沿海桥梁混凝土结构腐蚀防护与监测技术研究

汪 洋

(江苏省永超建设有限公司，江苏连云港 222001)

沿海桥梁混凝土结构将遭受远比内陆更为严峻的自然环境考验，如海风、海雾、海浪、海水等腐蚀作用，桥梁混凝土中钢筋可能发生腐蚀，将会大大降低了桥梁结构的使用寿命。如2000年5月20日美国North Carolina某高速公路桥由于钢筋腐蚀疲劳破坏而发生倒塌。因此，对沿海公路桥梁来说，研究和制定科学合理、经济的混凝土结构防腐蚀技术措施，并进行混凝土结构腐蚀监测和评估，保证桥梁结构使用寿命的要求，具有十分重要的意义。

1 国内外研究现状分析

1.1 混凝土防腐蚀措施

海工耐久混凝土是指采用常规原材料、常规工艺、掺加矿物掺合料及化学外加剂、经配合比优化而制作的，在海洋环境中具有耐久性及良好工作性能的结构混凝土。20世纪90年代中期交通部四航局科研所即开展了大掺量粉煤灰高性能混凝土研究、抗盐污染高性能混凝土配制成套技术研究，研究成果突破了传统使用活性掺合料掺量的规定，配制的高性能混凝土抗氯离子渗透性和使用寿命可成倍增长。该技术被国内许多海港工程使用，已成为港口工程、跨海桥梁、铁路工程等交通土木工程领域的新技术，推动了海工混凝土耐久性设计的进程。然而，由于海工混凝土所处环境的复杂性，影响耐久性参数众多，因此各个具体工程建设时必须对耐久性参数进行调整。目前还未建立一个公认的同时考虑混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的配合比设计方法。

为了阻止或减少海洋环境中氯离子对混凝土结构的侵蚀作用，国内外从20世纪开始对海工混凝土腐蚀防护附加措施开展了大量研究。在混凝土表面涂层方面，开发了浸入型和隔离性涂层技术，20世纪末在欧美已应用于撒除冰盐的混凝土桥梁结构。英国谢菲尔德大学与日本海港研究所于1993年研制了一种高弹性的丙烯酸橡胶涂层，特别适合于湿热的海洋浪溅区。我国四航局科研所、上海建科院和南京水科院等单位已开发出憎水型硅烷浸渍涂层和可在潮湿表面施涂固化的隔离性涂层技术，并应用于大型海港工程。如杭州湾跨海大桥承台以上部分混凝土结构均使用了表面涂层。20世纪70年代开始，美国联邦公路管理局对钢筋阻锈剂进行了大量研究，在美国、加拿大、日本和中东等，阻锈剂应用已有20余年历史。使用检查表明，这些结构的阻锈剂含量仍保持不变，即使混凝土中氯化物的含量较高，钢筋仍保持钝态。我国1970年起，湛江港浪溅区暴露试验也表明，掺阻锈剂的钢筋混凝土试件，长期阻锈效果好。我国杭州湾跨海大桥承台、墩身混凝土使用了阻锈剂。但是，阻锈剂使用时会降低混凝土强度，另外阻锈剂与其他外加剂的相容性需专门研究。阴极保护原理早在钢筋混凝土成为常用建筑材料之前的1824年即已确立，但应用于海港工程始于20世纪50年代。1995年美国佛罗里达采用预埋锌合金阳极方式，成功地保护了处于潮湿的跨海桥墩和桩帽的潮差段钢筋。1998年日本采用膨润土加水调成导电腻子回填于锌合金板和混凝土表面之间的间隙中，确保回路长期低电阻，使海港码头浪溅区混凝土梁板钢筋受到充分的阴极保护。我国杭州湾跨海大桥主墩承台、塔座及下塔柱采用欧洲标准设计了外加电流阴极保护。但是只有采用均布于整个被保护表面的阳极系统，才能成功的实施阴极保护，另外该系统成本较高。

综上所述，尽管目前有海工耐久混凝土技术、混凝土表面防护技术、阻锈剂技术、钢筋涂层技术、阴极保护技术等，但由于海洋环境的复杂性，混凝土耐久性很难通过单一措施保证，而必须根据具体的环境条件和设计条件，考虑技术和经济两方面采取综合耐久性措施以保证整体耐久性达到设计要求。

1.2 桥梁混凝土结构腐蚀监测技术

目前海工混凝土结构耐久性检测参数主要是氯离子扩散系数、氯离子含量及钢筋腐蚀状况。关于氯离子扩散系数的检测方法主要有自然扩散法、RCM方法及NEL方法等。然而自然扩散法试验时间太长，一般需要几十天至几个月，19世纪80年代美欧采用该方法(AASHTOT259及NT-build443)。90年代瑞典华人L.Tang教授提出氯离子电迁移快速试验方法(RCM)，并研制RCM测定仪。该方法已纳入我国GB/T 50476-2008混凝土结构耐久性设计规范。但上述方法都有一个共同的特点，即需要取样在实验室操作，无法在现场对既有结构进行检测。针对这一问题，英国Belfast女王大学开发研制了PERMIT离子迁移仪，可在实验室及现场对混凝土抗氯离子侵入的能力进行检测。检测结果可提供混凝土的电阻率、最大电流及现场氯离子扩散系数。关于混凝土中氯离子含量测定主要采用硝酸盐滴定方法，该方法需现场取样。最近，中交四航工程研究院研制出了埋入混凝土内可以检测混凝土中氯离子浓度的传感器和新型TTS多元传感器。初步研究成果表明，Nernst电极电位线性响应好、灵敏度高、参比电极抗干扰能力强。通过封装和排布研究，新型TTS使传感器可以进行与混凝土深度相关的的氯离子浓度、混凝土电阻和钢筋腐蚀电流等电化学测试，但是该传感器在混凝土中的长期稳定性有待于进一步研究。关于混凝土中钢筋锈蚀状态检测，传统方法应用存在较大局限性。钻孔取样法虽然检测钢筋锈蚀程度较准确，但会破坏结构的整体性。鉴于电化学测试技术(半电池电位法、线性极化法、恒电量法)虽然很早就引入钢筋锈蚀检测，如半电池电位法已纳入我国规范，但是电化学方法易受外界因素影响，检测工作量大，对难以到达的结构表面还无法检测。20世纪80年代，德国亚琛工业大学首先发明了梯形阳极混凝土结构预埋式耐久性无损检测系统，主要以建立钢筋脱钝前锋面发展进程的数学模型。但该系统仍需模拟实际环境，利用实验室测试数据建立钢筋锈蚀中电学参数和输出光功率变化的脱钝判据。另外，该预埋系统价格昂贵，每只传感器价格达1 000欧元。目前国内外学者开展了光纤传感和无线传感等技术用于钢筋锈蚀智能监测研究，并在少数海港工程中应用，但目前未能在实际工程中推广应用。

1.3 海工混凝土结构寿命预测方法

混凝土结构寿命预测是一个世界性课题，已引起国际上学者的高度重视，开展了大量研究工作并取得了许多阶段性成果。国际上有代表性的混凝土结构寿命计算模型有欧洲Duracrete模型、美国Life-365模型和日本土木学会模型，都是基于Fick扩散定律。如欧洲的Duracrete项目提出的耐久性设计和寿命预测方法，是分别以碳化和氯离子引起钢筋锈蚀为主，这个项目建立了一套相对完整的耐久性设计新体系和相应的服役寿命预测方法。但其中不足在于该寿命预测方法主要是基于实验室的模拟试验得出的，与工程实际情况有差异。东南大学等结合润扬长江公路大桥、苏通大桥和泰州大桥等重点工程在混凝土耐久性评价和寿命预测方面开展了大量研究，提出了荷载与环境因素耦合作用的混凝土耐久性评价与寿命预测方法。中交四院工程研究院以海洋工程长期暴露实验和实体工程调查成果对耐久性劣化模型参数进行修正，首次建立了与我国典型海工混凝土结构相适应的寿命预测模型。采用对数年前暴露试验“室内复原”的方法，建立了海工混凝土耐久性质量控制指标与设计使用年限之间的定量关系，实现了海工混凝土结构寿命预测的突破。但是一些耐久性关键参数还暂时停留在理论和凭经验判断的技术水平上。另外目前与使用寿命密切相关的氯离子在力学与环境共同作用下在混凝土中传输机理还不是很明确。因此与耐久性直接相关的新建工程使用寿命仍无法准确预测。

2 研究展望

在总结东海大桥、杭州湾跨海大桥、青岛跨海大桥等海工混凝土科研成果基础上，针对沿海桥梁所处环境特点和混凝土结构耐久性要求，采用室内试验、现场试验及理论分析相结合，对沿海桥梁混凝土结构防腐蚀技术、沿海桥梁混凝土结构腐蚀监测及寿命评估等方面开展深入研究，从提高混凝土材料耐久性、混凝土表面防护入手，提出沿海桥梁混凝土结构防腐蚀综合技术措施，研究开发钢筋腐蚀监测技术，建立现场监测数据与室内试验结果的关系，更真实地反映实际工程情况，更合理地预测桥梁混凝土结构耐久性，为沿海桥梁结构服役寿命预测、沿海桥梁建设与养护管理提供科学依据。

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