方翔，陳龍，潘峻

（中交四航工程研究院有限公司，交通運(yùn)輸部水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州，510230）

0 引言

近年來，新建混凝土結(jié)構(gòu)中越來越多要求具有100 a或者更長的使用壽命。這就對(duì)混凝土耐久性提出比以往更高的要求。在使用高性能混凝土，采取硅烷浸漬、陰極保護(hù)等附加防腐蝕措施提高混凝土耐久性的同時(shí)，有必要預(yù)埋耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定期監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的腐蝕狀態(tài)，保障結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)的耐久性[1-2]。由于結(jié)構(gòu)的實(shí)際耐久性與設(shè)計(jì)可能存在偏差，為確保結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命，通常的做法是“耐久性設(shè)計(jì)與再設(shè)計(jì)”。即在使用過程中獲取結(jié)構(gòu)的實(shí)際耐久性信息，在出現(xiàn)不滿足設(shè)計(jì)要求的時(shí)候采取進(jìn)一步措施。實(shí)現(xiàn)這一過程的其中一個(gè)關(guān)鍵步驟就是通過長期、有規(guī)律的耐久性監(jiān)測(cè)獲取結(jié)構(gòu)的實(shí)際耐久性信息。目前，混凝土耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能采集結(jié)構(gòu)的耐久性數(shù)據(jù)，而且可預(yù)測(cè)鋼筋腐蝕的起始時(shí)間。

位于蘇伊士運(yùn)河北端的埃及塞得東港集裝箱碼頭二期水工工程，設(shè)計(jì)使用壽命100 a，整個(gè)碼頭為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為中間方樁加四周T形地連墻樁墻。上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆縱橫梁加預(yù)制/現(xiàn)澆面板。碼頭所處海域鹽度高，腐蝕環(huán)境嚴(yán)酷。為確保碼頭耐久性滿足要求，工程除了采用傳統(tǒng)的預(yù)埋式二氧化錳參比電極對(duì)鋼筋的銹蝕狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)外，還使用了陽極梯系統(tǒng)這種較新型的耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋發(fā)生銹蝕的起始時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 陽極梯系統(tǒng)的工作原理

通常，混凝土內(nèi)的鋼筋具有良好的耐腐蝕性。這得益于在混凝土內(nèi)部高堿性環(huán)境下鋼筋表面形成的鈍化膜，這層鈍化膜能保護(hù)鋼筋免遭腐蝕，此時(shí)鋼筋處于鈍化態(tài)。然而，在海洋環(huán)境中，氯離子通過擴(kuò)散作用從混凝土表面往內(nèi)部滲透，當(dāng)鋼筋表面的氯離子濃度超過閾值（臨界氯離子濃度），鋼筋將由鈍化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨瘧B(tài)（此過程亦稱為脫鈍）[3]。若活化態(tài)的鋼筋周圍存在水和氧氣，鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕。

由此可見，鋼筋的銹蝕主要是氯離子等有害物質(zhì)滲透到混凝土內(nèi)部造成的。若能了解有害物質(zhì)在混凝土內(nèi)的滲透狀況，例如，確定臨界氯離子濃度鋒線的位置及其移動(dòng)速度，便可預(yù)測(cè)混凝土內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕的時(shí)間。

陽極梯系統(tǒng)是一種可確定脫鈍鋒線位置的耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]。對(duì)于處在富含氯離子環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，脫鈍鋒線也即臨界氯離子濃度鋒線。陽極梯系統(tǒng)包括預(yù)埋在混凝土中的傳感器、測(cè)量電纜、終端測(cè)試盒及采集耐久性數(shù)據(jù)的專用讀數(shù)儀。其傳感器由陽極梯、陰極、鋼筋連接以及溫度探頭四部分組成（圖1）。

陽極梯共有6根由普通碳鋼制成的陽極（分別為A1、A2、……、A6）。各陽極固定在不銹鋼支架上，形成梯子狀，各陽極與支架電絕緣。支架一端有一不銹鋼固定條，以兩螺栓與支架相連。陽極梯安裝在鋼筋籠的外側(cè)（即混凝土保護(hù)層處），通過調(diào)整螺栓可使陽極梯傾斜不同角度，實(shí)現(xiàn)6根陽極埋設(shè)在混凝土保護(hù)層的不同深度內(nèi)。陽極的主要作用是確定脫鈍鋒線的位置。

圖1 陽極梯系統(tǒng)

鋼筋連接與結(jié)構(gòu)的鋼筋電連接，主要作用是監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕狀態(tài)。

陰極由惰性金屬制成，是測(cè)量過程中的輔助裝置。在監(jiān)測(cè)過程中陰極將與陽極或鋼筋連接構(gòu)成腐蝕電池。

此外陽極梯系統(tǒng)內(nèi)還配備溫度探頭，可測(cè)量其所在區(qū)域的溫度。

陽極梯系統(tǒng)的傳感器通過測(cè)量電纜與終端測(cè)試盒相連，將讀數(shù)儀連接到終端盒便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。

處在混凝土中的陽極同樣具有鈍化或活化兩種狀態(tài)。在混凝土澆注后，陽極會(huì)逐漸變?yōu)殁g化態(tài)。隨著氯離子的滲透，臨界氯離子濃度鋒線以一定規(guī)律從混凝土表面向內(nèi)部移動(dòng)。在這過程中，6根被置于混凝土保護(hù)層不同深度中的陽極，會(huì)由外往內(nèi)一根一根地從鈍化狀態(tài)變成活化狀態(tài)。測(cè)量由陽極與陰極構(gòu)成的腐蝕電池電化學(xué)參數(shù)（包括電位以及電流），可判斷陽極是處于鈍化狀態(tài)還是活化狀態(tài)，從而確定臨界氯離子濃度鋒線在混凝土中的位置。進(jìn)一步描繪出臨界氯離子濃度鋒線位置與時(shí)間的關(guān)系，可得到臨界氯離子濃度鋒線移動(dòng)的速度，進(jìn)而預(yù)測(cè)其抵達(dá)鋼筋表面的時(shí)間（圖2）。

圖2 陽極梯工作原理示意圖

同樣地，通過測(cè)量鋼筋連接與陰極組成的腐蝕電池電化學(xué)參數(shù)可得知鋼筋狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

除電位以及短路電流電化學(xué)參數(shù)外，陽極梯系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)兩相鄰陽極之間交流阻抗值的測(cè)量。由于各陽極的暴露面積以及相鄰陽極之間距離都一致，該阻抗值可反映混凝土電阻率。

2 耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置

在埃及塞得東港集裝箱碼頭二期水工工程1200 m碼頭中，共安裝了48套耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)分三組布置在碼頭 N828.5（J2排架）、N470.5（M2排架）和N72.5（P2排架）三個(gè)垂直斷面上。圖3為J2排架上16套系統(tǒng)的具體布置。

圖3 耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖

碼頭樁基（包括地連墻以及中間方樁）位于水下區(qū)及泥下區(qū)，從圖3中可看出，樁基-25 m、-6 m、-5 m、-3 m標(biāo)高處都安裝了耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器。把傳感器布置在這些地方，主要考慮到在這些地方腐蝕發(fā)生可能性相對(duì)較大。根據(jù)設(shè)計(jì)的計(jì)算，混凝土樁在-29 m處受到的彎矩最大，且-19 m處又是上下兩截鋼筋籠搭接的地方，此區(qū)段混凝土受到的內(nèi)應(yīng)力相對(duì)較大，易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，有發(fā)生腐蝕的可能，故在-25 m處設(shè)置耐久性監(jiān)測(cè)點(diǎn)；而在樁與梁交接處，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，腐蝕發(fā)生的可能性亦相對(duì)較大，因此樁頂部-6 m、-5 m及-3 m處亦布置了傳感器。在樁頂部不同深度布置傳感器還考慮到氧氣的因素。因?yàn)楹Ｋ泻趿繒?huì)隨深度逐漸減少，而氧氣又是腐蝕發(fā)生的必要條件。

碼頭上部結(jié)構(gòu)的梁、板基本上處在潮差區(qū)與浪濺區(qū)等腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域，因此近半數(shù)耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器都布置在此處，以重點(diǎn)監(jiān)測(cè)碼頭的腐蝕狀況。

在整個(gè)碼頭設(shè)置3個(gè)測(cè)量槽，每個(gè)斷面所有耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端測(cè)試盒都布置在位于碼頭面的測(cè)量槽內(nèi)，便于數(shù)據(jù)的獲取。

3 初測(cè)數(shù)據(jù)的采集

陽極梯系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括：

1）各陽極（A1～A6，其中A1最靠近混凝土表面，A6最靠近鋼筋）與陰極之間的電壓、鋼筋連接與陰極之間的電壓；

2）各陽極與陰極之間的短接電流（短接5 s后測(cè)得的電流）、鋼筋連接與陰極之間的短接電流；

3） 兩相鄰陽極之間的交流阻抗值，最靠近鋼筋籠的陽極（A6）與鋼筋連接之間的交流阻抗值；

4）溫度。

數(shù)據(jù)的獲取通過KMSE-HMG 5采集儀進(jìn)行，該儀器既可實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的一鍵式全自動(dòng)獲取，也可采用手動(dòng)方式獲取電壓、電流及電阻等單項(xiàng)數(shù)據(jù)。測(cè)得的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)到儀器中，并可通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行分析處理。

4 初期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析

混凝土環(huán)境是個(gè)極為復(fù)雜的環(huán)境，而混凝土環(huán)境對(duì)耐久性監(jiān)測(cè)結(jié)果影響重大，本文根據(jù)工程的耐久性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)不同外部環(huán)境和施工工藝混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析研究。

4.1 不同混凝土環(huán)境對(duì)陽極梯系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響

選取兩套位于不同部位的陽極梯系統(tǒng)，比較其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。兩系統(tǒng)分別為M2-A1和P2-F1，其中M2-A1位于M2排架海側(cè)T樁-25 m處（見圖3），該處混凝土處在泥下區(qū)，屬于浸泡混凝土；P2-F1位于P2排架的預(yù)制面板處（傳感器在斷面中的位置與圖3中M2-F1一致），預(yù)制面板雖處在浪濺區(qū)，但由于地連墻的阻擋，其下方基本無浪，海水無法到達(dá)，屬干燥混凝土。兩系統(tǒng)的電壓、電流以及電阻隨時(shí)間的變化分別如圖4、圖5及圖6所示。

從圖4可看出，各陽極電壓基本在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。在混凝土剛澆注時(shí)，陽極電壓都為負(fù)值，但在隨后幾天，電壓迅速正移。這是隨著混凝土凝結(jié)，其內(nèi)部pH值逐漸升高，陽極發(fā)生鈍化造成的。由于鈍化部分電位較未鈍化部分的正，而測(cè)得的陽極電壓又是兩部分混合電位的反映，因此鈍化造成電壓正移。

值得注意的是圖4（b）中的陽極電壓在60 d左右又有一次明顯正移，這說明陽極的鈍化并非一次完成。在澆注完成后的隨后幾天陽極僅部分區(qū)域發(fā)生了鈍化，產(chǎn)生了第一次電壓正移。而在60 d左右，陽極未鈍化部分的某些或全部區(qū)域進(jìn)一步發(fā)生了鈍化，令陽極電位再一次出現(xiàn)明顯的正移。在圖4（a）中也出現(xiàn)了類似的多次正移的現(xiàn)象。

從圖5（b）可看出，位于預(yù)制面板處陽極梯的各陽極電流在150 d后基本穩(wěn)定在2～8 μA之間。陽極梯系統(tǒng)生產(chǎn)廠家從大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出判斷陽極狀態(tài)的判據(jù)：即對(duì)于埋設(shè)在干燥混凝土中的陽極，測(cè)量陽極與陰極短路連接5 s后的電流，若電流遠(yuǎn)小于15 μA則表明陽極仍處于鈍態(tài)，若電流大于15 μA表明陽極處在活化態(tài)。圖5（b）的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。在本工程安裝的48套陽極梯系統(tǒng)中，有6套的傳感器處在干燥混凝土中，其中4套的電流都小于15 μA，另外2套由于監(jiān)測(cè)時(shí)間過短，電流仍未穩(wěn)定，其值大于15 μA。表1列出了此6套陽極梯在最后監(jiān)測(cè)時(shí)間獲得的電流值。

圖4 陽極電壓隨時(shí)間的變化圖

圖5 陽極電流隨時(shí)間的變化圖

圖6 相鄰陽極間交流阻抗與時(shí)間的關(guān)系圖

表1 位于干燥混凝土中陽極梯的電流值

從圖5（a）中可看到，對(duì)于埋于T樁處的各陽極，其電流在200 d后全部達(dá)到穩(wěn)定，其中5根陽極的穩(wěn)定電流在500～1000 μA之間，另一根陽極（A4）的電流穩(wěn)定值為-50 μA。上面提到的“15 μA”判據(jù)并不適合用于判斷這類陽極是否發(fā)生腐蝕，因?yàn)殛枠O處在浸泡混凝土中，混凝土內(nèi)含水量會(huì)影響電流值。而且由于混凝土內(nèi)含水量差異很大，用單一一個(gè)判據(jù)明顯不合適。此時(shí)判斷陽極是否脫鈍的方法是對(duì)陽極梯進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)，繪制各陽極電壓與電流隨時(shí)間的變化圖，若出現(xiàn)電壓的明顯負(fù)移以及電流的明顯躍變可說明陽極發(fā)生腐蝕。

通過比較圖5（a）、（b）可發(fā)現(xiàn)位于T樁的陽極梯系統(tǒng)，各陽極電流與位于預(yù)制面板處的相差明顯。由于兩陽極梯系統(tǒng)各陽極電壓相差不大（見圖4（a）、（b）），因此電流的差別主要是混凝土電阻率不同造成的。從圖6（b）、（a）可看出預(yù)制面板處混凝土電阻率比T樁處混凝土電阻率大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。預(yù)制面板為干燥混凝土，混凝土中含水較少，因此電阻率較大，而T樁-25 m標(biāo)高處為浸泡混凝土，周圍是含水量較高的淤泥質(zhì)砂層，混凝土內(nèi)含水量大，電阻率小。

由上述分析可見，混凝土所處環(huán)境（浸泡或干燥）對(duì)陽極梯系統(tǒng)獲取的電化學(xué)參數(shù)影響較大。

4.2 不同混凝土施工工藝對(duì)陽極梯系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響

進(jìn)一步考察了混凝土施工方法對(duì)陽極梯系統(tǒng)電流值的影響，對(duì)樁基及現(xiàn)澆梁處各陽極的電流進(jìn)行匯總比較。樁基與現(xiàn)澆梁處混凝土都屬于浸泡區(qū)域，但前者采用水下自密實(shí)混凝土澆筑，后者則是普通的陸上混凝土施工。圖7顯示了安裝在樁基及現(xiàn)澆梁處各陽極的穩(wěn)定電流。其中方塊（或圓形）表示電流的平均值，垂線覆蓋的區(qū)域表示電流的分布范圍。從圖中可看出電流平均值在70～160 μA之間。樁基處的陽極與現(xiàn)澆梁處陽極在電流平均值上相差不大。但與表1中干燥混凝土中各陽極的穩(wěn)定電流值相比，圖7中的電流數(shù)值要大得多。如前所述，這是因?yàn)閳D7中的陽極都處在浸泡混凝土中。而表1的都處在干燥混凝土中。

圖7 位于浸泡混凝土中各陽極的穩(wěn)定電流

另一方面，從圖中垂線覆蓋的區(qū)域可看出現(xiàn)澆梁處各陽極電流的分散性較小，說明該區(qū)域混凝土的均一性相對(duì)較好，這與兩處混凝土施工工藝不同有關(guān)。由此可見混凝土的施工工藝影響陽極梯系統(tǒng)電流值。

需要注意的是，由于以上陽極梯系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅為短期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并不能用于確定脫鈍鋒線的位置。依靠陽極梯系統(tǒng)確定脫鈍鋒線還需進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)才能得到實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語

為監(jiān)測(cè)碼頭腐蝕狀況，埃及塞得東港集裝箱碼頭二期水工工程安裝了陽極梯系統(tǒng)這種較新型的耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

從已獲得的數(shù)據(jù)可知，混凝土所處環(huán)境（浸泡或干燥）對(duì)陽極的電流大小產(chǎn)生影響。用于判斷陽極是否脫鈍的“15 μA”判據(jù)對(duì)于實(shí)際工程中埋設(shè)在干燥混凝土中的陽極梯系統(tǒng)是適用的。但對(duì)埋設(shè)在浸泡混凝土中的陽極梯系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)電流遠(yuǎn)大于15 μA，“15 μA”判據(jù)并不適用，必須監(jiān)測(cè)陽極的電壓與短路電流隨時(shí)間的變化，才能判斷脫鈍的發(fā)生。

混凝土本身施工工藝都對(duì)陽極梯系統(tǒng)的電流產(chǎn)生影響。陽極電流的離散性在密實(shí)的混凝土中要遠(yuǎn)小于在較不密實(shí)的混凝土中。

作為耐久性設(shè)計(jì)與再設(shè)計(jì)過程中重要的環(huán)節(jié)，耐久性監(jiān)測(cè)對(duì)于確保結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要意義。目前的混凝土耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除可以監(jiān)控鋼筋銹蝕狀況，還具備預(yù)測(cè)腐蝕發(fā)生時(shí)間的功能。可通過暴露試驗(yàn)建立陽極梯系統(tǒng)在不同環(huán)境及施工工藝下對(duì)于腐蝕發(fā)生的判斷標(biāo)準(zhǔn)。隨著長壽命、高耐久性結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有廣大的應(yīng)用前景。

[1]BROOMFIELD J P，DAVIES K，HLADKY K.The Use of Permanent Corrosion Monitoring in New and Existing Reinforced Concrete Structures[J].Cement Concrete Comp，2007，24：27-34.

[2]ELSENER B.Macrocell Corrosion of Steel in Concrete–Implications for Corrosion Monitoring[J].Cement Concrete Comp，2002，24：65-72.

[3]DUFFó G S，F(xiàn)ARINA S B.Development of an Embeddable Sensor to Monitor the Corrosion Process of New and Existing Reinforced Concrete Structures[J].Constr Build Mater，2009，23：2746-2751.

[4]RAUPACH M，SCHIEβL P.Macrocell Sensor Systems for Monitoring of the Corrosion Risk of the Reinforcement in Concrete Structures[J].NDT&E Inter，2001，34：435-442.