近年來，隨著國(guó)內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，跨海通道工程大量涌現(xiàn)，如港珠澳大橋、東海大橋、杭州灣跨海大橋、青島海灣大橋、泉州灣跨海大橋以及正在建設(shè)的深中通道。跨海工程作為線路的交通樞紐，影響著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、文化等領(lǐng)域的互聯(lián)互通。隨著水泥基材料的大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用，混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為工程結(jié)構(gòu)不可或缺的一部分。

通常來說，混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命為50年，而大型工程結(jié)構(gòu)（如跨海工程）的設(shè)計(jì)使用壽命為100年，甚至120年。跨海工程處于海洋環(huán)境中，受鹽霧、潮汐、高溫、干濕交替等眾多因素影響，在這種惡劣的腐蝕環(huán)境中，其混凝土結(jié)構(gòu)在服役數(shù)年后就會(huì)出現(xiàn)劣化，影響設(shè)計(jì)使用壽命。

為保障跨海通道工程的設(shè)計(jì)使用壽命，有必要對(duì)其混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行定期診斷和維護(hù)。目前，結(jié)構(gòu)物耐久性的診斷方式主要為定期人工檢測(cè)，而隨著傳感器及通訊技術(shù)的進(jìn)步，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)也不斷發(fā)展。通過混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)、高效地了解混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性健康狀況，對(duì)科學(xué)合理地采取維護(hù)措施，降低服役期內(nèi)結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本，提高維護(hù)效率，保障橋梁結(jié)構(gòu)安全有著極其重要的意義。

耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跨海通道結(jié)構(gòu)的耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可根據(jù)其工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及所處區(qū)域的環(huán)境特征展開，其設(shè)計(jì)原則如下：

選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)包含不同的腐蝕區(qū)域（如大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水變區(qū)、水下區(qū)），以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面性。水變區(qū)與浪濺區(qū)腐蝕環(huán)境接近，水下區(qū)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)小。

選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)包含所有類型的混凝土結(jié)構(gòu)。不同類型的構(gòu)件，混凝土質(zhì)量、澆筑工藝及服役期的受力狀態(tài)都不一致，其耐久性劣化過程也存在差異。

考慮到經(jīng)濟(jì)成本，同一區(qū)域相同類型的混凝土結(jié)構(gòu)宜設(shè)置1~2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且優(yōu)先在腐蝕最嚴(yán)重的位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)最大限度地均勻分布在工程結(jié)構(gòu)的全區(qū)域內(nèi)。不同的地域區(qū)間，腐蝕環(huán)境也存在一定差異，為保障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的代表性，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)覆蓋全區(qū)域。

耐久性監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)JTS 153-2015《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，并結(jié)合深中通道的海洋環(huán)境相關(guān)參數(shù)，對(duì)深中通道所處的腐蝕區(qū)域范圍進(jìn)行劃分：

大氣區(qū)：海拔>+5.04 m；浪濺區(qū)：海拔-5.04~0.54 m；水變區(qū)：海拔0.54~-2.57 m；水下區(qū)：海拔<-2.57 m。

根據(jù)耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，選擇腐蝕最嚴(yán)重的浪濺區(qū)作為實(shí)施耐久性監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域，同時(shí)以大氣區(qū)耐久性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為對(duì)比。

深中通道工程橋梁使用多、跨度廣，涵蓋超大跨徑懸索橋、大跨徑斜拉橋、淺灘區(qū)非通航孔橋和陸域引橋等。橋梁結(jié)構(gòu)由上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座及附屬構(gòu)造物組成。其中，上部結(jié)構(gòu)為橋跨結(jié)構(gòu)，包括箱梁、橋面等；下部結(jié)構(gòu)包括橋臺(tái)、橋墩和基礎(chǔ)；支座為橋跨結(jié)構(gòu)與橋墩或橋臺(tái)支承處的傳力裝置；附屬構(gòu)造物包括橋頭搭板、錐形護(hù)坡等。考慮到處于浪濺區(qū)的鋼筋混凝土構(gòu)件主要為橋墩、錨碇基礎(chǔ)，因此在布置監(jiān)測(cè)位點(diǎn)時(shí)，主要選擇橋墩、錨碇基礎(chǔ)實(shí)施監(jiān)測(cè)，同時(shí)覆蓋箱梁。其混凝土結(jié)構(gòu)施工方式、保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度及強(qiáng)度如表1所示。

表1 深中通道混凝土保護(hù)層的厚度及強(qiáng)度

綜合不同構(gòu)件、不同腐蝕區(qū)域及均勻分布的設(shè)計(jì)原則，其耐久性監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如表2所示。

表2 深中通道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

監(jiān)測(cè)傳感器選擇

目前，耐久性監(jiān)測(cè)傳感器分為預(yù)埋式和后裝式兩類，分別應(yīng)用于新建和已建結(jié)構(gòu)物。其中應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)的預(yù)埋式傳感器包括德國(guó)Sensortec GMBH公司的陽極梯、丹麥Force Technology公司的ERE20電極、美國(guó)Virginia TechnologiesInc公司的ECI腐蝕監(jiān)測(cè)器以及四航研究院的多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器等。

陽極梯應(yīng)用較為廣泛，這種耐久性監(jiān)測(cè)傳感器是基于宏電池電流監(jiān)測(cè)技術(shù)來判斷腐蝕的發(fā)生。對(duì)于內(nèi)部干燥的混凝土，若監(jiān)測(cè)電流絕對(duì)值小于15 μA，表明被檢測(cè)的陽極未發(fā)生腐蝕，反之則表明陽極發(fā)生腐蝕；而對(duì)于內(nèi)部潮濕的混凝土，其腐蝕發(fā)生的標(biāo)志是監(jiān)測(cè)電流絕對(duì)值的突變?cè)黾右约半娢坏某掷m(xù)負(fù)移。基于監(jiān)測(cè)到的腐蝕發(fā)生時(shí)間及電極埋深等數(shù)據(jù)，可評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

ERE20電極本質(zhì)為MnO2參比電極，它是通過半電池電位法測(cè)量鋼筋的電位從而判斷鋼筋銹蝕。根據(jù)JTS/T 236-2019《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合MnO2電極與CuSO4電極的電位差計(jì)算鋼筋的半電池電位（相對(duì)于MnO2電極），判斷其銹蝕狀態(tài)，結(jié)果見表3。ERE20電極作為一種固態(tài)長(zhǎng)壽命電極，具有較高的穩(wěn)定性和實(shí)用性，可與陽極梯聯(lián)用，結(jié)合半電池電位判斷各陽極腐蝕狀況。

表3 鋼筋的電位（相對(duì)于MnO2電極）與腐蝕的關(guān)系

ECI腐蝕監(jiān)測(cè)器可實(shí)現(xiàn)鋼筋腐蝕速率、氯離子含量和混凝土電阻率、極化電阻的定量監(jiān)測(cè)。多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器也具備相同功能，此外它還可以監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部的pH，且該設(shè)備價(jià)格相對(duì)便宜。根據(jù)混凝土內(nèi)部氯離子含量隨時(shí)間變化規(guī)律，可推算出混凝土結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

結(jié)合以上傳感器的特點(diǎn)，確定耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)置方案，如表4所示，即在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置1套陽極梯、1個(gè)ERE20電極、2套多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器。傳感器均需在混凝土澆筑前預(yù)埋到混凝土保護(hù)層中，并在施工階段將電纜沿外側(cè)鋼筋引至目標(biāo)區(qū)域，以便無線采集系統(tǒng)安裝以及后期統(tǒng)一管理和維護(hù)。

表4 耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)置方案

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置

為便于以后采集設(shè)備安裝維護(hù)及供電，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于監(jiān)測(cè)點(diǎn)上方的箱梁或承臺(tái)上，如圖1所示。

（a）橋墩     （b）錨碇

（c）箱梁

圖1 傳感器及采集儀設(shè)計(jì)位點(diǎn)示意

針對(duì)偏遠(yuǎn)或供電不便的區(qū)域，采用太陽能-蓄電池供電系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期供電。采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，一套數(shù)據(jù)采集儀可與多個(gè)不同種類的傳感器同時(shí)適配連接。一套數(shù)據(jù)采集儀負(fù)責(zé)同一結(jié)構(gòu)上的所有傳感器的通訊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)詳細(xì)布置如表5所示。

表5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置

耐久性傳感器安裝

陽極梯及ERE20電極安裝

為了便于安裝，將ERE20電極線路并入陽極梯系統(tǒng)中。安裝時(shí)，ERE20電極固定在陽極梯附近的鋼筋上，以確保更準(zhǔn)確檢測(cè)出陽極梯各陽極電位。陽極梯安裝時(shí)，先挑選合適的鋼筋間隙，確保陽極梯固定棒與上端接觸處剛好緊靠在鋼筋上，然后依次用扎帶固定陽極梯固定棒及上端接觸位置，如圖2所示。

圖2 陽極梯及ERE20電極安裝

值得注意的是，陽極梯上端與鋼筋接觸處需與鋼筋絕緣，陰極也需與鋼筋絕緣。同時(shí)，為保證陽極梯各陽極均勻分布于混凝土保護(hù)層內(nèi)，通常情況下，在模板安裝完畢后再調(diào)節(jié)陽極梯各陽極埋深。最后，測(cè)量各陽極到模板的距離，記錄各陽極的埋深，以便后期進(jìn)行耐久性數(shù)據(jù)分析及混凝土壽命評(píng)估。

多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器安裝

多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器安裝方法簡(jiǎn)便，其結(jié)構(gòu)和安裝如圖3所示。先利用U型支架將傳感器固定，再用帶孔的鋼條固定U型支架，然后用扎帶將鋼條綁牢在鋼筋上，最后利用支架上的螺母位置來調(diào)節(jié)傳感器埋深。記錄傳感器表面到模板距離，便于耐久性數(shù)據(jù)評(píng)估。

(a) 結(jié)構(gòu)    (b) 安裝

圖3 多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的結(jié)構(gòu)及安裝

耐久性數(shù)據(jù)分析

根據(jù)深中通道耐久性監(jiān)測(cè)傳感器大約1年的采集數(shù)據(jù)，初步分析其耐久性狀況。

ERE20電極監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

深中通道大氣區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用的是普通鋼筋，陽極梯安裝時(shí)鋼筋電極與結(jié)構(gòu)物鋼筋電連接，因此可通過測(cè)量ERE20電極與陽極梯鋼筋電極間的電位判斷鋼筋腐蝕狀況。在浪濺區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部靠外側(cè)采用的是環(huán)氧鋼筋，因陽極梯鋼筋電極固定在環(huán)氧鋼筋附近，所以測(cè)量的數(shù)據(jù)與此處環(huán)氧鋼筋破損處的腐蝕狀況相近。

圖4為錨碇（M1、M2）和119號(hào)橋墩（M6、M7）監(jiān)測(cè)點(diǎn)ERE20電極監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。可見監(jiān)測(cè)初期，由于耐久性傳感器所在的混凝土未完全水化，內(nèi)部環(huán)境不穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，電位過負(fù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)小于-1.0 V（相對(duì)于MnO2電極）。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，鋼筋電位逐漸正移，這是因?yàn)榛炷羶?nèi)部水分逐漸消耗殆盡，內(nèi)部環(huán)境也趨于穩(wěn)定。由于半電池電位檢測(cè)數(shù)據(jù)是在工程建設(shè)階段采集的，受工程圍堰影響，大氣區(qū)和浪濺區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電位差異不明顯。約300天后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電位都穩(wěn)定在-0.3~-0.2 V（相對(duì)于MnO2電極）。結(jié)合表3中數(shù)據(jù)可判斷混凝土內(nèi)部鋼筋逐漸趨于鈍化，且尚未發(fā)生腐蝕。

圖4 ERE20電極耐久性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

陽極梯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

陽極梯可測(cè)量不同陽極與陰極之間的電位和電流、相鄰陽極之間的混凝土電阻等參數(shù)，獲得相應(yīng)的腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

從M1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出，監(jiān)測(cè)250天后，電位和電流逐漸穩(wěn)定，電流數(shù)據(jù)絕對(duì)值都小于15 μA，而電阻隨著時(shí)間延長(zhǎng)不斷增加，這表明混凝土內(nèi)部水分逐漸消耗完畢，內(nèi)環(huán)境也逐漸穩(wěn)定。結(jié)合陽極梯的腐蝕判斷依據(jù)，電流未超過閾值，表明M1點(diǎn)尚未監(jiān)測(cè)到腐蝕發(fā)生。從M2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出，混凝土澆筑后短時(shí)間內(nèi)，電位與電流數(shù)值波動(dòng)明顯，約100天后，電流數(shù)值趨于零，電流絕對(duì)值小于15 μA，而電阻在此過程中逐漸增大，這表明此處陽極梯未監(jiān)測(cè)到腐蝕發(fā)生。

多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

氯離子是影響腐蝕發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，也是橋梁健康監(jiān)測(cè)需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的耐久性參數(shù)之一。結(jié)合四航研究院研究結(jié)果表明，氯離子濃度與探針電位成正相關(guān)，且當(dāng)探針電位低于15 mV時(shí)，環(huán)境中的氯離子濃度大于0.06 mol/L（混凝土中氯離子的臨界濃度）。

圖5為多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器從監(jiān)測(cè)點(diǎn)M1、M2采集的數(shù)據(jù)。其中，M-1為靠近混凝土表面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，M-2為遠(yuǎn)離混凝土表面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。可見M1-1、M1-2處探針電位均高于15 mV，表明此處氯離子尚未達(dá)到臨界濃度；而M2-2處探針電位低于15 mV，這是由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間較短，此時(shí)受混凝土內(nèi)部水分影響，數(shù)據(jù)仍存在波動(dòng)。

圖5 多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

結(jié)語

結(jié)合深中通道腐蝕環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)及搭建了耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成功地將36套耐久性監(jiān)測(cè)傳感器安裝于深中通道錨碇、箱梁、橋墩的浪濺區(qū)及大氣區(qū)。同時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)采集的耐久性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，盡管數(shù)據(jù)存在一定的波動(dòng)，但從目前各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的陽極梯數(shù)據(jù)及半電池電位判斷，耐久性傳感器尚未監(jiān)測(cè)到腐蝕發(fā)生，橋梁耐久性健康狀態(tài)良好。