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        技術支持
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        結構混凝土耐久性檢測技術現狀與展望
        發布時間:2017-09-06 22:26:51 點擊量:

          結構混凝土的耐久性對保障工程結構的正常使用和長期安全服役具有重要意義。論文針對結構混凝土耐久性的主要問題闡述了相應的檢測技術,提出必須將實驗室檢測與現場結構實體檢測相結合,才能逐步提高結構混凝土耐久性的檢測評價水平!


        引言

          我國《建筑結構可靠度設計統一標準》(GB50068-2001)中對建筑結構的總體要求包含安全性、適用性和耐久性。在其它諸如橋梁結構、地下結構、水工結構、隧道結構、特種結構等土建結構中,安全性與耐久性也是不可或缺的要求。與安全性檢測評價所需的結構計算相比,混凝土結構耐久性的檢測評價目前還遠未達到可以準確計算的階段。其原因之一在于影響混凝土耐久性的因素極其復雜,過去實驗室的研究偏重單一因素下的劣化過程,而實際工程中混凝土受到荷載、環境、疲勞等多重作用,難以在實驗室真實重現[1]。工業建筑(尤其是冶金廠房)的服役環境較為嚴酷,高溫、重載、疲勞、腐蝕介質、碰撞等諸多因素造成許多混凝土結構廠房服役壽命遠低于民用建筑[2]。經驗表明,影響結構混凝土耐久性的主要因素有:表層混凝土滲透性、鋼筋銹蝕、化學腐蝕、內部缺陷等,本文主要對上述幾種病害的檢測技術進行綜述。
        表層混凝土滲透性
          混凝土的耐久性在相當程度上取決于其自身滲透性的好壞,因為外界有害介質,如鹽、堿、SO42-皆會滲入混凝土內部導致一系列病害,所以混凝土表層的滲透
        性構成了其耐久性的第一道防線。
          在實驗室有許多種方法檢測混凝土的滲透性,如用水做滲透介質時有穩態流動法和滲透深度法。另有Cl-擴散系數來評價混凝土滲透性也在國內外普遍應用,但上述方法均不便于直接用于現場檢測。英國等國較早開始用初始表面吸水率(ISAT)法評價混凝土滲透性,并制訂了英國標準BS 1881:122;另有用FIGG透氣法可現場檢測混凝土的透氣性,如圖1所示。比上述兩種方法自動化程度高的是北愛爾蘭女王大學Basheer教授團隊研發的Autoclam自動滲透儀,自2005年引進以來,在我國某核電站安全殼、某高速鐵路預制箱梁等多個工程中獲得應用(見圖2),對上述結構混凝土的耐久性評估提供了重要參考[3,4]。
          近年來,現場檢測混凝土的氯離子擴散系數的方法也引起工程界的注意。2011年發布的《鐵路混凝土》(GB/T 3275-2011)[5]標準附錄中規定了類似英國Permit的設備,可在現場對表層混凝土的氯離子擴散系數進行檢測,但有兩個問題:1)檢測得到的系數由于現場檢測條件不同于國內外實驗室的條件,因此不能直接利用現有標準進行滲透性分級,只可另外劃分滲透性等級;2)實驗耗時較長,對強度等級高的混凝土,可能需要8~10 h才能完成實驗。因此,這種方法的推廣還需一定時間。



        鋼筋銹蝕


          混凝土內埋置鋼筋的銹蝕、混凝土開裂導致的構件承載力不足引起的結構耐久年限降低,是影響混凝土結構耐久性最主要因素之一。在工業廠房中,除化工車間、酸洗車間等有侵蝕性化學物質擴散的車間外,因鋼筋銹蝕引起的結構耐久性破壞也比較多見。在水工、海工及道橋結構中,鋼筋銹蝕開裂破損的現象也很普遍。根據鋼筋銹蝕原因、銹蝕機理以及銹蝕特征,檢查混凝土中鋼筋腐蝕可按圖3所示的流程圖進行。其中雜散電流引起的鋼筋銹蝕在電解鋁生產車間、地鐵軌道附近的混凝土結構中可能碰到,有時會引起嚴重的鋼筋銹蝕。
          國產的半電池電位測試儀目前已在工程中使用,所使用的判據與ASTM 876-83類似,主要給出定性的結果。若要檢測腐蝕電流密度,可使用根據線性極化原理制造的儀器,目前以國外產品測試結果較為穩定。




        化學腐蝕


        3.1 混凝土堿骨料反應
          堿—骨料反應是混凝土內部的堿(K2O、Na2O)與活性骨料在水分供應充足的條件下發生的反應,反應產物為堿—硅凝膠,遇水膨脹,引起混凝土嚴重開裂。在素混凝土中,多為網狀裂縫;有鋼筋約束時,常表現為順筋開裂。我國在鐵路、公路、機場等基礎設施中已發現破壞實例。
          世界各國已發現的堿骨料反應以堿-硅反應為主,其發生需要3個條件:堿硅活性骨料、堿含量超標、足量水分供應,三者缺一不可。必須注意,堿-硅反應可能需要很長時間的積累才可能導致開裂,所造成的裂縫常成為加速諸如鋼筋銹蝕等過程的通道。單因為堿骨料反應造成的結構倒塌或失效的工程實例較少,但決不能因此忽視檢測堿-硅反應這種危害嚴重的化學腐蝕[6]。
          對堿-硅反應的檢測通常包括:1)現場觀察裂縫兩邊是否平齊,裂縫周邊是否有凝膠類物質等;2)實驗室巖相分析,確定粗細骨料是否為堿活性骨料;3)混凝土芯樣斷面觀察,氣孔中是否有白色松軟的反應產物,若不確定,應隔絕空氣處置,并送實驗室進行電子顯微鏡和能譜分析,確定是否為硅酸鉀(鈉)凝膠,這是發生堿-硅反應的直接證據;4)膨脹試驗,確定從現場取得的混凝土芯樣是否具有潛在膨脹性。某工程現場發現的產物和電鏡分析如圖4所示。



        3.2 碳硫硅鈣石侵蝕
          這是一種特殊的外部硫酸鹽侵蝕(一般發生在環境溫度低于15℃、同時具備硫酸鹽、碳酸根、水,能將混凝土的強度基礎C-S-H凝膠腐蝕使其失去強度,因生成物中有碳硫硅鈣石thaumasite而得名),英國1965年首次發現,1998年英國格洛斯特郡10座高速公路橋基礎因此原因破壞,之后英國成立了關于此現象的專家委員會,并于1999年提交報告,明確提出需預防此種破壞。2002年第1屆碳硫硅鈣石侵蝕的國際會議在英國召開,2003年我國首次報道了在八盤峽水壩廊道混凝土中發現此種破壞現象,之后國內外不少學者在實驗室進行了研究,但在實際工程中該反應的產物和鈣礬石非常類似,有時不易辨別[7]。
          2014年10月,我國某山區鐵路隧道在即將竣工時發現襯砌混凝土發生了膨脹變形,隧道滲漏嚴重,經現場對隧道破壞段及完好段進行對比檢測分析,確認破壞嚴重的100 m的襯砌混凝土是在外部硫酸鹽侵蝕下發生了碳硫硅鈣石侵蝕[8]:隧道圍巖水、地表水中均含SO42-和HCO3-,受腐蝕段地下水的上游100~1000m處存在石膏鹽地層;受腐蝕段處隧道圍巖水、土、初支混凝土中共同具備了碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕的四個基本條件,且該段的深埋、常年低溫環境(隧洞內常年為8℃~15℃)加速了其受碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕。碳硫硅鈣石為無膠結能力的泥狀、果肉狀物,疏松無強度,通常呈灰白色、淺灰色;腐蝕段隧道初期支護混凝土中已觀察到大量的此種硫酸鹽腐蝕產物(見圖5)。



          我國地域遼闊,目前在混凝土設計規范中尚沒有針對碳硫硅鈣石侵蝕的防止措施。事實上,國內東北、華北、西北等地區不少混凝土結構在15℃以下服役,加上近來石灰石粉作為一種新型摻和料應用日漸增多,必須對工程中發生這種化學腐蝕的風險進行預防。在進行硫酸鹽腐蝕檢測分析時,需在現場對服役環境中接觸混凝土的土壤或水體中的硫酸鹽及碳酸鹽濃度進行實驗室檢測,對懷疑有腐蝕的混凝土,應取樣進行微觀分析以區分鈣礬石或碳硫硅鈣石。


        內部缺陷


          結構混凝土的內部缺陷一般可通過超聲儀、雷達波等進行檢測。在工程中目前常遇到的兩種需求是:1)檢測鋼管混凝土構件鋼管壁和內部混凝土之間的脫空;2)先張法預應力梁灌漿密實度的檢測。
          近年來,我國開發的彈性波層析掃描(ComputerizedTomography,簡稱CT)在工程中得到一些應用,有望成為一種全面、直觀評價混凝土內部質量的較好的無損檢測方法[9]。廣東某橋采用跨度為43+2×75+43 mPC連續剛構,用彈性波CT法對其灌漿密實度進行檢測,可以比較清楚地區分灌漿缺陷所在位置,如圖6所示。



        內部缺陷
          結構混凝土的內部缺陷一般可通過超聲儀、雷達波等進行檢測。在工程中目前常遇到的兩種需求是:1)檢測鋼管混凝土構件鋼管壁和內部混凝土之間的脫空;2)先張法預應力梁灌漿密實度的檢測。


          近年來,我國開發的彈性波層析掃描(ComputerizedTomography,簡稱CT)在工程中得到一些應用,有望成為一種全面、直觀評價混凝土內部質量的較好的無損檢測方法[9]。廣東某橋采用跨度為43+2×75+43 mPC連續剛構,用彈性波CT法對其灌漿密實度進行檢測,可以比較清楚地區分灌漿缺陷所在位置,如圖6所示


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