基于陽極梯傳感器的新建高樁碼頭結構耐久性監測與自動控制技術研究

劉紅彪，計子凡，張樹龍，郭 暢*，趙 震，劉晶晶，趙 晶，王緒亭

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室， 天津 300456；2.天津城建大學 土木工程學院，天津300384；3.中石化勝利油田海洋采油廠，東營 257200；4.天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300192)

服役于海洋環境的鋼筋混凝土結構，如碼頭及近海結構物、跨海橋梁等，因氯離子侵蝕導致的鋼筋銹蝕混凝土開裂是影響結構耐久性的主要影響因素[1]。海洋環境中，與混凝土保護層碳化引起的鋼筋銹蝕相比, 氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕速度更快、造成的損失更大，已引起業內的廣泛關注。尤其是近些年越來越多的重要基礎設施被要求具有100 a或更長的使用壽命，如中國的港珠澳大橋工程、杭州灣大橋等，這對鋼筋混凝土結構的耐久性提出了更高的要求。而目前國際上并沒有一個公認的可靠性設計理論可保證混凝土結構可使用100 a或者更長的時間[2]，因此，為了實現混凝土結構更長的使用壽命，目前多采用“耐久性設計與再設計”的原則，即在混凝土結構服役期間基于監測手段獲取混凝土結構的實際耐久性信息，對監測中發現的不滿足設計要求的部分采取進一步的措施以保證混凝土結構的耐久性要求[3-4]。為此，需要在混凝土結構內預埋監測傳感器采集結構的耐久性數據，實時監測結構的腐蝕風險，做到鋼筋銹蝕過程開始之前可采取必要預防措施[5-6]，這樣既可保證結構的耐久性要求，也可降低維護成本，因為混凝土結構的耐久性維護費用符合“五倍定律”，即輕微破損的維護費用是預防措施費用的5倍。因此，對服役于海洋環境的混凝土結構的耐久性監測是非常必要的。

在混凝土結構耐久性理論研究方面，Bashear提出了一種混凝土退化模型來預測混凝土結構的性能退化狀態，并強調了滲透性能對混凝土退化的影響[7]。Glass指出氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕是影響混凝土結構耐久性的主要因素[8]。Ahmad綜述了鋼筋銹蝕機理、鋼筋銹蝕監測技術以及預測結構剩余使用壽命的方法，詳細分析了混凝土結構中鋼筋銹蝕原因，并采用經驗模型及實驗手段對存在鋼筋銹蝕的混凝土結構剩余使用壽命進行了預測，指出影響鋼筋混凝土結構耐久性的主要問題是氯離子的侵蝕[9]。陽極梯傳感器由Raupach于1986年開發，并在1990年成功應用于混凝土結構中的鋼筋銹蝕監測中，為混凝土結構的耐久性再設計提供技術手段[10]；Raupach采用陽極梯測試系統監測混凝土結構中氯離子的侵蝕深度，基于監測數據可實現鋼筋銹蝕狀態預測[5]。隨后，Zhang、金祖權、方翔將陽極梯測試系統運用到了海底隧道以及碼頭工程等水工建筑物上，用于監測混凝土結構的耐久性能[11-13]。但目前陽極梯傳感器在國內高樁碼頭結構中的應用未見報道，對于長期監測數據的分析更是少之又少，對基于陽極梯監測數據的鋼筋銹蝕判定標準很不完善，因此，開展基于陽極梯傳感器的新建高樁碼頭耐久性監測技術研究非常有必要[14-16]。

沿海港口碼頭結構長期服役于海水環境，因氯離子侵蝕引起的混凝土結構耐久性問題較為突出，對其進行結構耐久性監測至關重要。本文主要介紹了天津港南疆27#通用碼頭工程結構耐久性監測系統的設計與實施，監測手段基于陽極梯傳感器。天津南疆27#通用碼頭工程為一新建的高樁碼頭結構，其主要用于礦石和其它散貨運輸。該耐久性監測系統是該結構上布設的健康監測系統的一部分，其監測指標是鋼筋銹蝕狀態，并基于監測結果預測結構的剩余使用壽命。本研究對指導高樁碼頭結構健康監測系統建設，促進沿海港口工程結構健康監測技術的發展方面具有積極作用。

1 工程概況

圖1 南疆27#碼頭外觀Fig.1 Appearance of the South 27# Wharf

天津港南疆27#通用碼頭工程位于天津港南疆港區，是一座正在建設的高樁碼頭，用于散貨運輸，該碼頭結構的力學性能是基于300 000 DWT散貨船設計，外觀示意圖如圖1所示。

圖2 南27號碼頭的橫截面示意圖Fig.2 Cross section of the South 27# Wharf

天津港南疆27#通用碼頭工程長390 m，寬75 m，由1個390 m的主碼頭平臺和2個73.3 m的側向引橋組成。主碼頭段由9個65 m的結構段組成，分為前承臺和后承臺。前承臺寬36.5 m，后承臺寬38.5 m。前承臺每個結構段由17個排架組成，每個排架9根鋼管樁，包括4個叉樁和5個直樁。后承臺每個排架布置9根650 mm×650 mm預應力鋼筋混凝土方樁。從碼頭前沿到距前沿18.5 m處的設計均勻載荷為30 kPa，從18.5 m到36.5 m的設計均為50 kPa，從36.5 m到75.0 m的設計均為80 kPa。碼頭結構健康監測系統位于第二結構段上，耐久性傳感器布置位置見圖2所示。

2 陽極梯傳感器及其工作原理

一般混凝土內部的鋼筋具有良好的抗銹蝕性能，主要是由于混凝土內部屬于高堿性環境，鋼筋在此環境下表面會形成鈍化膜，鈍化膜可保護鋼筋免遭腐蝕。但當鋼筋混凝土結構服役于海洋環境時，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臨界氯離子濃度時，鋼筋將由鈍化態轉變為活化態(即脫鈍)。若活化態的鋼筋周圍存在水和氧氣，鋼筋就會發生銹蝕，鋼筋銹蝕后形成的Fe離子易與Cl-離子結合形成易溶于水的FeCl2，起到搬運Fe離子的作用，造成了陽極去極化作用，加速了鋼筋的陽極過程，造成鋼筋銹蝕逐漸加重，最終膨脹導致混凝土開裂脫落。由此可見，鋼筋銹蝕主要是由于氯離子等有害物質滲透到混凝土內部造成的。因此，若可以及時掌握氯離子在混凝土內部的滲透狀態，確定臨界氯離子濃度鋒線的位置及其移動速度，即可預測混凝土內部鋼筋發生銹蝕的時間，進而可預測結構剩余壽命。對于服役于海洋環境中的混凝土結構，鋼筋脫鈍鋒線也即臨界氯離子濃度鋒線，而陽極梯傳感器即可確定脫鈍鋒線位置。因此，基于陽極梯傳感器監測沿海高樁碼頭結構的耐久性狀態、預測混凝土內部鋼筋的銹蝕時間是非常有效的。

用于天津港南疆27#通用碼頭工程結構耐久性監測的陽極梯傳感器為德國生產，設計使用壽命為100 a。整個陽極梯傳感器監測系統主要包括預埋在混凝土中的傳感器、測量電纜、終端測試盒及數據采集儀，其中傳感器由陽極梯、陰極、參比電極、鋼筋連接棒、溫度探頭等組成。陽極梯共有6根由普通碳鋼制成的陽極，分別命名為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，即混凝土保護層范圍內，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，通過測量不同位置處陽極的電化學反應狀態即可判定混凝土氯離子的侵蝕位置，由此可預測鋼筋的銹蝕時間。陽極梯傳感器安裝外觀見圖3所示。

圖3 陽極梯傳感器Fig.3 Anode-ladder sensor

3 監測傳感器的現場安裝

天津港南疆27#通用碼頭工程結構耐久性監測的陽極梯傳感器分別布置在后承臺的橫梁和前承臺軌道梁的位置上，傳感器安裝在梁的側面靠底部位置的混凝土保護層中，其位置均處于碼頭的浪濺區。按照上述傳感器的安裝方法，在后承臺的1個橫梁位置及前承臺的1個軌道梁上分別安裝了1只陽極梯傳感器。傳感器首先在構件預制廠進行安裝預埋，待安裝完成后澆筑混凝土，等構件養護完成運送至碼頭現場進行構件安裝，待碼頭所有構件安裝完成，在制作碼頭面層過程中將傳感器終端盒預埋在混凝土中，并用不銹鋼保護殼將終端盒進行保護，保護鋼殼表面與面層上表面平行，保護殼上蓋打開后即可露出傳感器終端盒，擰開終端盒保護蓋即可進行數據采集，具體傳感器安裝與數據采集見圖4。

圖4 陽極梯傳感器的安裝與數據采集Fig.4 Installation and data acquisition of anode-ladder sensor

4 數據采集

碼頭主體完工后便可對陽極梯傳感器進行數據采集。天津港南疆27#碼頭工程于2016年初開始建設，于2017年11月結構主體完工，本項目陽極梯傳感器數據采集于2017年11月開始，間隔14 d測試一次，截至目前已連續測試數據18個月。傳感器數據采集時，采集的參數包括陽極棒分別相對于陰極、參比電極、內部鋼筋的電壓值，相對陰極、內部鋼筋的電流值，陽極之間的電阻值，環境溫度值，共計40個參數，其中，各參數的定義具體如表1～表3所示。采集獲取的耐久性監測數據，通過標準格式導入的方式存入碼頭全壽命周期健康監測運維平臺中，實現數據的自動化展示與分析工作。

表1 陽極梯傳感器采集的電壓值Tab.1 Voltage value collected by anode ladder sensor

表3 陽極梯傳感器采集的電阻值Tab.3 Resistance value collected by anode ladder sensor

表2陽極梯傳感器采集的電流值

Tab.2 Current value collected by anode ladder sensor

序號監測值描述序號監測值描述1I1A1和陰極之間的電流8I1'A1和鋼筋之間的電流2I2A2和陰極之間的電流9I2'A2和鋼筋之間的電流3I3A3和陰極之間的電流10I3'A3和鋼筋之間的電流4I4A4和陰極之間的電流11I4'A4和鋼筋之間的電流5I5A5和陰極之間的電流12I5'A5和鋼筋之間的電流6I6A6和陰極之間的電流13I6'A6和鋼筋之間的電流7I7鋼筋和陰極之間的電流

5 監測數據分析

基于陽極梯傳感器得到的監測數據包含電壓、電流、電阻及溫度等參數。根據相關文獻可知，目前多采用監測的電流值來判定陽極脫鈍或銹蝕狀態。目前，多認為對于埋設在干燥混凝土中的陽極，陽極與陰極之間的測試電流遠小于15 μA時，表明陽極仍處于鈍態，若電流大于15 μA時，表明陽極處在活化態。在電壓和電阻方面沒有形成統一的標準。由此，基于上述標準，對本項目監測到的18個月的陽極梯監測數據進行分析，重點分析電流參數，并對電壓、電阻和溫度參數進行相關分析，以期通過參數的綜合分析，獲取混凝土結構的耐久性狀態，預測氯離子的侵蝕速度及鋼筋的銹蝕狀態。

安裝在前承臺軌道梁的陽極梯傳感器距碼頭前沿16.5 m，距離海水面3.5 m；經過數據處理，得到了各陽極棒與陰極、鋼筋之間的相對電流值隨時間的變化曲線，具體如圖5～圖7所示。由圖5可知，在不考慮電流方向的情況下，陽極棒A1、A2相對于陰極的電流值在2018年4～7月份均超過了15 μA，而在其后的9個月中電流值又逐漸恢復到了10 μA以內。若按照電流值大于15 μA即認定為陽極棒去鈍活化的原則，可認定陽極棒A1、A2在2018年4～7月期間出現去鈍活化現象，即氯離子侵蝕到了陽極棒A2所處的深度處。但從其后的9個月監測數據可判定陽極棒A1、A2仍處于鈍化狀態，這兩種結論矛盾。為了理解這種矛盾的出現，從環境溫度角度進行分析，由圖5可看出，在2018年4～7月期間溫度持續上升，陽極棒A1、A2相對于陰極的電流值出現了大于15 μA的情況；其后溫度持續下降，電流值又恢復到了15 μA以下，作者認為導致出現這種現象的因素是環境溫度的變化，不能依據2018年4～7月期間出現電流值大于15μA的情況絕對判定陽極棒A1、A2發生去鈍活化現象，而且梁外面涂刷了防腐涂層，氯離子侵蝕深度不太可能到達A1、A2的位置。因此，作者認為陽極棒A1、A2仍處于鈍化狀態，對于這種現象后期會采取現場檢測的方式進一步確認。

再者，從陽極與鋼筋之間的電流分布看(圖6)，陽極棒A1～A6相對于鋼筋的電流值均小于10 μA。若按照15 μA的標準，可認為所有陽極棒均處于鈍化狀態。

圖5 陽極和陰極之間的電流Fig.5 Current between anode and cathode圖6 陽極和鋼筋之間的電流Fig.6 Current between anode and reinforcement

圖7 陽極和陰極之間的電壓Fig.7 Voltage between anode and cathode圖8 陽極和參比電極之間的電壓Fig.8 Voltage between anode and reference electrode

圖9 陽極和鋼筋之間的電壓Fig.9 Voltage between anode and reinforcement 圖10 陽極之間的電阻Fig.10 Resistance among anodes

根據相同的數據處理方法，對采集到的陽極棒與陰極、參比電極與鋼筋之間的相對電壓值以及陽極棒之間的電阻值進行了相應處理，得到了其隨時間的變化曲線，具體如圖7～圖10所示。圖7可以看出，電壓的分布規律與上述電流值的分布規律基本一致，電壓在2018年4～7月期間同樣出現了類似的波動，個別電壓值達到了625 mV，然后在其后的時間，電壓值又逐漸變小，降至20 mV以內恢復平穩。在各個陽極棒相對參比電極和鋼筋之間的電壓值也出現類似分布規律(圖8～圖9)。因此，又進一步證明了出現波動的主要因素是環境溫度，并非陽極棒去鈍活化引起的。由于監測數據有限，監測期間中季節交替的完整周期只有一個，待后續監測數據的增加，出現多個季節交替周期，可能會進一步驗證上述結論。

對于各陽極棒之間的電阻值，由圖10可以看出，電阻的分布是很有規律的，與溫度的變化趨勢相反，即溫度上升時電阻下降，溫度下降時電阻上升，這符合物理學中電阻與溫度的相關性規律，這也表明布設的陽極梯傳感器性能正常，監測的數據可靠。

6 結論

目前，針對沿海碼頭結構的耐久性監測手段及數據處理分析方面的研究較少，尤其是對于長期的耐久性監測數據分析處理方面的研究仍處于空白。本文以新建的天津港南疆27#碼頭為依托工程，在碼頭結構構件中布設陽極梯傳感器，以長期監測碼頭的耐久性狀態。通過本項目的實施，解決了新建高樁碼頭結構的耐久性監測問題，完善了高樁碼頭結構的健康監測系統，積累了陽極梯傳感器的安裝布設方法，總結了監測數據的長期分布規律。經過長期的連續監測，目前已獲得連續18個月的耐久性監測數據，數據間隔平均為14 d，監測指標包括陽極的相對電流、電壓、電阻、環境溫度等共計40個參數。通過對監測數據的處理分析，得到如下結論：

(1)安裝于前承臺軌道梁上的陽極梯傳感器數據顯示，在監測開始的第7個月至第11月的4個月期間，陽極棒A1、A2相對陰極的電流超出了15μA，出現了去鈍活化的假象。經分析主要原因可能是環境溫度的變化引起的，因為上述4個月正是春夏季節，溫度持續上升。

(2)溫度的變化會顯著影響混凝土的電阻，溫度升高會導致混凝土電阻下降。

(3)陽極梯監測系統雖然能反映氯離子對混凝土結構的侵蝕狀態，但在混凝土溫度、濕度的影響下可能會出現干擾數據，影響結果的可信度。因此，針對監測數據應結合電流、電壓、電阻、環境溫度進行綜合分析以確定陽極的活化狀態，不能單純以電流值判定。