長大跨徑懸拉索橋鋼橋面的腐蝕監(jiān)測

王昊宇 張鑫敏 羅吉慶 趙永韜 白潤昊

（1. 青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101；2. 廣東省公路建設(shè)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(yuǎn)較一般路面、機(jī)場道面嚴(yán)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(fù)雜，受溫度的影響更為嚴(yán)重，尤其是在水平剪應(yīng)力的作用下，鋪裝層易于產(chǎn)生各種變形破壞[1]。

國外在20世紀(jì)60年代就開始對鋼橋面鋪裝進(jìn)行研究，國內(nèi)在近幾年也陸續(xù)開展了試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)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(huán)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(qū)別[2,3]。

國內(nèi)進(jìn)行大跨度懸索橋鋼箱梁鋪裝，目前流行用TAF環(huán)氧瀝青混凝土進(jìn)行鋪裝。這種鋪裝層養(yǎng)生周期短（4～10d），而且TAF環(huán)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(jié)構(gòu)圖

為了保證長大跨徑懸拉索橋的安全運(yùn)行，本文報(bào)道的腐蝕監(jiān)測方法同時測定鋪裝層下防水層破損參數(shù)和鋼橋面腐蝕狀態(tài)，綜合判定橋面鋪裝層與防水膠層脫粘狀態(tài)和鋼橋面腐蝕發(fā)生發(fā)展的狀態(tài)。對鋪裝層下防水層粘結(jié)狀態(tài)的長期監(jiān)測，可以達(dá)到有效管理鋪裝層養(yǎng)護(hù)的目的。防水層的阻抗高低可以反映鋪裝層的老化狀態(tài)，當(dāng)水分滲入防水層，或者由于外力導(dǎo)致防水層發(fā)生開裂時，鋼橋面腐蝕風(fēng)險大大上升，通過監(jiān)測并計(jì)算腐蝕速率，進(jìn)一步評估了防水層破裂的嚴(yán)重程度，大大降低刨開鋪裝層驗(yàn)證鋼橋面的銹蝕的頻次和勞動量，達(dá)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(shù)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(xiàn)粉化[5]。因此，鋼橋面防腐的關(guān)鍵是要在鋪裝其它層次中，加強(qiáng)防水功能設(shè)計(jì)，使其在一個相對較長的時期內(nèi)與水和空氣隔絕。防水粘結(jié)層從所承擔(dān)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(jīng)過高溫曝曬的考驗(yàn)，橋面損壞隨之加劇，破壞形式是先出現(xiàn)裂縫，裂縫發(fā)展密集后鋪裝層失效，出現(xiàn)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(xiàn)，維修的難度和工作量相應(yīng)增大，下游橋面鋪裝層開裂、推移、擁包等病害的出現(xiàn)日趨頻繁, 尤其是雨后病害更易產(chǎn)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(jié)層監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)原位、實(shí)時、在線監(jiān)測防水粘結(jié)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(jié)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及脫空檢測方法，通過層間傳感器中設(shè)置有光纖，光纖設(shè)置有三段式光柵，車輛荷載作用使得鋼橋面板與鋪裝結(jié)構(gòu)界面變形出現(xiàn)差異，引起層間傳感器中光柵波長的偏移，通過波長偏移進(jìn)行監(jiān)測，計(jì)算層間脫空大小，從而實(shí)現(xiàn)對鋼橋面板鋪裝層間粘結(jié)狀態(tài)的長期跟蹤觀測[8]。

但是上述技術(shù)只是針對防水層的損壞進(jìn)行監(jiān)測，并沒有提及鋼橋面板本身的腐蝕及其速度的測量。實(shí)際上，從防水層損傷失效到鋼橋面發(fā)展成腐蝕坑，這之間往往還需要數(shù)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(shù)進(jìn)行監(jiān)測，才能對鋼板銹蝕發(fā)生量做出評估，進(jìn)而對鋼橋面的承載能力變化做出相應(yīng)的評判。

2 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示，其組成包括：無線收發(fā)器，腐蝕探針主機(jī)，阻抗分析儀，阻抗探針，電阻探針，參考臂。

圖2 鋼橋面監(jiān)測系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用電阻探針和腐蝕阻抗測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對鋼橋面的腐蝕評估，采用同時監(jiān)測鋪裝層下防水層破損參數(shù)和鋼橋面腐蝕狀態(tài)的方法，綜合判定橋面鋪裝層與防水膠層脫粘狀態(tài)和鋼橋面腐蝕發(fā)生發(fā)展的狀態(tài)。

防水層破損參數(shù)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(tài)由腐蝕探針主機(jī)，電阻探針和參考臂實(shí)施測量。防水層破損參數(shù)和鋼橋面腐蝕狀態(tài)參數(shù)有無線收發(fā)器實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸。阻抗探針、電阻探針和參考臂都采用鋼橋面同材質(zhì)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(jiān)測范圍適配，金屬絲長度越長，監(jiān)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(jiān)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(tài)，當(dāng)水分滲入防水層，或者由于外力導(dǎo)致防水層發(fā)生開裂時，防水層的介電常數(shù)也會增加，導(dǎo)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(jì)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(guān)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(shù)；

ε0是真空介電常數(shù)。

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(zhì)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(fā)生腐蝕相應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移電阻。

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

當(dāng)鋼板表面防水層發(fā)生老化龜裂時，還會導(dǎo)致路基鋼板的銹蝕，進(jìn)一步降低瀝青層與鋼板之間的粘合力。為監(jiān)測鋼板銹蝕，可采用精密電阻探針技術(shù)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(jì)算截面積減少量，進(jìn)而計(jì)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(qū)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(jì)算電阻探針臨近位置鋼橋面的腐蝕速率，通過連續(xù)監(jiān)測和計(jì)算電阻探針腐蝕速度隨時間積分值，進(jìn)一步計(jì)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(zhǔn)確度。腐蝕探針主機(jī)包含了程控恒流源、程控前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)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(zhì)的參考金屬絲，參考臂封裝在絕緣套內(nèi)部，不會腐蝕，并與電阻探針處于同一溫度區(qū)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(jì)算其比值λ，根據(jù)λ隨時間的變化曲線求導(dǎo)，即可計(jì)算出任意時刻的腐蝕速率。

3 模擬實(shí)驗(yàn)與腐蝕監(jiān)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(zhì)的鋼絲，直徑2mm，長度2m。

實(shí)驗(yàn)一：鋪裝層完整堅(jiān)固，未見微裂紋。監(jiān)測探頭埋覆在防水層下半年內(nèi)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(nèi)的變化曲線

如圖4所示，從半年多的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，此位置的鋼絲腐蝕速率在0.001μm/a，可以忽略不計(jì)，表明此處的防水層保護(hù)效果極好。

完整鋪裝層下對應(yīng)的阻抗測試結(jié)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(tài)，界面電容很小。

實(shí)驗(yàn)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(dá)到0.5～1mm，長度30cm以上，并定期噴灑3.5%率氯化鈉鹽水。則監(jiān)測探頭埋覆在防水層下半年內(nèi)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(shù)據(jù)分析表明此處的腐蝕速率高于實(shí)驗(yàn)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(biāo)21/9日期開始，對鋪裝層上部灌注粘結(jié)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(yīng)的阻抗測試結(jié)果表明，阻抗探針發(fā)生腐蝕相應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct減小一個數(shù)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(fā)生腐蝕，鋼絲表面變得粗糙，界面電容大。即便是后期粘結(jié)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(zhuǎn)。

4 工程實(shí)施案例

2021年1月，在珠江某懸拉索橋上進(jìn)行了腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝。圖6是電阻探頭在最近一年時間內(nèi)腐蝕變化，平均腐蝕速率為2.692μm/a，基本相當(dāng)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(hù)效果良好。我們選取2021年8月上旬到2021年10月底的局部數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，這一段時間內(nèi)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(dá)到647.1μm/a，但是時間短暫，平均腐蝕速度并不高，這可能與環(huán)境溫度高導(dǎo)致鋪裝層產(chǎn)生微裂紋有關(guān)。經(jīng)過持續(xù)監(jiān)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(nèi)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(shù)據(jù)

5 結(jié)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(shù)，監(jiān)測鋪裝層的老化情況。因此，聯(lián)合采用電阻探針和阻抗分析技術(shù)，綜合判定橋面鋪裝層與防水膠層脫粘狀態(tài)和鋼橋面腐蝕發(fā)生發(fā)展的狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)長大跨徑懸拉索橋鋼橋面的腐蝕監(jiān)測。