隨著我國經濟的飛速發展，沿海交通需求增加，海洋工程建設規模不斷擴大，其設計服役壽命也不斷提高，動輒百年甚至更高。而在嚴苛的海洋環境中，混凝土結構受海水侵蝕嚴重，在長期服役過程中其耐久性必然發生退化，從而危及結構的安全使用，因此有必要采取相關措施及時掌握結構的健康狀態，以指導后續結構的健康運營維護。

通常，結構健康狀態的診斷技術分為檢測和監測技術。因混凝土耐久性監測技術具有對結構物無損害、人工成本低、可實時反饋等優點，被廣泛應用于各重大海工結構。而隨著耐久性監測技術的不斷應用及發展，各類耐久性監測傳感器也逐漸被開發應用。同時耐久性監測也暴露出各種問題，包括現場傳感器無人監管維護、數據無法及時持續采集、傳感器終端線路腐蝕嚴重等，導致傳感器數據無法得到有效分析，無法對工程結構腐蝕進行合理評估，從而無法發揮其應有價值。

耐久性監測傳感器

目前，國內外市場上耐久性監測傳感器主要有：德國Sensortec GMBH公司的陽極梯傳感器和后裝式膨脹環、美國Virginia Technologics Inc.公司的ECI傳感器、丹麥Force Technology公司的ERE20電極和Corrowatch傳感器，如圖1所示。其中，陽極梯、膨脹環及Corrowatch均為基于宏電流監測的傳感器，其原理是依據監測不同埋置深度下陽極間與陰極間的電位、電流、電阻等數據，綜合判定鋼筋的腐蝕狀況。而ERE 20電極為MnO2參比電極，可對鋼筋腐蝕電位進行有效監測。ECI傳感器則具備監測混凝土電阻率、鋼筋腐蝕電位、鋼筋腐蝕速率以及氯離子電位的功能。

圖1 各式耐久性監測傳感器

同時，隨著技術研究的深入，一些基于電化學阻抗、電化學噪聲、光纖等技術的新型耐久性監測傳感器也正逐漸被開發和應用，但這些傳感器一直未在工程上廣泛應用。

監測系統建設

1 監測系統設計

基于我國境內不同海域的工程結構，開展了耐久性監測研究工作。監測系統遍布華南、華東、華北地區，包括海口、湛江、泉州、日照、青島的涉海工程結構。除膨脹環外，其他埋設的傳感器均在建設階段以預埋的方式進行搭建安裝，其監測設計如圖2所示，重點在腐蝕環境嚴重的浪濺區布點監測，同時為了便于監測數據對比分析在大氣區也進行了布點。

（a）海口        （b）湛江

（c）泉州

（d）日照       （e）青島

圖2 國內不同區域海工結構耐久性監測設計圖

各海域監測結構及布點情況如下：

(1) 海口監測結構為重力式碼頭結構，監測傳感器為陽極梯和ERE20電極，監測點布置在3處浪濺區；

(2) 湛江監測結構為高樁碼頭結構，監測傳感器為陽極梯、ERE20電極及應變傳感器，監測點分布在大氣區和浪濺區；

(3) 泉州監測結構為跨海大橋結構，監測傳感器為陽極梯和ERE20電極，監測點分布在大氣區和浪濺區；

(4) 日照監測結構為重力式碼頭結構，監測傳感器為陽極梯、ERE20電極及ECI傳感器，監測點分布在大氣區、浪濺區、水變區；

(5) 青島監測結構為跨海大橋結構，監測傳感器為陽極梯和膨脹環，監測點分布在大氣區和浪濺區。

2 監測系統搭建

海口大氣區和浪濺區的監測傳感器布置點設置在現澆胸墻上，于2016年底安裝完成；湛江監測點設置在受海水腐蝕較為嚴重的橫梁、縱梁、樁帽和預制面板側面，于2016年3月安裝完畢；泉州監測點分布在主橋Z3塔柱迎海側（東側，此側受風浪影響較大，腐蝕環境比其他側更嚴酷），于2010年搭建完成；日照大氣區和浪濺區的監測傳感器布點位置設置在現澆管架橋墩上，于2013年建設完成；青島監測點均安裝于橋墩側面，于2010年安裝完成。各海域浪濺區陽極梯埋深如下：

監測數據采集及分析

經過長達10年的數據采集跟蹤，獲取了各海域海工結構的耐久性監測數據。同時也發現，采集數據終端出現部分傳感器銹蝕、無人監管維護等問題，部分海域的監測點甚至已被破壞。因監測傳感器安裝數量多，范圍廣，為便于數據分析，取腐蝕較為嚴重的浪濺區的監測數據進行評估分析。

1 海口

在海口浪濺區（+2.9 m），混凝土澆筑后短時間內電位與電流均表現為負值，電位達到-200 mV以下，電流均為負值，且低于判定值（-15 μA），這是因為混凝土水化仍在進行，內部濕度較大，傳感器未達到穩定狀態。但隨著時間延長，其電位逐漸顯示為正值，且大部分電流值為0，這表明傳感器已鈍化。但由于監測采集頻率過低，數據分析得到的信息有限。

2 湛江

湛江浪濺區（+2.5 m）耐久性監測系統建設完成初期，電位和電流波動較大，但電流電位均為正值；監測4個月后，電位與電流值均接近0，這表明混凝土內部水化完成，傳感器逐漸鈍化；再經過8個月，電位與電流幾乎無變化，此后電位和電流出現正向的小幅度上升。以上監測數據分析表明，傳感器未監測到腐蝕發生。

3 泉州

泉州浪濺區（+5.9 m）監測數據與湛江浪濺區（+2.5 m）監測數據類似，電位與電流出現較大的正向值而后隨時間衰減，并逐漸穩定在0附近。但由于監測頻率低，數據過少，很難看出數據的變化規律。

4 日照

日照浪濺區（+4.3 m）陽極梯的監測數據中，除個別數據波動較大外，絕大部分陽極電位為正值，且穩定在0附近，而電流從負值（甚至個別位于-200 μA以下）逐漸正移，并穩定在0附近。此監測點電位與電流值變化規律與海口類似，表明傳感器已鈍化，未監測到腐蝕發生。

日照浪濺區（+5.8 m）ECI監測數據中，開路電位（OCP）在-0.294 V以上鋼筋未發生腐蝕，在-0.444~-0.294 V之間鋼筋腐蝕狀態不明，在-0.444 V以下鋼筋發生腐蝕。監測700天后，OCP均在-0.294 V以上，說明鋼筋未發生腐蝕。

當臨界氯離子濃度為0.06 mol/L時，根據能斯特方程計算得到氯離子電位為-0.15 V。如果監測到的氯離子電位在-0.15 V以下，則表明探針處氯離子濃度已達到臨界濃度。從ECI監測數據可看出，監測時間超過1000小時后，氯離子電位均高于-0.15 V，這說明氯離子濃度在臨界濃度以下；而在監測時間為500~1000天時，氯離子濃度超過臨界濃度，而后又降為臨界濃度以下，這可能是混凝土內環境變化引起的波動。

5 青島

從青島浪濺區（+2.5 m）陽極梯監測數據可見，各陽極電位波動基本一致，電流波動趨勢與電位波動有一定的相關性，陽極電位均大于0 mV，且未監測到明顯的腐蝕電流，表明此處鋼筋未發生腐蝕。從浪濺區（+4.5 m）的監測數據可見，除連接鋼筋CR監測點外，各陽極電位和電流趨于穩定，且保持在0附近；而CR監測點前7年電位波動較大，處于-300 mV以下，但未監測到對應的腐蝕電流，推測此處電位波動是由環境因素導致。綜上，認為此處未監測到腐蝕。

從青島浪濺區（+2.0 m）膨脹環監測數據來看，電流和電位整體波動小，除一次較大波動外，其余均保持在0附近。此次數據波動未檢測到持續的電位和電流為負值，因此推測電流和電位出現的較大波動是環境因素或測試誤差導致。綜上，認為此處未監測到腐蝕。

混凝土氯離子數據分析

在監測周期中，耐久性監測數據出現明顯波動，因此對其結構健康狀態存疑。為準確驗證混凝土的耐久性狀況，取結構芯部或者相同環境中同一配合比的混凝土結構試驗塊進行氯離子滲透試驗。其中，海口海域試驗對象為暴露試驗塊，其他海域試驗對象為結構芯部。試驗結果如圖3所示。

圖3 各海域浪濺區結構中的氯離子含量

從圖中可以看出，在海口海域氯離子擴散深度達到18 mm，在其他海域氯離子擴散深度均為15 mm左右。而各海域傳感器最外側埋深均為20 mm左右，因此可判定氯離子尚未侵蝕到陽極表面。

結論與建議

(1) 耐久性監測傳感器在長達10年的服役期內，仍能保持正常工作，且耐久性監測傳感器數據前期均表現為電位或電流值跳躍大，但后期逐漸平穩的趨勢，大部分數據都穩定在0附近。

(2) 現階段對耐久性監測傳感器的監測數據分析以及氯離子滲透數據表明，各海域結構耐久性狀況良好，未監測到腐蝕發生。

(3) 耐久性監測傳感器現場狀況維護差，數據采集頻率少，導致耐久性監測數據分析有限，未能起到關鍵作用。建議與相關工程單位保持溝通，做好耐久性監測系統現場維護工作。

(4) 建議當持續監測到陽極梯電位處于負值，電流處于-15 μA以下時，及時提高對結構的監測頻率，確定該現象是環境波動還是腐蝕引起，必要時可采取檢測手段綜合判定結構物是否腐蝕。

(5) 建議定期對耐久性監測數據進行采集及維護，必要時可結合無線傳輸技術，實現數據遠距離高頻采集。同時需做好傳感器終端維護工作，避免傳感器終端設備因人為破壞或惡劣環境侵蝕導致失效。