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结构混凝土耐久性检测技术现状与展望
时间:2016-04-01     浏览量:1528 返回
  结构混凝土的耐久性对保障工程结构的正常使用和长期安全服役具有重要意义。论文针对结构混凝土耐久性的主要问题阐述了相应的检测技术,提出必须将实验室检测与现场结构实体检测相结合,才能逐步提高结构混凝土耐久性的检测评价水平。 


引言

  
  我国《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)中对建筑结构的总体要求包含安全性、适用性和耐久性。在其它诸如桥梁结构、地下结构、水工结构、隧道结构、特种结构等土建结构中,安全性与耐久性也是不可或缺的要求。与安全性检测评价所需的结构计算相比,混凝土结构耐久性的检测评价目前还远未达到可以准确计算的阶段。其原因之一在于影响混凝土耐久性的因素极其复杂,过去实验室的研究偏重单一因素下的劣化过程,而实际工程中混凝土受到荷载、环境、疲劳等多重作用,难以在实验室真实重现[1]。工业建筑(尤其是冶金厂房)的服役环境较为严酷,高温、重载、疲劳、腐蚀介质、碰撞等诸多因素造成许多混凝土结构厂房服役寿命远低于民用建筑[2]。经验表明,影响结构混凝土耐久性的主要因素有:表层混凝土渗透性、钢筋锈蚀、化学腐蚀、内部缺陷等,本文主要对上述几种病害的检测技术进行综述。
表层混凝土渗透性
  混凝土的耐久性在相当程度上取决于其自身渗透性的好坏,因为外界有害介质,如盐、碱、SO42-皆会渗入混凝土内部导致一系列病害,所以混凝土表层的渗透
性构成了其耐久性的第一道防线。
  在实验室有许多种方法检测混凝土的渗透性,如用水做渗透介质时有稳态流动法和渗透深度法。另有Cl-扩散系数来评价混凝土渗透性也在国内外普遍应用,但上述方法均不便于直接用于现场检测。英国等国较早开始用初始表面吸水率(ISAT)法评价混凝土渗透性,并制订了英国标准BS 1881:122;另有用FIGG透气法可现场检测混凝土的透气性,如图1所示。比上述两种方法自动化程度高的是北爱尔兰女王大学Basheer教授团队研发的Autoclam自动渗透仪,自2005年引进以来,在我国某核电站安全壳、某高速铁路预制箱梁等多个工程中获得应用(见图2),对上述结构混凝土的耐久性评估提供了重要参考[3,4]。
  近年来,现场检测混凝土的氯离子扩散系数的方法也引起工程界的注意。2011年发布的《铁路混凝土》(GB/T 3275-2011)[5]标准附录中规定了类似英国Permit的设备,可在现场对表层混凝土的氯离子扩散系数进行检测,但有两个问题:1)检测得到的系数由于现场检测条件不同于国内外实验室的条件,因此不能直接利用现有标准进行渗透性分级,只可另外划分渗透性等级;2)实验耗时较长,对强度等级高的混凝土,可能需要8~10 h才能完成实验。因此,这种方法的推广还需一定时间。






钢筋锈蚀


  混凝土内埋置钢筋的锈蚀、混凝土开裂导致的构件承载力不足引起的结构耐久年限降低,是影响混凝土结构耐久性最主要因素之一。在工业厂房中,除化工车间、酸洗车间等有侵蚀性化学物质扩散的车间外,因钢筋锈蚀引起的结构耐久性破坏也比较多见。在水工、海工及道桥结构中,钢筋锈蚀开裂破损的现象也很普遍。根据钢筋锈蚀原因、锈蚀机理以及锈蚀特征,检查混凝土中钢筋腐蚀可按图3所示的流程图进行。其中杂散电流引起的钢筋锈蚀在电解铝生产车间、地铁轨道附近的混凝土结构中可能碰到,有时会引起严重的钢筋锈蚀。
  国产的半电池电位测试仪目前已在工程中使用,所使用的判据与ASTM 876-83类似,主要给出定性的结果。若要检测腐蚀电流密度,可使用根据线性极化原理制造的仪器,目前以国外产品测试结果较为稳定。





化学腐蚀


3.1 混凝土碱骨料反应
  碱—骨料反应是混凝土内部的碱(K2O、Na2O)与活性骨料在水分供应充足的条件下发生的反应,反应产物为碱—硅凝胶,遇水膨胀,引起混凝土严重开裂。在素混凝土中,多为网状裂缝;有钢筋约束时,常表现为顺筋开裂。我国在铁路、公路、机场等基础设施中已发现破坏实例。
  世界各国已发现的碱骨料反应以碱-硅反应为主,其发生需要3个条件:碱硅活性骨料、碱含量超标、足量水分供应,三者缺一不可。必须注意,碱-硅反应可能需要很长时间的积累才可能导致开裂,所造成的裂缝常成为加速诸如钢筋锈蚀等过程的通道。单因为碱骨料反应造成的结构倒塌或失效的工程实例较少,但决不能因此忽视检测碱-硅反应这种危害严重的化学腐蚀[6]。
  对碱-硅反应的检测通常包括:1)现场观察裂缝两边是否平齐,裂缝周边是否有凝胶类物质等;2)实验室岩相分析,确定粗细骨料是否为碱活性骨料;3)混凝土芯样断面观察,气孔中是否有白色松软的反应产物,若不确定,应隔绝空气处置,并送实验室进行电子显微镜和能谱分析,确定是否为硅酸钾(钠)凝胶,这是发生碱-硅反应的直接证据;4)膨胀试验,确定从现场取得的混凝土芯样是否具有潜在膨胀性。某工程现场发现的产物和电镜分析如图4所示。




3.2 碳硫硅钙石侵蚀
  这是一种特殊的外部硫酸盐侵蚀(一般发生在环境温度低于15℃、同时具备硫酸盐、碳酸根、水,能将混凝土的强度基础C-S-H凝胶腐蚀使其失去强度,因生成物中有碳硫硅钙石thaumasite而得名),英国1965年首次发现,1998年英国格洛斯特郡10座高速公路桥基础因此原因破坏,之后英国成立了关于此现象的专家委员会,并于1999年提交报告,明确提出需预防此种破坏。2002年第1届碳硫硅钙石侵蚀的国际会议在英国召开,2003年我国首次报道了在八盘峡水坝廊道混凝土中发现此种破坏现象,之后国内外不少学者在实验室进行了研究,但在实际工程中该反应的产物和钙矾石非常类似,有时不易辨别[7]。
  2014年10月,我国某山区铁路隧道在即将竣工时发现衬砌混凝土发生了膨胀变形,隧道渗漏严重,经现场对隧道破坏段及完好段进行对比检测分析,确认破坏严重的100 m的衬砌混凝土是在外部硫酸盐侵蚀下发生了碳硫硅钙石侵蚀[8]:隧道围岩水、地表水中均含SO42-和HCO3-,受腐蚀段地下水的上游100~1000m处存在石膏盐地层;受腐蚀段处隧道围岩水、土、初支混凝土中共同具备了碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀的四个基本条件,且该段的深埋、常年低温环境(隧洞内常年为8℃~15℃)加速了其受碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀。碳硫硅钙石为无胶结能力的泥状、果肉状物,疏松无强度,通常呈灰白色、浅灰色;腐蚀段隧道初期支护混凝土中已观察到大量的此种硫酸盐腐蚀产物(见图5)。




  我国地域辽阔,目前在混凝土设计规范中尚没有针对碳硫硅钙石侵蚀的防止措施。事实上,国内东北、华北、西北等地区不少混凝土结构在15℃以下服役,加上近来石灰石粉作为一种新型掺和料应用日渐增多,必须对工程中发生这种化学腐蚀的风险进行预防。在进行硫酸盐腐蚀检测分析时,需在现场对服役环境中接触混凝土的土壤或水体中的硫酸盐及碳酸盐浓度进行实验室检测,对怀疑有腐蚀的混凝土,应取样进行微观分析以区分钙矾石或碳硫硅钙石。


内部缺陷


  结构混凝土的内部缺陷一般可通过超声仪、雷达波等进行检测。在工程中目前常遇到的两种需求是:1)检测钢管混凝土构件钢管壁和内部混凝土之间的脱空;2)先张法预应力梁灌浆密实度的检测。
  近年来,我国开发的弹性波层析扫描(ComputerizedTomography,简称CT)在工程中得到一些应用,有望成为一种全面、直观评价混凝土内部质量的较好的无损检测方法[9]。广东某桥采用跨度为43+2×75+43 mPC连续刚构,用弹性波CT法对其灌浆密实度进行检测,可以比较清楚地区分灌浆缺陷所在位置,如图6所示。









内部缺陷





  结构混凝土的内部缺陷一般可通过超声仪、雷达波等进行检测。在工程中目前常遇到的两种需求是:1)检测钢管混凝土构件钢管壁和内部混凝土之间的脱空;2)先张法预应力梁灌浆密实度的检测。



  近年来,我国开发的弹性波层析扫描(ComputerizedTomography,简称CT)在工程中得到一些应用,有望成为一种全面、直观评价混凝土内部质量的较好的无损检测方法[9]。广东某桥采用跨度为43+2×75+43 mPC连续刚构,用弹性波CT法对其灌浆密实度进行检测,可以比较清楚地区分灌浆缺陷所在位置,如图6所示。






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