海洋環(huán)境鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測和檢測對比研究

方 翔，殷振東，陳昊翔，倪靜姁，張東方，范志宏

(1. 中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230; 2. 水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230; 3. 珠海港開發(fā)建設(shè)有限公司，廣東 珠海 519050)

海洋環(huán)境下，碼頭等港口基礎(chǔ)設(shè)施的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)面臨嚴(yán)峻的耐久性問題。而混凝土的耐久性狀態(tài)關(guān)系到結(jié)構(gòu)物在整個(gè)服役期內(nèi)的安全性和適用性[1-2]。耐久性狀態(tài)診斷主要依靠人工定期檢查、定期測量觀測、定期檢測和特殊檢測等手段。隨著傳感器和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，采用預(yù)埋傳感器并實(shí)施監(jiān)測的診斷方法得到越來越廣泛的應(yīng)用[3-4]。

目前耐久性監(jiān)測傳感器主要有德國的陽極梯、丹麥的Corrowatch、美國的ECI等，國內(nèi)在傳感器開發(fā)方面也相繼開展了大量的工作[5-6]，耐久性監(jiān)測也在多個(gè)重要工程結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用[7-8]，但是針對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析以及結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測方面的報(bào)道不多[8-9]。另一方面，由于耐久性監(jiān)測在原理及方法上不同于傳統(tǒng)的檢測方法，因此兩者在評估和壽命預(yù)測上必然存在差異。孫宗光等[10]采用室內(nèi)快速試驗(yàn)對比陽極梯耐久性監(jiān)測數(shù)據(jù)與硝酸銀顯色法檢測氯離子滲透數(shù)據(jù)的相關(guān)性。但目前針對實(shí)體結(jié)構(gòu)對比的研究報(bào)道較少。開展監(jiān)測、檢測原位對比分析，對了解掌握基于兩種技術(shù)開展的評估結(jié)論的異同具有重要作用，也有利于監(jiān)測技術(shù)的推廣應(yīng)用。

針對已建立耐久性監(jiān)測系統(tǒng)的沿海某高樁碼頭，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行早期混凝土結(jié)構(gòu)耐久性狀態(tài)評估及壽命預(yù)測，同時(shí)針對性地開展檢測分析，對監(jiān)測和檢測兩類方法的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

1 耐久性監(jiān)測系統(tǒng)

珠海港某集裝箱碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，處在海洋環(huán)境中。對于高樁碼頭結(jié)構(gòu)，氯離子侵入引發(fā)的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破損的最主要原因[11]，且耐久性問題幾乎出現(xiàn)在碼頭樁帽、縱橫梁、面板等所有上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件中[12]。因此在該碼頭監(jiān)測系統(tǒng)建立時(shí)，選擇3個(gè)典型斷面，分別位于碼頭146排架、178排架以及199排架。在每個(gè)斷面設(shè)置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，覆蓋樁帽、現(xiàn)澆橫梁、縱梁、預(yù)制面板和現(xiàn)澆面板等所有上部結(jié)構(gòu)。監(jiān)測點(diǎn)布置見表1，其中斷面M的監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1所示。

表1 監(jiān)測點(diǎn)布置Tab. 1 Arrangement of monitoring points

圖1 M斷面監(jiān)測點(diǎn)布置Fig. 1 Layout of monitoring points for M section

每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋一個(gè)陽極梯、一個(gè)ERE20參比電極、一個(gè)多功能耐久性監(jiān)測傳感器以及兩個(gè)JXB-2應(yīng)變傳感器。整個(gè)工程監(jiān)測傳感器統(tǒng)計(jì)如表2所示。傳感器均在構(gòu)件鋼筋綁扎完成，混凝土澆筑前安裝。

表2 傳感器布置數(shù)量Tab. 2 Sensor number

2 耐久性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

目前該碼頭耐久性監(jiān)測系統(tǒng)已累積近2 a的監(jiān)測數(shù)據(jù)。針對陽極梯耐久性監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)展開分析及評估。

陽極梯主要由埋置于混凝土保護(hù)層不同深度的6根陽極(分別為a1、a2、……、a6，數(shù)字越大埋深越大)和1根陰極(c)組成。通過測量不同陽極與陰極之間的開路電壓(U1、U2、……、U6)和短路電流(I1、I2、……、I6)，相鄰陽極之間的電阻(R12、R23、R34、R45、R56)等參數(shù)，判斷陽極的腐蝕狀態(tài)，跟蹤腐蝕鋒線位置，開展結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測。

2.1 浪濺區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖2列出M1、M2監(jiān)測點(diǎn)的陽極梯監(jiān)測數(shù)據(jù)。陽極梯主要依靠短路電流判斷陽極銹蝕情況。對于干燥的鋼筋混凝土，陽極與陰極間短路連接5 s后，若電流絕對值小于15 μA，表明陽極無腐蝕，若電流絕對值大于15 μA，表明陽極發(fā)生腐蝕；對于浸泡潮濕混凝土，以電流絕對值的突變增加以及電位的負(fù)移作為腐蝕開始的標(biāo)志[13]。

根據(jù)以上判據(jù)，由圖2(b)可知，M1-a2(表示M1監(jiān)測點(diǎn)陽極梯a2陽極)、M1-a3、……、M1-a6已鈍化，未發(fā)生腐蝕。但M1-a1的電流為負(fù)值，絕對值大于15 μA。從圖2(c)可見各相鄰陽極間電阻的差異性不大，可排除混凝土電阻率的影響。因此，數(shù)據(jù)表明該陽極處于活化狀態(tài)。在海洋氯離子侵蝕環(huán)境下，陽極梯陽極在混凝土中經(jīng)歷鈍化和由氯離子滲透導(dǎo)致的脫鈍兩個(gè)變化過程。陽極電流也呈現(xiàn)出從剛澆筑時(shí)的較大值逐漸趨于0[8]，以及脫鈍后突然增大[13]兩種變化的趨勢。進(jìn)一步從圖2(a)、圖2(b)數(shù)據(jù)可以看出，在270 d到300 d，M1-a1的電位、電流監(jiān)測數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，這表明陽極的鈍化和脫鈍兩個(gè)過程可能同時(shí)存在。到了300 d以后，電流趨于穩(wěn)定，初步判斷陽極處于活化態(tài)。以300 d作為M1-a1陽極開始腐蝕的時(shí)間t1，或稱腐蝕鋒線抵達(dá)該陽極的時(shí)間。通過式(1)計(jì)算鋼筋腐蝕起始時(shí)間t0[14]：

(1)

其中，x1為陽極埋深11.5 mm，h為保護(hù)層厚度75 mm。若t1大于10 a可認(rèn)為Dt0/Dt1=1，若t1小于10 a則：

(2)

其中，m為擴(kuò)散系數(shù)衰減值，根據(jù)現(xiàn)場混凝土配合和規(guī)范[15]計(jì)算得到為0.202。最后，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)物壽命約為58 a。

圖2 浪濺區(qū)部分陽極梯監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig. 2 Monitoring data of anode ladders in splash zone

由圖2(e)可得，盡管M2點(diǎn)陽極梯各陽極電流較大，但均為正值，正電流說明陽極處于鈍態(tài)。由于陰極在混凝土中埋置位置較陽極深，混凝土密實(shí)，外加涂層的保護(hù)，氧氣難以滲透到陰極，導(dǎo)致陰極與陽極出現(xiàn)氧氣濃度差異，引起陰極與陽極電位的反向，形成正電流。此外M2監(jiān)測點(diǎn)受到海水影響，混凝土內(nèi)部電阻較小，因此電流絕對值較大。

2.2 大氣區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖3顯示M4、O5等位于大氣區(qū)監(jiān)測點(diǎn)上陽極梯的監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖3(b)、圖3(e)可看出，該兩處電流總體較小，均小于15 μA，且逐漸趨于0，表明該處鋼筋鈍化，未受到氯離子侵蝕。相比于浪濺區(qū)，大氣區(qū)因未直接接觸海水，該處監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更短。

圖3 大氣區(qū)陽極梯數(shù)據(jù)分析Fig. 3 Monitoring data of anode ladders in atmosphere zone

2.3 基于各監(jiān)測點(diǎn)陽極梯數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估

表3為各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)陽極梯電流的總體情況。表3中可看到M1、N2各有1個(gè)陽極電流值小于-15 μA，均為最靠近混凝土表面的a1陽極，說明M1-a1和N2-a1已腐蝕，表中腐蝕鋒線位置根據(jù)陽極腐蝕與否以及腐蝕陽極的埋深推斷。M1、N2監(jiān)測點(diǎn)由于處于浪濺區(qū)，樁帽和橫梁較早接觸海水，氯離子滲透較快。但根據(jù)M1點(diǎn)陽極梯監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算的壽命為58 a，大于設(shè)計(jì)使用壽命，說明腐蝕鋒線的滲透情況仍然符合設(shè)計(jì)期望。其余陽極監(jiān)測電流均大于-15 μA，甚至為正向電流，表明這些陽極并未開始腐蝕，腐蝕鋒線并未抵達(dá)這些陽極所處的深度。

表3 各監(jiān)測點(diǎn)陽極梯電流分布Tab. 3 Current of anode ladders in different monitoring points

此外，從表3中可看到，大于15 μA的陽極基本上出現(xiàn)在樁帽和橫梁。這些監(jiān)測點(diǎn)受到海水浸泡影響較大，混凝土電阻率較小，因而易產(chǎn)生絕對值較大的電流。

3 耐久性監(jiān)測、檢測對比分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證耐久性監(jiān)測數(shù)據(jù)，并與傳統(tǒng)檢測方法展開對比分析，在監(jiān)測點(diǎn)M1、M2附近開展了實(shí)體檢測，對混凝土進(jìn)行取芯，利用電位滴定的方法獲取芯樣內(nèi)部氯離子濃度分布，見圖4。從圖4可知，試樣中的氯離子濃度(占混凝土質(zhì)量百分比)隨深度的增加呈減少趨勢。工程所用混凝土配合比如表4所示，結(jié)合相關(guān)規(guī)范[15]，計(jì)算得到使鋼筋發(fā)生腐蝕的氯離子臨界濃度Cct為0.084%。圖4顯示樁帽、橫梁試樣在36.5 mm深度處的氯離子濃度分別為0.008%，0.014%。而混凝土構(gòu)件保護(hù)層厚度為75 mm。從而可推斷，樁帽、橫梁鋼筋周圍氯離子濃度遠(yuǎn)小于臨界氯離子濃度，未受到氯離子影響，鋼筋健康狀況良好。

圖4 氯離子濃度分布Fig. 4 Chloride ion profile

表4 碼頭混凝土材料配合比Tab. 4 Concrete mix of the quay (kg)

進(jìn)一步利用氯離子濃度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行壽命預(yù)測[16]。將氯離子濃度分布數(shù)據(jù)對式(3)展開回歸分析：

(3)

求得擴(kuò)散系數(shù)Dt、表面氯離子濃度Cs等參數(shù)的值，結(jié)果如表5所示。其中，t為取樣時(shí)間與碼頭混凝土澆筑時(shí)間間隔，取1.73 a；Ci為混凝土中原始氯離子含量，取0.01%。表5求得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)已考慮了衰減因素。

表5 通過氯離子濃度分布計(jì)算得到的Dt、CsTab. 5 Dt, Cscalculated from chloride concentration profile

再根據(jù)式(4)進(jìn)行壽命計(jì)算：

(4)

由式(4)計(jì)算得到樁帽的耐久性壽命為63 a。

從監(jiān)測結(jié)果分析可知，M1-a1陽極已處在活化態(tài)，M2所有陽極均未發(fā)生腐蝕。而檢測的結(jié)果表明，氯離子臨界濃度鋒線在樁帽中已滲透至約16 mm深處，而在橫梁中則滲透至18 mm深處(見圖4)。M1-a1陽極的埋深為11.5 mm，M2-a1的埋深為21.9 mm，因此，M1-a1陽極附近氯離子濃度已超臨界值，陽極開始腐蝕。M2-a1由于氯離子濃度仍未達(dá)到臨界值，未發(fā)生腐蝕。

此外，從已有M1-a1監(jiān)測數(shù)據(jù)無法較準(zhǔn)確地判斷陽極的狀態(tài)仍處在鈍化膜形成階段還是處在鈍化膜破壞階段。而檢測結(jié)果表明陽極表面氯離子濃度已經(jīng)超過臨界值，證實(shí)了M1-a1陽極處在由氯鹽入侵導(dǎo)致的脫鈍狀態(tài)。

最后，從壽命計(jì)算上看，通過檢測得到的樁帽耐久性壽命為63 a，而監(jiān)測得到的樁帽耐久性壽命為58 a。監(jiān)測結(jié)果得到的壽命更短，因此以監(jiān)測作為預(yù)警手段，更趨保守。

從以上分析可看出監(jiān)測數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)具有一致性。檢測、監(jiān)測技術(shù)相互補(bǔ)充，相互結(jié)合，更有利于對結(jié)構(gòu)耐久性實(shí)施準(zhǔn)確的分析和評估。

4 結(jié) 語

針對某高樁碼頭開展監(jiān)測和檢測的對比研究。利用監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行耐久性狀態(tài)評估及壽命預(yù)測，同時(shí)開展檢測分析，比較兩類方法在判斷腐蝕狀態(tài)和預(yù)測碼頭使用壽命上的區(qū)別。

1) 從已有陽極梯監(jiān)測數(shù)據(jù)可看出，絕大部分監(jiān)測點(diǎn)均未觀察到陽極的腐蝕，出現(xiàn)腐蝕的陽極也僅為最外側(cè)陽極，表明結(jié)構(gòu)現(xiàn)有耐久性狀態(tài)良好。

2) 進(jìn)一步通過檢測方法獲得氯離子濃度空間分布，并與監(jiān)測結(jié)果對比，結(jié)果顯示未監(jiān)測到腐蝕的陽極周圍氯離子濃度未達(dá)到臨界值，而監(jiān)測到腐蝕的陽極周圍氯離子濃度已超臨界值，檢測結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了陽極腐蝕是由于氯離子滲透造成的。對比研究表明從檢測方法獲得的氯離子臨界濃度鋒線位置與通過監(jiān)測獲得的陽極腐蝕鋒線位置一致。

3) 根據(jù)已出現(xiàn)腐蝕的陽極埋深及其腐蝕起始時(shí)間，推算出構(gòu)件壽命為58 a，而通過檢測方式計(jì)算的構(gòu)件壽命為63 a，相比較而言，監(jiān)測方法得到的壽命更短。