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结构的设计使用年限都是100年。这对混凝土结构设计师提出了很高的要求，在设计阶段就必须去细致考虑怎么去运营和养护结构。因为，今年来，在丹麦的主要混凝土结构的下部构造都在临界断面安装了腐蚀监测传感器，如Great Belt Link，Oresund Link以及哥本哈根地铁。腐蚀监测让检验早期阶段的氯离子侵入成为可能，可以在最佳时间段里采取腐蚀防护措施，降低维修费用。

腐蚀监测应用还处于初始阶段，但使用这种新手段的效果是值得肯定的。

 

1.介绍

在过去的15年里，丹麦有3个大型的混凝土结构的下部结构得到了改良

.     The Great Belt Link,连接Sealand和Funen两个岛屿

.     The Oresund link, 厄勒海峡大桥connecting the island Sealand with Sweden 连接Seanland岛和瑞典

.     哥本哈根地铁

这几个主要的混凝土工程的设计使用年限都是100年，在设计阶段就必须贯彻考虑建造、保养和维修策略细节问题。其中一个考虑的事项就是在这些结构里面发展和安装腐蚀传感器预测钢筋混凝土腐蚀的开始时间。

Great Belt Link与Oresund Link厄勒海峡大桥都是暴露在海水里，一个氯离子活动非常活跃的环境。哥本哈根地铁的纵深部分处在一个多变的环境，最底部位于天然地基上，地铁结构有几个位置接触到含有丰富氯离子的地下水。在这些环境条件下，氯离子会侵入到混凝土结构里，当钢筋周围的氯离子含量超过临界值时，腐蚀就会发生，最终导致使用年限的降低了。

通过在保护层里埋入传感器可以监测目前环境里氯离子侵入导致的腐蚀。可供选择的措施是用混凝土试样做大量重复的氯离子破坏分析。混凝土的耐久性质量设计会以实际环境条件为检验依据。当腐蚀传感器安放在混凝土保护层和临界断面上时，就能够监测到氯离子侵入的临界数量。防腐措施如阴极保护，也可以在最初重修工作开始前的恰当时候进行，相应的会减低养护的费用。

腐蚀监测系统是估计钢筋腐蚀开始时间的一个工具。有了这个信息的支持，养护措施的指定能够在技术和经济性上具有最好的依据。

 

2 、监测原理

钢筋腐蚀是一个电化学过程，在钢筋的不同位置，铁离子游离（阳极）和氧化物减少(阴极)，会产生一个电势差。由于存在电势差，相应会产生腐蚀电流，而这种腐蚀电流是可以被量测的。当腐蚀过程是在很大的阳极区域和阴极区域中进行的，这种腐蚀就叫宏单元腐蚀。

腐蚀传感器是基于宏单元腐蚀原理，假设一个黑钢连接有一个惰性金属充当阴极的情况下，当腐蚀发生时，黑钢就成为了阳极。一般会选用钛金属或表面覆盖有金属氧化物的钛作为阴极，有时也可以采用不锈黑钢（钢筋）。

在一个健康的混凝土结构里，阳极和阴极的电化学电位是基本相同的，这个微小的电势差使阳极和阴极连接起来的电流基本为零。当黑钢由于氯离子的侵入而腐蚀时，阳极的电位会下降，而在正常状态下的阴极电位会保持恒定。这样，当阳极和阴极连接在一起后，之间的电流会产生数量级的重大增加。能指示腐蚀发生的触发值与混凝土质量和周围环境如氯离子含量、湿度、氧含量、温度和混凝土电阻率有关。因此，整个结构的腐蚀触发电流值都不会完全一样的。不同的混凝土部件会有相应的腐蚀触发值。实际上，腐蚀监测传感器由几个黑钢传感器（4或者6个阳极）组成，这些黑钢阳极安装在混凝土保护层以下不同的深度处，与阴极组合在一起。当最外面阳极电流超过触发值时，说明在临界面活跃的物质特别是氯化物已经接触到此阳极，腐蚀开始了。当第二个最外面的阳极的电流超过触发值，说明在临界面活跃的物质开始接触到此阳极，处在保护层相应深度的钢筋混凝土开始被腐蚀了。相应的，腐蚀前锋面会相继推进到混凝土保护层里。

  图2：腐蚀传感器进行腐蚀监测的基本原理-监测脱钝前封面的进展情况

 

当混凝土的质量情况很好时，就像Great Belt Link项目一样，往往需要很多年的时间最靠近外面的传感器才会发生腐蚀和监测到腐蚀电流。与保养费用的长期预算相关的是尽可能早预测到钢筋发生腐蚀的时间。登记腐蚀传感器的腐蚀时间，建立服务年限与氯离子侵入引起的腐蚀相关的数学推理模型，可以获知这种相关性。

 

3 监测

3.1 The Great Belt Link

Great Belt Link建造于1989年，1998年投入运营。海上通道由两段桥梁和一段隧道组成。分别叫作西桥，东桥和东隧道。西桥由两条长约6.6公里的平行连续箱梁组成，一条是公路桥，一条是铁路桥。沉箱、桥轴和梁都是混凝土预制而成，而连接件都是混凝土现浇的。东桥是悬索桥，包含引桥长约6.8公里。沉箱、桥轴、锚墩和桥塔都是钢筋混凝土结构，部分预制，部分现浇。东隧道由两条平行的长约7.5公里长的隧道管道组成，隧道管衬砌部分都是混凝土预制而成，加上两头，隧道总长接近8公里，浸入海水里最深超过75米。

Great belt link的耐久性要求是100年。这包含了结构布置、材料构成、执行质量、施工及养护策略方面的综合考虑。如果在结构设计和运营中不把保养和维修作为主要部分来考虑是很难实现100年的服务年限的。腐蚀检测将作为一种非常重要的工具，可以确认质量退化的标识，在质量退化前采取预防性措施。

The Great Belt Link的腐蚀监测总共使用了446套腐蚀传感器，其中180套安装在西桥的桥轴和梁上，42套安装在东桥的桥塔、桥轴和锚墩上，225套安装在东隧道的接口和保护层的内外环形衬砌上。

The Great Belt Link采用的腐蚀传感器是德国S+R sensortech公司的阳极梯。阳极梯由6段黑钢阳极和温度传感器组成（PT-1000）,阴极是一段钛棒。同时配备了丹麦FORCE Technology公司的ERE10参比电极。传感器安装安放在临界薄弱断面例如结构连接处和难以到达或者很难开展检测工作的构件上。传感器在1989-1991年安装在东隧道。

 

3.2 厄勒海峡大桥

厄勒海峡大桥修建于1995年，2000年竣工。大桥包括一斜拉桥和一座隧道，连接哥本哈根和瑞典第三大城市马尔默。斜拉桥长7.8km，采用加强混凝土作为基础。所有的沉箱、桥墩和墩轴都是预制的，桥塔采用现浇方式。混凝土隧道全长接近4公里，海底部分长约3.5KM。

混凝土隧道结构部分一共使用了249套腐蚀传感器，其中60套用在斜拉桥上的墩轴和桥塔以及铁道槽里。另外189套传感器用在隧道上。大桥上用的腐蚀传感器是德国S+R sensortech公司的阳极梯，过去在Great Belt Link上也使用过，参比电极采用的是丹麦FORCE Technology公司的ERE20。桥杆和桥塔里的传感器都安装在大体积混凝土部位和结构连接处，这些都是暴露在氯离子侵蚀环境下，比较容易腐蚀的地方。铁路槽里的传感器都设置在容易受到碳化腐蚀和在建设阶段可能出现裂缝的位置。隧道采用的腐蚀传感器是丹麦FORCE Technology公司的Corrowatch,这种传感器有4个普通黑钢阳极和一个采用高纯度钛合金网的阴极，相应配置的参比电极同样是Force公司的ERE20。这些传感器都安放在临界薄弱断面例如结构连接处和难以到达或者很难开展检测工作的构件上。

 

3.3 哥本哈根地铁

哥本哈根地铁修建于1996-2003年。地铁位于哥本哈根市中心的部分是隧道结构，郊区是筑堤或者轻轨。哥本哈根地铁的地下部分大概有接近8公里长，隧道是盾构开挖，衬砌是预制钢筋混凝土板，接口与上盖也是钢筋混凝土结构的，与NATM隧道类似。地铁站也大多是在地下随着开挖用交叉桩支撑的，同样是钢筋混凝土结构。地上高架铁路的基础和上部结构同样是钢筋混凝土结构的，这些都一般只面临较低风险的钢筋腐蚀，除非主要公路因为冬季喷洒除冰盐而面临氯离子侵蚀的危险。

在1997-2004年，地铁在修建期间一共安装147套腐蚀传感器。传感器都安装在以下盾构隧道的几种结构里，如接口处、上盖、斜坡、交叉桩、横隔墙、高架墩柱与桥墩。哥本哈根地铁的腐蚀传感器采用的是DURMON^TM耐久性监测系统，这是腐蚀控制服务有限公司的产品。这种腐蚀传感器由4根黑钢阳极，一个镀铂钛金阴极和一个PT1000温度传感器还有一个ERE20参比电极组成。这种传感器安装在混凝土结构里面，阳极处于保护层的不同深度。作为一个完整的腐蚀监测系统，一个电缆插座会作为一部分与阳极和阴极同时安装在混凝土里面。

4.测试与评估

最典型的量测腐蚀传感器的仪器是万用表，可以用于电化学电位测量、一个零阻抗的电流测量和一个AC阻抗的电阻率测量。一个典型的测量包括以下内容：

1、 传感器电极的电化学电位测试（阳极与阴极）和钢筋与参比电极与钢筋与阴极的电位测试；

2、 不固定的宏单元电流测试，在各阳极与阴极耦合后的5-10秒后测量。一旦有腐蚀电流的产生，此测量将会在几分钟到一个小时内作为其他固定的电流测试的补充；

3、 不同传感器的电阻率测试，参比电极与钢筋之间的电阻率测试；

4、 混凝土温度测试。

在腐蚀风险里首先评估是以阳极和阴极之间的电流为基础的，然后才是其他测量结果。阳极与阴极的电势差会由于含氧量与湿度等因素有一些小的差异，导致会产生一个很小的电流，但此时的传感器仍然是钝态的。因此，有必要制定出一个电流值临界值（触发值）来指出是否发生了腐蚀。不同类型的混凝土原件都有他们自己的腐蚀触发值，随着实际环境而变化，这意味着一种结构可能会有不同的触发值。

触发值将以不同混凝土构建的腐蚀传感器实际测量的结果为基础得以确定。在这个依据制定出来之前腐蚀的发生将以最外面的阳极为准。

 

5.经验

丹麦的大型海工混凝土结构工程还处于初始服务阶段，此时的腐蚀传感器还没有开始腐蚀。

腐蚀监测探头按照预期在正常状态下运作。然而，在某些特定的位置，我们知道镀铂钛金（阴极）的电位比腐蚀传感器的阳极电位还低，在这种情况下，宏单元结构的短路电流往往会获得相反的信息。这些情况都发生在环境非常潮湿或者密实的没有氧气或者很少氧气的混凝土结构。有时候相同位置的钢筋电位会高于腐蚀传感器的电位，这种问题的解决方案就是采用钢筋作为阴极。另外，临近的处于丰富氧环境下镀铂钛金也可以考虑作为阴极，但同时必须考虑混凝土的电阻率。

在保证低阻抗的前提下，阳极和阴极在混凝土里的距离往往是几米，但这种情况不发生在非常密实的混凝土结构里面。上面提到问题的一个非常。典型的案例就是在Great Belt Link的海底混凝土隧道，氧气是从隧道内部衬砌渗透进去的。安装在最外面钢筋上的宏单元的阴极电位比腐蚀传感器的电位要低，但是安装在最内部钢筋的宏单元是正常的。

 

6.结论

腐蚀监测是混凝土结构传统监测的一种重要补充手段，适用于需要定期维修（预测性维修）措施和难以或者不可能检测评估的混凝土结构。常规质量检测为混凝土质量退化提供了一种关于明显特征的看法。然而，腐蚀监测提供的是确定位置的腐蚀发展情况。因此，需要在混凝土质量明显退化之前发展预警手段

腐蚀监测系统最明显的优势是能测试到与腐蚀风险（如氯离子含量、湿度、氧或其他）非常相关的特性，也就是暴露接触面以下不同深度处腐蚀开始的时间。基本这个考虑，腐蚀监测是所有方法里最直接的评定腐蚀的方法。通过综合腐蚀监测与其他无损检测手段，就可以获得一种最佳的手段来检验或者调整之前制定的运营与养护措施。因此，运用所有收集的信息来检验和升级服务年限模型，用一种统一而合理的观点方法来确保本论文提到的大型海工混凝土结构和将来对耐久性要求高的结构的服务年限不低于100年。