浅论水利工程混凝土建筑物老化病害之检测方法

浅论水利工程混凝土建筑物老化病害之检测方法

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浅论水利工程混凝土建筑物老化病害之检测方法

水利工程混凝土建筑物在正常运行及正常维修过程中会导致建筑物功能逐步丧失,并造成内部损伤及外观损坏等现象,为延续建筑物的使用年限,应及时处理这种情况。了解钢筋混凝土这些病害的破坏机理和检测技术方法,选择合适的修补材料,对存在潜在危险的混凝土表面进行有效保护以及对造成损坏的混凝土结构进行修补,具有十分重要的经济效益和社会效益。

一、老化病害的形式

根据影响因素及破坏机理的不同,老化病害分为以下几种形式:

1.泄水建筑物下游的冲刷、磨损及气蚀;

2.地基及两岸土的渗透变形(管涌或流土);

3.建筑物出现裂缝、过大变形、整体及构件失稳、强度不足而导致的应力破坏,地基失稳破坏;

4.建筑物基础的冻胀破坏;

5.混凝土材料的冻融破坏:

6.混凝土碳化及钢筋锈蚀;

以上六种老化病害形式不仅与外界因素有着密切的关联,而且与建筑物的工程缺陷也有着密切的联系。在同样的外界因素作用下,建筑物存在的缺陷越多,造成工程病害的可能性越大,损坏程度越深。

二、主要老化病害现象的检测方法

1.混凝土抗压强度

混凝土强度检测是混凝土老化病害检测的主要指标,强度的检测结

果可直接通过计算判断结构的安全性。目前普遍采用的方法为直接取芯样的破损检测和间接分析的拉拨、贯入阻力、回弹、超声回弹及核子等无损检测方法。

1.1取芯法

采用混凝土取样机直接钻孔取芯样检测混凝土抗压强度,是目前最直观可靠的混凝土强度检测手段。由于取芯检测对混凝土结构造成一定的破损,从结构安全性角度考虑,构件尺寸较小的机架桥、交通桥梁性及内部配筋较多的受力构件,取芯的数量及芯样直径受到一定限制。

1.2回弹、综合法

回弹法常被认定为非破损检测的基本方法之一。其优点为:仪器构造简单、易保养维修;方法简便,易于掌握;影响检测精度因素较少,易于建立应用范围较广的测强曲线;不受构件形状、尺寸的限制,检测灵活、快速;检测不对构件造成破损,检测费用低。回弹法评定混凝土强度受结构混凝土表面平整度及湿度影响较大,规范中规定在潮湿环境中应严格控制回弹法的应用,而一些混凝土结构表面涂层也影响回弹值的精度。

综合法是利用回弹仪和超声波仪联合测定混凝土强度,将回弹、超声法优点充分发挥,使检测精度有所提高。该方法测定混凝土强度的影响因素主要是水泥品种、混凝土碳化深度、砂子品种、砂率、石子品种、粒径、外加剂、测试面等,粗骨料对综合法测试影响最大,碎石与卵石、粒径大小、石质的变化都影响波速的数据。此外,综合法需要构件具有对测面的测试要求,对只有一个侧面的混凝土挡土墙、涵洞、混凝土底板等都难以取得可靠的数据。

1.3贯入阻力法

贯入阻力法由于仪器设备简单、操作方便、能反映混凝土一定深度范围的强度和检测费用低,在美国和加拿大应用比较普遍,许多权威人士把这种方法与现场取芯试验相同对待,甚至还以此来代替标准试块进行工程验收。

贯入阻力法检测混凝土抗压强度,是通过精确控制的动力将一支特制的射钉射入混凝土中,根据混凝土对射钉的贯入阻力来推求混凝土强度。由于被测试的混凝土在射钉的冲击作用下产生压缩、拉伸、剪切和摩擦等复杂的应力状态,要在理论上建立贯入阻力值和混凝土强度之间的相关关系难度很大,但是通过试验及数理统计,建立射钉外露长度与混凝土的经验公式还是容易做到的。

2.混凝土的碳化

混凝土的碳化是介质与混凝土相互作用的一种广泛的形式。最典型的例子是大气中的二氧化碳气体对混凝土的作用。用化学方程式可写成:Ca(OH)2+CO2H2O→ CaCO2+H2O

检测混凝土碳化浓度,即在选定的检测位置将混凝土凿开,孔内清扫干净后,向孔内喷洒1%浓度的酚酞试液,喷洒液量以表面均匀、湿润为准。喷洒酚酞试液后,未碳化的混凝土变为红色,已碳化的混凝土不变色。测量变色混凝土前缘至构件表面的垂直厚度即为碳化浓度。

3.混凝土的冲磨破坏

我国的江河以含沙量大而著称,黄河水系及华北地区的河流,所挟泥沙以悬移质为主,且集中在汛期。西南地区的河流,多系山溪性河流,河道狭窄,河床陡峻,流域内风化岩体主要为岩崩。滑坡和崩塌在暴雨推动下大量倾入河道,形成推移质泥沙。这些推移质泥沙粒径达数十厘米,大者超过1m,是造成水工混凝土冲磨破坏最主要介质。进行检测时,可根据水工建筑物各构件上所留下的擦痕或沟槽进行观测。

4.混凝土的冻融破坏

混凝土的冻融破坏是指:在水饱和或潮湿状态下,由于温度正负变化,建筑物已硬化混凝土内部孔隙结冻膨胀,融解松弛,产生疲劳应力,造成混凝土由表及里逐渐剥蚀的破坏现象。

混凝土冻融试验是以快冻法进行。冻结时,混凝土试件的中心温度为-15℃~-17℃,融化时,试件中心温度为6℃~8℃。一次冻融循环3小时左右,试件杂冻结和融化过程均处于全浸水状态(即饱和状态)。冻融试验机采用日本产ATM全自动混凝土试验机。试验方法按水

工混凝土试验规程SD105-82进行。

另外,还可采用混凝土的饱和面干吸水率的变化来从侧面反映混凝土在冻融过程中的变化过程。

对于混凝土冻融过程中的微孔结构变化可采用上海大隆机器厂生产的9162A银高压测孔仪完成,该测孔仪最大压力可达400Mpa。

混凝土冻融破坏过程中水化产物的形态和结构可采用扫描电子显微镜来观测,放大倍数一般为1000~3000,也可达5000,混凝土冻融过程中对水化产物的影响是X射线衍射峰值试验进行的,由于X射线对不同的结晶体有不同的衍射特性,因此,通过衍射峰值的大小即可对比较水泥混凝土中水化产物的相对含量。

5.混凝土的裂缝

裂缝是水工混凝土中最常见的病害之一。在当今土木工程建设中,任何混凝土构件都是带裂缝工作的。裂缝的存在和扩展,使相应部位构件的承载力受到一定程度的削弱。同时,结构物裂缝还会引起渗漏、保护层剥落、钢筋腐蚀、混凝土碳化、持久强度降低等。另外,结构物的破坏常常是从裂缝开始的。我们常把裂缝的存在视作结构物濒临破坏的危险征兆。

目前,混凝土构件裂缝的检查方法和工具主要有以下几种

5.1直观表面裂缝,当缝宽大于(0.05mm)以上时,可凭肉眼查到。要查更细的裂缝可在仓面上洒水,吹干后可看到比头发更细的裂缝。裂缝的实际宽度可用读数放大镜读出,也可用厚薄规(也称塞尺)插入裂缝中测量。裂缝的长度一般用卡尺跟踪测量,对于竖直面上的裂缝,当位置高度超过3~5mm以上时,可用望远镜跟踪逐步查清表面长度。

5.2裂缝深度的检查

裂缝往往深入到结构内部,直观检测难以判断其深度,必须借助其它手段来测量。目前常用的手段有:凿槽、打孔压风、孔内电视及摄影、超声波检查等方法。关于用超声波测量裂缝浓度,在《水工混凝土试验规程》SD105-82中有明确规定。可以参照执行。通常采用的有以下几种方法:

5.2.1平测法

使用非金属超声波探测仪根据声波沿最佳路径、最短声程传播的几何特性(费马定例来进行),只能测量无筋或少筋混凝土建筑物中浓度不大于50㎝的裂缝,而且裂缝中有水时,该法不适用。

5.2.2超声波钻孔对测法

在有条件钻孔时,可采用此法测量无筋或少筋混凝土裂缝。该法即是:若超声波传播路径被裂缝截断,则超声波能量大部分将被反射,只有少量的能量传播到接受换能器。根据接受信号的振幅、波形的突变可判断裂缝的存在,从而测得其浓度。

5.2.3单频脉冲面波散射法检测混凝土裂缝

面波即瑞利波,它由纵波及垂直变化的横波组成。在半无限弹性体内沿物体表面传播到缝深顶端又发生反射,传播到裂缝顶端时产生绕射,整个裂缝对于面波的传播起阻隔作用。利用面波传播过程中波动参数的变化来检测材料的裂缝浓度或缺陷。

6.钢筋的锈蚀

目前国内外采用较多的电化学检测手段为混凝土表面的等电位势的测试,测绘出一定范围混凝土表面等电位图和诱发钢筋锈蚀的临界电位值。因混凝土结构的环境条件如湿度、表面是否维修处理等因素而有所不同,需通过破损试验验证。钢筋锈蚀等电位测试方法可以判断混凝土中是否存在活动的电流运动,是一种辅助的检测手段,不能仅凭此值判断钢筋是否锈蚀

鉴别和评定钢筋锈蚀的方法可以分为两类:判别法和现场实测法。判别法是以已有的研究成果为基础,结合现场测到的其它有关资料,推断钢筋的锈蚀速度或锈蚀量。它不直接测定钢筋的直接锈蚀量。

7.渗漏

水工建筑物在修建和运行过程中,存在着不同程度的渗漏问题,影响到水工建筑物的正常效用和混凝土本身的耐久性。水工混凝土产生渗漏的原因是多方面的,即使满足设计要求的抗渗标号的混凝土,本身仍存有气孔和小孔隙,在水压力作用下也具有一定的渗漏性。在运行中检查与观测渗漏时应着重检查的几个方面:

7.1查明帷幕后剩余水头是否超过设计允许值,以及扬压力与水位的变化关系。

7.2检查基础渗漏量的变化情况

7.3分析水质,从离子、矿化度及PH值的变化判明渗水有无侵蚀性。

7.4观察上游水库冲淤情况。

7.5对建筑物汁水结构或其它破坏造成的渗漏量,要定期测量渗漏变化情况,及时分析对

建筑物安全运行影响程度,同时要分析研究设计、施工和管理等有关资料。

水工混凝土建筑物老化病害的检测,是一项比较复杂的现场测试工作,涉及到仪器性能、检测试验方法、数据可靠性、检测费用等多方面问题,检测的重点应该是混凝土强度、碳化深度、氯离子含量及裂缝等耐久性指标,检测的难点是钢筋锈蚀的判断、小尺寸混凝土构件的强度,检测技术的发展方向是混凝土结构的无破损检测。