Ruth E. Sørensen (rso@cowi.dk)

Birit Buhr (bbu@cowi.dk)

Thomas Frølund (tfd@cowi.dk)

摘要:

今天，大型混凝土工程的下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限都是100年。這對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計師提出了很高的要求，在設(shè)計階段就必須去細致考慮怎么去運營和養(yǎng)護結(jié)構(gòu)。因為，今年來，在丹麥的主要混凝土結(jié)構(gòu)的下部構(gòu)造都在臨界斷面安裝了腐蝕監(jiān)測傳感器，如Great Belt Link，Oresund Link以及哥本哈根地鐵。腐蝕監(jiān)測讓檢驗早期階段的氯離子侵入成為可能，可以在佳時間段里采取腐蝕防護措施，降低維修費用。

腐蝕監(jiān)測應(yīng)用還處于初始階段，但使用這種新手段的效果是值得肯定的。

1.介紹

在過去的15年里，丹麥有3個大型的混凝土結(jié)構(gòu)的下部結(jié)構(gòu)得到了改良

.     The Great Belt Link,連接Sealand和Funen兩個島嶼

.     The Oresund link, 厄勒海峽大橋connecting the island Sealand with Sweden 連接Seanland島和瑞典

.     哥本哈根地鐵

這幾個主要的混凝土工程的設(shè)計使用年限都是100年，在設(shè)計階段就必須貫徹考慮建造、保養(yǎng)和維修策略細節(jié)問題。其中一個考慮的事項就是在這些結(jié)構(gòu)里面發(fā)展和安裝腐蝕傳感器預(yù)測鋼筋混凝土腐蝕的開始時間。

Great Belt Link與Oresund Link厄勒海峽大橋都是暴露在海水里，一個氯離子活動非常活躍的環(huán)境。哥本哈根地鐵的縱深部分處在一個多變的環(huán)境，底部位于天然地基上，地鐵結(jié)構(gòu)有幾個位置接觸到含有豐富氯離子的地下水。在這些環(huán)境條件下，氯離子會侵入到混凝土結(jié)構(gòu)里，當(dāng)鋼筋周圍的氯離子含量超過臨界值時，腐蝕就會發(fā)生，終導(dǎo)致使用年限的降低了。

通過在保護層里埋入傳感器可以監(jiān)測目前環(huán)境里氯離子侵入導(dǎo)致的腐蝕。可供選擇的措施是用混凝土試樣做大量重復(fù)的氯離子破壞分析。混凝土的耐久性質(zhì)量設(shè)計會以實際環(huán)境條件為檢驗依據(jù)。當(dāng)腐蝕傳感器安放在混凝土保護層和臨界斷面上時，就能夠監(jiān)測到氯離子侵入的臨界數(shù)量。防腐措施如陰極保護，也可以在初重修工作開始前的恰當(dāng)時候進行，相應(yīng)的會減低養(yǎng)護的費用。

圖一：丹麥三個主要的混凝土結(jié)構(gòu)工程項目

腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)是估計鋼筋腐蝕開始時間的一個工具。有了這個信息的支持，養(yǎng)護措施的能夠在技術(shù)和經(jīng)濟性上具有好的依據(jù)。

2 、監(jiān)測原理

鋼筋腐蝕是一個電化學(xué)過程，在鋼筋的不同位置，鐵離子游離（陽極）和氧化物減少(陰極)，會產(chǎn)生一個電勢差。由于存在電勢差，相應(yīng)會產(chǎn)生腐蝕電流，而這種腐蝕電流是可以被量測的。當(dāng)腐蝕過程是在很大的陽極區(qū)域和陰極區(qū)域中進行的，這種腐蝕就叫宏單元腐蝕。

腐蝕傳感器是基于宏單元腐蝕原理，假設(shè)一個黑鋼連接有一個惰性金屬充當(dāng)陰極的情況下，當(dāng)腐蝕發(fā)生時，黑鋼就成為了陽極。一般會選用鈦金屬或表面覆蓋有金屬氧化物的鈦作為陰極，有時也可以采用不銹黑鋼（鋼筋）。

在一個健康的混凝土結(jié)構(gòu)里，陽極和陰極的電化學(xué)電位是基本相同的，這個微小的電勢差使陽極和陰極連接起來的電流基本為零。當(dāng)黑鋼由于氯離子的侵入而腐蝕時，陽極的電位會下降，而在正常狀態(tài)下的陰極電位會保持恒定。這樣，當(dāng)陽極和陰極連接在一起后，之間的電流會產(chǎn)生數(shù)量級的重大增加。能指示腐蝕發(fā)生的觸發(fā)值與混凝土質(zhì)量和周圍環(huán)境如氯離子含量、濕度、氧含量、溫度和混凝土電阻率有關(guān)。因此，整個結(jié)構(gòu)的腐蝕觸發(fā)電流值都不會*一樣的。不同的混凝土部件會有相應(yīng)的腐蝕觸發(fā)值。實際上，腐蝕監(jiān)測傳感器由幾個黑鋼傳感器（4或者6個陽極）組成，這些黑鋼陽極安裝在混凝土保護層以下不同的深度處，與陰極組合在一起。當(dāng)外面陽極電流超過觸發(fā)值時，說明在臨界面活躍的物質(zhì)特別是氯化物已經(jīng)接觸到此陽極，腐蝕開始了。當(dāng)?shù)诙€外面的陽極的電流超過觸發(fā)值，說明在臨界面活躍的物質(zhì)開始接觸到此陽極，處在保護層相應(yīng)深度的鋼筋混凝土開始被腐蝕了。相應(yīng)的，腐蝕前鋒面會相繼推進到混凝土保護層里。

  圖2：腐蝕傳感器進行腐蝕監(jiān)測的基本原理-監(jiān)測脫鈍前封面的進展情況

當(dāng)混凝土的質(zhì)量情況很好時，就像Great Belt Link項目一樣，往往需要很多年的時間靠近外面的傳感器才會發(fā)生腐蝕和監(jiān)測到腐蝕電流。與保養(yǎng)費用的長期預(yù)算相關(guān)的是盡可能早預(yù)測到鋼筋發(fā)生腐蝕的時間。登記腐蝕傳感器的腐蝕時間，建立服務(wù)年限與氯離子侵入引起的腐蝕相關(guān)的數(shù)學(xué)推理模型，可以獲知這種相關(guān)性。

3 監(jiān)測

3.1 The Great Belt Link

Great Belt Link建造于1989年，1998年投入運營。海上通道由兩段橋梁和一段隧道組成。分別叫作西橋，東橋和東隧道。西橋由兩條長約6.6公里的平行連續(xù)箱梁組成，一條是公路橋，一條是鐵路橋。沉箱、橋軸和梁都是混凝土預(yù)制而成，而連接件都是混凝土現(xiàn)澆的。東橋是懸索橋，包含引橋長約6.8公里。沉箱、橋軸、錨墩和橋塔都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，部分預(yù)制，部分現(xiàn)澆。東隧道由兩條平行的長約7.5公里長的隧道管道組成，隧道管襯砌部分都是混凝土預(yù)制而成，加上兩頭，隧道總長接近8公里，浸入海水里深超過75米。

圖3 The great belt Link

Great belt link的耐久性要求是100年。這包含了結(jié)構(gòu)布置、材料構(gòu)成、執(zhí)行質(zhì)量、施工及養(yǎng)護策略方面的綜合考慮。如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計和運營中不把保養(yǎng)和維修作為主要部分來考慮是很難實現(xiàn)100年的服務(wù)年限的。腐蝕檢測將作為一種非常重要的工具，可以確認質(zhì)量退化的標(biāo)識，在質(zhì)量退化前采取預(yù)防性措施。

The Great Belt Link的腐蝕監(jiān)測總共使用了446套腐蝕傳感器，其中180套安裝在西橋的橋軸和梁上，42套安裝在東橋的橋塔、橋軸和錨墩上，225套安裝在東隧道的接口和保護層的內(nèi)外環(huán)形襯砌上。

The Great Belt Link采用的腐蝕傳感器是德國S+R sensortech公司的陽極梯。陽極梯由6段黑鋼陽極和溫度傳感器組成（PT-1000）,陰極是一段鈦棒。同時配備了丹麥FORCE Technology公司的ERE10參比電極。傳感器安裝安放在臨界薄弱斷面例如結(jié)構(gòu)連接處和難以到達或者很難開展檢測工作的構(gòu)件上。傳感器在1989-1991年安裝在東隧道。

圖4 梯形腐蝕傳感器

3.2 厄勒海峽大橋

厄勒海峽大橋修建于1995年，2000年竣工。大橋包括一斜拉橋和一座隧道，連接哥本哈根和瑞典第三大城市馬爾默。斜拉橋長7.8km，采用加強混凝土作為基礎(chǔ)。所有的沉箱、橋墩和墩軸都是預(yù)制的，橋塔采用現(xiàn)澆方式。混凝土隧道全長接近4公里，海底部分長約3.5KM。

圖5 The Oresund Bridge

混凝土隧道結(jié)構(gòu)部分一共使用了249套腐蝕傳感器，其中60套用在斜拉橋上的墩軸和橋塔以及鐵道槽里。另外189套傳感器用在隧道上。大橋上用的腐蝕傳感器是德國S+R sensortech公司的陽極梯，過去在Great Belt Link上也使用過，參比電極采用的是丹麥FORCE Technology公司的ERE20。橋桿和橋塔里的傳感器都安裝在大體積混凝土部位和結(jié)構(gòu)連接處，這些都是暴露在氯離子侵蝕環(huán)境下，比較容易腐蝕的地方。鐵路槽里的傳感器都設(shè)置在容易受到碳化腐蝕和在建設(shè)階段可能出現(xiàn)裂縫的位置。隧道采用的腐蝕傳感器是丹麥FORCE Technology公司的Corrowatch,這種傳感器有4個普通黑鋼陽極和一個采用高純度鈦合金網(wǎng)的陰極，相應(yīng)配置的參比電極同樣是Force公司的ERE20。這些傳感器都安放在臨界薄弱斷面例如結(jié)構(gòu)連接處和難以到達或者很難開展檢測工作的構(gòu)件上。

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圖6、Corrowatch腐蝕傳感器

3.3 哥本哈根地鐵

哥本哈根地鐵修建于1996-2003年。地鐵位于哥本哈根市中心的部分是隧道結(jié)構(gòu)，郊區(qū)是筑堤或者輕軌。哥本哈根地鐵的地下部分大概有接近8公里長，隧道是盾構(gòu)開挖，襯砌是預(yù)制鋼筋混凝土板，接口與上蓋也是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的，與NATM隧道類似。地鐵站也大多是在地下隨著開挖用交叉樁支撐的，同樣是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。地上高架鐵路的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)同樣是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的，這些都一般只面臨較低風(fēng)險的鋼筋腐蝕，除非主要公路因為冬季噴灑除冰鹽而面臨氯離子侵蝕的危險。

圖7、哥本哈根地鐵隧道

在1997-2004年，地鐵在修建期間一共安裝147套腐蝕傳感器。傳感器都安裝在以下盾構(gòu)隧道的幾種結(jié)構(gòu)里，如接口處、上蓋、斜坡、交叉樁、橫隔墻、高架墩柱與橋墩。哥本哈根地鐵的腐蝕傳感器采用的是DURMON^TM耐久性監(jiān)測系統(tǒng)，這是腐蝕控制服務(wù)有限公司的產(chǎn)品。這種腐蝕傳感器由4根黑鋼陽極，一個鍍鉑鈦金陰極和一個PT1000溫度傳感器還有一個ERE20參比電極組成。這種傳感器安裝在混凝土結(jié)構(gòu)里面，陽極處于保護層的不同深度。作為一個完整的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，一個電纜插座會作為一部分與陽極和陰極同時安裝在混凝土里面。

圖8.哥本哈根地鐵， 埋入式傳感器 Durmon

4.測試與評估

典型的量測腐蝕傳感器的儀器是萬用表，可以用于電化學(xué)電位測量、一個零阻抗的電流測量和一個AC阻抗的電阻率測量。一個典型的測量包括以下內(nèi)容：

1、 傳感器電極的電化學(xué)電位測試（陽極與陰極）和鋼筋與參比電極與鋼筋與陰極的電位測試；

2、 不固定的宏單元電流測試，在各陽極與陰極耦合后的5-10秒后測量。一旦有腐蝕電流的產(chǎn)生，此測量將會在幾分鐘到一個小時內(nèi)作為其他固定的電流測試的補充；

3、 不同傳感器的電阻率測試，參比電極與鋼筋之間的電阻率測試；

4、 混凝土溫度測試。

在腐蝕風(fēng)險里首先評估是以陽極和陰極之間的電流為基礎(chǔ)的，然后才是其他測量結(jié)果。陽極與陰極的電勢差會由于含氧量與濕度等因素有一些小的差異，導(dǎo)致會產(chǎn)生一個很小的電流，但此時的傳感器仍然是鈍態(tài)的。因此，有必要制定出一個電流值臨界值（觸發(fā)值）來指出是否發(fā)生了腐蝕。不同類型的混凝土原件都有他們自己的腐蝕觸發(fā)值，隨著實際環(huán)境而變化，這意味著一種結(jié)構(gòu)可能會有不同的觸發(fā)值。

觸發(fā)值將以不同混凝土構(gòu)建的腐蝕傳感器實際測量的結(jié)果為基礎(chǔ)得以確定。在這個依據(jù)制定出來之前腐蝕的發(fā)生將以外面的陽極為準(zhǔn)。

5.經(jīng)驗

丹麥的大型海工混凝土結(jié)構(gòu)工程還處于初始服務(wù)階段，此時的腐蝕傳感器還沒有開始腐蝕。

腐蝕監(jiān)測探頭按照預(yù)期在正常狀態(tài)下運作。然而，在某些特定的位置，我們知道鍍鉑鈦金（陰極）的電位比腐蝕傳感器的陽極電位還低，在這種情況下，宏單元結(jié)構(gòu)的短路電流往往會獲得相反的信息。這些情況都發(fā)生在環(huán)境非常潮濕或者密實的沒有氧氣或者很少氧氣的混凝土結(jié)構(gòu)。有時候相同位置的鋼筋電位會高于腐蝕傳感器的電位，這種問題的解決方案就是采用鋼筋作為陰極。另外，臨近的處于豐富氧環(huán)境下鍍鉑鈦金也可以考慮作為陰極，但同時必須考慮混凝土的電阻率。

在保證低阻抗的前提下，陽極和陰極在混凝土里的距離往往是幾米，但這種情況不發(fā)生在非常密實的混凝土結(jié)構(gòu)里面。上面提到問題的一個非常。典型的案例就是在Great Belt Link的海底混凝土隧道，氧氣是從隧道內(nèi)部襯砌滲透進去的。安裝在外面鋼筋上的宏單元的陰極電位比腐蝕傳感器的電位要低，但是安裝在內(nèi)部鋼筋的宏單元是正常的。

6.結(jié)論

腐蝕監(jiān)測是混凝土結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)監(jiān)測的一種重要補充手段，適用于需要定期維修（預(yù)測性維修）措施和難以或者不可能檢測評估的混凝土結(jié)構(gòu)。常規(guī)質(zhì)量檢測為混凝土質(zhì)量退化提供了一種關(guān)于明顯特征的看法。然而，腐蝕監(jiān)測提供的是確定位置的腐蝕發(fā)展情況。因此，需要在混凝土質(zhì)量明顯退化之前發(fā)展預(yù)警手段

腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)明顯的優(yōu)勢是能測試到與腐蝕風(fēng)險（如氯離子含量、濕度、氧或其他）非常相關(guān)的特性，也就是暴露接觸面以下不同深度處腐蝕開始的時間。基本這個考慮，腐蝕監(jiān)測是所有方法里直接的評定腐蝕的方法。通過綜合腐蝕監(jiān)測與其他無損檢測手段，就可以獲得一種佳的手段來檢驗或者調(diào)整之前制定的運營與養(yǎng)護措施。因此，運用所有收集的信息來檢驗和升級服務(wù)年限模型，用一種統(tǒng)一而合理的觀點方法來確保本論文提到的大型海工混凝土結(jié)構(gòu)和將來對耐久性要求高的結(jié)構(gòu)的服務(wù)年限不低于100年。