布了适用于在建项目的《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》，主要内容有水下渗漏与缺陷检测、钢筋锈蚀及分布检测、结构厚度与强度检测、裂缝深度及内部缺陷检测、混凝土外观缺陷调查等；同时，规范了检测技术要求和缺陷检测方法，提高了检测结果的可比性和可靠性。

对于改善混凝土结构耐久性以上标准都发挥着积极的促进作用，也为延长结构服役寿命和耐久性设计明确了方向。然而，水工混凝土结构与普通钢筋混凝土结构的运行环境、条件具有明显差异，广泛应用发电洞混凝土结构、新型特种混凝土和大体积水工混凝土等。因此，应以现场水工混凝土结构相关标准作为腐蚀监测与评估的主要依据，并结合其他建设行业标准突出水工结构应力、腐蚀环境等因素。因此，腐蚀检测与评估既要借鉴相关技术规程，同时又要考虑不同建筑物类型等因素选择相应的标准。例如，水库大坝工程以《水库大坝安全评价导则》或《水电站大坝运行安全评价导则》为依据，水闸工程、泵站工程、船闸工程分别以《水闸安全评价导则》、《泵站安全鉴定规程》和《港口水工建筑物监测与技术评估规范》为依据，水工启闭机和钢闸门安全以《水工启闭机和钢闸门安全监测技术规程》为检测依据。

2.2 主要检测内容

一般地，水工结构腐蚀检测按照《水工混凝土建筑物缺陷检测和评估技术规程》可以分为现场安全检测和一般检查两种，其中现场安全检测项目有结构变形与位移、钢筋锈蚀程度与保护层厚度、混凝土内部缺陷和裂缝性状、抗渗性、侵蚀性、冻融情况、碳化程度、混凝土强度等；一般检测包括资料调查、损伤情况、伸缩缝状况、外观缺陷、渗漏状态、裂缝分布等，水下检测还包括沉积物和附着物埋深状态、建筑物外观的整体性等，必要时还要对结构与基础变形情况、腐蚀变化过程等进行调查[1]。

2.2.1 一般检查

水工混凝土结构外观缺陷是指对混凝土结构使用功能和外观质量可能造成影响的裂缝、麻面、蜂窝、露筋、脱落、孔洞等外在形式的不完整或缺陷[2-3]。通常采用普查的方式调查外观缺陷，结合录像记录、照片、目测、描述、简单两侧和资料调查等方法。

调查内容主要包括：①外观缺陷，如疏松区、孔洞、麻面、蜂窝、裂缝、露石、露筋等②裂缝情况，如宽度、数量、长度、走向、部位等，并掌握裂缝变化趋势；③损伤状态，如冲蚀、剥蚀、压碎、脱落、冻融等情况，特别是钢筋锈蚀引起的露筋、起鼓、锈迹、剥落、裂缝等的位置、数量、面积、长度和宽度等；④渗漏状态，如面、线、点的渗漏情况；⑤伸缩缝的变形情况和工作状态，结构整体和基础的变形、位移情况、形态尺寸等。通过调查外观缺陷，并结合缺陷分布情况绘制孔洞、麻面、蜂窝等分布图。

2.2.2 现状调查

总体上，腐蚀现状调查包括的内容如下：首先，要对现场实际情况进行查看，全面调查结构现状并掌握工程周边环境、场地特征情况，对工程验收记录和施工中的各项原始记录进行检查，初步把握和了解工程施工的初始状况；其次，对施工图纸和资料做进一步的查阅，符合实际地基情况与地质勘察报告的相符程度，对设计方案和结构布置合理性、构造措施的适用性、设计计算的准确性进行检查；最后，调查结构使用情况，如水流是否存在不稳定的因素、使用环境是否变化、结构构建是否受到人为伤害、使用过程中有无超载现象等。

尽量保证收集的技术资料完整、真实，以更好地满足腐蚀检测需求。根据原有检查观测成果开展现状检查分析，对水工结构隐蔽、薄弱部位要特别注意进行仔细的检查，检查过程中发现缺陷和问题时要初步分析其成因，并明确可能会造成的不利影响[4]。

技术资料收集主要包括技术管理、施工设计等资料的收集，其中设计资料包括工程设计图纸和施工文件、初步设计资料、可行性研究报告、水工模型试验和工程地质勘测等数据。施工资料包括浇筑及养护情况(如施工、养护、浇筑、运输和搅拌环境条件等)、施工和设计配合比、混凝土原材料等；混凝土试验资料包括变形性能、弹性模量、抗拉强度、绝热温升、抗压强度、含气量、塌落度、极限啦甚至等；施工技术总结资料包括模板使用情况(如拆模时间、模板安装与制作、种类)、基础情况(如基础及断层处理、变形模量、岩性、岩种类等)；工程质量监督检测包括施工监理资料、验收交接文件、竣工图、施工期观测资料、观测设施考证资料、第三方抽查检测资料、监理旁站检测资料、施工单位自检记录等与工程质量相关的技术资料。

技术管理资料包括历次安全鉴定报告、历年定期检查、控制运行技术文件、运行管理规章制度、特别检查资料、运行记录资料等；观测资料成果有水位、温度、应力、渗流、变形等水工结构资料，工程重大事故处理和大修技术措施等资料。

工程资料比较和分析包括地基实际情况与地质勘测报告相符程度复核、设计方案与结构布置是否合理检查、运行与设计荷载比较，分析水工结构运行维护是否达到设计要求、构造措施是否得当、设计参数取值是否合理、计算参数是否正确。

2.2.3 现场检测

1)抗压强度检测。一般地，可采用钻芯法、超声法、回弹法或综合法等抗压强度检测方法，优先选用无损的超声法、回弹法和综合法等。对于粗骨料最大粒径、混凝土龄期或抗压强度等超过技术规程允许的范围，或被检测表层代表性较差需要进行复核验证时，可以选用钻芯法。

2)裂缝深度检测。混凝土裂缝深度一般选用超声波对斜测法和平测法，其中对斜测法适用于深度超过50cm的裂缝，裂缝深度不超过50cm时比较适用平测法。此外，对斜测法只适用于可钻孔对测或有条件两面对测的水工结构，为了提供裂缝发展数据需要定期观测仍在发展的裂缝。

3)内部缺陷监测。工程中通常选用弹性波CT法、冲击回波法、探地雷达法和超声法等非破损方法检测混凝土内部缺陷。其中，CT技术又称为弹性波层析成像技术，主要是利用物理力学参数与检测对象弹性波速度之间练好的相关性，在不损伤检测对象的条件下结合CT技术、剖面上检测的弹性波速，以图像的法方式反映结构的内部特征，从而达到检测内部缺陷的目的[5]。目前，在工程、科学等诸多领域中弹性波CT技术均已得到应用，尤其是在地基处理、混凝土堤坝和构件隐患探测、工程地质勘探、加固效果评价、防渗墙质量检测等方面应用广泛。在反演成像弹性波CT图像过程中，对同一试件四侧的声波测试可以实现上下、左右方向上的透视，当射线足够密时生成的CT图像分辨率较高。

冲击回波法是一种无损检测结构缺陷、厚度的方法，该方法主要是在结构内部快速传递使用冲击产生的应力波，在结构的外表面和内部的缝隙反射回来[6]。因此，能够快速检测出砌体结构和混凝土缺陷，并测出缺陷的深度和构件的厚度。目前，已有超波冲击回波检测系统、带表面波的冲击回波系统和IES扫描式冲击回波系统等类型。

探地雷达法实现探测目的根本途径是利用电磁脉冲波的反射原理，天地雷达通过天线发射器将短脉冲宽平台的电磁波由混凝土表面发送至内部，经地层的界面或内部目的体后反射至表面，接收器接受反射信号[7]。在介质中传播时电磁波的波形、电磁强度、路径等参数，随着介质几何形态和电性的变化而改变。所以，利用波形、幅度、波的双程走时等资料可以探测埋设固体、介质构造，在雷达图上能够反映出内部的均质情况，如混凝土内部存在异物、松散物、孔洞等缺陷雷达图像将出现变化异常。

4)钢筋锈蚀、分布情况和保护层厚度检测。可以采用电磁感应阀或雷达法检测钢筋数量、位置、直径、保护层厚度等项目，比较常见的仪器有钢筋定位仪和探地雷达。可以利用电磁感应法对待测部位是否有钢筋的搭接和锚固进行检测，甚至可凿开以验证保护层厚度或钢筋直径，也可利用半电池法检测钢筋的锈蚀程度。

5)剥蚀与冻融检测。混凝土所处环境的年冻融循环次数、冻融速率、最低气温、最大洞身、混凝土的保水程度和抗冻性等因素决定了冻融破坏的发展与发展。通常利用现场检测的方式确定冻融破坏程度，如钢筋是否暴露锈蚀、冻融剥蚀深度和范围等。若要进一步识别引起破坏的原因，还要进行抗渗等级、抗冻等级、动弹性模量和抗压强度等检测。

6)空蚀和过流面磨损检查。在泄水孔或溢洪道等冲磨区域存在严重空蚀和磨损时，在高速水流作用下会加速冲蚀破坏危机结构的安全运行。一般地，易遭受空蚀和冲磨破坏的部位有消力池、护坦与基础连接处、不同衬砌材料连接处、边墙与底板的交界不额外、溢流堰面、低槛与闸门槽、坡降突出部位等。.

通过检查分析实际情况，判别破坏类型和引起空蚀、磨损的主要原因，分析效能功能特征、残积物数量和分布范围，判断基岩与水工结构连接部位的破坏程度并做好描绘、记录。泄水建筑物出现严重磨蚀破坏的情况下，要重新审查与评估接缝合理性、抗磨蚀性、溢流面施工与梯形不平整度、结构体型设计与布置的合理性。

7)结构变形与位移检测。可以采用三轴定位仪、激光定位仪、激光测距仪、水准仪和全站仪等监测结构的变形和位移。一般利用水准仪检测结构基础的不均匀沉降，对需要确定基础沉降发展情况时还要对混凝土结构布置测点，测点位置要能够反映结构特点及地基变形特征，利用位移监测设施长期观测沉降量，结合结构腐蚀评价标准合理确定观测频次和周期，以更好地满足检测评价数据需求。

2.3 腐蚀评估方法

传统意义上的水工结构以强度设计为主，主要考虑结构在荷载作用下的适用性和安全性要求，对长期服役过程中腐蚀因素影响、环境作用劣化材料性能等考虑较少。调查显示，我国许多水工结构都面临着状态差、耐久性不良等问题，特别是侵蚀性环境大大缩短了结构的服役年限[8-9]。

水工混凝土结构腐蚀评估的重点是对结构耐久性受腐蚀作用的影响评估，即水工混凝土结构规定的耐久性不得受结构构件剥蚀、裂缝等局部损伤的影响，水工混凝土合理使用年限不得受结构、构件表面被磨损或侵蚀的影响，明确被腐蚀后水工结构的剩余使用寿命。此外，建筑物的地基、构件及其总体变形不得产生渗漏、不均匀沉降或过大沉降等影响正常使用的情况，保证结构安全不受影响，以满足水工混凝土结构达到设计规划时预定的各项功能。

3 腐蚀评估指标及方法

根据结构的耐久性和安全性影响程度[10]，将水工混凝土结构腐蚀划分成Ⅰ类轻微腐蚀、Ⅱ类一般腐蚀、Ⅲ类严重腐蚀、Ⅳ类特别严重腐蚀，各类腐蚀对建筑物耐久性和安全性的影响为无影响、轻微影响、一定影响、重大影响。

通常以检测参数作为水工混凝土结构腐蚀评价的基础，利用定性与定量相结合的方法，结合经验性专业知识和行业标准科学评估腐蚀程度[11]。其中，检测内容主要有保护层厚度、碳化程度、结构强度、裂缝分布、外观缺陷、钢筋锈蚀程度和分布情况等，辅以内部缺陷探测、密实度等，水工混凝土结构位于盐碱和沿海地区时还要对氯离子含量进行检测。

3.1 环境条件与使用年限评估

在建成运营、建设施工、规划设计时，水工混凝土结构不可避免地会出现环境腐蚀、开裂、内部和外观缺陷等因素作用，对结构的合理使用年限都将间接或直接地产生影响。水工混凝土结构腐蚀评估中各类永久水工建筑物可参照《水利合理使用年限及耐久性设计规范》执行，将水工混凝土结构所处的环境条件按照《水工混凝土设计规范》划分成5类。

3.2 混凝土质量评估

3.2.1 外观缺陷

混凝土外观缺陷有空蚀、渗漏、裂缝、磨损和冻融剥蚀，可借鉴单元工程施工质量验收、构筑物缺陷检测和评估、设计规范等行业标准分类评价。

3.2.2 混凝土强度与碳化

混凝土强度按照所处的环境和结构受力确定，参照标准有抗冲磨防空蚀技术规范、结构设计规范，以缺陷检测和评估技术规程为基础合理评定混凝土抗碳化性能。

3.2.3 保护层厚度、钢筋锈蚀

参照《水工混凝土结构设计规范》确定混凝土保护层厚度和允许偏差，结合混凝土表面开裂情况和钢筋外露情况评估内部钢筋锈蚀程度等级。

3.2.4 抗水、抗氯离子渗透性和抗冻性

实体混凝土抗渗等级、抗氯离子渗透性应结合水质条件、承受的水头、渗水危害程度、水利梯度等因素，参照《水工混凝土结构设计规范》综合评估。采用快冻试验方法按照《水工混凝土结构设计规范》确定混凝土抗冻等级，水工结构有抗冻要求时，还要结合表面局部小气候、结构重要性、冻融循环次数、检修情况、水饱和程度等评定抗冻等级。

3.3 剩余使用寿命评估法

目前，有加速试验、数学模型、随机寿命、基于经验和基于比较等生物使用寿命评估方法[12-13]。其中，数学模型预测法是以材料裂化模型(如耐久性综合评价模型、氯离子侵蚀模型、混凝土碳化预测模型等)预测使用寿命的方法，该方法的提出极大地推进了剩余使用寿命的研究，但因建筑材料性能裂化和环境作用机理的不确知性、不确定性、复杂性以及缺乏足够的数据和经验，简单的数学模型无法反映劣化过程中实际的作用机理和所有的因素，加之难以确定模型的参数，在建筑物的剩余使用年限及其耐久性预测时难以给出准确的结论[14-15]。因此，为提高评价标准及相关指标的可比性及权威性，应尽量以水工混凝土结构现行标准为依据，参考其它行业标准合理制定评估指标及相关指标。在腐蚀评估时直接引用现行标准会出现标准不完全合适、内容不够全面等现象，对此应结合腐蚀评估要求重新调整或划定指标分析，从而保证评价标准和指标的可行性[16-17]。

4 结 语

在建筑工程中对于混凝土的应用已有150年，受各种不利因素作用结构提前失效，这与结构耐久性和设计抗力不足、使用荷载不利变化等因素有关。结构合理使用年限按照水利水电工程耐久性设计规范为30-100a，而在长期运行过程中很容易出现结构腐蚀破坏甚至造成严重的社会、经济影响，所以必须科学设计混凝土耐久性。文章全面分析了水工结构腐蚀检测的相关要求和程序，并提出剩余使用寿命评估方法、腐蚀评估方法、水工结构腐蚀检测的内容和依据，以期为科学检测和评估水工结构腐蚀状况提供一定借鉴。