本發(fā)明涉及一種火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的電化學(xué)判定方法，屬于混凝土檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國社會經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，各種混凝土結(jié)構(gòu)鱗次櫛比不斷涌現(xiàn)，房屋密度不斷增大，加之大量易燃新型材料的廣泛應(yīng)用，以及燃?xì)狻㈦娖鞯钠毡槭褂?，使得混凝土結(jié)構(gòu)物發(fā)生火災(zāi)的概率大大增加，火災(zāi)損失與日俱增。通常，在混凝土中由于水泥水化生成大量的氫氧化鈣，混凝土內(nèi)部ph值一般高達(dá)12.5～13.5。在這種高堿度環(huán)境中，包裹在混凝土中的鋼筋因初始的電化學(xué)作用，會迅速生成一層非常致密的厚約2×10-8m的fe3o4和fe2o3(尖晶石固溶體)鈍化膜，它牢牢地吸附于鋼筋表面，對鋼筋起到保護(hù)作用，從而阻止鋼筋銹蝕。然而，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)物遭受高溫灼燒(火災(zāi))時(shí)，水泥水化產(chǎn)物會發(fā)生一系列脫水相變，尤其是ca(oh)2在450℃-500℃下會失水形成cao，從而導(dǎo)致混凝土中性化。當(dāng)混凝土中性化深度抵達(dá)鋼筋表面時(shí)，鋼筋附近的堿度降低，鋼筋表面的鈍化膜逐漸破壞，鋼筋會在空氣中發(fā)生銹蝕反應(yīng)。由于上述過程是一個(gè)電化學(xué)過程，因此通過檢測鋼筋銹蝕的電化學(xué)參數(shù)，分析火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土中性化程度和鋼筋鈍化膜狀態(tài)，就可推定混凝土保護(hù)層和鋼筋遭受的損傷情況。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的電化學(xué)判定方法，根據(jù)鋼筋銹蝕電化學(xué)檢測的基本原理，依據(jù)電化學(xué)三要素對火災(zāi)混凝土鋼筋損傷進(jìn)行了試驗(yàn)研究，建立了火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的電化學(xué)判定準(zhǔn)則和輔助分析模型，然后運(yùn)用上述準(zhǔn)則和模型對實(shí)際火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了診斷評估。
本發(fā)明提供了一種火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的電化學(xué)判定方法，包括以下步驟：
(1)試件制備：制備混凝土板；
(2)模擬火災(zāi)損傷試驗(yàn)
①高溫試驗(yàn)設(shè)備：高溫試驗(yàn)使用drx-36型混凝土高溫試驗(yàn)爐，該設(shè)備采用螺旋狀電加熱元件作為加熱源在爐內(nèi)輻射加熱，能耗低，加熱速率高，溫度均勻性好。
所述高溫試驗(yàn)爐的功率：36kw；允許最高工作溫度為1000℃。
②設(shè)定受火溫度：由于水泥水化產(chǎn)物ca(oh)2脫水分解溫度為450～500℃，而ca(oh)2脫水分解正是混凝土中性化并進(jìn)而使鋼筋鈍化膜破壞的直接原因，因此本試驗(yàn)受火溫度從500℃起，分500℃、600℃、700℃、800℃、900℃5個(gè)溫度等級；
③設(shè)定恒溫時(shí)間：試件在爐膛內(nèi)升溫至預(yù)定的溫度后，恒溫保持1h，然后隨爐降溫冷卻。
(3)電化學(xué)檢測
①測點(diǎn)布置。測點(diǎn)排布可根據(jù)鋼筋網(wǎng)的排布而定，選擇測點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意讓鋼筋或鋼筋的交叉部位經(jīng)過恒流護(hù)環(huán)儀探頭的中心，以便于計(jì)算受電化學(xué)擾動的鋼筋的表面積，本試驗(yàn)井形配筋混凝土試件取各邊中部4個(gè)測點(diǎn)，十字交叉形配筋混凝土試件除在單根鋼筋處取4個(gè)測點(diǎn)外，在中心對角線鋼筋交叉位置再取1個(gè)測點(diǎn)，且鋼筋表面積為單根鋼筋測點(diǎn)的2倍。
②混凝土電阻率rp、鋼筋銹蝕電勢ecorr、鋼筋銹蝕電流密度jcorr的檢測?；炷猎嚰浞譂駶櫤?，先檢測其溫度和相對濕度，然后檢測電阻率；當(dāng)各測點(diǎn)rp均小于15kω·cm時(shí)，再檢測ecorr和jcorr。
(4)數(shù)據(jù)分析
①鋼筋損傷狀況與銹蝕電勢的相關(guān)性。上述試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼筋損傷狀況(混凝土中性化深度)與ecorr有顯著的相關(guān)性。未經(jīng)高溫灼燒的試件，其中性化深度為0，此時(shí)銹蝕電勢處于非銹蝕電位區(qū)，其值為68.4～80.1mv；經(jīng)高溫灼燒但中性化深度小于或接近保護(hù)層厚度的試件，銹蝕電勢值負(fù)移至-269.13～23.5mv；當(dāng)混凝土經(jīng)高溫灼燒至中性化深度等于或大于保護(hù)層厚度，銹蝕電勢負(fù)移顯著增大至-397.9～-495.6mv。由此可見，根據(jù)銹蝕電勢的變化情況，可以準(zhǔn)確地判定火災(zāi)混凝土的中性化深度是否達(dá)到或超過了保護(hù)層厚度，即鋼筋是否遭受了損傷。
②鋼筋損傷狀況與jcorr的相關(guān)性。上述試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼筋損傷狀況與jcorr有較明顯的相關(guān)性。未經(jīng)高溫灼燒的試件，其中性化深度為0，此時(shí)，jcorr較小，基本接近于0，經(jīng)高溫灼燒但中性化深度小于或接近保護(hù)層厚度的試件，jcorr有所增大；當(dāng)混凝土經(jīng)高溫灼燒至中性化深度等于或大于保護(hù)層厚度時(shí)，jcorr有明顯增大。有關(guān)資料表明，鋼筋銹蝕前后jcorr增大明顯且測值穩(wěn)定，因此jcorr可作為火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的輔助判定參數(shù)。
(5)損傷評估
有關(guān)資料提出了根據(jù)混凝土表面電勢判定鋼筋銹蝕破壞的準(zhǔn)則，而astm標(biāo)準(zhǔn)(c-876-87)，則給出了用自然電位法評價(jià)鋼筋腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)。綜合國內(nèi)外資料和本試驗(yàn)研究結(jié)果，筆者提出利用鋼筋銹蝕電勢來評價(jià)火災(zāi)混凝土中鋼筋鈍化膜是否破壞，混凝土中性化深度是否大于保護(hù)層的判定準(zhǔn)則，具體為：當(dāng)ecorr>-200mv時(shí)，表明鋼筋部位溫度500℃鋼筋鈍化膜未破壞，即鋼筋未受損，混凝土中性化深度未達(dá)保護(hù)層；當(dāng)ecorr>-350mv時(shí)，表明鋼筋部位溫度≥500℃，鋼筋鈍化膜遭破壞，即鋼筋受損，混凝土中性化深度達(dá)到或超過保護(hù)層；當(dāng)-350mv≤ecorr≤-200mv時(shí)，利用jcorr作為火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的輔助判定準(zhǔn)則：當(dāng)jcorr≥5jcorr.n(鋼筋正常銹蝕電勢，查鋼筋性能規(guī)范可知)，則鋼筋局部溫度≥500℃，鋼筋局部受損；若jcorr<5jcorr.n，則鋼筋局部溫度<500℃，鋼筋無損；其中：jcorr.n指鋼筋正常銹蝕電勢。
上述方法中，電化學(xué)檢測前的操作包括以下內(nèi)容：
(1)檢測準(zhǔn)備
①混凝土表面處理。在實(shí)施檢測前應(yīng)對測點(diǎn)處混凝土進(jìn)行表面處理，除去砂漿和石灰等粉刷層，如混凝土表面有剝落層也應(yīng)除去。
②確定鋼筋位置、直徑及混凝土保護(hù)層厚度。鋼筋位置和直徑的準(zhǔn)確性決定所計(jì)算受電化學(xué)擾動鋼筋表面積的準(zhǔn)確性，因而決定了檢測混凝土鋼筋銹蝕電勢和電流密度的準(zhǔn)確性一般可通過查閱工程資料來確定混凝土內(nèi)鋼筋的位置和直徑，如無法查到也可應(yīng)用磁感儀來檢測。
③測點(diǎn)布置：井形配筋混凝土試件取各邊中部4個(gè)測點(diǎn)，十字交叉形配筋混凝土試件除在單根鋼筋處取4個(gè)測點(diǎn)外，在中心對角線鋼筋交叉位置再取1個(gè)測點(diǎn)，且鋼筋表面積為單根鋼筋測點(diǎn)的2倍；
④連接鋼筋處的修鑿。為了使測量導(dǎo)線與混凝土中的鋼筋相接以進(jìn)行鋼筋電化學(xué)測量，必須鑿除10cm2小的混凝土以露出鋼筋。用銼刀等工具打磨鋼筋表面，用鱷魚夾將測量儀的測量導(dǎo)線與鋼筋連接起來。
⑤混凝土表面潤濕：向混凝土表面進(jìn)行噴水，30分鐘后再進(jìn)行檢測，這樣有利于獲得更精確的ecorr、jcorr和rp值。
上述方法中，電化學(xué)檢測過程中的要求如下：
①檢測儀器及技術(shù)指標(biāo)要求。電化學(xué)儀器通常采用便攜式恒流護(hù)環(huán)儀，其技術(shù)指標(biāo)要求ecorr檢測精度為0.1mv；jcorr檢測精度為0.001μa/cm2；rp檢測精度為0.1kω·cm。
②連接儀器。將鋼筋的導(dǎo)線和恒流護(hù)環(huán)儀的導(dǎo)線接入數(shù)字顯示儀，將恒流護(hù)環(huán)儀安放在預(yù)先選定的混凝土表面測量點(diǎn)上進(jìn)行測量。
③控制檢測環(huán)境：混凝土溫度0～50℃；混凝土相對濕度50％～85％；混凝土電阻率rp<15kω·cm。
④輸入被測量鋼筋的面積。輸入測量點(diǎn)被測量鋼筋的面積，測量點(diǎn)為十字交叉鋼筋時(shí)應(yīng)輸入單根鋼筋面積的2倍。
⑤讀取并記錄測量數(shù)據(jù)。讀取并記錄ecorr，jcorr及rp測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)可存入測量儀中的數(shù)據(jù)記錄器，然后儲存在軟盤中。
對上述火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的驗(yàn)證：
根據(jù)已有的輔助分析模型：
(1)ecorr與混凝土受火溫度(t)關(guān)系的分析模型為
ecorr＝-603.6286+1.2716t-0.0013t2，r2＝0.96(1)
(2)混凝土中性化深度(h)與ecorr絕對值關(guān)系的分析模型為
h＝0.1242|ecorr|+21.4911，r＝0.97(2)
(3)混凝土中性化深度(h)與混凝土受火溫度(t)關(guān)系的分析模型為
h＝0.27699et/0.0334，r2＝0.97(3)
鋼筋受火溫度的評判：根據(jù)上述火災(zāi)混凝土鋼筋損傷電化學(xué)判據(jù)進(jìn)行判定，式(1)所示的ecorr～t分析模型可進(jìn)行輔助診斷。若已知鋼筋混凝土構(gòu)件表面受火溫度(如通過紅外熱像檢測)且受火持續(xù)時(shí)間約為1h左右時(shí)，則利用該分析模型，可以推定出鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋電化學(xué)參數(shù)ecorr的大小，再將該推定值與實(shí)測的ecorr相互印證；另一方面，當(dāng)因某些原因沒有實(shí)測ecorr值時(shí)，該推定值則可代替實(shí)測ecorr而用于對鋼筋受火溫度、受損情況以及混凝土中性化深度是否達(dá)到保護(hù)層的評判。
鋼筋損傷情況推定：經(jīng)上述評定，若診斷評估為鋼筋受火溫度≥500℃則意味著鋼筋的機(jī)械性能受到了損傷。鋼筋機(jī)械性能的損傷可通過構(gòu)件溫度場分析后，以溫度場中鋼筋部位遭受的作用溫度作為鋼筋的受火溫度代入相關(guān)方程或評估模型來推定鋼筋機(jī)械性能的損傷情況。
根據(jù)上述火災(zāi)混凝土鋼筋損傷電化學(xué)判據(jù)可判定混凝土中性化深度是否達(dá)到保護(hù)層，式(2)中所示h～ecorr所示的分析模型可進(jìn)行輔助診斷并計(jì)算混凝土中性化深度值。當(dāng)因某些原因沒有實(shí)測值時(shí)ecorr，式(3)所示的h～t分析模型也可進(jìn)行輔助診斷，若已知鋼筋混凝土構(gòu)件表面受火溫度，且受火持續(xù)時(shí)間約為1h左右時(shí)，則利用該模型可以推定出混凝土中性化深度的大小。該推定值可評判結(jié)果相互驗(yàn)證，若該推定值與ecorr評判結(jié)果一致，如兩者都評定為中性化深度小于或大于混凝土保護(hù)層厚度，則混凝土中性化深度的準(zhǔn)確值以用該模型推定的數(shù)值為準(zhǔn)。若該推定值與ecorr評判結(jié)果不一致，則需要再結(jié)合其他檢測或分析手段如構(gòu)件溫度場分析進(jìn)行評判?；炷林行曰疃戎荡笮∫部刹捎梅犹噭?shí)測。
火災(zāi)損傷混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋鈍化膜破壞而誘發(fā)鋼筋銹蝕是一個(gè)電化學(xué)過程，故采用電化學(xué)法檢測分析鋼筋損傷狀況有可靠的理論依據(jù)，并且切實(shí)可行。本文建立了火災(zāi)混凝土鋼筋損傷電化學(xué)判定準(zhǔn)則和輔助分析模型，通過檢測火災(zāi)混凝土的電化學(xué)參數(shù)，利用本文判定準(zhǔn)則和輔助分析模型，可診斷和評估鋼筋遭受的溫度是否大于500℃，進(jìn)而推定火災(zāi)對鋼筋機(jī)械性能損傷的情況，同時(shí)，還可據(jù)此診斷和評估火災(zāi)混凝土中性化的深度是否大于保護(hù)層厚度。
本發(fā)明提供了一種火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的電化學(xué)判定方法，通過檢測鋼筋銹蝕的電化學(xué)參數(shù)：鋼筋銹蝕電勢ecorr、鋼筋銹蝕電流密度jcorr和混凝土電阻率rp，來分析火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋鈍化膜狀態(tài)，以此判定混凝土保護(hù)層(即鋼筋表面到混凝土表面的距離)和鋼筋遭受的損傷的情況，為確定建筑物是否能夠繼續(xù)使用提供依據(jù)，優(yōu)點(diǎn)如下：
(1)建立了火災(zāi)混凝土鋼筋損傷電化學(xué)判定準(zhǔn)則和輔助分析模型，可診斷和評估鋼筋遭受的溫度是否大于500℃，進(jìn)而推定火災(zāi)對鋼筋機(jī)械性能損傷的情況；
(2)提出利用鋼筋銹蝕電勢作為評價(jià)鋼筋是否損傷的準(zhǔn)則，并把其作為評價(jià)的輔助準(zhǔn)則，能直接準(zhǔn)確地檢測出鋼筋的損傷狀況，極大地提高了檢測的效率，簡單方便，適用性強(qiáng)，對于災(zāi)后建筑的評定具有重要影響；
(3)通過將此判定方法得出的結(jié)論與新鮮酚酞試劑得出的中性化深度進(jìn)行對比，確定了該方法的準(zhǔn)確性；
(4)本方法作為便捷有效的火災(zāi)混凝土鋼筋損傷檢測診斷方法，有望在工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例1：
(1)試件制備：制備混凝土板
原材料：p.o42.5水泥，碎石5～25mm，中砂，直徑10mm圓鋼；
混凝土配合比：m(水泥):m(砂):m(石):m(水)＝385:610:1220:220；(這是四種原料的質(zhì)量比)
試件制備：澆筑30mm×30mm×10mm鋼筋混凝土板，混凝土保護(hù)層厚度為25mm；(混凝土保護(hù)層厚度是指鋼筋與混凝土表面之間的距離)鋼筋的擺放有井形和十字交叉形兩種，且均預(yù)先引出導(dǎo)線供檢測用；試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，置于室內(nèi)自然環(huán)境中備用；
澆筑五個(gè)相同尺寸的混凝土板，鋼筋的擺放有井形和十字交叉形兩種，且均預(yù)先引出導(dǎo)線供檢測用，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(恒溫溫度20℃±2℃，且相對濕度rh大于95％)28d后，置于室內(nèi)自然環(huán)境中備用。
分別記為樣品1、樣品2、樣品3、樣品4、樣品5。
(2)模擬火災(zāi)損傷試驗(yàn)
使用drx-36型混凝土高溫試驗(yàn)爐進(jìn)行高溫試驗(yàn)，受火溫度從500℃起，把五個(gè)試塊依次設(shè)定500℃、600℃、700℃、800℃、900℃5個(gè)溫度等級，試件在爐膛內(nèi)升溫至預(yù)定溫度后，恒溫保持一小時(shí)，然后隨爐降溫冷卻，冷卻完畢取出，放置在室內(nèi)。
(3)電化學(xué)檢測：
①測點(diǎn)布置，本實(shí)驗(yàn)井形配筋混凝土試件取各邊中部4個(gè)測點(diǎn)，十字交叉形配筋混凝土試件除在單根鋼筋處取4個(gè)測點(diǎn)外，在中心對角線鋼筋交叉位置再取1個(gè)測點(diǎn)，且在這點(diǎn)上，鋼筋表面積為單根測點(diǎn)的2倍。
②ecorr、jcorr和rp值檢測，混凝土試件充分濕潤后，先檢測其溫度和相對濕度，然后檢測電阻率，當(dāng)各測點(diǎn)rp普遍小于15kω·cm時(shí)，再檢測ecorr和jcorr。
電化學(xué)檢測過程中的要求如下：
①檢測儀器及技術(shù)指標(biāo)要求：電化學(xué)儀器通常采用便攜式恒流護(hù)環(huán)儀，其技術(shù)指標(biāo)要求ecorr檢測精度為0.1mv；jcorr檢測精度為0.001μa/cm2；rp檢測精度為0.1kω·cm。
②連接儀器：將鋼筋的導(dǎo)線和恒流護(hù)環(huán)儀的導(dǎo)線接入數(shù)字顯示儀，將恒流護(hù)環(huán)儀安放在預(yù)先選定的混凝土表面測量點(diǎn)上進(jìn)行測量。
③檢測環(huán)境控制：混凝土溫度0～50℃；混凝土相對濕度50％～85％；混凝土電阻率rp<15kω·cm。
④輸入被測量鋼筋的面積：輸入測量點(diǎn)被測量鋼筋的面積，測量點(diǎn)為十字交叉鋼筋時(shí)應(yīng)輸入單根鋼筋面積的2倍。
⑤讀取并記錄測量數(shù)據(jù)：讀取并記錄每個(gè)樣品ecorr，jcorr及rp的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)可存入測量儀中的數(shù)據(jù)記錄器，然后儲存在軟盤中，表1記錄了各試件電化學(xué)檢測分析結(jié)果。
(4)數(shù)據(jù)分析：
①實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋損傷狀況(即混凝土中性化深度)與ecorr有顯著的相關(guān)性，未經(jīng)高溫灼燒的試件，其中性化深度為0，此時(shí)，ecorr處于非銹蝕電位區(qū)，其值為68.4～80.1mv；經(jīng)高溫灼燒但中性化深度小于或接近保護(hù)層厚度的試件，ecorr值負(fù)移至-269.1—-323.5mv；當(dāng)混凝土經(jīng)高溫灼燒至中性化深度等于或大于保護(hù)層厚度，ecorr負(fù)移顯著增大至-397.9—-495.6mv，由此可見，根據(jù)ecorr的變化情況，可以準(zhǔn)確地判定火災(zāi)混凝土的中性化深度是否達(dá)到或超過了保護(hù)層厚度，即鋼筋是否遭受了損傷。
②實(shí)驗(yàn)同樣表明，鋼筋損傷狀況與jcorr有較明顯的相關(guān)性，未經(jīng)高溫灼燒的試件，其中性化深度為0，jcorr基本等于0；經(jīng)過高溫灼燒但中性化深度小于或接近保護(hù)層厚度的試件，jcorr有所增大；當(dāng)混凝土經(jīng)高溫灼燒至中性化深度等于或大于保護(hù)層厚度時(shí)，jcorr有明顯增大，因此jcorr可作為火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的輔助判定參數(shù)。
(5)得出的判定準(zhǔn)則
①利用ecorr作為火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的判定準(zhǔn)則：當(dāng)ecorr>-200mv時(shí)，表明鋼筋部位溫度小于500℃，鋼筋鈍化膜未破壞，即鋼筋未受損；當(dāng)-350mv≤ecorr≤-200mv時(shí)，需要結(jié)合jcorr進(jìn)行分析；當(dāng)ecorr<-350mv時(shí)，表明鋼筋部位溫度≥500℃，鋼筋鈍化膜遭破壞。
②當(dāng)-350mv≤ecorr≤-200mv時(shí)，利用jcorr作為火災(zāi)混凝土鋼筋損傷的輔助判定準(zhǔn)則：當(dāng)jcorr≥5jcorr.n(鋼筋正常銹蝕電勢，查鋼筋性能規(guī)范可知)，則鋼筋局部溫度≥500℃，鋼筋局部受損；若jcorr<5jcorr.n，則鋼筋局部溫度<500℃，鋼筋無損。
(6)驗(yàn)證：
中性化深度檢測：將新鮮酚酞試劑滴在新鑿開的混凝土斷面上，然后根據(jù)測紙測其變色深度，即為中性化深度，判斷依據(jù)為：當(dāng)中性化深度小于混凝土保護(hù)層時(shí)，說明鋼筋未受到損傷，當(dāng)中性化深度大于混凝土保護(hù)層時(shí)，說明鋼筋受到了損傷。
由于試件的保護(hù)層厚度為25mm，即當(dāng)混凝土中性化深度小于25mm時(shí)，鋼筋未受到腐蝕，當(dāng)混凝土中性化深度大于25mm時(shí)，鋼筋受到腐蝕。從表1中可以看出，試件1、試件2和試件3的ecorr值均大于-200mv，表示未受到腐蝕；同時(shí)，中性化深度均小于25mm，說明鋼筋未受到腐蝕，符合該混凝土損傷檢測的方法，證明了該檢測方法的準(zhǔn)確性。作為對比，試件4和試件5的ecorr值均小于-350mv時(shí)，混凝土中性化深度大于25mm，說明鋼筋受到了腐蝕，符合該混凝土損傷檢測的方法，證明了該檢測方法的準(zhǔn)確性。
表1各試件電化學(xué)檢測分析結(jié)果