基于阳极梯传感器的高桩码头耐久性监测研究

刘红彪,刘海成,齐方利,张路刚,薛德清,肖 忠,庄 宁

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 300456;2.防灾科技学院,三河 065201;3.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司海洋石油船舶中心,龙口 265700;4.天津大学 建筑工程学院,天津 300350;5.河海大学 港口海岸与近海工程学院,南京 210024)

氯离子侵蚀和混凝土碳化均会对暴露在腐蚀环境中的混凝土结构造成严重破坏,例如,氯离子会引起沿海地区及潮汐区混凝土结构的钢筋锈蚀[1-2]。大量的港口水工建筑物如码头、跨海桥梁、堤坝等结构受到海水氯离子的侵蚀而发生破坏,以致必须修复或重建[3]。目前维修费是港口水工结构维护开支的主要部分。

服役于海洋环境下的码头、跨海桥梁等钢筋混凝土结构,由氯化物引起钢筋锈蚀导致的混凝土开裂比混凝土碳化作用所引起的混凝土开裂更为严重。氯离子侵蚀使钢筋锈蚀加快,是影响海洋环境下混凝土结构耐久性的主要因素,并已引起工程界和学术界的广泛关注。由氯化物侵蚀引起的海洋环境中钢筋混凝土结构的典型破坏如图1所示。

图1 由氯化物引起的港口水工结构的典型耐久性破损Fig.1 Typical durability damage of harbor structures induced by chlorides

氯离子侵蚀会对服役于海洋环境的混凝土结构造成破坏,但海洋工程建设不会停止,甚至很多海洋工程的设计使用寿命要求更高,需达到100 a及以上,如中国的港珠澳大桥、杭州湾大桥和深中通道。这就对钢筋混凝土结构的耐久性提出了更严格的要求。然而,目前还没有一种通用的可靠度设计理论可以保证混凝土结构能够服役100 a或更长时间[4]。因此,为了使混凝土结构具有更长的服役寿命,现在普遍采用耐久性设计和再设计的原则,即在混凝土结构服役期间基于监测手段获取混凝土结构的实际耐久性信息,对监测中发现的部分不满足设计要求的结构采取进一步的措施以保证混凝土结构的耐久性要求[5-6]。因此,有必要通过监测收集混凝土结构的耐久性数据,在钢筋锈蚀过程开始前采取预防措施[7-9],从而既保证了结构的耐久性要求,又降低了维护成本。一般情况,当钢筋开始锈蚀后,修复措施的费用随时间急剧增加。混凝土结构耐久性维护费符合“五倍定律”,即轻微损坏的维修费是预防措施费的5倍。所以,对服役于海洋环境的混凝土结构进行耐久性监测具有重要意义。因此,在近几十年里,科研人员投入了大量的精力发展无损检测以及结构健康监测技术和方法,以对混凝土结构进行客观评估。提出多种无损检测技术方法,如超声波检测、探地雷达检测、半电池电位法检测等,某些手段已被广泛应用于混凝土结构的检测[10]。但是,现有的现场检测方法,如半电池电位法仅能判断局部发生锈蚀的概率而不能确定开始锈蚀的时间,而阳极梯传感器则可以监测钢筋开始锈蚀的时间。基于传感器的自动化监测比常规的现场检测更具成本效益,特别是在难以进行现场检测的地区。基于监测数据可在钢筋锈蚀前及时采取防护措施,降低维护成本。

基于阳极梯的结构耐久性监测系统已经在许多混凝土结构(主要是桥梁)中得到了应用,但是对于港口高桩码头耐久性监测的应用研究还不多。服役于海水环境的港口码头结构,氯离子渗透引起的耐久性问题更加突出,结构耐久性监测更为重要。本文的目的是设计部署一套基于阳极梯传感器的长期耐久性监测系统,对天津港某码头结构进行耐久性监测。耐久性监测系统的主要功能是基于阳极梯传感器收集钢筋混凝土结构的宏电池电势、电流、电阻及温度,以评估混凝土结构的钢筋锈蚀风险。

1 理论背景

1.1 混凝土内的钢筋锈蚀原理

一般情况下,混凝土中的钢筋具有良好的耐腐蚀性,因为混凝土中属于高碱性环境(pH值在12.5～13.5)。在高碱性环境下,钢筋表面会形成一层薄的氧化层,称为钝化膜,其可以使钢筋的锈蚀损失量降低至可以忽略的程度。通常这种钝化状态在钢筋混凝土结构的整个服役寿命中是稳定的。然而,由于各种原因,如氯离子渗透或混凝土碳化,会破坏覆盖在钢筋表面的钝化膜,最后造成钢筋从钝化态变为活化态(即脱钝)。随后,钢筋周围的水、氧气以及氯离子与钢筋中的铁发生反应,导致钢筋锈蚀。随着钢筋锈蚀的逐渐加剧,混凝土会因钢筋锈蚀膨胀而出现裂缝,以致剥落,最终混凝土结构发生严重破坏[11]。

钢筋锈蚀是一个复杂的电化学反应,涉及到多个步骤,最后铁形成氢氧化铁(Fe(OH)3),而氢氧化铁会转变为水合氧化铁(Fe2O3·H2O),即铁锈。钢筋锈蚀的电化学反应如图2所示[12]。

混凝土碳化是指二氧化碳(CO2)与混凝土孔隙溶液中的碱性物质发生化学反应,使pH值降低到10以下的过程,是造成混凝土腐蚀的原因之一。然而,根据现场检测经验,服役于海洋环境的港口工程混凝土结构中钢筋锈蚀的主要原因是氯离子的渗透。因此,本文的研究集中于氯离子引起的钢筋锈蚀方面。由图2可知,氯离子入侵也会导致pH值的下降,当孔隙水溶液中氯含量超过临界值时,钢筋开始脱钝生锈。

氯离子引起混凝土内部钢筋的锈蚀过程类似于电池的电化学反应过程,可以用图3所示的简化电路模型来描述。钢筋表面不同的部分分别作为电池的阳极和阴极,如图2所示。在钢筋阳极处,铁(Fe)失去电子变成铁离子(Fe2+),其很容易与氯离子(Cl-)结合形成FeCl2溶液,成为铁离子的载体,进而引起阳极去极化,加速钢筋的阳极反应过程。在钢筋阴极处,电子、水和氧转化为羟基离子(OH-)。阴极的反应不会引起钢筋的任何劣化。相反,它对钢筋起到保护作用,称为阴极保护。然后,在电解质中,基于阳极和阴极之间产生的电场,羟基离子(OH-)带着负电荷离子从阴极向阳极移动。在阳极附近,它与溶液中的铁离子反应形成氢氧化亚铁(Fe(OH)2),同时氯离子(Cl-)被释放,并重复上述过程。随后,氢氧化亚铁(Fe(OH)2)与氧气(O2)和水(H2O)反应,生成氢氧化铁(Fe(OH)3),最后形成Fe2O3,即铁锈[10,12]。一般情况下,铁锈体积是同质量铁体积的3～6倍,当钢筋锈锈蚀后,混凝土因膨胀而开裂剥落。

图3 混凝土中钢筋锈蚀的简化电路模型Fig.3 Simplified electrical circuit model for the corrosion of rebar in concrete

上述表明港口工程混凝土结构中钢筋的锈蚀主要是由氯离子侵蚀引起的。此外,服役于海水环境中的混凝土结构内部钢筋的脱钝阈值被称为临界氯离子浓度锋线。因此,如果能够适当收集氯离子在混凝土中的渗透行为,如氯离子临界浓度锋线的位置及迁移速率,就可以对钢筋在混凝土中的锈蚀时间进行预测。由于钢筋开始锈蚀后,产生的维修费用随着时间的推移急剧增加,因此根据预测结果若能及时采取必要的防护措施,可大幅降低港口工程混凝土结构的维护成本。

1.2 阳极梯传感器

BASHEAR等[13]基于混凝土结构的腐蚀理论,提出了混凝土退化模型来预测混凝土结构的性能退化,并强调了渗透性对混凝土退化的影响。GLASS等[14]指出氯离子引起的钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素。AHMAD[15]总结了钢筋的锈蚀机理、钢筋的锈蚀监测技术以及利用经验模型和试验技术预测结构剩余使用寿命的方法,并指出氯离子引起的腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素。尽管早期开发了许多新型的测试系统和修复材料来修复混凝土结构的破损以提高其耐久性,但很多测试系统并不能确定钢筋开始锈蚀的时间。因此,RAUPACH在1986年研制了阳极梯传感器,其可以监测混凝土中钢筋开始锈蚀的时间,并在1990年将其成功应用于混凝土结构中钢筋锈蚀状态的监测,为钢筋混凝土结构的耐久性再设计提供了技术手段[11,16-17]。RAUPACH等[8]利用阳极梯系统监测了氯离子在混凝土结构中的渗透深度,并且基于监测数据可以预测钢筋的锈蚀状态。随后,ZHANG、金祖权等[18]、方翔等[19]将阳极梯系统应用于沉管隧道、码头等水工建筑物中,以监测混凝土结构的耐久性。基于阳极梯传感器的钢筋混凝土结构耐久性监测,可以确定钢筋的脱钝阈值。因此,该方法对于监测沿海高桩码头结构的耐久性状态、预测钢筋锈蚀时间是非常有效的。

天津港某码头的结构耐久性监测使用的阳极梯传感器为德国制造,该阳极梯系统包括埋置于混凝土中的阳极梯、外部测试接口和专用的数据采集设备。阳极梯传感器组件为阳极梯、阴极、参比电极、阳极钢筋棒(CR)、温度探头(PT 1000),如图4所示。阳极梯中有6根碳钢制成的阳极,分别命名为A1、A2、……、A6。阳极梯埋设于混凝土保护层厚度范围内,通过调节支架斜度,使6个阳极嵌入到混凝土保护层的不同深度内[20],传感器的安装方式及侧视图见图4所示。基本测试原理是将电极放置在相对于混凝土表面的不同深度内,逐个监测这些电极开始锈蚀的时间。通过测量阳极在不同深度下的宏电池电势、电流、电阻和温度等参数,可以确定氯离子在混凝土中的扩散深度。然后,基于监测数据可以预测钢筋的锈蚀开始时间,如图5所示。

图4 阳极梯传感器以及其安装示意图Fig.4 Anode-ladder sensor and its general installation appearance

根据阳极梯传感器的设计,在浇筑混凝土前,将由铂制成的阴极(Pt)、二氧化锰参比电极(MnO2)和阳极钢筋棒设置在阳极梯附近,温度探头(PT 1000)封装在梯形中。在相同的温度下,阳极的宏电池参数可分为5类,分别是单个阳极与阴极之间的宏电池参数、单个阳极与参比电极之间的宏电池参数、单个阳极与阳极钢筋棒之间的宏电池参数、两个相邻阳极之间的宏电池参数以及环境温度。采集具体监测数据时,采集的数据包括混凝土试件的宏电池电位、宏电池电流、电阻和温度。宏电池电势为各个阳极相对于阴极、参考电极和阳极钢筋棒(表中简称为CR)的电压值。宏电池电流为各个阳极相对于阴极和内部阳极钢筋棒的电流值,而电阻是阳极之间的混凝土电阻值。每次试验采集40个参数,参数的定义见表1～表3。

表3 阳极梯传感器采集的电阻值Tab.3 Resistance values collected by the anode-ladder sensor

1.3 钢筋锈蚀状态评估方法

基于实验室测试的结果,将埋置于干燥混凝土中的阳极相对于阴极短路5 s后的内电压值达到150 mV,电流值达到15 μA作为通常情况下判定阳极活性态的极限值,当传感器处于潮湿的环境(如海洋环境)时,该极限值可能更大[8,20]。这一结论可用于判断阳极是否处于活性态,并预测与钢筋锈蚀相关的临界深度。

判定钢筋锈蚀状态的另一个标准是ASTM C876-09提出的半电池电位检测法,该方法在湿混凝土表面使用铜-硫酸铜半电池来测量与混凝土外表面有关的钢筋的半电池电位。根据ASTM C876-09标准,如果半电池电位小于-0.35 V,则钢筋处于活性锈蚀状态的概率为90%以上;若半电池电位为正或在-0.35～-0.2 V,则无法从测量结果判定钢筋的锈蚀状态;若半电池电位在-0.2～0 V的范围内,钢筋发生锈蚀的概率小于10%;这些准则可用于阳极梯监测数据的分析和钢筋锈蚀风险的评价,具体见表4所示。

表4 钢筋锈蚀的可能性判定Tab.4 Corrosion probability of reinforcing steel

2 阳极梯系统在新建高桩码头的应用

2.1 工程概况

天津港某码头是天津港于2016年开工建设的高桩码头,码头结构基于300 000 DWT散货船设计,主要用于散货运输。码头长390 m、宽75 m,由1个390 m的主码头平台和2座73.3 m的侧向引桥3个部分组成。主码头段由9个65 m宽的结构段组成,根据使用要求分为前承台和后承台。前承台宽36.5 m,后承台宽38.5 m,每个结构段均相同。设计的阳极梯系统布置在码头的第二结构段,码头结构如图6所示。为了组成结构耐久性监测(SDM)系统,在图6中箭头标记处设置了2个阳极梯传感器。利用这些传感器,可以实时监测混凝土内钢筋的锈蚀状态。

2018年10月29日，第五届国际“我们的海洋大会”（Our Ocean Conference 2018） 在印度尼西亚巴厘岛开幕。来自7个国家的6位总统和1位副总统、36名部长级官员以及来自70多个国家的1900余名代表出席会议。受美国环保协会（EDF）和中国国际民间组织合作促进会（CANGO）的邀请，本刊记者参加了此次会议。印尼总统佐科维（Jokowi）出席开幕式并致辞。

图6 天津港某码头Fig.6 Cross section of the wharf

2.2 阳极梯传感器安装以及数据采集

天津港某码头结构耐久性监测使用的阳极梯传感器分别安装在后承台的横梁和前承台轨道梁上,梁均采用高性能C45F300混凝土预制。阳极梯传感器全部设置在梁侧面底部的混凝土保护层内,均位于码头的浪溅区。传感器布设时,首先将传感器安装在钢筋笼上,然后进行混凝土浇筑和养护。养护完成后,将预制试件运至现场安装。码头面层施工过程中,将传感器终端盒埋入混凝土中,并由不锈钢外壳保护。不锈钢保护壳表面与码头面层上表面平行。打开壳体上盖后,即可看到传感器终端盒,并通过专用设备进行数据采集。阳极梯传感器安装、保护及现场数据采集如图7所示。

图7 阳极梯传感器安装和现场数据采集Fig.7 Installation of anode-ladder sensor and field data acquisition

码头竣工后开始采集阳极梯传感器数据。天津港某码头主体结构于2017年10月完成。本项目阳极梯传感器数据采集工作始于2017年10月,每间隔14 d采集一次数据,数据采集时短路时间设置为5 s。截至目前,使用HMG7采集设备已连续采集数据4 a。

3 监测数据结果分析

通过阳极梯传感器获得的监测数据包括电压、电流、电阻、温度等参数。根据前述评价方法和厂家提供的技术参数,监测采集到的电流值通常用来判定阳极是否处于脱钝或锈蚀状态。目前,厂家提供的标准是如果测量到的阳极和阴极之间的电流远小于15 μA,则可以判定埋在干混凝土中的阳极处于钝化状态;如果测量到的电流大于15 μA,则认为相应的阳极处于活性状态[20]。然而,当阳极梯传感器设置在潮湿的环境(比如海洋环境)中时,其极限值可能会较大。并且在这种情况下,没有统一的电流值、电压和电阻值的判定标准。本文对两个阳极梯传感器连续4 a的监测数据进行了分析,重点分析了电流值,并对电压、电阻、温度值进行了相关分析。这对了解码头前后承台在服役过程中的耐久性状态变换是很有必要。并且,基于监测数据的综合分析,可以了解氯离子渗透速率和钢筋的锈蚀状态。

3.1 前承台监测数据分析

安装在前承台轨道梁上的阳极梯传感器距码头前沿16.5 m,距离海面4.5 m。经过数据处理,各个阳极相对于阴极和钢筋的电流值随时间的变化曲线如图8和图9所示。从图8可以看出,在无视电流方向的情况下,2018年4月至7月,阳极A1和A2相对于阴极的电流值均超过了15 μA,在排除一些跳变点之后可以观察到A1和A2相对阴极的电流值在随后的几个月里逐渐恢复到10 μA。如果根据电流大于15 μA则判定阳极脱钝的标准,可以初步判定在2018年4月至7月,阳极A1和A2处于脱钝状态。这意味着氯离子已经渗透到阳极A2的深度。然而,根据接下来几个月的监测数据可知,A1和A2相对于阴极的电流值又恢复到小于15 μA水平,据此又可判定阳极处于钝化状态。显然,这两个结论是矛盾的。为了理解这一矛盾,将采集的温度数据纳入考虑。从图8可以看出,2018年4月至7月,温度持续升高,阳极A1、A2相对于阴极的电流值大于15 μA,之后随着温度的下降,电流值又回到15 μA以下。作者认为造成这一矛盾的原因是环境温度的变化,并不能完全根据2018年4月至7月期间大于15 μA的电流值就确定阳极A1和A2脱钝。此外,轨道梁涂有防腐物质,氯离子渗透深度不可能达到A1和A2所处的位置,这也可以通过现场检测确认。从现场检查来看,没有防腐涂层破损的迹象。因此,作者认为A1和A2仍处于钝化状态。

图8 阳极和阴极之间的电流(前承台)Fig.8 Current between anode and cathode (front platform)

图9 阳极和阳极钢筋棒之间的电流(前承台)Fig.9 Current between anode and reinforcement-connection (front platform)

此外,从阳极与阳极钢筋棒之间的电流值的历史数据(图9)来看,除了阳极A1之外,阳极A2～A6相对于阳极钢筋棒的电流值,无论电流方向如何,都小于10 μA。在某些情况下,阳极A1的电流值大于15 μA,而大多数的电流值不超过15 μA。这与阳极相对于阴极之间电流的数据规律相似。根据以上分析,所有阳极都处于钝化状态。

此外,通过监测数据处理,得到了阳极相对于阴极、参比电极以及阳极钢筋棒之间的相对电压随时间变化的曲线,并得到了相邻两个阳极之间的电阻随时间的变化曲线,具体见图10～图13所示。由图10可以看出,电压的变化趋势与上述电流值的变化趋势几乎一致,2018年4月至7月,阳极A1、A2相对于阴极的电压也出现了波动,有的电压值达到-625 mV,然后逐渐下降至-20 mV以内。在接下来的时间里,除去一些跳变点以外,电压值逐渐上升为正值,并逐渐达到了150 mV,但没有超过150 mV。但在此期间,阳极A3、A4、A6相对于阴极的某些电压值略大于150 mV。每个阳极相对于参比电极和阳极钢筋棒的电压值也显示出类似的趋势(图11和图12)。因此,不能选择150 mV作为服役于海洋环境的混凝土结构中钢筋的阳极活化临界极限,而300 mV的相对电压值更为合适,因为经分析电压的波动是由环境温度引起的而不是由阳极脱钝引起的,这也被现场的检验所证明。随着后续监测数据的增加,时间上包含多个季节的交替,可进一步验证了上述结论。

图10 阳极和阴极之间的电压(前承台)Fig.10 Voltage between anode and cathode (front platform)

图11 阳极和参比电极之间的电压(前承台)Fig.11 Voltage between anode and reference electrode (front platform)

图12 阳极和阳极钢筋棒之间的电压(前承台)Fig.12 Voltage between anode and reinforcement-connection (front platform)

图13 阳极之间的电阻(前承台)Fig.13 Resistance between anodes (front platform)

3.2 后承台监测数据分析

安装在后承台横梁上的阳极梯传感器距码头前沿73.5 m,距离海面4.5 m。经过数据处理,得到了各阳极相对于阴极和阳极钢筋棒的电流值时程曲线,分别如图14和图15所示。从图14可以看出,后承台传感器的电流值随时间变化的情况比前承台传感器的测试数据更杂乱。在不考虑电流方向的情况下,2018年4月至9月,阳极A1、A2、A4相对于阴极的电流值均超过15 μA,并且在随后几个月内逐渐恢复到15 μA以下。其他阳极的相对电流值都处于稳定的状态,均小于10 μA。根据现场检测结果及前承台传感器的数据分析判断,不宜判定A1、A2、A4阳极在2018年4月至9月发生脱钝。根据监测数据显示,很明显阳极A1、A2、A4相对于阴极的电流值产生了波动,这不仅与先前初步推断的环境温度有关,也与混凝土的内部高湿环境有关。混凝土内部的高湿环境导致电子聚集在阳极表面,致使阳极电位出现明显的负迁移。因此,虽然阳极A1、A2、A4仍处于钝化状态,但阳极相对于阴极的电流仍然显著增加,造成了阳极A1、A2、A4活化的假象。

图14 阳极与阴极之间的电流(后承台)Fig.14 Current between anode and cathode (back platform)

图15 阳极与阳极钢筋棒之间的电流(后承台)Fig.15 Current between anode and reinforcement (back platform)

通过数据处理,得到了阳极相对于阴极、参比电极以及阳极钢筋棒的电压值的时程曲线,以及相邻阳极间电阻的时程曲线,见图16～图19。从图16中可以看出,电压值曲线比图14中的电流值曲线更杂乱,但电压值的变化趋势与电流值的变化趋势相似。在监测期间,阳极A1、A2和A4的电压值始终大于150 mV,根据上文介绍的判定标准,可判定A1、A2和A4处于活性态,且某些时间点电压值达到400 mV。从阳极相对于参比电极和阳极钢筋棒的电压值随时间变化的曲线(图17和图18)可以看出,阳极A6的电压值表示其也处于活性态,这使得数据分析更加困难。目前普遍认为环境温度是造成数据波动的主要因素,具体结论需结合更多的监测数据和现场检测才能确定。

图16 阳极与阴极之间的电压(后承台)Fig.16 Voltage between anode and cathode (back platform)

图17 阳极与参比电极之间的电压(后承台)Fig.17 Voltage between anode and reference electrode(back platform)

图18 阳极与阳极钢筋棒之间的电压(后承台)Fig.18 Voltage between anode and reinforcement (back platform)

图19 阳极之间的电阻(后承台)Fig.19 Resistance between anodes (back platform)

此外,从图19中看出,阳极之间的电阻值,除阳极A6与钢筋之间的电阻相对较大以外,其余的电阻值的分布非常规律,即电阻的变化趋势与温度相反,即温度上升,电阻下降,反之亦然,与前承台监测数据规律一致。

4 结论

本文以天津港某码头为依托,在前承台的轨道梁和后承台的横梁处分别设置阳极梯传感器,用于码头结构耐久性的长期监控。通过对监测数据的处理和分析,得出以下结论：

(1)设置于前承台轨道梁的阳极梯传感器数据显示,在4个月的时间里,阳极A1和A2相对于阴极的电流超过15 μA,说明阳极A1和A2可能发生了脱钝。但经过分析发现,这主要是由于环境温度变化造成阳极出现脱钝的假象,因为这4个月正是春夏季节,温度持续上升,导致相对电流升高。

(2)设置于后承台横梁的阳极梯传感器数据显示,在6个月的时间里,阳极A1、A2、A4相对于阴极的电流超过了15 μA,特别是A4相对于阴极的电流值越过A3先达到判定脱钝的标准,造成了一种阳极脱钝的假象。经过分析,主要原因不仅是环境温度,还有混凝土内部的高湿环境,导致电子在阳极表面聚集,致使阳极电位出现明显的负迁移。因此,造成了阳极A4脱钝的假象,但这一结论还需后期更多的现场试验加以证实。

(3)温度的变化对混凝土的电阻影响很大,温度的升高会导致混凝土电阻下降。

(4)虽然阳极梯监测系统可以监测氯离子对港口工程混凝土结构的腐蚀风险,但在环境温度和混凝土内部湿度的共同影响下,可能会出现干扰数据,影响结果的判定。因此,要确定阳极是否处于活性态,必须综合电流、电压、电阻、温度等监测数据,不能简单地通过电流值来确定,多参数耦合分析判定准则需做进一步研究。