劉紅彪,劉海成,齊方利,張路剛,薛德清,肖 忠,莊 寧

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456;2.防災(zāi)科技學(xué)院,三河 065201;3.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司海洋石油船舶中心,龍口 265700;4.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津 300350;5.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210024)

氯離子侵蝕和混凝土碳化均會(huì)對(duì)暴露在腐蝕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞,例如,氯離子會(huì)引起沿海地區(qū)及潮汐區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕[1-2]。大量的港口水工建筑物如碼頭、跨海橋梁、堤壩等結(jié)構(gòu)受到海水氯離子的侵蝕而發(fā)生破壞,以致必須修復(fù)或重建[3]。目前維修費(fèi)是港口水工結(jié)構(gòu)維護(hù)開支的主要部分。

服役于海洋環(huán)境下的碼頭、跨海橋梁等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由氯化物引起鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土開裂比混凝土碳化作用所引起的混凝土開裂更為嚴(yán)重。氯離子侵蝕使鋼筋銹蝕加快,是影響海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素,并已引起工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由氯化物侵蝕引起的海洋環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的典型破壞如圖1所示。

圖1 由氯化物引起的港口水工結(jié)構(gòu)的典型耐久性破損Fig.1 Typical durability damage of harbor structures induced by chlorides

氯離子侵蝕會(huì)對(duì)服役于海洋環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞,但海洋工程建設(shè)不會(huì)停止,甚至很多海洋工程的設(shè)計(jì)使用壽命要求更高,需達(dá)到100 a及以上,如中國(guó)的港珠澳大橋、杭州灣大橋和深中通道。這就對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提出了更嚴(yán)格的要求。然而,目前還沒(méi)有一種通用的可靠度設(shè)計(jì)理論可以保證混凝土結(jié)構(gòu)能夠服役100 a或更長(zhǎng)時(shí)間[4]。因此,為了使混凝土結(jié)構(gòu)具有更長(zhǎng)的服役壽命,現(xiàn)在普遍采用耐久性設(shè)計(jì)和再設(shè)計(jì)的原則,即在混凝土結(jié)構(gòu)服役期間基于監(jiān)測(cè)手段獲取混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際耐久性信息,對(duì)監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)的部分不滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)采取進(jìn)一步的措施以保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求[5-6]。因此,有必要通過(guò)監(jiān)測(cè)收集混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性數(shù)據(jù),在鋼筋銹蝕過(guò)程開始前采取預(yù)防措施[7-9],從而既保證了結(jié)構(gòu)的耐久性要求,又降低了維護(hù)成本。一般情況,當(dāng)鋼筋開始銹蝕后,修復(fù)措施的費(fèi)用隨時(shí)間急劇增加?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性維護(hù)費(fèi)符合“五倍定律”,即輕微損壞的維修費(fèi)是預(yù)防措施費(fèi)的5倍。所以,對(duì)服役于海洋環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性監(jiān)測(cè)具有重要意義。因此,在近幾十年里,科研人員投入了大量的精力發(fā)展無(wú)損檢測(cè)以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法,以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行客觀評(píng)估。提出多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方法,如超聲波檢測(cè)、探地雷達(dá)檢測(cè)、半電池電位法檢測(cè)等,某些手段已被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)[10]。但是,現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法,如半電池電位法僅能判斷局部發(fā)生銹蝕的概率而不能確定開始銹蝕的時(shí)間,而陽(yáng)極梯傳感器則可以監(jiān)測(cè)鋼筋開始銹蝕的時(shí)間?；趥鞲衅鞯淖詣?dòng)化監(jiān)測(cè)比常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)更具成本效益,特別是在難以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的地區(qū)?；诒O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可在鋼筋銹蝕前及時(shí)采取防護(hù)措施,降低維護(hù)成本。

基于陽(yáng)極梯的結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在許多混凝土結(jié)構(gòu)(主要是橋梁)中得到了應(yīng)用,但是對(duì)于港口高樁碼頭耐久性監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究還不多。服役于海水環(huán)境的港口碼頭結(jié)構(gòu),氯離子滲透引起的耐久性問(wèn)題更加突出,結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)更為重要。本文的目的是設(shè)計(jì)部署一套基于陽(yáng)極梯傳感器的長(zhǎng)期耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)天津港某碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性監(jiān)測(cè)。耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是基于陽(yáng)極梯傳感器收集鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的宏電池電勢(shì)、電流、電阻及溫度,以評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕風(fēng)險(xiǎn)。

1 理論背景

1.1 混凝土內(nèi)的鋼筋銹蝕原理

一般情況下,混凝土中的鋼筋具有良好的耐腐蝕性,因?yàn)榛炷林袑儆诟邏A性環(huán)境(pH值在12.5～13.5)。在高堿性環(huán)境下,鋼筋表面會(huì)形成一層薄的氧化層,稱為鈍化膜,其可以使鋼筋的銹蝕損失量降低至可以忽略的程度。通常這種鈍化狀態(tài)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整個(gè)服役壽命中是穩(wěn)定的。然而,由于各種原因,如氯離子滲透或混凝土碳化,會(huì)破壞覆蓋在鋼筋表面的鈍化膜,最后造成鋼筋從鈍化態(tài)變?yōu)榛罨瘧B(tài)(即脫鈍)。隨后,鋼筋周圍的水、氧氣以及氯離子與鋼筋中的鐵發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致鋼筋銹蝕。隨著鋼筋銹蝕的逐漸加劇,混凝土?xí)蜾摻钿P蝕膨脹而出現(xiàn)裂縫,以致剝落,最終混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞[11]。

鋼筋銹蝕是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng),涉及到多個(gè)步驟,最后鐵形成氫氧化鐵(Fe(OH)3),而氫氧化鐵會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗涎趸F(Fe2O3·H2O),即鐵銹。鋼筋銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)如圖2所示[12]。

混凝土碳化是指二氧化碳(CO2)與混凝土孔隙溶液中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使pH值降低到10以下的過(guò)程,是造成混凝土腐蝕的原因之一。然而,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn),服役于海洋環(huán)境的港口工程混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的主要原因是氯離子的滲透。因此,本文的研究集中于氯離子引起的鋼筋銹蝕方面。由圖2可知,氯離子入侵也會(huì)導(dǎo)致pH值的下降,當(dāng)孔隙水溶液中氯含量超過(guò)臨界值時(shí),鋼筋開始脫鈍生銹。

氯離子引起混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕過(guò)程類似于電池的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,可以用圖3所示的簡(jiǎn)化電路模型來(lái)描述。鋼筋表面不同的部分分別作為電池的陽(yáng)極和陰極,如圖2所示。在鋼筋陽(yáng)極處,鐵(Fe)失去電子變成鐵離子(Fe2+),其很容易與氯離子(Cl-)結(jié)合形成FeCl2溶液,成為鐵離子的載體,進(jìn)而引起陽(yáng)極去極化,加速鋼筋的陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程。在鋼筋陰極處,電子、水和氧轉(zhuǎn)化為羥基離子(OH-)。陰極的反應(yīng)不會(huì)引起鋼筋的任何劣化。相反,它對(duì)鋼筋起到保護(hù)作用,稱為陰極保護(hù)。然后,在電解質(zhì)中,基于陽(yáng)極和陰極之間產(chǎn)生的電場(chǎng),羥基離子(OH-)帶著負(fù)電荷離子從陰極向陽(yáng)極移動(dòng)。在陽(yáng)極附近,它與溶液中的鐵離子反應(yīng)形成氫氧化亞鐵(Fe(OH)2),同時(shí)氯離子(Cl-)被釋放,并重復(fù)上述過(guò)程。隨后,氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)與氧氣(O2)和水(H2O)反應(yīng),生成氫氧化鐵(Fe(OH)3),最后形成Fe2O3,即鐵銹[10,12]。一般情況下,鐵銹體積是同質(zhì)量鐵體積的3～6倍,當(dāng)鋼筋銹銹蝕后,混凝土因膨脹而開裂剝落。

圖3 混凝土中鋼筋銹蝕的簡(jiǎn)化電路模型Fig.3 Simplified electrical circuit model for the corrosion of rebar in concrete

上述表明港口工程混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕主要是由氯離子侵蝕引起的。此外,服役于海水環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的脫鈍閾值被稱為臨界氯離子濃度鋒線。因此,如果能夠適當(dāng)收集氯離子在混凝土中的滲透行為,如氯離子臨界濃度鋒線的位置及遷移速率,就可以對(duì)鋼筋在混凝土中的銹蝕時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于鋼筋開始銹蝕后,產(chǎn)生的維修費(fèi)用隨著時(shí)間的推移急劇增加,因此根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果若能及時(shí)采取必要的防護(hù)措施,可大幅降低港口工程混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本。

1.2 陽(yáng)極梯傳感器

BASHEAR等[13]基于混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕理論,提出了混凝土退化模型來(lái)預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的性能退化,并強(qiáng)調(diào)了滲透性對(duì)混凝土退化的影響。GLASS等[14]指出氯離子引起的鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。AHMAD[15]總結(jié)了鋼筋的銹蝕機(jī)理、鋼筋的銹蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)以及利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮囼?yàn)技術(shù)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的方法,并指出氯離子引起的腐蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。盡管早期開發(fā)了許多新型的測(cè)試系統(tǒng)和修復(fù)材料來(lái)修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的破損以提高其耐久性,但很多測(cè)試系統(tǒng)并不能確定鋼筋開始銹蝕的時(shí)間。因此,RAUPACH在1986年研制了陽(yáng)極梯傳感器,其可以監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋開始銹蝕的時(shí)間,并在1990年將其成功應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕狀態(tài)的監(jiān)測(cè),為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性再設(shè)計(jì)提供了技術(shù)手段[11,16-17]。RAUPACH等[8]利用陽(yáng)極梯系統(tǒng)監(jiān)測(cè)了氯離子在混凝土結(jié)構(gòu)中的滲透深度,并且基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)鋼筋的銹蝕狀態(tài)。隨后,ZHANG、金祖權(quán)等[18]、方翔等[19]將陽(yáng)極梯系統(tǒng)應(yīng)用于沉管隧道、碼頭等水工建筑物中,以監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性?；陉?yáng)極梯傳感器的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè),可以確定鋼筋的脫鈍閾值。因此,該方法對(duì)于監(jiān)測(cè)沿海高樁碼頭結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)、預(yù)測(cè)鋼筋銹蝕時(shí)間是非常有效的。

天津港某碼頭的結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)使用的陽(yáng)極梯傳感器為德國(guó)制造,該陽(yáng)極梯系統(tǒng)包括埋置于混凝土中的陽(yáng)極梯、外部測(cè)試接口和專用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。陽(yáng)極梯傳感器組件為陽(yáng)極梯、陰極、參比電極、陽(yáng)極鋼筋棒(CR)、溫度探頭(PT 1000),如圖4所示。陽(yáng)極梯中有6根碳鋼制成的陽(yáng)極,分別命名為A1、A2、……、A6。陽(yáng)極梯埋設(shè)于混凝土保護(hù)層厚度范圍內(nèi),通過(guò)調(diào)節(jié)支架斜度,使6個(gè)陽(yáng)極嵌入到混凝土保護(hù)層的不同深度內(nèi)[20],傳感器的安裝方式及側(cè)視圖見(jiàn)圖4所示?；緶y(cè)試原理是將電極放置在相對(duì)于混凝土表面的不同深度內(nèi),逐個(gè)監(jiān)測(cè)這些電極開始銹蝕的時(shí)間。通過(guò)測(cè)量陽(yáng)極在不同深度下的宏電池電勢(shì)、電流、電阻和溫度等參數(shù),可以確定氯離子在混凝土中的擴(kuò)散深度。然后,基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)鋼筋的銹蝕開始時(shí)間,如圖5所示。

圖4 陽(yáng)極梯傳感器以及其安裝示意圖Fig.4 Anode-ladder sensor and its general installation appearance

根據(jù)陽(yáng)極梯傳感器的設(shè)計(jì),在澆筑混凝土前,將由鉑制成的陰極(Pt)、二氧化錳參比電極(MnO2)和陽(yáng)極鋼筋棒設(shè)置在陽(yáng)極梯附近,溫度探頭(PT 1000)封裝在梯形中。在相同的溫度下,陽(yáng)極的宏電池參數(shù)可分為5類,分別是單個(gè)陽(yáng)極與陰極之間的宏電池參數(shù)、單個(gè)陽(yáng)極與參比電極之間的宏電池參數(shù)、單個(gè)陽(yáng)極與陽(yáng)極鋼筋棒之間的宏電池參數(shù)、兩個(gè)相鄰陽(yáng)極之間的宏電池參數(shù)以及環(huán)境溫度。采集具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),采集的數(shù)據(jù)包括混凝土試件的宏電池電位、宏電池電流、電阻和溫度。宏電池電勢(shì)為各個(gè)陽(yáng)極相對(duì)于陰極、參考電極和陽(yáng)極鋼筋棒(表中簡(jiǎn)稱為CR)的電壓值。宏電池電流為各個(gè)陽(yáng)極相對(duì)于陰極和內(nèi)部陽(yáng)極鋼筋棒的電流值,而電阻是陽(yáng)極之間的混凝土電阻值。每次試驗(yàn)采集40個(gè)參數(shù),參數(shù)的定義見(jiàn)表1～表3。

表3 陽(yáng)極梯傳感器采集的電阻值Tab.3 Resistance values collected by the anode-ladder sensor

1.3 鋼筋銹蝕狀態(tài)評(píng)估方法

基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果,將埋置于干燥混凝土中的陽(yáng)極相對(duì)于陰極短路5 s后的內(nèi)電壓值達(dá)到150 mV,電流值達(dá)到15 μA作為通常情況下判定陽(yáng)極活性態(tài)的極限值,當(dāng)傳感器處于潮濕的環(huán)境(如海洋環(huán)境)時(shí),該極限值可能更大[8,20]。這一結(jié)論可用于判斷陽(yáng)極是否處于活性態(tài),并預(yù)測(cè)與鋼筋銹蝕相關(guān)的臨界深度。

判定鋼筋銹蝕狀態(tài)的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM C876-09提出的半電池電位檢測(cè)法,該方法在濕混凝土表面使用銅-硫酸銅半電池來(lái)測(cè)量與混凝土外表面有關(guān)的鋼筋的半電池電位。根據(jù)ASTM C876-09標(biāo)準(zhǔn),如果半電池電位小于-0.35 V,則鋼筋處于活性銹蝕狀態(tài)的概率為90%以上;若半電池電位為正或在-0.35～-0.2 V,則無(wú)法從測(cè)量結(jié)果判定鋼筋的銹蝕狀態(tài);若半電池電位在-0.2～0 V的范圍內(nèi),鋼筋發(fā)生銹蝕的概率小于10%;這些準(zhǔn)則可用于陽(yáng)極梯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和鋼筋銹蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià),具體見(jiàn)表4所示。

表4 鋼筋銹蝕的可能性判定Tab.4 Corrosion probability of reinforcing steel

2 陽(yáng)極梯系統(tǒng)在新建高樁碼頭的應(yīng)用

2.1 工程概況

天津港某碼頭是天津港于2016年開工建設(shè)的高樁碼頭,碼頭結(jié)構(gòu)基于300 000 DWT散貨船設(shè)計(jì),主要用于散貨運(yùn)輸。碼頭長(zhǎng)390 m、寬75 m,由1個(gè)390 m的主碼頭平臺(tái)和2座73.3 m的側(cè)向引橋3個(gè)部分組成。主碼頭段由9個(gè)65 m寬的結(jié)構(gòu)段組成,根據(jù)使用要求分為前承臺(tái)和后承臺(tái)。前承臺(tái)寬36.5 m,后承臺(tái)寬38.5 m,每個(gè)結(jié)構(gòu)段均相同。設(shè)計(jì)的陽(yáng)極梯系統(tǒng)布置在碼頭的第二結(jié)構(gòu)段,碼頭結(jié)構(gòu)如圖6所示。為了組成結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)(SDM)系統(tǒng),在圖6中箭頭標(biāo)記處設(shè)置了2個(gè)陽(yáng)極梯傳感器。利用這些傳感器,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

2018年10月29日，第五屆國(guó)際“我們的海洋大會(huì)”（Our Ocean Conference 2018） 在印度尼西亞巴厘島開幕。來(lái)自7個(gè)國(guó)家的6位總統(tǒng)和1位副總統(tǒng)、36名部長(zhǎng)級(jí)官員以及來(lái)自70多個(gè)國(guó)家的1900余名代表出席會(huì)議。受美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)（EDF）和中國(guó)國(guó)際民間組織合作促進(jìn)會(huì)（CANGO）的邀請(qǐng)，本刊記者參加了此次會(huì)議。印尼總統(tǒng)佐科維（Jokowi）出席開幕式并致辭。

圖6 天津港某碼頭Fig.6 Cross section of the wharf

2.2 陽(yáng)極梯傳感器安裝以及數(shù)據(jù)采集

天津港某碼頭結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)使用的陽(yáng)極梯傳感器分別安裝在后承臺(tái)的橫梁和前承臺(tái)軌道梁上,梁均采用高性能C45F300混凝土預(yù)制。陽(yáng)極梯傳感器全部設(shè)置在梁側(cè)面底部的混凝土保護(hù)層內(nèi),均位于碼頭的浪濺區(qū)。傳感器布設(shè)時(shí),首先將傳感器安裝在鋼筋籠上,然后進(jìn)行混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)完成后,將預(yù)制試件運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝。碼頭面層施工過(guò)程中,將傳感器終端盒埋入混凝土中,并由不銹鋼外殼保護(hù)。不銹鋼保護(hù)殼表面與碼頭面層上表面平行。打開殼體上蓋后,即可看到傳感器終端盒,并通過(guò)專用設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。陽(yáng)極梯傳感器安裝、保護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集如圖7所示。

圖7 陽(yáng)極梯傳感器安裝和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集Fig.7 Installation of anode-ladder sensor and field data acquisition

碼頭竣工后開始采集陽(yáng)極梯傳感器數(shù)據(jù)。天津港某碼頭主體結(jié)構(gòu)于2017年10月完成。本項(xiàng)目陽(yáng)極梯傳感器數(shù)據(jù)采集工作始于2017年10月,每間隔14 d采集一次數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集時(shí)短路時(shí)間設(shè)置為5 s。截至目前,使用HMG7采集設(shè)備已連續(xù)采集數(shù)據(jù)4 a。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通過(guò)陽(yáng)極梯傳感器獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括電壓、電流、電阻、溫度等參數(shù)。根據(jù)前述評(píng)價(jià)方法和廠家提供的技術(shù)參數(shù),監(jiān)測(cè)采集到的電流值通常用來(lái)判定陽(yáng)極是否處于脫鈍或銹蝕狀態(tài)。目前,廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)是如果測(cè)量到的陽(yáng)極和陰極之間的電流遠(yuǎn)小于15 μA,則可以判定埋在干混凝土中的陽(yáng)極處于鈍化狀態(tài);如果測(cè)量到的電流大于15 μA,則認(rèn)為相應(yīng)的陽(yáng)極處于活性狀態(tài)[20]。然而,當(dāng)陽(yáng)極梯傳感器設(shè)置在潮濕的環(huán)境(比如海洋環(huán)境)中時(shí),其極限值可能會(huì)較大。并且在這種情況下,沒(méi)有統(tǒng)一的電流值、電壓和電阻值的判定標(biāo)準(zhǔn)。本文對(duì)兩個(gè)陽(yáng)極梯傳感器連續(xù)4 a的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,重點(diǎn)分析了電流值,并對(duì)電壓、電阻、溫度值進(jìn)行了相關(guān)分析。這對(duì)了解碼頭前后承臺(tái)在服役過(guò)程中的耐久性狀態(tài)變換是很有必要。并且,基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析,可以了解氯離子滲透速率和鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

3.1 前承臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

安裝在前承臺(tái)軌道梁上的陽(yáng)極梯傳感器距碼頭前沿16.5 m,距離海面4.5 m。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,各個(gè)陽(yáng)極相對(duì)于陰極和鋼筋的電流值隨時(shí)間的變化曲線如圖8和圖9所示。從圖8可以看出,在無(wú)視電流方向的情況下,2018年4月至7月,陽(yáng)極A1和A2相對(duì)于陰極的電流值均超過(guò)了15 μA,在排除一些跳變點(diǎn)之后可以觀察到A1和A2相對(duì)陰極的電流值在隨后的幾個(gè)月里逐漸恢復(fù)到10 μA。如果根據(jù)電流大于15 μA則判定陽(yáng)極脫鈍的標(biāo)準(zhǔn),可以初步判定在2018年4月至7月,陽(yáng)極A1和A2處于脫鈍狀態(tài)。這意味著氯離子已經(jīng)滲透到陽(yáng)極A2的深度。然而,根據(jù)接下來(lái)幾個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,A1和A2相對(duì)于陰極的電流值又恢復(fù)到小于15 μA水平,據(jù)此又可判定陽(yáng)極處于鈍化狀態(tài)。顯然,這兩個(gè)結(jié)論是矛盾的。為了理解這一矛盾,將采集的溫度數(shù)據(jù)納入考慮。從圖8可以看出,2018年4月至7月,溫度持續(xù)升高,陽(yáng)極A1、A2相對(duì)于陰極的電流值大于15 μA,之后隨著溫度的下降,電流值又回到15 μA以下。作者認(rèn)為造成這一矛盾的原因是環(huán)境溫度的變化,并不能完全根據(jù)2018年4月至7月期間大于15 μA的電流值就確定陽(yáng)極A1和A2脫鈍。此外,軌道梁涂有防腐物質(zhì),氯離子滲透深度不可能達(dá)到A1和A2所處的位置,這也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)確認(rèn)。從現(xiàn)場(chǎng)檢查來(lái)看,沒(méi)有防腐涂層破損的跡象。因此,作者認(rèn)為A1和A2仍處于鈍化狀態(tài)。

圖8 陽(yáng)極和陰極之間的電流(前承臺(tái))Fig.8 Current between anode and cathode (front platform)

圖9 陽(yáng)極和陽(yáng)極鋼筋棒之間的電流(前承臺(tái))Fig.9 Current between anode and reinforcement-connection (front platform)

此外,從陽(yáng)極與陽(yáng)極鋼筋棒之間的電流值的歷史數(shù)據(jù)(圖9)來(lái)看,除了陽(yáng)極A1之外,陽(yáng)極A2～A6相對(duì)于陽(yáng)極鋼筋棒的電流值,無(wú)論電流方向如何,都小于10 μA。在某些情況下,陽(yáng)極A1的電流值大于15 μA,而大多數(shù)的電流值不超過(guò)15 μA。這與陽(yáng)極相對(duì)于陰極之間電流的數(shù)據(jù)規(guī)律相似。根據(jù)以上分析,所有陽(yáng)極都處于鈍化狀態(tài)。

此外,通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理,得到了陽(yáng)極相對(duì)于陰極、參比電極以及陽(yáng)極鋼筋棒之間的相對(duì)電壓隨時(shí)間變化的曲線,并得到了相鄰兩個(gè)陽(yáng)極之間的電阻隨時(shí)間的變化曲線,具體見(jiàn)圖10～圖13所示。由圖10可以看出,電壓的變化趨勢(shì)與上述電流值的變化趨勢(shì)幾乎一致,2018年4月至7月,陽(yáng)極A1、A2相對(duì)于陰極的電壓也出現(xiàn)了波動(dòng),有的電壓值達(dá)到-625 mV,然后逐漸下降至-20 mV以內(nèi)。在接下來(lái)的時(shí)間里,除去一些跳變點(diǎn)以外,電壓值逐漸上升為正值,并逐漸達(dá)到了150 mV,但沒(méi)有超過(guò)150 mV。但在此期間,陽(yáng)極A3、A4、A6相對(duì)于陰極的某些電壓值略大于150 mV。每個(gè)陽(yáng)極相對(duì)于參比電極和陽(yáng)極鋼筋棒的電壓值也顯示出類似的趨勢(shì)(圖11和圖12)。因此,不能選擇150 mV作為服役于海洋環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的陽(yáng)極活化臨界極限,而300 mV的相對(duì)電壓值更為合適,因?yàn)榻?jīng)分析電壓的波動(dòng)是由環(huán)境溫度引起的而不是由陽(yáng)極脫鈍引起的,這也被現(xiàn)場(chǎng)的檢驗(yàn)所證明。隨著后續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的增加,時(shí)間上包含多個(gè)季節(jié)的交替,可進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。

圖10 陽(yáng)極和陰極之間的電壓(前承臺(tái))Fig.10 Voltage between anode and cathode (front platform)

圖11 陽(yáng)極和參比電極之間的電壓(前承臺(tái))Fig.11 Voltage between anode and reference electrode (front platform)

圖12 陽(yáng)極和陽(yáng)極鋼筋棒之間的電壓(前承臺(tái))Fig.12 Voltage between anode and reinforcement-connection (front platform)

圖13 陽(yáng)極之間的電阻(前承臺(tái))Fig.13 Resistance between anodes (front platform)

3.2 后承臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

安裝在后承臺(tái)橫梁上的陽(yáng)極梯傳感器距碼頭前沿73.5 m,距離海面4.5 m。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,得到了各陽(yáng)極相對(duì)于陰極和陽(yáng)極鋼筋棒的電流值時(shí)程曲線,分別如圖14和圖15所示。從圖14可以看出,后承臺(tái)傳感器的電流值隨時(shí)間變化的情況比前承臺(tái)傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)更雜亂。在不考慮電流方向的情況下,2018年4月至9月,陽(yáng)極A1、A2、A4相對(duì)于陰極的電流值均超過(guò)15 μA,并且在隨后幾個(gè)月內(nèi)逐漸恢復(fù)到15 μA以下。其他陽(yáng)極的相對(duì)電流值都處于穩(wěn)定的狀態(tài),均小于10 μA。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果及前承臺(tái)傳感器的數(shù)據(jù)分析判斷,不宜判定A1、A2、A4陽(yáng)極在2018年4月至9月發(fā)生脫鈍。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,很明顯陽(yáng)極A1、A2、A4相對(duì)于陰極的電流值產(chǎn)生了波動(dòng),這不僅與先前初步推斷的環(huán)境溫度有關(guān),也與混凝土的內(nèi)部高濕環(huán)境有關(guān)?；炷羶?nèi)部的高濕環(huán)境導(dǎo)致電子聚集在陽(yáng)極表面,致使陽(yáng)極電位出現(xiàn)明顯的負(fù)遷移。因此,雖然陽(yáng)極A1、A2、A4仍處于鈍化狀態(tài),但陽(yáng)極相對(duì)于陰極的電流仍然顯著增加,造成了陽(yáng)極A1、A2、A4活化的假象。

圖14 陽(yáng)極與陰極之間的電流(后承臺(tái))Fig.14 Current between anode and cathode (back platform)

圖15 陽(yáng)極與陽(yáng)極鋼筋棒之間的電流(后承臺(tái))Fig.15 Current between anode and reinforcement (back platform)

通過(guò)數(shù)據(jù)處理,得到了陽(yáng)極相對(duì)于陰極、參比電極以及陽(yáng)極鋼筋棒的電壓值的時(shí)程曲線,以及相鄰陽(yáng)極間電阻的時(shí)程曲線,見(jiàn)圖16～圖19。從圖16中可以看出,電壓值曲線比圖14中的電流值曲線更雜亂,但電壓值的變化趨勢(shì)與電流值的變化趨勢(shì)相似。在監(jiān)測(cè)期間,陽(yáng)極A1、A2和A4的電壓值始終大于150 mV,根據(jù)上文介紹的判定標(biāo)準(zhǔn),可判定A1、A2和A4處于活性態(tài),且某些時(shí)間點(diǎn)電壓值達(dá)到400 mV。從陽(yáng)極相對(duì)于參比電極和陽(yáng)極鋼筋棒的電壓值隨時(shí)間變化的曲線(圖17和圖18)可以看出,陽(yáng)極A6的電壓值表示其也處于活性態(tài),這使得數(shù)據(jù)分析更加困難。目前普遍認(rèn)為環(huán)境溫度是造成數(shù)據(jù)波動(dòng)的主要因素,具體結(jié)論需結(jié)合更多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)才能確定。

圖16 陽(yáng)極與陰極之間的電壓(后承臺(tái))Fig.16 Voltage between anode and cathode (back platform)

圖17 陽(yáng)極與參比電極之間的電壓(后承臺(tái))Fig.17 Voltage between anode and reference electrode(back platform)

圖18 陽(yáng)極與陽(yáng)極鋼筋棒之間的電壓(后承臺(tái))Fig.18 Voltage between anode and reinforcement (back platform)

圖19 陽(yáng)極之間的電阻(后承臺(tái))Fig.19 Resistance between anodes (back platform)

此外,從圖19中看出,陽(yáng)極之間的電阻值,除陽(yáng)極A6與鋼筋之間的電阻相對(duì)較大以外,其余的電阻值的分布非常規(guī)律,即電阻的變化趨勢(shì)與溫度相反,即溫度上升,電阻下降,反之亦然,與前承臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律一致。

4 結(jié)論

本文以天津港某碼頭為依托,在前承臺(tái)的軌道梁和后承臺(tái)的橫梁處分別設(shè)置陽(yáng)極梯傳感器,用于碼頭結(jié)構(gòu)耐久性的長(zhǎng)期監(jiān)控。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析,得出以下結(jié)論：

(1)設(shè)置于前承臺(tái)軌道梁的陽(yáng)極梯傳感器數(shù)據(jù)顯示,在4個(gè)月的時(shí)間里,陽(yáng)極A1和A2相對(duì)于陰極的電流超過(guò)15 μA,說(shuō)明陽(yáng)極A1和A2可能發(fā)生了脫鈍。但經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn),這主要是由于環(huán)境溫度變化造成陽(yáng)極出現(xiàn)脫鈍的假象,因?yàn)檫@4個(gè)月正是春夏季節(jié),溫度持續(xù)上升,導(dǎo)致相對(duì)電流升高。

(2)設(shè)置于后承臺(tái)橫梁的陽(yáng)極梯傳感器數(shù)據(jù)顯示,在6個(gè)月的時(shí)間里,陽(yáng)極A1、A2、A4相對(duì)于陰極的電流超過(guò)了15 μA,特別是A4相對(duì)于陰極的電流值越過(guò)A3先達(dá)到判定脫鈍的標(biāo)準(zhǔn),造成了一種陽(yáng)極脫鈍的假象。經(jīng)過(guò)分析,主要原因不僅是環(huán)境溫度,還有混凝土內(nèi)部的高濕環(huán)境,導(dǎo)致電子在陽(yáng)極表面聚集,致使陽(yáng)極電位出現(xiàn)明顯的負(fù)遷移。因此,造成了陽(yáng)極A4脫鈍的假象,但這一結(jié)論還需后期更多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加以證實(shí)。

(3)溫度的變化對(duì)混凝土的電阻影響很大,溫度的升高會(huì)導(dǎo)致混凝土電阻下降。

(4)雖然陽(yáng)極梯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)氯離子對(duì)港口工程混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn),但在環(huán)境溫度和混凝土內(nèi)部濕度的共同影響下,可能會(huì)出現(xiàn)干擾數(shù)據(jù),影響結(jié)果的判定。因此,要確定陽(yáng)極是否處于活性態(tài),必須綜合電流、電壓、電阻、溫度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),不能簡(jiǎn)單地通過(guò)電流值來(lái)確定,多參數(shù)耦合分析判定準(zhǔn)則需做進(jìn)一步研究。