海洋环境钢筋混凝土结构耐久性监测和检测对比研究

方 翔，殷振东，陈昊翔，倪静姁，张东方，范志宏

(1. 中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230; 2. 水工构造物耐久性技术交通运输行业重点实验室，广东 广州 510230; 3. 珠海港开发建设有限公司，广东 珠海 519050)

海洋环境下，码头等港口基础设施的钢筋混凝土结构面临严峻的耐久性问题。而混凝土的耐久性状态关系到结构物在整个服役期内的安全性和适用性[1-2]。耐久性状态诊断主要依靠人工定期检查、定期测量观测、定期检测和特殊检测等手段。随着传感器和自动化技术的发展，采用预埋传感器并实施监测的诊断方法得到越来越广泛的应用[3-4]。

目前耐久性监测传感器主要有德国的阳极梯、丹麦的Corrowatch、美国的ECI等，国内在传感器开发方面也相继开展了大量的工作[5-6]，耐久性监测也在多个重要工程结构中得到应用[7-8]，但是针对监测数据的分析以及结构寿命预测方面的报道不多[8-9]。另一方面，由于耐久性监测在原理及方法上不同于传统的检测方法，因此两者在评估和寿命预测上必然存在差异。孙宗光等[10]采用室内快速试验对比阳极梯耐久性监测数据与硝酸银显色法检测氯离子渗透数据的相关性。但目前针对实体结构对比的研究报道较少。开展监测、检测原位对比分析，对了解掌握基于两种技术开展的评估结论的异同具有重要作用，也有利于监测技术的推广应用。

针对已建立耐久性监测系统的沿海某高桩码头，利用监测数据进行早期混凝土结构耐久性状态评估及寿命预测，同时针对性地开展检测分析，对监测和检测两类方法的数据进行分析比较。

1 耐久性监测系统

珠海港某集装箱码头为高桩梁板式结构，处在海洋环境中。对于高桩码头结构，氯离子侵入引发的钢筋锈蚀是导致结构破损的最主要原因[11]，且耐久性问题几乎出现在码头桩帽、纵横梁、面板等所有上部结构构件中[12]。因此在该码头监测系统建立时，选择3个典型断面，分别位于码头146排架、178排架以及199排架。在每个断面设置5个监测点，覆盖桩帽、现浇横梁、纵梁、预制面板和现浇面板等所有上部结构。监测点布置见表1，其中断面M的监测点布置如图1所示。

表1 监测点布置Tab. 1 Arrangement of monitoring points

图1 M断面监测点布置Fig. 1 Layout of monitoring points for M section

每个监测点预埋一个阳极梯、一个ERE20参比电极、一个多功能耐久性监测传感器以及两个JXB-2应变传感器。整个工程监测传感器统计如表2所示。传感器均在构件钢筋绑扎完成，混凝土浇筑前安装。

表2 传感器布置数量Tab. 2 Sensor number

2 耐久性监测数据分析

目前该码头耐久性监测系统已累积近2 a的监测数据。针对阳极梯耐久性监测传感器的数据展开分析及评估。

阳极梯主要由埋置于混凝土保护层不同深度的6根阳极(分别为a1、a2、……、a6，数字越大埋深越大)和1根阴极(c)组成。通过测量不同阳极与阴极之间的开路电压(U1、U2、……、U6)和短路电流(I1、I2、……、I6)，相邻阳极之间的电阻(R12、R23、R34、R45、R56)等参数，判断阳极的腐蚀状态，跟踪腐蚀锋线位置，开展结构寿命预测。

2.1 浪溅区监测数据分析

图2列出M1、M2监测点的阳极梯监测数据。阳极梯主要依靠短路电流判断阳极锈蚀情况。对于干燥的钢筋混凝土，阳极与阴极间短路连接5 s后，若电流绝对值小于15 μA，表明阳极无腐蚀，若电流绝对值大于15 μA，表明阳极发生腐蚀；对于浸泡潮湿混凝土，以电流绝对值的突变增加以及电位的负移作为腐蚀开始的标志[13]。

根据以上判据，由图2(b)可知，M1-a2(表示M1监测点阳极梯a2阳极)、M1-a3、……、M1-a6已钝化，未发生腐蚀。但M1-a1的电流为负值，绝对值大于15 μA。从图2(c)可见各相邻阳极间电阻的差异性不大，可排除混凝土电阻率的影响。因此，数据表明该阳极处于活化状态。在海洋氯离子侵蚀环境下，阳极梯阳极在混凝土中经历钝化和由氯离子渗透导致的脱钝两个变化过程。阳极电流也呈现出从刚浇筑时的较大值逐渐趋于0[8]，以及脱钝后突然增大[13]两种变化的趋势。进一步从图2(a)、图2(b)数据可以看出，在270 d到300 d，M1-a1的电位、电流监测数据波动较大，这表明阳极的钝化和脱钝两个过程可能同时存在。到了300 d以后，电流趋于稳定，初步判断阳极处于活化态。以300 d作为M1-a1阳极开始腐蚀的时间t1，或称腐蚀锋线抵达该阳极的时间。通过式(1)计算钢筋腐蚀起始时间t0[14]：

(1)

其中，x1为阳极埋深11.5 mm，h为保护层厚度75 mm。若t1大于10 a可认为Dt0/Dt1=1，若t1小于10 a则：

(2)

其中，m为扩散系数衰减值，根据现场混凝土配合和规范[15]计算得到为0.202。最后，计算得到结构物寿命约为58 a。

图2 浪溅区部分阳极梯监测数据Fig. 2 Monitoring data of anode ladders in splash zone

由图2(e)可得，尽管M2点阳极梯各阳极电流较大，但均为正值，正电流说明阳极处于钝态。由于阴极在混凝土中埋置位置较阳极深，混凝土密实，外加涂层的保护，氧气难以渗透到阴极，导致阴极与阳极出现氧气浓度差异，引起阴极与阳极电位的反向，形成正电流。此外M2监测点受到海水影响，混凝土内部电阻较小，因此电流绝对值较大。

2.2 大气区监测数据分析

图3显示M4、O5等位于大气区监测点上阳极梯的监测数据。由图3(b)、图3(e)可看出，该两处电流总体较小，均小于15 μA，且逐渐趋于0，表明该处钢筋钝化，未受到氯离子侵蚀。相比于浪溅区，大气区因未直接接触海水，该处监测点达到稳定的时间更短。

图3 大气区阳极梯数据分析Fig. 3 Monitoring data of anode ladders in atmosphere zone

2.3 基于各监测点阳极梯数据的状态评估

表3为各个监测点阳极梯电流的总体情况。表3中可看到M1、N2各有1个阳极电流值小于-15 μA，均为最靠近混凝土表面的a1阳极，说明M1-a1和N2-a1已腐蚀，表中腐蚀锋线位置根据阳极腐蚀与否以及腐蚀阳极的埋深推断。M1、N2监测点由于处于浪溅区，桩帽和横梁较早接触海水，氯离子渗透较快。但根据M1点阳极梯监测数据计算的寿命为58 a，大于设计使用寿命，说明腐蚀锋线的渗透情况仍然符合设计期望。其余阳极监测电流均大于-15 μA，甚至为正向电流，表明这些阳极并未开始腐蚀，腐蚀锋线并未抵达这些阳极所处的深度。

表3 各监测点阳极梯电流分布Tab. 3 Current of anode ladders in different monitoring points

此外，从表3中可看到，大于15 μA的阳极基本上出现在桩帽和横梁。这些监测点受到海水浸泡影响较大，混凝土电阻率较小，因而易产生绝对值较大的电流。

3 耐久性监测、检测对比分析

为进一步验证耐久性监测数据，并与传统检测方法展开对比分析，在监测点M1、M2附近开展了实体检测，对混凝土进行取芯，利用电位滴定的方法获取芯样内部氯离子浓度分布，见图4。从图4可知，试样中的氯离子浓度(占混凝土质量百分比)随深度的增加呈减少趋势。工程所用混凝土配合比如表4所示，结合相关规范[15]，计算得到使钢筋发生腐蚀的氯离子临界浓度Cct为0.084%。图4显示桩帽、横梁试样在36.5 mm深度处的氯离子浓度分别为0.008%，0.014%。而混凝土构件保护层厚度为75 mm。从而可推断，桩帽、横梁钢筋周围氯离子浓度远小于临界氯离子浓度，未受到氯离子影响，钢筋健康状况良好。

图4 氯离子浓度分布Fig. 4 Chloride ion profile

表4 码头混凝土材料配合比Tab. 4 Concrete mix of the quay (kg)

进一步利用氯离子浓度分布数据进行寿命预测[16]。将氯离子浓度分布数据对式(3)展开回归分析：

(3)

求得扩散系数Dt、表面氯离子浓度Cs等参数的值，结果如表5所示。其中，t为取样时间与码头混凝土浇筑时间间隔，取1.73 a；Ci为混凝土中原始氯离子含量，取0.01%。表5求得的氯离子扩散系数已考虑了衰减因素。

表5 通过氯离子浓度分布计算得到的Dt、CsTab. 5 Dt, Cscalculated from chloride concentration profile

再根据式(4)进行寿命计算：

(4)

由式(4)计算得到桩帽的耐久性寿命为63 a。

从监测结果分析可知，M1-a1阳极已处在活化态，M2所有阳极均未发生腐蚀。而检测的结果表明，氯离子临界浓度锋线在桩帽中已渗透至约16 mm深处，而在横梁中则渗透至18 mm深处(见图4)。M1-a1阳极的埋深为11.5 mm，M2-a1的埋深为21.9 mm，因此，M1-a1阳极附近氯离子浓度已超临界值，阳极开始腐蚀。M2-a1由于氯离子浓度仍未达到临界值，未发生腐蚀。

此外，从已有M1-a1监测数据无法较准确地判断阳极的状态仍处在钝化膜形成阶段还是处在钝化膜破坏阶段。而检测结果表明阳极表面氯离子浓度已经超过临界值，证实了M1-a1阳极处在由氯盐入侵导致的脱钝状态。

最后，从寿命计算上看，通过检测得到的桩帽耐久性寿命为63 a，而监测得到的桩帽耐久性寿命为58 a。监测结果得到的寿命更短，因此以监测作为预警手段，更趋保守。

从以上分析可看出监测数据与检测数据具有一致性。检测、监测技术相互补充，相互结合，更有利于对结构耐久性实施准确的分析和评估。

4 结 语

针对某高桩码头开展监测和检测的对比研究。利用监测系统数据进行耐久性状态评估及寿命预测，同时开展检测分析，比较两类方法在判断腐蚀状态和预测码头使用寿命上的区别。

1) 从已有阳极梯监测数据可看出，绝大部分监测点均未观察到阳极的腐蚀，出现腐蚀的阳极也仅为最外侧阳极，表明结构现有耐久性状态良好。

2) 进一步通过检测方法获得氯离子浓度空间分布，并与监测结果对比，结果显示未监测到腐蚀的阳极周围氯离子浓度未达到临界值，而监测到腐蚀的阳极周围氯离子浓度已超临界值，检测结果进一步证实了阳极腐蚀是由于氯离子渗透造成的。对比研究表明从检测方法获得的氯离子临界浓度锋线位置与通过监测获得的阳极腐蚀锋线位置一致。

3) 根据已出现腐蚀的阳极埋深及其腐蚀起始时间，推算出构件寿命为58 a，而通过检测方式计算的构件寿命为63 a，相比较而言，监测方法得到的寿命更短。