混凝土耐久性监测系统在埃及塞得东港集装箱码头工程中的应用

方翔，陈龙，潘峻

（中交四航工程研究院有限公司，交通运输部水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室，广东 广州，510230）

0 引言

近年来，新建混凝土结构中越来越多要求具有100 a或者更长的使用寿命。这就对混凝土耐久性提出比以往更高的要求。在使用高性能混凝土，采取硅烷浸渍、阴极保护等附加防腐蚀措施提高混凝土耐久性的同时，有必要预埋耐久性监测系统，定期监测结构的腐蚀状态，保障结构在设计使用寿命内的耐久性[1-2]。由于结构的实际耐久性与设计可能存在偏差，为确保结构的设计使用寿命，通常的做法是“耐久性设计与再设计”。即在使用过程中获取结构的实际耐久性信息，在出现不满足设计要求的时候采取进一步措施。实现这一过程的其中一个关键步骤就是通过长期、有规律的耐久性监测获取结构的实际耐久性信息。目前，混凝土耐久性监测系统不仅能采集结构的耐久性数据，而且可预测钢筋腐蚀的起始时间。

位于苏伊士运河北端的埃及塞得东港集装箱码头二期水工工程，设计使用寿命100 a，整个码头为钢筋混凝土结构，基础为中间方桩加四周T形地连墙桩墙。上部结构为现浇纵横梁加预制/现浇面板。码头所处海域盐度高，腐蚀环境严酷。为确保码头耐久性满足要求，工程除了采用传统的预埋式二氧化锰参比电极对钢筋的锈蚀状态进行观测外，还使用了阳极梯系统这种较新型的耐久性监测系统对码头结构内钢筋发生锈蚀的起始时间进行预测。

1 阳极梯系统的工作原理

通常，混凝土内的钢筋具有良好的耐腐蚀性。这得益于在混凝土内部高碱性环境下钢筋表面形成的钝化膜，这层钝化膜能保护钢筋免遭腐蚀，此时钢筋处于钝化态。然而，在海洋环境中，氯离子通过扩散作用从混凝土表面往内部渗透，当钢筋表面的氯离子浓度超过阈值（临界氯离子浓度），钢筋将由钝化态转变为活化态（此过程亦称为脱钝）[3]。若活化态的钢筋周围存在水和氧气，钢筋就会发生锈蚀。

由此可见，钢筋的锈蚀主要是氯离子等有害物质渗透到混凝土内部造成的。若能了解有害物质在混凝土内的渗透状况，例如，确定临界氯离子浓度锋线的位置及其移动速度，便可预测混凝土内部钢筋发生锈蚀的时间。

阳极梯系统是一种可确定脱钝锋线位置的耐久性监测系统[4]。对于处在富含氯离子环境中的混凝土结构，脱钝锋线也即临界氯离子浓度锋线。阳极梯系统包括预埋在混凝土中的传感器、测量电缆、终端测试盒及采集耐久性数据的专用读数仪。其传感器由阳极梯、阴极、钢筋连接以及温度探头四部分组成（图1）。

阳极梯共有6根由普通碳钢制成的阳极（分别为A1、A2、……、A6）。各阳极固定在不锈钢支架上，形成梯子状，各阳极与支架电绝缘。支架一端有一不锈钢固定条，以两螺栓与支架相连。阳极梯安装在钢筋笼的外侧（即混凝土保护层处），通过调整螺栓可使阳极梯倾斜不同角度，实现6根阳极埋设在混凝土保护层的不同深度内。阳极的主要作用是确定脱钝锋线的位置。

图1 阳极梯系统

钢筋连接与结构的钢筋电连接，主要作用是监测钢筋腐蚀状态。

阴极由惰性金属制成，是测量过程中的辅助装置。在监测过程中阴极将与阳极或钢筋连接构成腐蚀电池。

此外阳极梯系统内还配备温度探头，可测量其所在区域的温度。

阳极梯系统的传感器通过测量电缆与终端测试盒相连，将读数仪连接到终端盒便可实现数据的采集与存储。

处在混凝土中的阳极同样具有钝化或活化两种状态。在混凝土浇注后，阳极会逐渐变为钝化态。随着氯离子的渗透，临界氯离子浓度锋线以一定规律从混凝土表面向内部移动。在这过程中，6根被置于混凝土保护层不同深度中的阳极，会由外往内一根一根地从钝化状态变成活化状态。测量由阳极与阴极构成的腐蚀电池电化学参数（包括电位以及电流），可判断阳极是处于钝化状态还是活化状态，从而确定临界氯离子浓度锋线在混凝土中的位置。进一步描绘出临界氯离子浓度锋线位置与时间的关系，可得到临界氯离子浓度锋线移动的速度，进而预测其抵达钢筋表面的时间（图2）。

图2 阳极梯工作原理示意图

同样地，通过测量钢筋连接与阴极组成的腐蚀电池电化学参数可得知钢筋状态，实现对混凝土内钢筋的锈蚀状况进行监测。

除电位以及短路电流电化学参数外，阳极梯系统还能实现两相邻阳极之间交流阻抗值的测量。由于各阳极的暴露面积以及相邻阳极之间距离都一致，该阻抗值可反映混凝土电阻率。

2 耐久性监测系统的布置

在埃及塞得东港集装箱码头二期水工工程1200 m码头中，共安装了48套耐久性监测系统，系统分三组布置在码头 N828.5（J2排架）、N470.5（M2排架）和N72.5（P2排架）三个垂直断面上。图3为J2排架上16套系统的具体布置。

图3 耐久性监测系统布置图

码头桩基（包括地连墙以及中间方桩）位于水下区及泥下区，从图3中可看出，桩基-25 m、-6 m、-5 m、-3 m标高处都安装了耐久性监测系统的传感器。把传感器布置在这些地方，主要考虑到在这些地方腐蚀发生可能性相对较大。根据设计的计算，混凝土桩在-29 m处受到的弯矩最大，且-19 m处又是上下两截钢筋笼搭接的地方，此区段混凝土受到的内应力相对较大，易出现开裂现象，有发生腐蚀的可能，故在-25 m处设置耐久性监测点；而在桩与梁交接处，结构受力复杂，腐蚀发生的可能性亦相对较大，因此桩顶部-6 m、-5 m及-3 m处亦布置了传感器。在桩顶部不同深度布置传感器还考虑到氧气的因素。因为海水中含氧量会随深度逐渐减少，而氧气又是腐蚀发生的必要条件。

码头上部结构的梁、板基本上处在潮差区与浪溅区等腐蚀严重的区域，因此近半数耐久性监测系统的传感器都布置在此处，以重点监测码头的腐蚀状况。

在整个码头设置3个测量槽，每个断面所有耐久性监测系统的终端测试盒都布置在位于码头面的测量槽内，便于数据的获取。

3 初测数据的采集

阳极梯系统的监测数据包括：

1）各阳极（A1～A6，其中A1最靠近混凝土表面，A6最靠近钢筋）与阴极之间的电压、钢筋连接与阴极之间的电压；

2）各阳极与阴极之间的短接电流（短接5 s后测得的电流）、钢筋连接与阴极之间的短接电流；

3） 两相邻阳极之间的交流阻抗值，最靠近钢筋笼的阳极（A6）与钢筋连接之间的交流阻抗值；

4）温度。

数据的获取通过KMSE-HMG 5采集仪进行，该仪器既可实现所有数据的一键式全自动获取，也可采用手动方式获取电压、电流及电阻等单项数据。测得的数据可存储到仪器中，并可通过USB接口将数据传输到计算机中进行分析处理。

4 初期监测数据的分析

混凝土环境是个极为复杂的环境，而混凝土环境对耐久性监测结果影响重大，本文根据工程的耐久性监测数据，对不同外部环境和施工工艺混凝土结构的监测结果进行分析研究。

4.1 不同混凝土环境对阳极梯系统监测数据的影响

选取两套位于不同部位的阳极梯系统，比较其监测数据。两系统分别为M2-A1和P2-F1，其中M2-A1位于M2排架海侧T桩-25 m处（见图3），该处混凝土处在泥下区，属于浸泡混凝土；P2-F1位于P2排架的预制面板处（传感器在断面中的位置与图3中M2-F1一致），预制面板虽处在浪溅区，但由于地连墙的阻挡，其下方基本无浪，海水无法到达，属干燥混凝土。两系统的电压、电流以及电阻随时间的变化分别如图4、图5及图6所示。

从图4可看出，各阳极电压基本在同一个数量级。在混凝土刚浇注时，阳极电压都为负值，但在随后几天，电压迅速正移。这是随着混凝土凝结，其内部pH值逐渐升高，阳极发生钝化造成的。由于钝化部分电位较未钝化部分的正，而测得的阳极电压又是两部分混合电位的反映，因此钝化造成电压正移。

值得注意的是图4（b）中的阳极电压在60 d左右又有一次明显正移，这说明阳极的钝化并非一次完成。在浇注完成后的随后几天阳极仅部分区域发生了钝化，产生了第一次电压正移。而在60 d左右，阳极未钝化部分的某些或全部区域进一步发生了钝化，令阳极电位再一次出现明显的正移。在图4（a）中也出现了类似的多次正移的现象。

从图5（b）可看出，位于预制面板处阳极梯的各阳极电流在150 d后基本稳定在2～8 μA之间。阳极梯系统生产厂家从大量实验结果中得出判断阳极状态的判据：即对于埋设在干燥混凝土中的阳极，测量阳极与阴极短路连接5 s后的电流，若电流远小于15 μA则表明阳极仍处于钝态，若电流大于15 μA表明阳极处在活化态。图5（b）的结果与实验结果吻合。在本工程安装的48套阳极梯系统中，有6套的传感器处在干燥混凝土中，其中4套的电流都小于15 μA，另外2套由于监测时间过短，电流仍未稳定，其值大于15 μA。表1列出了此6套阳极梯在最后监测时间获得的电流值。

图4 阳极电压随时间的变化图

图5 阳极电流随时间的变化图

图6 相邻阳极间交流阻抗与时间的关系图

表1 位于干燥混凝土中阳极梯的电流值

从图5（a）中可看到，对于埋于T桩处的各阳极，其电流在200 d后全部达到稳定，其中5根阳极的稳定电流在500～1000 μA之间，另一根阳极（A4）的电流稳定值为-50 μA。上面提到的“15 μA”判据并不适合用于判断这类阳极是否发生腐蚀，因为阳极处在浸泡混凝土中，混凝土内含水量会影响电流值。而且由于混凝土内含水量差异很大，用单一一个判据明显不合适。此时判断阳极是否脱钝的方法是对阳极梯进行持续的监测，绘制各阳极电压与电流随时间的变化图，若出现电压的明显负移以及电流的明显跃变可说明阳极发生腐蚀。

通过比较图5（a）、（b）可发现位于T桩的阳极梯系统，各阳极电流与位于预制面板处的相差明显。由于两阳极梯系统各阳极电压相差不大（见图4（a）、（b）），因此电流的差别主要是混凝土电阻率不同造成的。从图6（b）、（a）可看出预制面板处混凝土电阻率比T桩处混凝土电阻率大2～3个数量级。预制面板为干燥混凝土，混凝土中含水较少，因此电阻率较大，而T桩-25 m标高处为浸泡混凝土，周围是含水量较高的淤泥质砂层，混凝土内含水量大，电阻率小。

由上述分析可见，混凝土所处环境（浸泡或干燥）对阳极梯系统获取的电化学参数影响较大。

4.2 不同混凝土施工工艺对阳极梯系统监测数据的影响

进一步考察了混凝土施工方法对阳极梯系统电流值的影响，对桩基及现浇梁处各阳极的电流进行汇总比较。桩基与现浇梁处混凝土都属于浸泡区域，但前者采用水下自密实混凝土浇筑，后者则是普通的陆上混凝土施工。图7显示了安装在桩基及现浇梁处各阳极的稳定电流。其中方块（或圆形）表示电流的平均值，垂线覆盖的区域表示电流的分布范围。从图中可看出电流平均值在70～160 μA之间。桩基处的阳极与现浇梁处阳极在电流平均值上相差不大。但与表1中干燥混凝土中各阳极的稳定电流值相比，图7中的电流数值要大得多。如前所述，这是因为图7中的阳极都处在浸泡混凝土中。而表1的都处在干燥混凝土中。

图7 位于浸泡混凝土中各阳极的稳定电流

另一方面，从图中垂线覆盖的区域可看出现浇梁处各阳极电流的分散性较小，说明该区域混凝土的均一性相对较好，这与两处混凝土施工工艺不同有关。由此可见混凝土的施工工艺影响阳极梯系统电流值。

需要注意的是，由于以上阳极梯系统的监测数据仅为短期监测数据，并不能用于确定脱钝锋线的位置。依靠阳极梯系统确定脱钝锋线还需进行长期监测才能得到实现。

5 结语

为监测码头腐蚀状况，埃及塞得东港集装箱码头二期水工工程安装了阳极梯系统这种较新型的耐久性监测系统。

从已获得的数据可知，混凝土所处环境（浸泡或干燥）对阳极的电流大小产生影响。用于判断阳极是否脱钝的“15 μA”判据对于实际工程中埋设在干燥混凝土中的阳极梯系统是适用的。但对埋设在浸泡混凝土中的阳极梯系统，监测电流远大于15 μA，“15 μA”判据并不适用，必须监测阳极的电压与短路电流随时间的变化，才能判断脱钝的发生。

混凝土本身施工工艺都对阳极梯系统的电流产生影响。阳极电流的离散性在密实的混凝土中要远小于在较不密实的混凝土中。

作为耐久性设计与再设计过程中重要的环节，耐久性监测对于确保结构的耐久性具有重要意义。目前的混凝土耐久性监测系统除可以监控钢筋锈蚀状况，还具备预测腐蚀发生时间的功能。可通过暴露试验建立阳极梯系统在不同环境及施工工艺下对于腐蚀发生的判断标准。随着长寿命、高耐久性结构的不断出现，耐久性监测系统具有广大的应用前景。

[1]BROOMFIELD J P，DAVIES K，HLADKY K.The Use of Permanent Corrosion Monitoring in New and Existing Reinforced Concrete Structures[J].Cement Concrete Comp，2007，24：27-34.

[2]ELSENER B.Macrocell Corrosion of Steel in Concrete–Implications for Corrosion Monitoring[J].Cement Concrete Comp，2002，24：65-72.

[3]DUFFÓ G S，FARINA S B.Development of an Embeddable Sensor to Monitor the Corrosion Process of New and Existing Reinforced Concrete Structures[J].Constr Build Mater，2009，23：2746-2751.

[4]RAUPACH M，SCHIEβL P.Macrocell Sensor Systems for Monitoring of the Corrosion Risk of the Reinforcement in Concrete Structures[J].NDT&E Inter，2001，34：435-442.