長大跨徑懸拉索橋鋼橋面的腐蝕監測

王昊宇 張鑫敏 羅吉慶 趙永韜 白潤昊

（1. 青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101；2. 廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

鋼橋面鋪裝的基本性能和使用條件遠較一般路面、機場道面嚴酷, 因而對鋼橋面鋪裝有較高的性能要求。長大跨徑橋梁的鋼橋面鋪裝一直是一個國際性的難題，其原因在于鋼橋面的剛度較小，變形較大，要求瀝青鋪裝具有良好的變形隨從性；鋪裝層受力復雜，受溫度的影響更為嚴重，尤其是在水平剪應力的作用下，鋪裝層易于產生各種變形破壞[1]。

國外在20世紀60年代就開始對鋼橋面鋪裝進行研究，國內在近幾年也陸續開展了試驗研究和實際應用。目前鋼橋面使用的瀝青鋪裝主要有澆注式瀝青混凝土、環氧改性瀝青混凝土、瀝青瑪碲脂碎石（SMA）三種材料，這三種鋪裝材料在材料組成、性能、施工工藝上有很大的區別[2,3]。

國內進行大跨度懸索橋鋼箱梁鋪裝，目前流行用TAF環氧瀝青混凝土進行鋪裝。這種鋪裝層養生周期短（4～10d），而且TAF環氧瀝青混凝土高溫施工（約180℃）可以去除水分，顯著減少或避免鋪裝層鼓包開裂病害[4]。典型的鋪裝層的組成如圖1所示。

圖1 鋪裝層銑刨重鋪路面結構圖

為了保證長大跨徑懸拉索橋的安全運行，本文報道的腐蝕監測方法同時測定鋪裝層下防水層破損參數和鋼橋面腐蝕狀態，綜合判定橋面鋪裝層與防水膠層脫粘狀態和鋼橋面腐蝕發生發展的狀態。對鋪裝層下防水層粘結狀態的長期監測，可以達到有效管理鋪裝層養護的目的。防水層的阻抗高低可以反映鋪裝層的老化狀態，當水分滲入防水層，或者由于外力導致防水層發生開裂時，鋼橋面腐蝕風險大大上升，通過監測并計算腐蝕速率，進一步評估了防水層破裂的嚴重程度，大大降低刨開鋪裝層驗證鋼橋面的銹蝕的頻次和勞動量，達到保障懸索橋行車安全性的目的。

1 工程背景

鋼橋面防腐技術的研究主要集中在防腐油漆的選用種類方面。但在有水和空氣的條件下，漆膜表面會出現粉化[5]。因此，鋼橋面防腐的關鍵是要在鋪裝其它層次中，加強防水功能設計，使其在一個相對較長的時期內與水和空氣隔絕。防水粘結層從所承擔的功能上來看，是整個鋪裝中最重要的一個層次。

隨大橋車流量的增長,鋼橋面鋪裝層也經過高溫曝曬的考驗，橋面損壞隨之加劇，破壞形式是先出現裂縫，裂縫發展密集后鋪裝層失效，出現坑槽，維修的坑槽也不斷增大。鋪裝層也時有推移和車轍出現，維修的難度和工作量相應增大，下游橋面鋪裝層開裂、推移、擁包等病害的出現日趨頻繁, 尤其是雨后病害更易產生。鋪裝層破損后鋼板易外露生銹, 難以滿足舒適行車要求[6]。

中國專利CN109142521A，公開了一種基于壓電傳感器的鋼橋面防水粘結層監測裝置，實現原位、實時、在線監測防水粘結層的損傷狀況[7]。

中國專利CN112815862A，公開了一種鋼橋面鋪裝層間粘結狀態監測系統及脫空檢測方法，通過層間傳感器中設置有光纖，光纖設置有三段式光柵，車輛荷載作用使得鋼橋面板與鋪裝結構界面變形出現差異，引起層間傳感器中光柵波長的偏移，通過波長偏移進行監測，計算層間脫空大小，從而實現對鋼橋面板鋪裝層間粘結狀態的長期跟蹤觀測[8]。

但是上述技術只是針對防水層的損壞進行監測，并沒有提及鋼橋面板本身的腐蝕及其速度的測量。實際上，從防水層損傷失效到鋼橋面發展成腐蝕坑，這之間往往還需要數個季度乃至更長。只有對鋼橋面的腐蝕速度和腐蝕過程參數進行監測，才能對鋼板銹蝕發生量做出評估，進而對鋼橋面的承載能力變化做出相應的評判。

2 腐蝕監測系統的工作原理

腐蝕監測系統如圖2所示，其組成包括：無線收發器，腐蝕探針主機，阻抗分析儀，阻抗探針，電阻探針，參考臂。

圖2 鋼橋面監測系統組成

本系統采用電阻探針和腐蝕阻抗測量技術實現對鋼橋面的腐蝕評估，采用同時監測鋪裝層下防水層破損參數和鋼橋面腐蝕狀態的方法，綜合判定橋面鋪裝層與防水膠層脫粘狀態和鋼橋面腐蝕發生發展的狀態。

防水層破損參數測量采用阻抗分析儀和埋入鋪裝層下的阻抗探針完成；鋼橋面腐蝕狀態由腐蝕探針主機，電阻探針和參考臂實施測量。防水層破損參數和鋼橋面腐蝕狀態參數有無線收發器實施數據傳輸。阻抗探針、電阻探針和參考臂都采用鋼橋面同材質的絲狀金屬電極。其直徑0.5～4mm，直徑最大不超過防水層厚度；其長度0.5～10m，金屬絲的長度與鋪裝層的監測范圍適配，金屬絲長度越長，監測范圍越大。但是鋪裝層局部破損時，金屬絲長度越大，則測量精度降低。電阻探針和參考臂為同一組監測探頭時，長度和直徑相同，參考臂的金屬絲外部采用絕緣材料包裹，以保證參考臂不腐蝕。

防水層的阻抗高低可以反映鋪裝層的老化狀態，當水分滲入防水層，或者由于外力導致防水層發生開裂時，防水層的介電常數也會增加，導致兩平板電極之間電容量增加，通過測量兩個阻抗探針之間的高頻阻抗值，再通過阻抗虛部Z”=1/（jωC）可以計算出防水層界面電容。而電容值與防水層的含水率或者裂紋密度是線性相關的。

對于兩個阻抗探針之間的鋪裝層，其等效電路如圖3所示。

圖3 阻抗等效電路

在防水層老化初期，界面電容為：

A是鋼絲/瀝青層界面面積；

d是電極間的瀝青層厚度；

ε代表相對介電常數；

ε0是真空介電常數。

而防水層電阻：

其中ρ代表孔隙電阻率；

Ad防水層剝離面積；

Rs為防水層介質電阻，Cc為防水層電容，Rc為防水層/阻抗探針界面電阻，Cdl為防水層與鋼絲電極之間的界面電容，Rct為阻抗探針發生腐蝕相應的電荷轉移電阻。

顯然，通過測量防水層電容可以計算出其介電常數變化，而通過防水層電阻可以測量其孔隙率。

當鋼板表面防水層發生老化龜裂時，還會導致路基鋼板的銹蝕，進一步降低瀝青層與鋼板之間的粘合力。為監測鋼板銹蝕，可采用精密電阻探針技術來測量電阻探針某一段鋼絲傳感器的歐姆電阻值，然后通過歐姆定律來計算截面積減少量，進而計算出鋼絲的腐蝕速率。

采用扇形布置的電阻探針來檢測一個扇區的鋼板銹蝕速率，可以通過安裝多組電阻探針來檢測不同位置的鋼橋面腐蝕速率，通過測量鋼絲電阻增量來計算電阻探針臨近位置鋼橋面的腐蝕速率，通過連續監測和計算電阻探針腐蝕速度隨時間積分值，進一步計算獲得鋼橋面腐蝕深度。

電阻探針腐蝕測試裝置采用典型的四線制測量法，以期提高測量電阻的準確度。腐蝕探針主機包含了程控恒流源、程控前置放大器、A/D轉換器構成了測量電路的主體。中央控制單元MCU通過恒流源給電阻探針施加一個恒定的、高精度的電流。參考臂和電阻探針為相同材質的參考金屬絲，參考臂封裝在絕緣套內部，不會腐蝕，并與電阻探針處于同一溫度區域。然后，同時測量兩個電阻（參考臂和電阻探針）兩端的分壓并計算其比值λ，根據λ隨時間的變化曲線求導，即可計算出任意時刻的腐蝕速率。

3 模擬實驗與腐蝕監測

采用雙U型鋼絲，參考臂表面包覆聚乙烯熱縮套，電阻探針鋪在噴灑防水層前固定在下部鋪裝層上。阻抗探針，電阻探針，參考臂都采用鋼橋面同材質的鋼絲，直徑2mm，長度2m。

實驗一：鋪裝層完整堅固，未見微裂紋。監測探頭埋覆在防水層下半年內曲線如圖4所示。

圖4 完整鋪裝層下電阻探針的腐蝕余量和腐蝕速率半年內的變化曲線

如圖4所示，從半年多的在線監測數據來看，此位置的鋼絲腐蝕速率在0.001μm/a，可以忽略不計，表明此處的防水層保護效果極好。

完整鋪裝層下對應的阻抗測試結果，防水層/阻抗探針電阻Rc大于107Ω·cm2，防水層電容Cc小于1μF/cm2，表明鋼絲沒有腐蝕，鋼絲包裹在防水層中保持初始光亮狀態，界面電容很小。

實驗二：通過局部高頻振動人為制造裂紋，在鋪裝層上表面裂紋寬度達到0.5～1mm，長度30cm以上，并定期噴灑3.5%率氯化鈉鹽水。則監測探頭埋覆在防水層下半年內曲線如圖5所示。

圖5 0.5～1mm裂紋鋪裝層下電阻探針腐蝕余量和腐蝕速率變化曲線

如圖5所示，鋼絲初期腐蝕速率接近90μm/a，其年平均腐蝕速率僅5.656μm/a，總腐蝕量逐漸增加，大約為4μm。數據分析表明此處的腐蝕速率高于實驗一，其原因是鋪裝層裂紋加大，防水層與鋪裝層的老化加快。圖5橫坐標21/9日期開始，對鋪裝層上部灌注粘結劑，以封閉裂紋，可以看到電阻探針腐蝕速度明顯下降到10μm/a以下。說明隨著裂紋的愈合，腐蝕速率又快速下降。

寬裂紋鋪裝層下對應的阻抗測試結果表明，阻抗探針發生腐蝕相應的電荷轉移電阻Rct減小一個數量級，普遍小于103Ω·cm2的水平，防水層與鋼絲電極之間的界面電容Cdl在500μF/cm2以上，表明鋼絲發生腐蝕，鋼絲表面變得粗糙，界面電容大。即便是后期粘結劑封閉裂紋，阻抗探針鋼絲的Rct略微增大，但是界面電容仍在Cdl在500μF/cm2以上，沒有減小，說明鋼絲表面遭受腐蝕后粗糙，無法逆轉。

4 工程實施案例

2021年1月，在珠江某懸拉索橋上進行了腐蝕監測系統的現場安裝。圖6是電阻探頭在最近一年時間內腐蝕變化，平均腐蝕速率為2.692μm/a，基本相當于鋼絲裸露在大氣中腐蝕速率的1/3，半年時間的總腐蝕量小于為3μm，表明此處的瀝青層保護效果良好。我們選取2021年8月上旬到2021年10月底的局部數據進行擬合分析，這一段時間內腐蝕速度為4.453μm/a（如圖7所示），速度略高于其他時段。期間瞬時腐蝕速度曾達到647.1μm/a，但是時間短暫，平均腐蝕速度并不高，這可能與環境溫度高導致鋪裝層產生微裂紋有關。經過持續監測，腐蝕速度在2021年11月回歸正常，腐蝕速度降低2.279μm/a。

圖6 電阻探頭安裝后，最近一年內腐蝕余量和腐蝕速率隨時間變化曲線，時間范圍：2021-04-05～2022-04-06

圖7 電阻探頭在2021年8月上旬～2021年10月底的局部數據

5 結語

通過電阻探針測定的瞬時腐蝕速率對時間的積分，可以及時獲得鋼橋面的腐蝕量；通過阻抗分析測定鋪裝層下防水層破損參數，監測鋪裝層的老化情況。因此，聯合采用電阻探針和阻抗分析技術，綜合判定橋面鋪裝層與防水膠層脫粘狀態和鋼橋面腐蝕發生發展的狀態，可以實現長大跨徑懸拉索橋鋼橋面的腐蝕監測。