混凝土耐久性監測系統在埃及塞得東港集裝箱碼頭工程中的應用

方翔，陳龍，潘峻

（中交四航工程研究院有限公司，交通運輸部水工構造物耐久性技術交通行業重點實驗室，廣東 廣州，510230）

0 引言

近年來，新建混凝土結構中越來越多要求具有100 a或者更長的使用壽命。這就對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，采取硅烷浸漬、陰極保護等附加防腐蝕措施提高混凝土耐久性的同時，有必要預埋耐久性監測系統，定期監測結構的腐蝕狀態，保障結構在設計使用壽命內的耐久性[1-2]。由于結構的實際耐久性與設計可能存在偏差，為確保結構的設計使用壽命，通常的做法是“耐久性設計與再設計”。即在使用過程中獲取結構的實際耐久性信息，在出現不滿足設計要求的時候采取進一步措施。實現這一過程的其中一個關鍵步驟就是通過長期、有規律的耐久性監測獲取結構的實際耐久性信息。目前，混凝土耐久性監測系統不僅能采集結構的耐久性數據，而且可預測鋼筋腐蝕的起始時間。

位于蘇伊士運河北端的埃及塞得東港集裝箱碼頭二期水工工程，設計使用壽命100 a，整個碼頭為鋼筋混凝土結構，基礎為中間方樁加四周T形地連墻樁墻。上部結構為現澆縱橫梁加預制/現澆面板。碼頭所處海域鹽度高，腐蝕環境嚴酷。為確保碼頭耐久性滿足要求，工程除了采用傳統的預埋式二氧化錳參比電極對鋼筋的銹蝕狀態進行觀測外，還使用了陽極梯系統這種較新型的耐久性監測系統對碼頭結構內鋼筋發生銹蝕的起始時間進行預測。

1 陽極梯系統的工作原理

通常，混凝土內的鋼筋具有良好的耐腐蝕性。這得益于在混凝土內部高堿性環境下鋼筋表面形成的鈍化膜，這層鈍化膜能保護鋼筋免遭腐蝕，此時鋼筋處于鈍化態。然而，在海洋環境中，氯離子通過擴散作用從混凝土表面往內部滲透，當鋼筋表面的氯離子濃度超過閾值（臨界氯離子濃度），鋼筋將由鈍化態轉變為活化態（此過程亦稱為脫鈍）[3]。若活化態的鋼筋周圍存在水和氧氣，鋼筋就會發生銹蝕。

由此可見，鋼筋的銹蝕主要是氯離子等有害物質滲透到混凝土內部造成的。若能了解有害物質在混凝土內的滲透狀況，例如，確定臨界氯離子濃度鋒線的位置及其移動速度，便可預測混凝土內部鋼筋發生銹蝕的時間。

陽極梯系統是一種可確定脫鈍鋒線位置的耐久性監測系統[4]。對于處在富含氯離子環境中的混凝土結構，脫鈍鋒線也即臨界氯離子濃度鋒線。陽極梯系統包括預埋在混凝土中的傳感器、測量電纜、終端測試盒及采集耐久性數據的專用讀數儀。其傳感器由陽極梯、陰極、鋼筋連接以及溫度探頭四部分組成（圖1）。

陽極梯共有6根由普通碳鋼制成的陽極（分別為A1、A2、……、A6）。各陽極固定在不銹鋼支架上，形成梯子狀，各陽極與支架電絕緣。支架一端有一不銹鋼固定條，以兩螺栓與支架相連。陽極梯安裝在鋼筋籠的外側（即混凝土保護層處），通過調整螺栓可使陽極梯傾斜不同角度，實現6根陽極埋設在混凝土保護層的不同深度內。陽極的主要作用是確定脫鈍鋒線的位置。

圖1 陽極梯系統

鋼筋連接與結構的鋼筋電連接，主要作用是監測鋼筋腐蝕狀態。

陰極由惰性金屬制成，是測量過程中的輔助裝置。在監測過程中陰極將與陽極或鋼筋連接構成腐蝕電池。

此外陽極梯系統內還配備溫度探頭，可測量其所在區域的溫度。

陽極梯系統的傳感器通過測量電纜與終端測試盒相連，將讀數儀連接到終端盒便可實現數據的采集與存儲。

處在混凝土中的陽極同樣具有鈍化或活化兩種狀態。在混凝土澆注后，陽極會逐漸變為鈍化態。隨著氯離子的滲透，臨界氯離子濃度鋒線以一定規律從混凝土表面向內部移動。在這過程中，6根被置于混凝土保護層不同深度中的陽極，會由外往內一根一根地從鈍化狀態變成活化狀態。測量由陽極與陰極構成的腐蝕電池電化學參數（包括電位以及電流），可判斷陽極是處于鈍化狀態還是活化狀態，從而確定臨界氯離子濃度鋒線在混凝土中的位置。進一步描繪出臨界氯離子濃度鋒線位置與時間的關系，可得到臨界氯離子濃度鋒線移動的速度，進而預測其抵達鋼筋表面的時間（圖2）。

圖2 陽極梯工作原理示意圖

同樣地，通過測量鋼筋連接與陰極組成的腐蝕電池電化學參數可得知鋼筋狀態，實現對混凝土內鋼筋的銹蝕狀況進行監測。

除電位以及短路電流電化學參數外，陽極梯系統還能實現兩相鄰陽極之間交流阻抗值的測量。由于各陽極的暴露面積以及相鄰陽極之間距離都一致，該阻抗值可反映混凝土電阻率。

2 耐久性監測系統的布置

在埃及塞得東港集裝箱碼頭二期水工工程1200 m碼頭中，共安裝了48套耐久性監測系統，系統分三組布置在碼頭 N828.5（J2排架）、N470.5（M2排架）和N72.5（P2排架）三個垂直斷面上。圖3為J2排架上16套系統的具體布置。

圖3 耐久性監測系統布置圖

碼頭樁基（包括地連墻以及中間方樁）位于水下區及泥下區，從圖3中可看出，樁基-25 m、-6 m、-5 m、-3 m標高處都安裝了耐久性監測系統的傳感器。把傳感器布置在這些地方，主要考慮到在這些地方腐蝕發生可能性相對較大。根據設計的計算，混凝土樁在-29 m處受到的彎矩最大，且-19 m處又是上下兩截鋼筋籠搭接的地方，此區段混凝土受到的內應力相對較大，易出現開裂現象，有發生腐蝕的可能，故在-25 m處設置耐久性監測點；而在樁與梁交接處，結構受力復雜，腐蝕發生的可能性亦相對較大，因此樁頂部-6 m、-5 m及-3 m處亦布置了傳感器。在樁頂部不同深度布置傳感器還考慮到氧氣的因素。因為海水中含氧量會隨深度逐漸減少，而氧氣又是腐蝕發生的必要條件。

碼頭上部結構的梁、板基本上處在潮差區與浪濺區等腐蝕嚴重的區域，因此近半數耐久性監測系統的傳感器都布置在此處，以重點監測碼頭的腐蝕狀況。

在整個碼頭設置3個測量槽，每個斷面所有耐久性監測系統的終端測試盒都布置在位于碼頭面的測量槽內，便于數據的獲取。

3 初測數據的采集

陽極梯系統的監測數據包括：

1）各陽極（A1～A6，其中A1最靠近混凝土表面，A6最靠近鋼筋）與陰極之間的電壓、鋼筋連接與陰極之間的電壓；

2）各陽極與陰極之間的短接電流（短接5 s后測得的電流）、鋼筋連接與陰極之間的短接電流；

3） 兩相鄰陽極之間的交流阻抗值，最靠近鋼筋籠的陽極（A6）與鋼筋連接之間的交流阻抗值；

4）溫度。

數據的獲取通過KMSE-HMG 5采集儀進行，該儀器既可實現所有數據的一鍵式全自動獲取，也可采用手動方式獲取電壓、電流及電阻等單項數據。測得的數據可存儲到儀器中，并可通過USB接口將數據傳輸到計算機中進行分析處理。

4 初期監測數據的分析

混凝土環境是個極為復雜的環境，而混凝土環境對耐久性監測結果影響重大，本文根據工程的耐久性監測數據，對不同外部環境和施工工藝混凝土結構的監測結果進行分析研究。

4.1 不同混凝土環境對陽極梯系統監測數據的影響

選取兩套位于不同部位的陽極梯系統，比較其監測數據。兩系統分別為M2-A1和P2-F1，其中M2-A1位于M2排架海側T樁-25 m處（見圖3），該處混凝土處在泥下區，屬于浸泡混凝土；P2-F1位于P2排架的預制面板處（傳感器在斷面中的位置與圖3中M2-F1一致），預制面板雖處在浪濺區，但由于地連墻的阻擋，其下方基本無浪，海水無法到達，屬干燥混凝土。兩系統的電壓、電流以及電阻隨時間的變化分別如圖4、圖5及圖6所示。

從圖4可看出，各陽極電壓基本在同一個數量級。在混凝土剛澆注時，陽極電壓都為負值，但在隨后幾天，電壓迅速正移。這是隨著混凝土凝結，其內部pH值逐漸升高，陽極發生鈍化造成的。由于鈍化部分電位較未鈍化部分的正，而測得的陽極電壓又是兩部分混合電位的反映，因此鈍化造成電壓正移。

值得注意的是圖4（b）中的陽極電壓在60 d左右又有一次明顯正移，這說明陽極的鈍化并非一次完成。在澆注完成后的隨后幾天陽極僅部分區域發生了鈍化，產生了第一次電壓正移。而在60 d左右，陽極未鈍化部分的某些或全部區域進一步發生了鈍化，令陽極電位再一次出現明顯的正移。在圖4（a）中也出現了類似的多次正移的現象。

從圖5（b）可看出，位于預制面板處陽極梯的各陽極電流在150 d后基本穩定在2～8 μA之間。陽極梯系統生產廠家從大量實驗結果中得出判斷陽極狀態的判據：即對于埋設在干燥混凝土中的陽極，測量陽極與陰極短路連接5 s后的電流，若電流遠小于15 μA則表明陽極仍處于鈍態，若電流大于15 μA表明陽極處在活化態。圖5（b）的結果與實驗結果吻合。在本工程安裝的48套陽極梯系統中，有6套的傳感器處在干燥混凝土中，其中4套的電流都小于15 μA，另外2套由于監測時間過短，電流仍未穩定，其值大于15 μA。表1列出了此6套陽極梯在最后監測時間獲得的電流值。

圖4 陽極電壓隨時間的變化圖

圖5 陽極電流隨時間的變化圖

圖6 相鄰陽極間交流阻抗與時間的關系圖

表1 位于干燥混凝土中陽極梯的電流值

從圖5（a）中可看到，對于埋于T樁處的各陽極，其電流在200 d后全部達到穩定，其中5根陽極的穩定電流在500～1000 μA之間，另一根陽極（A4）的電流穩定值為-50 μA。上面提到的“15 μA”判據并不適合用于判斷這類陽極是否發生腐蝕，因為陽極處在浸泡混凝土中，混凝土內含水量會影響電流值。而且由于混凝土內含水量差異很大，用單一一個判據明顯不合適。此時判斷陽極是否脫鈍的方法是對陽極梯進行持續的監測，繪制各陽極電壓與電流隨時間的變化圖，若出現電壓的明顯負移以及電流的明顯躍變可說明陽極發生腐蝕。

通過比較圖5（a）、（b）可發現位于T樁的陽極梯系統，各陽極電流與位于預制面板處的相差明顯。由于兩陽極梯系統各陽極電壓相差不大（見圖4（a）、（b）），因此電流的差別主要是混凝土電阻率不同造成的。從圖6（b）、（a）可看出預制面板處混凝土電阻率比T樁處混凝土電阻率大2～3個數量級。預制面板為干燥混凝土，混凝土中含水較少，因此電阻率較大，而T樁-25 m標高處為浸泡混凝土，周圍是含水量較高的淤泥質砂層，混凝土內含水量大，電阻率小。

由上述分析可見，混凝土所處環境（浸泡或干燥）對陽極梯系統獲取的電化學參數影響較大。

4.2 不同混凝土施工工藝對陽極梯系統監測數據的影響

進一步考察了混凝土施工方法對陽極梯系統電流值的影響，對樁基及現澆梁處各陽極的電流進行匯總比較。樁基與現澆梁處混凝土都屬于浸泡區域，但前者采用水下自密實混凝土澆筑，后者則是普通的陸上混凝土施工。圖7顯示了安裝在樁基及現澆梁處各陽極的穩定電流。其中方塊（或圓形）表示電流的平均值，垂線覆蓋的區域表示電流的分布范圍。從圖中可看出電流平均值在70～160 μA之間。樁基處的陽極與現澆梁處陽極在電流平均值上相差不大。但與表1中干燥混凝土中各陽極的穩定電流值相比，圖7中的電流數值要大得多。如前所述，這是因為圖7中的陽極都處在浸泡混凝土中。而表1的都處在干燥混凝土中。

圖7 位于浸泡混凝土中各陽極的穩定電流

另一方面，從圖中垂線覆蓋的區域可看出現澆梁處各陽極電流的分散性較小，說明該區域混凝土的均一性相對較好，這與兩處混凝土施工工藝不同有關。由此可見混凝土的施工工藝影響陽極梯系統電流值。

需要注意的是，由于以上陽極梯系統的監測數據僅為短期監測數據，并不能用于確定脫鈍鋒線的位置。依靠陽極梯系統確定脫鈍鋒線還需進行長期監測才能得到實現。

5 結語

為監測碼頭腐蝕狀況，埃及塞得東港集裝箱碼頭二期水工工程安裝了陽極梯系統這種較新型的耐久性監測系統。

從已獲得的數據可知，混凝土所處環境（浸泡或干燥）對陽極的電流大小產生影響。用于判斷陽極是否脫鈍的“15 μA”判據對于實際工程中埋設在干燥混凝土中的陽極梯系統是適用的。但對埋設在浸泡混凝土中的陽極梯系統，監測電流遠大于15 μA，“15 μA”判據并不適用，必須監測陽極的電壓與短路電流隨時間的變化，才能判斷脫鈍的發生。

混凝土本身施工工藝都對陽極梯系統的電流產生影響。陽極電流的離散性在密實的混凝土中要遠小于在較不密實的混凝土中。

作為耐久性設計與再設計過程中重要的環節，耐久性監測對于確保結構的耐久性具有重要意義。目前的混凝土耐久性監測系統除可以監控鋼筋銹蝕狀況，還具備預測腐蝕發生時間的功能。可通過暴露試驗建立陽極梯系統在不同環境及施工工藝下對于腐蝕發生的判斷標準。隨著長壽命、高耐久性結構的不斷出現，耐久性監測系統具有廣大的應用前景。

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