基于陽極梯傳感器的高樁碼頭耐久性監(jiān)測研究

劉紅彪,劉海成,齊方利,張路剛,薛德清,肖 忠,莊 寧

(1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所,天津 300456;2.防災(zāi)科技學(xué)院,三河 065201;3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司海洋石油船舶中心,龍口 265700;4.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津 300350;5.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210024)

氯離子侵蝕和混凝土碳化均會對暴露在腐蝕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞,例如,氯離子會引起沿海地區(qū)及潮汐區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕[1-2]。大量的港口水工建筑物如碼頭、跨海橋梁、堤壩等結(jié)構(gòu)受到海水氯離子的侵蝕而發(fā)生破壞,以致必須修復(fù)或重建[3]。目前維修費是港口水工結(jié)構(gòu)維護開支的主要部分。

服役于海洋環(huán)境下的碼頭、跨海橋梁等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由氯化物引起鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土開裂比混凝土碳化作用所引起的混凝土開裂更為嚴重。氯離子侵蝕使鋼筋銹蝕加快,是影響海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素,并已引起工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由氯化物侵蝕引起的海洋環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的典型破壞如圖1所示。

圖1 由氯化物引起的港口水工結(jié)構(gòu)的典型耐久性破損Fig.1 Typical durability damage of harbor structures induced by chlorides

氯離子侵蝕會對服役于海洋環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞,但海洋工程建設(shè)不會停止,甚至很多海洋工程的設(shè)計使用壽命要求更高,需達到100 a及以上,如中國的港珠澳大橋、杭州灣大橋和深中通道。這就對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提出了更嚴格的要求。然而,目前還沒有一種通用的可靠度設(shè)計理論可以保證混凝土結(jié)構(gòu)能夠服役100 a或更長時間[4]。因此,為了使混凝土結(jié)構(gòu)具有更長的服役壽命,現(xiàn)在普遍采用耐久性設(shè)計和再設(shè)計的原則,即在混凝土結(jié)構(gòu)服役期間基于監(jiān)測手段獲取混凝土結(jié)構(gòu)的實際耐久性信息,對監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的部分不滿足設(shè)計要求的結(jié)構(gòu)采取進一步的措施以保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求[5-6]。因此,有必要通過監(jiān)測收集混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性數(shù)據(jù),在鋼筋銹蝕過程開始前采取預(yù)防措施[7-9],從而既保證了結(jié)構(gòu)的耐久性要求,又降低了維護成本。一般情況,當鋼筋開始銹蝕后,修復(fù)措施的費用隨時間急劇增加。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性維護費符合“五倍定律”,即輕微損壞的維修費是預(yù)防措施費的5倍。所以,對服役于海洋環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)進行耐久性監(jiān)測具有重要意義。因此,在近幾十年里,科研人員投入了大量的精力發(fā)展無損檢測以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)和方法,以對混凝土結(jié)構(gòu)進行客觀評估。提出多種無損檢測技術(shù)方法,如超聲波檢測、探地雷達檢測、半電池電位法檢測等,某些手段已被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的檢測[10]。但是,現(xiàn)有的現(xiàn)場檢測方法,如半電池電位法僅能判斷局部發(fā)生銹蝕的概率而不能確定開始銹蝕的時間,而陽極梯傳感器則可以監(jiān)測鋼筋開始銹蝕的時間?；趥鞲衅鞯淖詣踊O(jiān)測比常規(guī)的現(xiàn)場檢測更具成本效益,特別是在難以進行現(xiàn)場檢測的地區(qū)。基于監(jiān)測數(shù)據(jù)可在鋼筋銹蝕前及時采取防護措施,降低維護成本。

基于陽極梯的結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在許多混凝土結(jié)構(gòu)(主要是橋梁)中得到了應(yīng)用,但是對于港口高樁碼頭耐久性監(jiān)測的應(yīng)用研究還不多。服役于海水環(huán)境的港口碼頭結(jié)構(gòu),氯離子滲透引起的耐久性問題更加突出,結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測更為重要。本文的目的是設(shè)計部署一套基于陽極梯傳感器的長期耐久性監(jiān)測系統(tǒng),對天津港某碼頭結(jié)構(gòu)進行耐久性監(jiān)測。耐久性監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是基于陽極梯傳感器收集鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的宏電池電勢、電流、電阻及溫度,以評估混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕風(fēng)險。

1 理論背景

1.1 混凝土內(nèi)的鋼筋銹蝕原理

一般情況下,混凝土中的鋼筋具有良好的耐腐蝕性,因為混凝土中屬于高堿性環(huán)境(pH值在12.5～13.5)。在高堿性環(huán)境下,鋼筋表面會形成一層薄的氧化層,稱為鈍化膜,其可以使鋼筋的銹蝕損失量降低至可以忽略的程度。通常這種鈍化狀態(tài)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整個服役壽命中是穩(wěn)定的。然而,由于各種原因,如氯離子滲透或混凝土碳化,會破壞覆蓋在鋼筋表面的鈍化膜,最后造成鋼筋從鈍化態(tài)變?yōu)榛罨瘧B(tài)(即脫鈍)。隨后,鋼筋周圍的水、氧氣以及氯離子與鋼筋中的鐵發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致鋼筋銹蝕。隨著鋼筋銹蝕的逐漸加劇,混凝土?xí)蜾摻钿P蝕膨脹而出現(xiàn)裂縫,以致剝落,最終混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重破壞[11]。

鋼筋銹蝕是一個復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng),涉及到多個步驟,最后鐵形成氫氧化鐵(Fe(OH)3),而氫氧化鐵會轉(zhuǎn)變?yōu)樗涎趸F(Fe2O3·H2O),即鐵銹。鋼筋銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)如圖2所示[12]。

混凝土碳化是指二氧化碳(CO2)與混凝土孔隙溶液中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使pH值降低到10以下的過程,是造成混凝土腐蝕的原因之一。然而,根據(jù)現(xiàn)場檢測經(jīng)驗,服役于海洋環(huán)境的港口工程混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的主要原因是氯離子的滲透。因此,本文的研究集中于氯離子引起的鋼筋銹蝕方面。由圖2可知,氯離子入侵也會導(dǎo)致pH值的下降,當孔隙水溶液中氯含量超過臨界值時,鋼筋開始脫鈍生銹。

氯離子引起混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕過程類似于電池的電化學(xué)反應(yīng)過程,可以用圖3所示的簡化電路模型來描述。鋼筋表面不同的部分分別作為電池的陽極和陰極,如圖2所示。在鋼筋陽極處,鐵(Fe)失去電子變成鐵離子(Fe2+),其很容易與氯離子(Cl-)結(jié)合形成FeCl2溶液,成為鐵離子的載體,進而引起陽極去極化,加速鋼筋的陽極反應(yīng)過程。在鋼筋陰極處,電子、水和氧轉(zhuǎn)化為羥基離子(OH-)。陰極的反應(yīng)不會引起鋼筋的任何劣化。相反,它對鋼筋起到保護作用,稱為陰極保護。然后,在電解質(zhì)中,基于陽極和陰極之間產(chǎn)生的電場,羥基離子(OH-)帶著負電荷離子從陰極向陽極移動。在陽極附近,它與溶液中的鐵離子反應(yīng)形成氫氧化亞鐵(Fe(OH)2),同時氯離子(Cl-)被釋放,并重復(fù)上述過程。隨后,氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)與氧氣(O2)和水(H2O)反應(yīng),生成氫氧化鐵(Fe(OH)3),最后形成Fe2O3,即鐵銹[10,12]。一般情況下,鐵銹體積是同質(zhì)量鐵體積的3～6倍,當鋼筋銹銹蝕后,混凝土因膨脹而開裂剝落。

圖3 混凝土中鋼筋銹蝕的簡化電路模型Fig.3 Simplified electrical circuit model for the corrosion of rebar in concrete

上述表明港口工程混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕主要是由氯離子侵蝕引起的。此外,服役于海水環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的脫鈍閾值被稱為臨界氯離子濃度鋒線。因此,如果能夠適當收集氯離子在混凝土中的滲透行為,如氯離子臨界濃度鋒線的位置及遷移速率,就可以對鋼筋在混凝土中的銹蝕時間進行預(yù)測。由于鋼筋開始銹蝕后,產(chǎn)生的維修費用隨著時間的推移急劇增加,因此根據(jù)預(yù)測結(jié)果若能及時采取必要的防護措施,可大幅降低港口工程混凝土結(jié)構(gòu)的維護成本。

1.2 陽極梯傳感器

BASHEAR等[13]基于混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕理論,提出了混凝土退化模型來預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的性能退化,并強調(diào)了滲透性對混凝土退化的影響。GLASS等[14]指出氯離子引起的鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。AHMAD[15]總結(jié)了鋼筋的銹蝕機理、鋼筋的銹蝕監(jiān)測技術(shù)以及利用經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃驮囼灱夹g(shù)預(yù)測結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的方法,并指出氯離子引起的腐蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。盡管早期開發(fā)了許多新型的測試系統(tǒng)和修復(fù)材料來修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的破損以提高其耐久性,但很多測試系統(tǒng)并不能確定鋼筋開始銹蝕的時間。因此,RAUPACH在1986年研制了陽極梯傳感器,其可以監(jiān)測混凝土中鋼筋開始銹蝕的時間,并在1990年將其成功應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕狀態(tài)的監(jiān)測,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性再設(shè)計提供了技術(shù)手段[11,16-17]。RAUPACH等[8]利用陽極梯系統(tǒng)監(jiān)測了氯離子在混凝土結(jié)構(gòu)中的滲透深度,并且基于監(jiān)測數(shù)據(jù)可以預(yù)測鋼筋的銹蝕狀態(tài)。隨后,ZHANG、金祖權(quán)等[18]、方翔等[19]將陽極梯系統(tǒng)應(yīng)用于沉管隧道、碼頭等水工建筑物中,以監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性?；陉枠O梯傳感器的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測,可以確定鋼筋的脫鈍閾值。因此,該方法對于監(jiān)測沿海高樁碼頭結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)、預(yù)測鋼筋銹蝕時間是非常有效的。

天津港某碼頭的結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測使用的陽極梯傳感器為德國制造,該陽極梯系統(tǒng)包括埋置于混凝土中的陽極梯、外部測試接口和專用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。陽極梯傳感器組件為陽極梯、陰極、參比電極、陽極鋼筋棒(CR)、溫度探頭(PT 1000),如圖4所示。陽極梯中有6根碳鋼制成的陽極,分別命名為A1、A2、……、A6。陽極梯埋設(shè)于混凝土保護層厚度范圍內(nèi),通過調(diào)節(jié)支架斜度,使6個陽極嵌入到混凝土保護層的不同深度內(nèi)[20],傳感器的安裝方式及側(cè)視圖見圖4所示?；緶y試原理是將電極放置在相對于混凝土表面的不同深度內(nèi),逐個監(jiān)測這些電極開始銹蝕的時間。通過測量陽極在不同深度下的宏電池電勢、電流、電阻和溫度等參數(shù),可以確定氯離子在混凝土中的擴散深度。然后,基于監(jiān)測數(shù)據(jù)可以預(yù)測鋼筋的銹蝕開始時間,如圖5所示。

圖4 陽極梯傳感器以及其安裝示意圖Fig.4 Anode-ladder sensor and its general installation appearance

根據(jù)陽極梯傳感器的設(shè)計,在澆筑混凝土前,將由鉑制成的陰極(Pt)、二氧化錳參比電極(MnO2)和陽極鋼筋棒設(shè)置在陽極梯附近,溫度探頭(PT 1000)封裝在梯形中。在相同的溫度下,陽極的宏電池參數(shù)可分為5類,分別是單個陽極與陰極之間的宏電池參數(shù)、單個陽極與參比電極之間的宏電池參數(shù)、單個陽極與陽極鋼筋棒之間的宏電池參數(shù)、兩個相鄰陽極之間的宏電池參數(shù)以及環(huán)境溫度。采集具體監(jiān)測數(shù)據(jù)時,采集的數(shù)據(jù)包括混凝土試件的宏電池電位、宏電池電流、電阻和溫度。宏電池電勢為各個陽極相對于陰極、參考電極和陽極鋼筋棒(表中簡稱為CR)的電壓值。宏電池電流為各個陽極相對于陰極和內(nèi)部陽極鋼筋棒的電流值,而電阻是陽極之間的混凝土電阻值。每次試驗采集40個參數(shù),參數(shù)的定義見表1～表3。

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

1.3 鋼筋銹蝕狀態(tài)評估方法

基于實驗室測試的結(jié)果,將埋置于干燥混凝土中的陽極相對于陰極短路5 s后的內(nèi)電壓值達到150 mV,電流值達到15 μA作為通常情況下判定陽極活性態(tài)的極限值,當傳感器處于潮濕的環(huán)境(如海洋環(huán)境)時,該極限值可能更大[8,20]。這一結(jié)論可用于判斷陽極是否處于活性態(tài),并預(yù)測與鋼筋銹蝕相關(guān)的臨界深度。

判定鋼筋銹蝕狀態(tài)的另一個標準是ASTM C876-09提出的半電池電位檢測法,該方法在濕混凝土表面使用銅-硫酸銅半電池來測量與混凝土外表面有關(guān)的鋼筋的半電池電位。根據(jù)ASTM C876-09標準,如果半電池電位小于-0.35 V,則鋼筋處于活性銹蝕狀態(tài)的概率為90%以上;若半電池電位為正或在-0.35～-0.2 V,則無法從測量結(jié)果判定鋼筋的銹蝕狀態(tài);若半電池電位在-0.2～0 V的范圍內(nèi),鋼筋發(fā)生銹蝕的概率小于10%;這些準則可用于陽極梯監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和鋼筋銹蝕風(fēng)險的評價,具體見表4所示。

表4 鋼筋銹蝕的可能性判定Tab.4 Corrosion probability of reinforcing steel

2 陽極梯系統(tǒng)在新建高樁碼頭的應(yīng)用

2.1 工程概況

天津港某碼頭是天津港于2016年開工建設(shè)的高樁碼頭,碼頭結(jié)構(gòu)基于300 000 DWT散貨船設(shè)計,主要用于散貨運輸。碼頭長390 m、寬75 m,由1個390 m的主碼頭平臺和2座73.3 m的側(cè)向引橋3個部分組成。主碼頭段由9個65 m寬的結(jié)構(gòu)段組成,根據(jù)使用要求分為前承臺和后承臺。前承臺寬36.5 m,后承臺寬38.5 m,每個結(jié)構(gòu)段均相同。設(shè)計的陽極梯系統(tǒng)布置在碼頭的第二結(jié)構(gòu)段,碼頭結(jié)構(gòu)如圖6所示。為了組成結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(SDM)系統(tǒng),在圖6中箭頭標記處設(shè)置了2個陽極梯傳感器。利用這些傳感器,可以實時監(jiān)測混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

2018年10月29日，第五屆國際“我們的海洋大會”（Our Ocean Conference 2018） 在印度尼西亞巴厘島開幕。來自7個國家的6位總統(tǒng)和1位副總統(tǒng)、36名部長級官員以及來自70多個國家的1900余名代表出席會議。受美國環(huán)保協(xié)會（EDF）和中國國際民間組織合作促進會（CANGO）的邀請，本刊記者參加了此次會議。印尼總統(tǒng)佐科維（Jokowi）出席開幕式并致辭。

圖6 天津港某碼頭Fig.6 Cross section of the wharf

2.2 陽極梯傳感器安裝以及數(shù)據(jù)采集

天津港某碼頭結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測使用的陽極梯傳感器分別安裝在后承臺的橫梁和前承臺軌道梁上,梁均采用高性能C45F300混凝土預(yù)制。陽極梯傳感器全部設(shè)置在梁側(cè)面底部的混凝土保護層內(nèi),均位于碼頭的浪濺區(qū)。傳感器布設(shè)時,首先將傳感器安裝在鋼筋籠上,然后進行混凝土澆筑和養(yǎng)護。養(yǎng)護完成后,將預(yù)制試件運至現(xiàn)場安裝。碼頭面層施工過程中,將傳感器終端盒埋入混凝土中,并由不銹鋼外殼保護。不銹鋼保護殼表面與碼頭面層上表面平行。打開殼體上蓋后,即可看到傳感器終端盒,并通過專用設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集。陽極梯傳感器安裝、保護及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集如圖7所示。

圖7 陽極梯傳感器安裝和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集Fig.7 Installation of anode-ladder sensor and field data acquisition

碼頭竣工后開始采集陽極梯傳感器數(shù)據(jù)。天津港某碼頭主體結(jié)構(gòu)于2017年10月完成。本項目陽極梯傳感器數(shù)據(jù)采集工作始于2017年10月,每間隔14 d采集一次數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集時短路時間設(shè)置為5 s。截至目前,使用HMG7采集設(shè)備已連續(xù)采集數(shù)據(jù)4 a。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通過陽極梯傳感器獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括電壓、電流、電阻、溫度等參數(shù)。根據(jù)前述評價方法和廠家提供的技術(shù)參數(shù),監(jiān)測采集到的電流值通常用來判定陽極是否處于脫鈍或銹蝕狀態(tài)。目前,廠家提供的標準是如果測量到的陽極和陰極之間的電流遠小于15 μA,則可以判定埋在干混凝土中的陽極處于鈍化狀態(tài);如果測量到的電流大于15 μA,則認為相應(yīng)的陽極處于活性狀態(tài)[20]。然而,當陽極梯傳感器設(shè)置在潮濕的環(huán)境(比如海洋環(huán)境)中時,其極限值可能會較大。并且在這種情況下,沒有統(tǒng)一的電流值、電壓和電阻值的判定標準。本文對兩個陽極梯傳感器連續(xù)4 a的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析,重點分析了電流值,并對電壓、電阻、溫度值進行了相關(guān)分析。這對了解碼頭前后承臺在服役過程中的耐久性狀態(tài)變換是很有必要。并且,基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析,可以了解氯離子滲透速率和鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

3.1 前承臺監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

安裝在前承臺軌道梁上的陽極梯傳感器距碼頭前沿16.5 m,距離海面4.5 m。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,各個陽極相對于陰極和鋼筋的電流值隨時間的變化曲線如圖8和圖9所示。從圖8可以看出,在無視電流方向的情況下,2018年4月至7月,陽極A1和A2相對于陰極的電流值均超過了15 μA,在排除一些跳變點之后可以觀察到A1和A2相對陰極的電流值在隨后的幾個月里逐漸恢復(fù)到10 μA。如果根據(jù)電流大于15 μA則判定陽極脫鈍的標準,可以初步判定在2018年4月至7月,陽極A1和A2處于脫鈍狀態(tài)。這意味著氯離子已經(jīng)滲透到陽極A2的深度。然而,根據(jù)接下來幾個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,A1和A2相對于陰極的電流值又恢復(fù)到小于15 μA水平,據(jù)此又可判定陽極處于鈍化狀態(tài)。顯然,這兩個結(jié)論是矛盾的。為了理解這一矛盾,將采集的溫度數(shù)據(jù)納入考慮。從圖8可以看出,2018年4月至7月,溫度持續(xù)升高,陽極A1、A2相對于陰極的電流值大于15 μA,之后隨著溫度的下降,電流值又回到15 μA以下。作者認為造成這一矛盾的原因是環(huán)境溫度的變化,并不能完全根據(jù)2018年4月至7月期間大于15 μA的電流值就確定陽極A1和A2脫鈍。此外,軌道梁涂有防腐物質(zhì),氯離子滲透深度不可能達到A1和A2所處的位置,這也可以通過現(xiàn)場檢測確認。從現(xiàn)場檢查來看,沒有防腐涂層破損的跡象。因此,作者認為A1和A2仍處于鈍化狀態(tài)。

圖8 陽極和陰極之間的電流(前承臺)Fig.8 Current between anode and cathode (front platform)

圖9 陽極和陽極鋼筋棒之間的電流(前承臺)Fig.9 Current between anode and reinforcement-connection (front platform)

此外,從陽極與陽極鋼筋棒之間的電流值的歷史數(shù)據(jù)(圖9)來看,除了陽極A1之外,陽極A2～A6相對于陽極鋼筋棒的電流值,無論電流方向如何,都小于10 μA。在某些情況下,陽極A1的電流值大于15 μA,而大多數(shù)的電流值不超過15 μA。這與陽極相對于陰極之間電流的數(shù)據(jù)規(guī)律相似。根據(jù)以上分析,所有陽極都處于鈍化狀態(tài)。

此外,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,得到了陽極相對于陰極、參比電極以及陽極鋼筋棒之間的相對電壓隨時間變化的曲線,并得到了相鄰兩個陽極之間的電阻隨時間的變化曲線,具體見圖10～圖13所示。由圖10可以看出,電壓的變化趨勢與上述電流值的變化趨勢幾乎一致,2018年4月至7月,陽極A1、A2相對于陰極的電壓也出現(xiàn)了波動,有的電壓值達到-625 mV,然后逐漸下降至-20 mV以內(nèi)。在接下來的時間里,除去一些跳變點以外,電壓值逐漸上升為正值,并逐漸達到了150 mV,但沒有超過150 mV。但在此期間,陽極A3、A4、A6相對于陰極的某些電壓值略大于150 mV。每個陽極相對于參比電極和陽極鋼筋棒的電壓值也顯示出類似的趨勢(圖11和圖12)。因此,不能選擇150 mV作為服役于海洋環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的陽極活化臨界極限,而300 mV的相對電壓值更為合適,因為經(jīng)分析電壓的波動是由環(huán)境溫度引起的而不是由陽極脫鈍引起的,這也被現(xiàn)場的檢驗所證明。隨著后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的增加,時間上包含多個季節(jié)的交替,可進一步驗證了上述結(jié)論。

圖10 陽極和陰極之間的電壓(前承臺)Fig.10 Voltage between anode and cathode (front platform)

圖11 陽極和參比電極之間的電壓(前承臺)Fig.11 Voltage between anode and reference electrode (front platform)

圖12 陽極和陽極鋼筋棒之間的電壓(前承臺)Fig.12 Voltage between anode and reinforcement-connection (front platform)

圖13 陽極之間的電阻(前承臺)Fig.13 Resistance between anodes (front platform)

3.2 后承臺監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

安裝在后承臺橫梁上的陽極梯傳感器距碼頭前沿73.5 m,距離海面4.5 m。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,得到了各陽極相對于陰極和陽極鋼筋棒的電流值時程曲線,分別如圖14和圖15所示。從圖14可以看出,后承臺傳感器的電流值隨時間變化的情況比前承臺傳感器的測試數(shù)據(jù)更雜亂。在不考慮電流方向的情況下,2018年4月至9月,陽極A1、A2、A4相對于陰極的電流值均超過15 μA,并且在隨后幾個月內(nèi)逐漸恢復(fù)到15 μA以下。其他陽極的相對電流值都處于穩(wěn)定的狀態(tài),均小于10 μA。根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果及前承臺傳感器的數(shù)據(jù)分析判斷,不宜判定A1、A2、A4陽極在2018年4月至9月發(fā)生脫鈍。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,很明顯陽極A1、A2、A4相對于陰極的電流值產(chǎn)生了波動,這不僅與先前初步推斷的環(huán)境溫度有關(guān),也與混凝土的內(nèi)部高濕環(huán)境有關(guān)?；炷羶?nèi)部的高濕環(huán)境導(dǎo)致電子聚集在陽極表面,致使陽極電位出現(xiàn)明顯的負遷移。因此,雖然陽極A1、A2、A4仍處于鈍化狀態(tài),但陽極相對于陰極的電流仍然顯著增加,造成了陽極A1、A2、A4活化的假象。

圖14 陽極與陰極之間的電流(后承臺)Fig.14 Current between anode and cathode (back platform)

圖15 陽極與陽極鋼筋棒之間的電流(后承臺)Fig.15 Current between anode and reinforcement (back platform)

通過數(shù)據(jù)處理,得到了陽極相對于陰極、參比電極以及陽極鋼筋棒的電壓值的時程曲線,以及相鄰陽極間電阻的時程曲線,見圖16～圖19。從圖16中可以看出,電壓值曲線比圖14中的電流值曲線更雜亂,但電壓值的變化趨勢與電流值的變化趨勢相似。在監(jiān)測期間,陽極A1、A2和A4的電壓值始終大于150 mV,根據(jù)上文介紹的判定標準,可判定A1、A2和A4處于活性態(tài),且某些時間點電壓值達到400 mV。從陽極相對于參比電極和陽極鋼筋棒的電壓值隨時間變化的曲線(圖17和圖18)可以看出,陽極A6的電壓值表示其也處于活性態(tài),這使得數(shù)據(jù)分析更加困難。目前普遍認為環(huán)境溫度是造成數(shù)據(jù)波動的主要因素,具體結(jié)論需結(jié)合更多的監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場檢測才能確定。

圖16 陽極與陰極之間的電壓(后承臺)Fig.16 Voltage between anode and cathode (back platform)

圖17 陽極與參比電極之間的電壓(后承臺)Fig.17 Voltage between anode and reference electrode(back platform)

圖18 陽極與陽極鋼筋棒之間的電壓(后承臺)Fig.18 Voltage between anode and reinforcement (back platform)

圖19 陽極之間的電阻(后承臺)Fig.19 Resistance between anodes (back platform)

此外,從圖19中看出,陽極之間的電阻值,除陽極A6與鋼筋之間的電阻相對較大以外,其余的電阻值的分布非常規(guī)律,即電阻的變化趨勢與溫度相反,即溫度上升,電阻下降,反之亦然,與前承臺監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律一致。

4 結(jié)論

本文以天津港某碼頭為依托,在前承臺的軌道梁和后承臺的橫梁處分別設(shè)置陽極梯傳感器,用于碼頭結(jié)構(gòu)耐久性的長期監(jiān)控。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析,得出以下結(jié)論：

(1)設(shè)置于前承臺軌道梁的陽極梯傳感器數(shù)據(jù)顯示,在4個月的時間里,陽極A1和A2相對于陰極的電流超過15 μA,說明陽極A1和A2可能發(fā)生了脫鈍。但經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),這主要是由于環(huán)境溫度變化造成陽極出現(xiàn)脫鈍的假象,因為這4個月正是春夏季節(jié),溫度持續(xù)上升,導(dǎo)致相對電流升高。

(2)設(shè)置于后承臺橫梁的陽極梯傳感器數(shù)據(jù)顯示,在6個月的時間里,陽極A1、A2、A4相對于陰極的電流超過了15 μA,特別是A4相對于陰極的電流值越過A3先達到判定脫鈍的標準,造成了一種陽極脫鈍的假象。經(jīng)過分析,主要原因不僅是環(huán)境溫度,還有混凝土內(nèi)部的高濕環(huán)境,導(dǎo)致電子在陽極表面聚集,致使陽極電位出現(xiàn)明顯的負遷移。因此,造成了陽極A4脫鈍的假象,但這一結(jié)論還需后期更多的現(xiàn)場試驗加以證實。

(3)溫度的變化對混凝土的電阻影響很大,溫度的升高會導(dǎo)致混凝土電阻下降。

(4)雖然陽極梯監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測氯離子對港口工程混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕風(fēng)險,但在環(huán)境溫度和混凝土內(nèi)部濕度的共同影響下,可能會出現(xiàn)干擾數(shù)據(jù),影響結(jié)果的判定。因此,要確定陽極是否處于活性態(tài),必須綜合電流、電壓、電阻、溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù),不能簡單地通過電流值來確定,多參數(shù)耦合分析判定準則需做進一步研究。