泉州灣跨海大橋混凝土結構長期耐久性監測方案

■謝詩詠(泉州灣跨海大橋有限責任公司，泉州　362000)

泉州灣跨海大橋混凝土結構長期耐久性監測方案

■謝詩詠
(泉州灣跨海大橋有限責任公司，泉州362000)

摘要泉州灣跨海大橋位于腐蝕環境苛酷的海水環境，氯鹽侵蝕是影響大橋長期耐久性的最主要因素，本文通過開展大橋實體工程結構耐久性監測研究和工程暴露實驗研究，長期跟蹤研究大橋的耐久性劣化歷程，隨時掌握大橋的耐久性健康狀況。當耐久性不足時，可以及時采取科學合理的維修維護措施，保證大橋的安全服役，也為類似工程的長期耐久性研究提供參考。

關鍵詞泉州灣跨海大橋暴露實驗耐久性監測

1　工程概況

泉州灣跨海大橋工程起于晉江南塘，與泉州市環城高速公路晉江至石獅段相接，在石獅蚶江跨越泉州灣，經惠安秀涂、張坂，終于塔埔，與泉州市環城高速公路南惠支線相接,路線全長26.68km,海上橋長12.45km，主橋全長800m，橋型為雙塔分幅組合梁斜拉橋。

2　混凝土結構長期耐久性研究必要性

泉州灣跨海大橋橋址處海水中的氯離子含量較高，根據橋址附近水質分析結果顯示：其溶解性總固體含量，低潮位最低值為1486.50～25804mg/L、高潮位最高值為29825～47013mg/L，海水水化學類型均為Cl—Na型[1]。泉州灣海域夏季高溫，臺風多發，屬Ⅲ類環境(即海水氯化物引起鋼筋銹蝕的近海或海洋環境)，作用等級從中等程度(C級)至極端嚴重程度(F級)，工程環境十分惡劣。跨海橋梁屬重要工程，混凝土結構設計使用壽命為100年，但是受到溫差、干濕變化、氯鹽侵蝕、生物侵蝕和荷載等作用，對其耐久性造成嚴重的影響。為此，我們采用了許多方法來提高混凝土的性能：全橋均采用海工混凝土，混凝土中摻入鋼筋阻銹劑，采用7.5cm厚的鋼筋保護層，鋼筋保護層處增設不銹鋼網片，主橋承臺采用陰極保護，模板上粘貼透水模板布，浪濺區下混凝土表面采用硅烷涂裝等。雖然大橋在建設時采用了多種提高混凝土結構耐久性的措施，可保證大橋100年的耐久性使用壽命，但因施工偏差等因素的存在，大橋實際的耐久性壽命可能與最初設計的耐久性使用壽命存在偏差。為確保泉州灣跨海大橋的耐久性和服役安全性，必須實時了解和掌握大橋混凝土結構耐久性劣化歷程，評估其耐久性健康狀況，預測其耐久性剩余使用壽命。當大橋耐久性狀況不能滿足耐久性設計使用壽命時，采取相應的補救措施，變被動維修為主動預防，不僅可以確保大橋耐久性設計使用壽命，還可以顯著降低大橋的全壽命周期費用成本，具有重要實際意義。

3　腐蝕環境劃分

大量的工程調研結果表明：不同的腐蝕環境，混凝土結構的耐久性劣化速率不同，因此，掌握泉州灣大橋的腐蝕環境劃分可以幫助我們分析不同構件的腐蝕風險和耐久性劣化速率，以便選取具有代表性的典型構件作為進行長期耐久性研究的研究對象，表1給出泉州灣大橋腐蝕環境劃分。

表1　泉州灣跨海大橋腐蝕環境劃分

4　耐久性壽命評估

混凝土為一種高堿性的環境，位于混凝土中的鋼筋在高堿性環境中會發生鈍化，在鋼筋表面形成一層鈍化膜，抑制了鋼筋的銹蝕。混凝土外圍環境中的氯離子需通過外層混凝土到達鋼筋表面達到一定濃度(鋼筋銹蝕的閾值)才會破壞鈍化膜，引起鋼筋的銹蝕。因此，混凝土及其一定的保護層厚度可有效抑制鋼筋的腐蝕，延長鋼筋發生腐蝕的時間。

目前，混凝土結構的耐久性壽命計算均基于Fick第二定律來進行的。Fick第二定律在混凝土中的應用是假定混凝土中的孔隙分布是均勻的，氯離子在混凝土中的擴散是一維擴散行為，濃度梯度僅沿著暴露表面到鋼筋表面的方向變化，Fick第二定律可以表示為：

式(1)中，t0為從混凝土澆筑到鋼筋開始銹蝕所經歷的時間(a)，x為混凝土保護層厚度(mm)，為混凝土有效擴散系數(實體工程的氯離子擴散系數)，erf為誤差函數，Ccr為引起混凝土中鋼筋發生腐蝕的臨界氯離子濃度(%)，Cs為混凝土表面氯離子濃度(%)，C0為混凝土中的初始氯離子濃度(%)。

從公式(1)中可以看出：要想計算評估大橋的耐久性剩余使用壽命，就必須獲得大橋實際的混凝土有效擴散系數((t))、表面濃度(Cs)和臨界氯離子濃度(Ccr)等耐久性關鍵參數。目前，這些參數的獲得主要通過相似環境混凝土結構物的工程調查獲得，這樣獲得的參數難以真實反映大橋的實際狀況，為此，大橋通過開展工程暴露實驗和實體工程耐久性監測來評估大橋的實際耐久性健康狀況，計算其耐久性剩余使用壽命，保證大橋的安全運營。

5　大橋工程暴露實驗研究方案

圖1　泉州灣跨海大橋暴露實驗平臺

開展實體工程的暴露實驗研究是掌握工程結構耐久性的重要技術手段，我國的許多的大型跨海橋梁工程都建有工程配套的暴露實驗站以跟蹤研究大橋的耐久性健康狀況，如青島海灣大橋、杭州灣大橋、東海大橋以及在建的港珠澳大橋等。根據相似環境下碼頭耐久性調研結果，處于大氣區、浪濺區和水變區的混凝土構件受氯鹽侵蝕的影響較大，水下區受氯鹽侵蝕的影響較小，可以不予考慮，所以暴露試件分別放置于大氣區、浪濺區和水變區。為了降低費用成本，暴露實驗平臺的建設充分考慮依托大橋自身的結構，考慮到不影響大橋的運營和便于后期取樣，暴露實驗平臺放置在主橋的Z3主塔的防撞鋼套箱和承臺上，其中，水變區的暴露實驗平臺放置于防撞鋼套箱內部，浪濺區暴露實驗平臺放置于防撞鋼套箱的上部，大氣區暴露實驗平臺放置于承臺上部，泉州灣跨海大橋的暴露實驗平臺如圖1所示。平臺采用具有良好耐蝕性能的316L不銹鋼鋼筋，并涂覆涂層進行保護，以確保暴露實驗具有較長的使用壽命要求。

6　大橋實體工程結構耐久性監測研究方案

由于暴露試驗研究對象主要為小型混凝土試件，在制作工藝、服役環境方面與實體工程構件尚存在一定差異，所以在開展暴露試驗研究的基礎上，還需要開展實體構件的耐久性監測，以掌握工程結構在服役期的實際耐久性狀態。

6.1混凝土結構耐久性監測傳感器

目前，市場應用較多的成熟混凝土結構耐久性監測傳感器主要有兩類傳感器：一類是基于宏觀電池原理的傳感器，如德國的陽極梯傳感器(圖2a)、丹麥的CorroWatch傳感器(圖2b)；另一類是基于線性極化原理的傳感器，如美國的ECI-2耐久性監測傳感器(圖3)。前一類傳感器主要有鋼筋陽極和惰性陰極組成，通過監測鋼筋陽極和惰性陰極之間的電偶腐蝕電流密度和腐蝕電位來判斷鋼筋的腐蝕狀態，這類傳感器在實體工程耐久性監測中應用較為普遍，也總結了較多成功經驗。后一類監測傳感器是采用三電極法測量鋼筋的腐蝕速率，并且傳感器中還集成了氯離子探針和混凝土電阻率探針，但是對于采集到的數據，使用混凝土耐久性壽命預測模型進行數據分析可靠度較低，因此不如前一類應用普遍。因此泉州灣跨海大橋耐久性監測選擇德國生產的陽極梯傳感器。

圖2　基于宏觀電池原理的耐久性監測傳感器

圖3　ECI-2耐久性監測傳感器

6.2陽極梯傳感器監測原理

新建的混凝土結構內部是高堿性環境，鋼筋在這種環境下處于鈍化狀態，當環境中的氯離子不斷向混凝土內部擴散達到一定濃度時，鈍化膜被擊破，鋼筋發生腐蝕。對于處于不同腐蝕狀態的鋼筋，其腐蝕電位和腐蝕電流均不同。陽極梯傳感器正是基于這種原理設計而成的，其由6根間距相等、與鋼筋材質相近的鋼筋陽極、1根惰性鈦陰極和1根鋼筋連接組成(見圖2a)。安裝時，6根鋼筋陽極分布于混凝土保護層中的不同深度，在氯離子向混凝土內部擴散過程中，鋼筋陽極從距混凝土表面最近的1根鋼筋陽極開始逐根從鈍化狀態變成活化狀態。通過測量鋼筋陽極與惰性陰極之間的宏觀電流和電位，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，如圖4所示。

6.3耐久性監測的監測點

圖4　陽極梯工作原理示意圖

考慮的費用成本，實體構件的耐久性監測一般選擇受腐蝕風險較大的重點構件，因此，泉州灣跨海大橋耐久性監測點選擇設置在主橋的Z3主塔中塔柱的塔身和承臺上，監測點覆蓋大氣區和浪濺區。由于水變區和浪濺區均為主塔的承臺，具有相同的混凝土配合比和保護層厚度，浪濺區的腐蝕風險要大于水變區，所以，在進行監測點設計時，沒有在水變區設置監測點。為保證數據的可靠性和可對比性，大氣區和浪濺區分別設置2個監測點，每個監測點預埋1套陽極梯傳感器，監測點的設置位置如圖5所示。陽極梯傳感器在混凝土澆筑前預埋如混凝土結構中，陽極梯的預埋安裝如圖6所示。

圖5　泉州灣跨海大橋耐久性監測點設置位置

圖6　承臺陽極梯監測傳感器的預埋安裝

7　結語

泉州灣跨海大橋是跨越泉州灣的大型橋梁工程，大橋所處的腐蝕環境嚴苛，而設計使用壽命長達100年，因此對大橋主體混凝土結構的耐久性狀況進行監測，為大橋的耐久性再設計以及養護提供了數據支撐，是保證大橋100年設計使用壽命的重要舉措。本文中所介紹的混凝土耐久性的實體監測點應主要布設于鋼筋最容易受腐蝕的浪濺區以及水變區，試件與實體同時觀測有助于數據的對比以及修正，可為今后其他海上混凝土工程耐久性健康跟蹤提供借鑒。另外，本文考慮的僅限于氯離子，而海洋生物侵蝕對大橋健康的侵蝕也是不容忽視的，而今后是否可以利用生物技術來提高海工混凝土的耐久性是一個值得認真思考的問題。

參考文獻

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