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(jì)使用年限都是100年。這對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師提出了很高的要求，在設(shè)計(jì)階段就必須去細(xì)致考慮怎么去運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)結(jié)構(gòu)。因?yàn)?，今年?lái)，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(cè)傳感器，如Great Belt Link，Oresund Link以及哥本哈根地鐵。腐蝕監(jiān)測(cè)讓檢驗(yàn)早期階段的氯離子侵入成為可能，可以在佳時(shí)間段里采取腐蝕防護(hù)措施，降低維修費(fèi)用。
腐蝕監(jiān)測(cè)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(guò)去的15年里，丹麥有3個(gè)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(gè)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(gè)主要的混凝土工程的設(shè)計(jì)使用年限都是100年，在設(shè)計(jì)階段就必須貫徹考慮建造、保養(yǎng)和維修策略細(xì)節(jié)問(wèn)題。其中一個(gè)考慮的事項(xiàng)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(cè)鋼筋混凝土腐蝕的開(kāi)始時(shí)間。
Great Belt Link與Oresund Link厄勒海峽大橋都是暴露在海水里，一個(gè)氯離子活動(dòng)非?；钴S的環(huán)境。哥本哈根地鐵的縱深部分處在一個(gè)多變的環(huán)境，底部位于天然地基上，地鐵結(jié)構(gòu)有幾個(gè)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(huì)侵入到混凝土結(jié)構(gòu)里，當(dāng)鋼筋周?chē)穆入x子含量超過(guò)臨界值時(shí)，腐蝕就會(huì)發(fā)生，終導(dǎo)致使用年限的降低了。
通過(guò)在保護(hù)層里埋入傳感器可以監(jiān)測(cè)目前環(huán)境里氯離子侵入導(dǎo)致的腐蝕?？晒┻x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?；炷恋哪途眯再|(zhì)量設(shè)計(jì)會(huì)以實(shí)際環(huán)境條件為檢驗(yàn)依據(jù)。當(dāng)腐蝕傳感器安放在混凝土保護(hù)層和臨界斷面上時(shí)，就能夠監(jiān)測(cè)到氯離子侵入的臨界數(shù)量。防腐措施如陰極保護(hù)，也可以在初重修工作開(kāi)始前的恰當(dāng)時(shí)候進(jìn)行，相應(yīng)的會(huì)減低養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用。
圖一：丹麥三個(gè)主要的混凝土結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目
腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是估計(jì)鋼筋腐蝕開(kāi)始時(shí)間的一個(gè)工具。有了這個(gè)信息的支持，養(yǎng)護(hù)措施的能夠在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上具有好的依據(jù)。
2 、監(jiān)測(cè)原理
鋼筋腐蝕是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，在鋼筋的不同位置，鐵離子游離（陽(yáng)極）和氧化物減少(陰極)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差。由于存在電勢(shì)差，相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生腐蝕電流，而這種腐蝕電流是可以被量測(cè)的。當(dāng)腐蝕過(guò)程是在很大的陽(yáng)極區(qū)域和陰極區(qū)域中進(jìn)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(gè)黑鋼連接有一個(gè)惰性金屬充當(dāng)陰極的情況下，當(dāng)腐蝕發(fā)生時(shí)，黑鋼就成為了陽(yáng)極。一般會(huì)選用鈦金屬或表面覆蓋有金屬氧化物的鈦?zhàn)鳛殛帢O，有時(shí)也可以采用不銹黑鋼（鋼筋）。
在一個(gè)健康的混凝土結(jié)構(gòu)里，陽(yáng)極和陰極的電化學(xué)電位是基本相同的，這個(gè)微小的電勢(shì)差使陽(yáng)極和陰極連接起來(lái)的電流基本為零。當(dāng)黑鋼由于氯離子的侵入而腐蝕時(shí)，陽(yáng)極的電位會(huì)下降，而在正常狀態(tài)下的陰極電位會(huì)保持恒定。這樣，當(dāng)陽(yáng)極和陰極連接在一起后，之間的電流會(huì)產(chǎn)生數(shù)量級(jí)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?chē)h(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(gè)結(jié)構(gòu)的腐蝕觸發(fā)電流值都不會(huì)*一樣的。不同的混凝土部件會(huì)有相應(yīng)的腐蝕觸發(fā)值。實(shí)際上，腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器由幾個(gè)黑鋼傳感器（4或者6個(gè)陽(yáng)極）組成，這些黑鋼陽(yáng)極安裝在混凝土保護(hù)層以下不同的深度處，與陰極組合在一起。當(dāng)外面陽(yáng)極電流超過(guò)觸發(fā)值時(shí)，說(shuō)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(yáng)極，腐蝕開(kāi)始了。當(dāng)?shù)诙€(gè)外面的陽(yáng)極的電流超過(guò)觸發(fā)值，說(shuō)明在臨界面活躍的物質(zhì)開(kāi)始接觸到此陽(yáng)極，處在保護(hù)層相應(yīng)深度的鋼筋混凝土開(kāi)始被腐蝕了。相應(yīng)的，腐蝕前鋒面會(huì)相繼推進(jìn)到混凝土保護(hù)層里。
圖2：腐蝕傳感器進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)的基本原理-監(jiān)測(cè)脫鈍前封面的進(jìn)展情況
當(dāng)混凝土的質(zhì)量情況很好時(shí)，就像Great Belt Link項(xiàng)目一樣，往往需要很多年的時(shí)間靠近外面的傳感器才會(huì)發(fā)生腐蝕和監(jiān)測(cè)到腐蝕電流。與保養(yǎng)費(fèi)用的長(zhǎng)期預(yù)算相關(guān)的是盡可能早預(yù)測(cè)到鋼筋發(fā)生腐蝕的時(shí)間。登記腐蝕傳感器的腐蝕時(shí)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(cè)
3.1 The Great Belt Link
Great Belt Link建造于1989年，1998年投入運(yùn)營(yíng)。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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)約7.5公里長(zhǎng)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(zhǎng)接近8公里，浸入海水里深超過(guò)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(hù)策略方面的綜合考慮。如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)中不把保養(yǎng)和維修作為主要部分來(lái)考慮是很難實(shí)現(xiàn)100年的服務(wù)年限的。腐蝕檢測(cè)將作為一種非常重要的工具，可以確認(rèn)質(zhì)量退化的標(biāo)識(shí)，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(cè)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(hù)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(guó)S+R sensortech公司的陽(yáng)極梯。陽(yáng)極梯由6段黑鋼陽(yáng)極和溫度傳感器組成（PT-1000）,陰極是一段鈦棒。同時(shí)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(dá)或者很難開(kāi)展檢測(cè)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(zhǎng)7.8km，采用加強(qiáng)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?；炷了淼廊L(zhǎng)接近4公里，海底部分長(zhǎng)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(guó)S+R sensortech公司的陽(yáng)極梯，過(guò)去在Great Belt Link上也使用過(guò)，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(gè)普通黑鋼陽(yáng)極和一個(gè)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(dá)或者很難開(kāi)展檢測(cè)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(zhǎng)，隧道是盾構(gòu)開(kāi)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(lèi)似。地鐵站也大多是在地下隨著開(kāi)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(xiǎn)的鋼筋腐蝕，除非主要公路因?yàn)槎緡姙⒊}而面臨氯離子侵蝕的危險(xiǎn)。
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DURMONTM耐久性監(jiān)測(cè)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(yáng)極，一個(gè)鍍鉑鈦金陰極和一個(gè)PT1000溫度傳感器還有一個(gè)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(yáng)極處于保護(hù)層的不同深度。作為一個(gè)完整的腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一個(gè)電纜插座會(huì)作為一部分與陽(yáng)極和陰極同時(shí)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(cè)試與評(píng)估
典型的量測(cè)腐蝕傳感器的儀器是萬(wàn)用表，可以用于電化學(xué)電位測(cè)量、一個(gè)零阻抗的電流測(cè)量和一個(gè)AC阻抗的電阻率測(cè)量。一個(gè)典型的測(cè)量包括以下內(nèi)容：
1、 傳感器電極的電化學(xué)電位測(cè)試（陽(yáng)極與陰極）和鋼筋與參比電極與鋼筋與陰極的電位測(cè)試；
2、 不固定的宏單元電流測(cè)試，在各陽(yáng)極與陰極耦合后的5-10秒后測(cè)量。一旦有腐蝕電流的產(chǎn)生，此測(cè)量將會(huì)在幾分鐘到一個(gè)小時(shí)內(nèi)作為其他固定的電流測(cè)試的補(bǔ)充；
3、 不同傳感器的電阻率測(cè)試，參比電極與鋼筋之間的電阻率測(cè)試；
4、 混凝土溫度測(cè)試。
在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)里首先評(píng)估是以陽(yáng)極和陰極之間的電流為基礎(chǔ)的，然后才是其他測(cè)量結(jié)果。陽(yáng)極與陰極的電勢(shì)差會(huì)由于含氧量與濕度等因素有一些小的差異，導(dǎo)致會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的電流，但此時(shí)的傳感器仍然是鈍態(tài)的。因此，有必要制定出一個(gè)電流值臨界值（觸發(fā)值）來(lái)指出是否發(fā)生了腐蝕。不同類(lèi)型的混凝土原件都有他們自己的腐蝕觸發(fā)值，隨著實(shí)際環(huán)境而變化，這意味著一種結(jié)構(gòu)可能會(huì)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(shí)際測(cè)量的結(jié)果為基礎(chǔ)得以確定。在這個(gè)依據(jù)制定出來(lái)之前腐蝕的發(fā)生將以外面的陽(yáng)極為準(zhǔn)。
5.經(jīng)驗(yàn)
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(shí)的腐蝕傳感器還沒(méi)有開(kāi)始腐蝕。
腐蝕監(jiān)測(cè)探頭按照預(yù)期在正常狀態(tài)下運(yùn)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(yáng)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(huì)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(shí)的沒(méi)有氧氣或者很少氧氣的混凝土結(jié)構(gòu)。有時(shí)候相同位置的鋼筋電位會(huì)高于腐蝕傳感器的電位，這種問(wèn)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(shí)必須考慮混凝土的電阻率。
在保證低阻抗的前提下，陽(yáng)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(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)里面。上面提到問(wèn)題的一個(gè)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(jìn)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(cè)是混凝土結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的一種重要補(bǔ)充手段，適用于需要定期維修（預(yù)測(cè)性維修）措施和難以或者不可能檢測(cè)評(píng)估的混凝土結(jié)構(gòu)。常規(guī)質(zhì)量檢測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)明顯的優(yōu)勢(shì)是能測(cè)試到與腐蝕風(fēng)險(xiǎn)（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(kāi)始的時(shí)間。基本這個(gè)考慮，腐蝕監(jiān)測(cè)是所有方法里直接的評(píng)定腐蝕的方法。通過(guò)綜合腐蝕監(jiān)測(cè)與其他無(wú)損檢測(cè)手段，就可以獲得一種佳的手段來(lái)檢驗(yàn)或者調(diào)整之前制定的運(yùn)營(yíng)與養(yǎng)護(hù)措施。因此，運(yùn)用所有收集的信息來(lái)檢驗(yàn)和升級(jí)服務(wù)年限模型，用一種統(tǒng)一而合理的觀點(diǎn)方法來(lái)確保本論文提到的大型海工混凝土結(jié)構(gòu)和將來(lái)對(duì)耐久性要求高的結(jié)構(gòu)的服務(wù)年限不低于100年。
