海洋环境下混凝土耐久性现场无损检测技术

杨 迪，韩依璇，张宇峰，张 研

（1.河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 210098；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；3.长大桥梁健康检测与诊断技术交通行业重点实验室，江苏 南京 211112；4.江苏省公路桥梁工程技术研究中心，江苏 南京 211112）

我国海岸线蜿蜒曲折且漫长，处于海洋或临海环境下的混凝土结构数量众多。据统计，全球各国因材料腐蚀造成的直接经济损失可占GDP的4%~6%，其中钢筋混凝土的腐蚀占一半以上［1］。大量工程实际表明，处于海洋环境下的混凝土结构，由于长期受氯盐侵蚀、海水干湿循环等作用的影响，性能劣化现象尤为严重，故其结构耐久性能受到社会各界的广泛关注。

对混凝土结构的耐久性能的控制和提升，可以从结构全寿命周期的各个阶段入手。例如，结构设计时，现行国家标准《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476—2008）、铁道部颁布的《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB 10005—2010）和在编的交通部规程《公路工程混凝土结构耐久性设计细则》［2］均对处于海洋环境下混凝土结构的耐久性设计提出了明确要求。由于相关研究起步较晚以及重视度不够等原因，针对已建成和处于使用阶段混凝土结构耐久性能检测的相关规范不全，检测工作开展不够。目前对混凝土结构耐久性的检测，往往是采用和结构相同的配合比，针对在实验室成型混凝土试件，开展室内检测试验。由于室内试验条件、环境、外荷载与工程实际的差异以及尺寸效应、边界效应等原因，室内试验结果通常与实体结构取芯检测结果相差甚远。对实体混凝土结构开展耐久性能的专项检测，不仅能够真实、全面地了解结构状况，为使用寿命预测提供重要参数，也能为管养措施和维修加固方案的制定提供参考和依据［3-4］。本文首先梳理了海洋环境下混凝土结构的耐久性指标，并对各指标的检测技术进行了比对分析。此外，着重介绍了可应用于现场的无损检测技术，并对今后的研究发展提出了建议。

1 混凝土结构耐久性常规检测指标和技术

海洋环境下的混凝土结构耐久性能检测，除混凝土强度、裂缝状况、保护层厚度、钢筋锈蚀状况等常规指标外，还包括混凝土氯离子含量以及混凝土抗渗性能等专项指标。混凝土强度、裂缝是常规检测内容，目前已能实现现场无损检测，而部分专项指标的现场检测，有些为取芯有损检测，有些为取粉微损检测，较少能够做到无损［5］。对于实体混凝土结构而言，无损检测技术能够最大限度地减少检测工作对结构产生的扰动，提高检测效率，也能够避免因有损检测可能侵入的外界腐蚀介质，适宜长期使用，其检测数据也能够为研究结构长期性能的变化规律提供重要依据［6］。

国内外混凝土耐久性能常规检测指标及其技术的适用范围和优缺点见表1，表中各指标的检测技术已较为成熟，检测时可根据需要选取相应的方法。

表1 混凝土结构性能常规检测指标

2 RCT法检测混凝土氯离子含量

混凝土结构氯离子含量的检测可选用RCT法（离子选择电极法）、硝酸银滴定法以及佛尔哈德法，详见表2。现场检测时，宜选用对结构扰动较小的RCT法。

表2 混凝土氯离子含量检测方法及技术

RCT法是根据不含任何杂质的氯离子溶液在电极作用下产生的电位差与液相中的氯离子浓度成正比的关系，来推定混凝土中氯离子含量的一种现场检测技术。检测前，应先测量测点处混凝土碳化深度以界定混凝土碳化区域，将沿未碳化区刮取的适量混凝土粉末与特定的萃取液混合，仅提取混凝土灰粉中的氯离子，测定萃取后溶液的电压值，对比已知氯离子浓度的纯溶液所产生的电位差画出电位差（电压）标准曲线即可找出其对应的氯离子含量百分比［7］。该方法操作简单、设备小巧、检测时间短，可以快速测定混凝土中氯离子含量，无需使用除RCT仪器外的其他设备，并且能够满足现场测试精度的要求，结果明确、清晰。但由于需要检测溶液的电位差，故RCT仪器电极的校准至关重要，它直接关系到标准电位曲线的准确性和电极对溶液反应的敏感度，因此要求较高。

RCT法作为一种微损的检测方法，在我国已经应用于部分工程之中，如采用RCT法检测嘉兴港某码头的混凝土墙不同高度处的氯离子质量分数，用以研究海水干湿交替区的混凝土中氯离子分布随高程的变化规律等［8］。

3 混凝土抗渗性能检测

对混凝土结构抗渗性能的评价多采用实体结构取样、室内试验的有损检测方法，而现场检测尚无相应的参考规范。混凝土抗渗性能的指标和技术可以划分为3类：抗水渗透法、离子渗透性法以及气体渗透法，见表3。由于抗水渗透法采取室内成型试件，且对高强混凝土不适用，在应用中受到限制，故不能作为现场无损检测的手段。而离子渗透性法及气体渗透法目前已有一定的研究成果，其现场无损、微损检测技术已应用于部分工程之中。

表3 混凝土抗渗性能检测方法及技术

3.1 抗水渗透法

混凝土结构抗水渗透性能的检测方法包括抗渗标号法（逐级加压法）及渗水高度法，以抗渗标号法为主。该方法采取实验室成型试样或在混凝土结构上钻取较多芯样，而后进行室内试验，故该方法对结构扰动较大，且不适用于高强混凝土，其应用范围受到限制。

3.2 离子渗透法

Permit法作为现今唯一一种可以现场测定混凝土抗氯离子渗透性能的方法，因其设备便携、时间短、易于操作及数据自动采集等优点，被较多使用。

Permit离子迁移仪由2个互相隔离的同心溶液室构成，内室电极为阴极，材质为不锈钢，外室电极为阳极，材质为普通低碳钢，仪器结构示意图见图1、图2［9-10］。测试时，测试器可用螺栓或夹钳固定于被测试区域，通过在内、外室间施加电压，离子可由内室迁移至外室［11］。外室中设有用于测定电导的探头，测试时间间隔通常在1~15 min范围内选择。使用溶液电导率与氯离子浓度的关系可换算出外室溶液的氯离子浓度。当试验达到稳态阶段，基于稳态电迁移理论，测定单位时间氯离子的迁移量，应用Nernst-Planck方程即可计算出氯离子迁移系数。

该方法能够反映表层混凝土抗氯离子渗透性能，检测时要求测区内构件表面平整，试验前需要用去离子水浸泡待测构件表面24 h以上以达到表面饱水，然后在表面钻孔，并用直径为6 mm螺栓固定测试器固定。该方法也存在着一些不足，如仅对表层15 mm深度范围内混凝土的测试精度较高，而对构件内部离子影响较小，难以检测；对稳态阶段的界定存在主观性差异，所得电导变化率不同，导致测得的氯离子迁移系数也有所差异；混凝土表面饱水程度越低，到达稳态迁移时间越长，试验所需时间也越长。

图1 Permit离子迁移仪测试器示意图

3.3 气体渗透系数法

在众多混凝土气体渗透性能测试方法中，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。法国研发出应用于实体混凝土结构的基于气压差值法的气体渗透系数检测技术，已在核电站乏燃料水池的混凝土层和混凝土桥梁结构中进行应用。

使用该技术检测前，在混凝土构件内预埋或钻孔埋设探针，探针对构件性能无影响且可长期、重复使用。检测时，首先向探头内注入惰性气体（如氩气），气体通过由特殊多孔不锈钢制成的探针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［12］。基于达西法则，即可求出混凝土的气体渗透系数，实现对混凝土结构气体渗透性能的现场、长期且无损检测，检测装置见图2。

图2 基于气压差值法的气体渗透系数测量技术

由于混凝土的气体渗透系数受其自身的水饱和度影响较大，且工程现场很难测出混凝土自身的水饱和度。因而现场检测前，需要在实验室内对不同水饱和度的混凝土气体渗透系数进行标定。这样现场检测结果不仅可以获得混凝土的气体渗透系数，还能够获得其水饱和度。这些数据对研究混凝土的性能劣化规律，开展使用寿命预测而言，十分重要。

与其他混凝土渗透性能测量方法相比，基于气压差值法的气体渗透系数检测技术具有以下优点：（1）对结构性能扰动极低，为现场、无损检测；（2）检测步骤简单，操作性强，结果直观；（3）以惰性气体为介质，不改变混凝土的微观结构和组成。

4 结语

海洋环境下的混凝土结构耐久性的现场无损或微损检测技术的研究与推广应用对工程项目建设、运营全周期的管理和养护具有重要意义，基于研究现状，今后可以从以下几个方面开展深入研究：

（1）针对Permit法以及基于气压差值法的混凝土气体渗透性系数检测尚无参考规范的情况，研究以上指标与现有评价指标的关系，从而实现将无损检测技术指标纳入混凝土结构管理养护标准中；

（2）通过优化计算方法与方式，进一步提升耐久性指标检测结果在混凝土结构长期性能劣化规律以及剩余使用寿命预测方面的应用；

（3）对处于潮差区混凝土结构或构件，其性能劣化情况尤为严重，此时Permit法因不能反映结构内部状况而不再适用，因此，研究氯离子扩散系数与气体渗透系数的相关性也是有待解决的重要问题；

（4）目前，我国对于桥梁结构耐久性能状况检测与评估的相关规范中，主要通过对各主要构件的性能检测，进而评估各构件和桥梁结构整体状况等级；但最新研究表明，桥梁耐久性能的检测与评估仅停留在构件层次仍不够，可采用更为全面、科学的结构状态分析方法，如模态分析法等与现场检测相结合，从而提高桥梁结构耐久性能的检测水平。

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