混凝土桥梁预应力钢筋锈蚀的检测方法与防护修复研究进展

随着桥梁建设的发展，混凝土结构中预应力钢筋锈蚀受到关注，准确检测其锈蚀情况对评估桥梁安全性和耐久性意义重大。钢筋混凝土锈蚀检测方法分破损与无损两大类。破损检测局限性大、应用少，无损检测应用广且研究深入。

破损检测是一种物理检测方法。当钢筋锈蚀比较严重时，凿除混凝土的保护层到暴露出锈蚀钢筋，确定其锈蚀情况，并测量由锈蚀导致的横截面和质量损失率。

这种方法可以直接观察并计算混凝土的腐蚀情况，具有较高的直观性和准确性，但耗时耗力，并且会对结构或构件造成破坏，影响后续维修，所以在实际工程中一般不允许使用。

综合分析法在无损检测中作为一种从宏观角度辅助验证的预测方法，其核心在于依赖准确的钢筋锈蚀的预测模型。预测模型需要考虑多种因素，如环境因素、钢筋自身特性等。

这一方法通过整合各种影响因素，构建预测模型来对钢筋锈蚀情况进行预估，为其他检测方法提供理论参考和数据支持。

Bazant尝试初步建立在海洋环境中关于锈蚀量的数学理论模型，为后续研究奠定了一定的理论基础。刘西拉等在他的基础上研究氢氧根离子在混凝土内部的扩散规律，提出结构预测的寿命模型，进一步完善了预测相关的理论研究。

在一般大气环境方面，有文献报道得到了锈蚀量与时间可以拟合成指数曲线的成果。在实际应用研究中，安徽水利科学研究院根据碳化深度来推测钢筋锈蚀程度，中国建筑科学研究院研究了钢筋截面的损失情况与裂缝宽度之间的关系，同济大学研究了裂缝宽度与锈蚀深度的关系预测钢筋截面的损失情况。

这些研究从不同角度为综合分析法中的预测模型提供了依据或者补充，是综合分析法不断发展的重要支撑。

物理检测的方法一般是依据钢筋锈蚀引起的电磁、电阻、热传导等物理变化来侧面反映钢筋内部的锈蚀情况。

使用与钢筋相同材质的探针，浇筑在混凝土之中，利用电桥原理，测算电阻值的变化大小，依据物理关系对钢筋的锈蚀情况进行推测。其优点是经济性较好且便于操作，然而在实际应用中，由于电阻的测算值受其他因子的影响较大，而且只能用于钢筋锈蚀的停止与开始的判断，所以实际应用较少。

涡流探测法利用电磁设备放置在混凝土结构表面，使某段钢筋达到磁饱和状态，通过感应钢筋的面积异常变化判断钢筋的锈蚀情况。当前发现漏磁通对内部钢筋腐蚀情况的检测效果优于感应磁场。

涡流热成像技术结合了涡流探测与热成像技术，是利用焦耳物理效应在红外热像仪上记录热信号，利用电磁来检测的方法，钢筋锈蚀越严重，磁场变化越明显，这种方法可以用于初步估计钢筋锈蚀程度，从而对钢筋做进行进一步处理。

借助物理强射线对钢筋混凝土内的吸收情况不同来反映内部钢筋锈蚀情况，由于射线的穿透性有限，因此适用于厚度较小、钢筋较浅的混凝土结构。也可以通过获取射线底片来直接反馈钢筋锈蚀情况，但由于内部产物的复杂性，只能用于初步估计。

将红外热成像技术引入到钢筋锈蚀检测上是无损检测的重大突破，由于钢筋锈蚀处表面组分不同，经过处理能够将红外辐射转化为热图像，进而再转化为温度分布图像。根据热图像与温度分布图像能够对钢筋锈蚀深度、破损位置及大小进行常规的直观判断。

红外热成像技术对钢筋锈蚀的检测结果具有直观性、实时性，因此大大提高了检测效率，但由于内部结构锈蚀的复杂性与外部环境的辐射性，容易对收集到的热图像信号形成干扰，因此使用时应注意该部分的影响。

光纤传感检测法是利用光纤维传感器接收、反映光子的原理。在检测过程中，当纤维传导的温度信号等发生变化时，光的频率、偏振、波长等会产生变化来帮助进一步确定内部钢筋锈蚀的情况。

当前利用光纤检测钢筋锈蚀有两种方法：一种是对钢筋混凝土周围的环境情况进行检测，另一种是根据传感器接收应变的变化情况来检测钢筋锈蚀的情况。光纤维检测技术具有抗电磁干扰、方便、检测效率高等优点，但同时对信号分析处理较为复杂。

图4 光纤传感器工作原理

探测雷达检测技术还处于不断完善和发展的阶段，洪舒贤等对利用探测雷达反馈收集的反射波振幅进行了研究。在钢筋发生锈蚀之前，反射波振幅随着锈蚀加速不断变大，钢筋锈蚀之后，反射波振幅随着锈胀裂缝宽度的变大而变小，且反射波振幅随着竖向锈胀裂缝中锈蚀产物填充量的变大而变大。当出现裂缝时，反射波振幅变化最明显，因此在结构发生开裂前的检测效果明显。

超声波检测技术是利用发射超声波并收集回波信号波形信息的一种常规无损检测技术。汪佳宇等对钢筋的机械损伤与锈蚀检测进行了对比研究，利用该技术可以判断钢筋损伤位置以及判断内部钢筋的锈蚀情况。

该方法还有待进一步发展，适用于判断钢筋是否发生大面积锈蚀，对内部钢筋过程锈蚀量并不能很好的体现。

声发射（AE）检测技术是一种适用于预应力混凝土结构的监测方法。Devon首次提出了AE方法在腐蚀监测中的应用，试验结果表明AE对腐蚀较为敏感。

AE法在各种腐蚀中具有较强的敏感性，在SEM辅助观察下，能够发现侵蚀性物质对钝化层的破坏和钢腐蚀过程中声学活动演变存在的几个阶段，分别对应于裂纹的产生、裂纹的扩展和钢的失效。并且，AE技术可能是唯一能够在混凝土发生重大损坏之前可靠地检测腐蚀过程早期阶段的技术。

Zdunek等已经进行了一些试点研究来调查AE检测钢筋混凝土腐蚀的能力，实验装置如下图。ElBatanouny等对预应力混凝土结构进行了类似的研究，结果表明AE能够检测嵌入混凝土中的钢筋腐蚀。AE强度分析能够区分不同程度的腐蚀，对试样进行了负载测试以测量剩余容量，结果表明AE能够在腐蚀损伤影响预应力结构的强度之前检测到腐蚀损伤。

图5 声发射检测装置实验图与典型声波信号图

Mangual等提出了基于AE强度分析的腐蚀分类图表，这是一种根据AE信号强度表征损伤的方法，这使得声发射能够发展成一种损伤量化工具，用于确定维护优先级。因此AE分析技术在预应力钢筋锈蚀的检测上具有广阔的应用前景。

钢筋锈蚀的过程是电化学反应的过程，因此利用电化学检测钢筋锈蚀是钢筋锈蚀检测的重要方法。电化学检测技术具有测试速度快、测试结果准等优点。

线性极化法是一种根据测量钢筋混凝土内部的极化电阻来计算腐蚀速率的方法。该方法虽然具有一定的优势，可以通过计算腐蚀电流密度直接获得钢筋的腐蚀速率，但在实际应用中也存在一些局限性。当测量较长的钢筋时容易受到极化扰动，从而难以确定表面积，此外微小电流的控制有时也难以把握，因此在测量准确性上存在一定误差。根据腐蚀电流密度将腐蚀速率划分为多种类型，具体如表1所示。

根据当前研究发现，混凝土的电阻率和钢筋的锈蚀速率成反比，因此可以通过测量电阻率来反映钢筋腐蚀情况。测量混凝土电阻率时需要具备两个电极，在混凝土测试区外部施加局部电压，测量电流从而得到电阻。

四探针法是一种典型的电阻率测试方法，锈蚀状态的判别如表2所示。电阻率测试方法易受到环境的影响，因此测试的结果准确性不高。

交流阻抗法是通过对钢筋混凝土结构施加小振幅正弦波信号，得到正弦电压信号，通过对锈蚀过程的相关电化学参数进行解析，从而描述混凝土内部钢筋锈蚀速率和锈蚀状态。

当前交流阻抗法在实验室内使用较多，低频段可以获得钢筋表面钝化膜的性质，高频段可以获得混凝土的介电性质。通常使用三电极的测试方法，参比电极使用饱和的甘汞电极，辅助电极使用铂电极，工作电极为测试钢筋。该技术的缺点是测试时间长，对仪器设备要求较高且数据处理较复杂。

图8 交流阻抗法实验室装置示意图

恒电量法是利用微小电荷作为激励信号，传输到钢筋混凝土结构中，通过测量分析刺激信号的衰弱曲线，从而获得钢筋锈蚀的情况。由于使用的信号小，持续时间短，因此测试的难度较大。

半电池电位法是一种可以定性判断内部钢筋锈蚀程度的有效方法，在现场与实际中都具有较好的适用性，当前各个国家的判别标准具有一定的差异，具体如表3所示。在测试过程中，测量钢筋与参比电极之间的电位差，根据电位差大小判断钢筋的腐蚀状态和腐蚀进程。

在预应力钢筋锈蚀修复中，氢效应是一个普遍需要考虑的问题，它会影响修复方法的有效性和安全性。下面介绍的常见修复方法在应用于预应力钢筋修复时都受到氢效应的影响。

混凝土结构耐久性修复技术主要包括电化学修复和物理修复技术。物理修复技术是对混凝土出现轻度锈蚀的钢筋进行除锈防锈，出现锈胀裂缝较大时凿除已经劣化的混凝土保护层，对钢筋进行补强或更换。电化学修复技术主要有牺牲阳极的阴极保护法、外加电流辅助阳极法、电化学除氯技术、电化学再碱化、电迁阻锈剂技术、双向电迁技术等。

目前许多技术被用于修复钢筋的锈蚀，但这些技术的应用范围还不够广，工程效果还有待优化。预应力钢筋锈蚀的修复方法建立在普通钢筋锈蚀修复的基础上，部分修复方法在预应力钢筋锈蚀的修复中缺乏一定的实用性。常见的五种修复方法如下：

电化学除氯是一种有效排除钢筋混凝土中氯离子的方法，以钢筋作为阴极，外置金属片作为阳极，通过施加电压排除氯离子使钢筋恢复钝化。

图11 电化学除氯原理示意图

除氯系统与外加电源阴极保护系统很相似，有所不同的是该系统常用的是临时性阳极，施加的电流密度比阴极保护系统高。

该方法操作简单且成本较低，然而其应用于预应力钢筋修复时面临一些挑战，如钢筋表面产生氢氧根离子，碱金属阳离子聚集在钢筋周围碱度明显增高可能会诱导碱骨料的发生，除氯之后的钢筋与混凝土的性能的变化，钢筋表面发生的析氢反应等。

电化学再碱化是在混凝土构件上的外部电极与钢筋之间通入直流电，以外部电极作为阳极，钢筋作为阴极，对钢筋进行阴极极化。钢筋的表面产生氢氧根离子使混凝土周围的碱性升高，从而为钢筋表面的钝化膜提供必要条件。

图12 电化学再碱化实验装置原理示意图

目前对电化学再碱化的研究存在分歧。朱雅仙认为阴极反应产物OH-由钢筋一侧向混凝土表面移动，部分OH-会遗留在钢筋周围使pH值升高；但Velibasakis等认为外部碱性溶液在电渗作用下渗透到混凝土内部恢复碱性环境；而Andrade等认为碳化混凝土的再碱化是通过电化学反应和电渗作用实现的，目前更多人支持Andrade的观点。

电沉积修复法是在混凝土中施加微小电流，在电场的作用下阳离子迁移到混凝土表面，生成的沉淀物将微裂缝堵塞，该方法可应用于水下环境中的混凝土微裂缝修复，对于受到氯盐侵蚀的钢筋混凝土修复效果较好。

在这种修复方法的应用中，电沉积溶液的选择至关重要。Otsuki等对电沉积溶液进行了研究，得出MgCl2和ZnSO4为较好的沉积液。该方法对于电沉积中离子运动规律和化学反应的原理以及评价效果还需要进一步研究。

双向电渗法是在混凝土外表层布置不锈钢网片，钢筋作为阴极，金属网作为阳极。在电场的作用下，阻锈剂被电解出的阳离子迁移到钢筋表面，同时还能将氯离子排除，从而达到保护钢筋的目的。

在双向电渗阻锈技术中，阻锈剂的效果是影响该技术实际效果的重要因素。章思颖等对阻锈剂的效果进行了研究，得出胺类型阻锈剂在双向电渗中效果较好。

在以上列举的五类常见的修复钢筋锈蚀技术中，氢效应的影响不容忽视，金伟良团队针对此进行了研究，在不同通电时间与电流密度的作用下研究预应力筋氢脆效应，用断裂能比衡量氢脆控制效果。研究表明双向电渗在电流密度为3 A/m²，通电时间为14天的效果比较理想，这一结果为双向电渗技术在预应力钢筋修复中的应用提供了电流密度和通电时间方面的参考。

电化学除氯在预应力钢筋修复时，氢脆安全电流密度应该低于1 A/m²，这一数据有助于确定电化学除氯技术应用时的安全电流密度范围。然而，目前在更广泛的范围内，国内外对于钢筋氢脆程度的判断还缺乏统一标准。如果需要将上述方法用于预应力钢筋锈蚀的修复时，必须要攻克电化学修复带来的析氢反应给预应力钢筋造成的脆性破坏，或对氢的含量与预应力钢筋的损害程度搭建起联系，进而对电化学修复方法进行参数调整。

由于预应力钢筋具有特殊性和复杂性，国内外并未形成统一的修复技术和方法。在预应力钢筋修复中，电化学修复技术需要具备一定的条件，保持钢筋的钝化环境是对预应力钢筋锈蚀的重要控制要点。通过保持钢筋的钝化环境，能够阻断使钢筋发生锈蚀的影响因素，从而使钢筋处于碱性环境的保护之中。

除了电化学修复技术外，在针对后张预应力钢筋的防护中，还有一种值得探讨的方法是在波纹管内通入惰性气体来保护钢筋。惰性气体不会参与钢筋锈蚀过程中的反应，能够阻断使钢筋锈蚀发生的必要条件，性质比较稳定，不易受热胀冷缩的影响。此外，惰性气体可以排挤灌浆料中的有害物质直接侵入，抑制钢筋锈蚀或使钢筋再钝化而保护钢筋，但需要考虑封密性。

在探索预应力钢筋修复中的钝化环境创造的过程中，众多学者从不同角度进行了研究，李晨涛等研究了硅酸盐钝化技术对金属的钝化性，发现其具有较好的效果，但溶液的稳定性较差。莫勇研究了铝基钝化剂形成的复合钝化剂，发现能使生成的钝化膜更为致密。Bensabra等研究了钼酸盐的钝化性，发现钼酸盐能够强化钢筋的钝化膜。万永壮等通过化学转化法制备钼酸盐转化膜，研究发现相对传统的保护膜，使用添加剂后制备的转化膜的耐腐蚀性更高。因此，在预应力钢筋的修复上若将金属的钝化、再钝化引入预应力钢筋的修复，将已锈蚀的预应力钢筋再钝化，可能会有不错的延缓修复效果。

作者：单志龙1,2，侯福金3，梅波4，刘庆阳5，张守祺1，张云升2，路振宝1

2. 兰州理工大学土木工程学院

3. 山东高速集团有限公司

4. 广东省公路建设有限公司

5. 海南交控公路工程养护有限公司

来源：材料导报

转自：中国腐蚀与防护网