監(jiān)測傳感器選擇

目前，耐久性監(jiān)測傳感器分為預(yù)埋式和后裝式兩類，分別應(yīng)用于新建和已建結(jié)構(gòu)物。其中應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)的預(yù)埋式傳感器包括德國Sensortec GMBH公司的陽極梯、丹麥Force Technology公司的ERE20電極、美國Virginia TechnologiesInc公司的ECI腐蝕監(jiān)測器以及四航研究院的多功能耐久性監(jiān)測傳感器等。

陽極梯應(yīng)用較為廣泛，這種耐久性監(jiān)測傳感器是基于宏電池電流監(jiān)測技術(shù)來判斷腐蝕的發(fā)生。對于內(nèi)部干燥的混凝土，若監(jiān)測電流絕對值小于15 μA，表明被檢測的陽極未發(fā)生腐蝕，反之則表明陽極發(fā)生腐蝕；而對于內(nèi)部潮濕的混凝土，其腐蝕發(fā)生的標志是監(jiān)測電流絕對值的突變增加以及電位的持續(xù)負移。基于監(jiān)測到的腐蝕發(fā)生時間及電極埋深等數(shù)據(jù)，可評估混凝土結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

ERE20電極本質(zhì)為MnO2參比電極，它是通過半電池電位法測量鋼筋的電位從而判斷鋼筋銹蝕。根據(jù)JTS/T 236-2019《水運工程混凝土試驗檢測技術(shù)規(guī)范》標準，并結(jié)合MnO2電極與CuSO4電極的電位差計算鋼筋的半電池電位（相對于MnO2電極），判斷其銹蝕狀態(tài)，結(jié)果見表3。ERE20電極作為一種固態(tài)長壽命電極，具有較高的穩(wěn)定性和實用性，可與陽極梯聯(lián)用，結(jié)合半電池電位判斷各陽極腐蝕狀況。

ECI腐蝕監(jiān)測器可實現(xiàn)鋼筋腐蝕速率、氯離子含量和混凝土電阻率、極化電阻的定量監(jiān)測。多功能耐久性監(jiān)測傳感器也具備相同功能，此外它還可以監(jiān)測混凝土內(nèi)部的pH，且該設(shè)備價格相對便宜。根據(jù)混凝土內(nèi)部氯離子含量隨時間變化規(guī)律，可推算出混凝土結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

結(jié)合以上傳感器的特點，確定耐久性監(jiān)測傳感器的設(shè)置方案，如表4所示，即在每個監(jiān)測點布置1套陽極梯、1個ERE20電極、2套多功能耐久性監(jiān)測傳感器。傳感器均需在混凝土澆筑前預(yù)埋到混凝土保護層中，并在施工階段將電纜沿外側(cè)鋼筋引至目標區(qū)域，以便無線采集系統(tǒng)安裝以及后期統(tǒng)一管理和維護。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置

為便于以后采集設(shè)備安裝維護及供電，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于監(jiān)測點上方的箱梁或承臺上，如圖1所示。

（a）橋墩     （b）錨碇

（c）箱梁

圖1 傳感器及采集儀設(shè)計位點示意

針對偏遠或供電不便的區(qū)域，采用太陽能-蓄電池供電系統(tǒng)進行長期供電。采用無線網(wǎng)絡(luò)進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，一套數(shù)據(jù)采集儀可與多個不同種類的傳感器同時適配連接。一套數(shù)據(jù)采集儀負責同一結(jié)構(gòu)上的所有傳感器的通訊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)詳細布置如表5所示。

耐久性傳感器安裝

陽極梯及ERE20電極安裝

為了便于安裝，將ERE20電極線路并入陽極梯系統(tǒng)中。安裝時，ERE20電極固定在陽極梯附近的鋼筋上，以確保更準確檢測出陽極梯各陽極電位。陽極梯安裝時，先挑選合適的鋼筋間隙，確保陽極梯固定棒與上端接觸處剛好緊靠在鋼筋上，然后依次用扎帶固定陽極梯固定棒及上端接觸位置，如圖2所示。

圖2 陽極梯及ERE20電極安裝

值得注意的是，陽極梯上端與鋼筋接觸處需與鋼筋絕緣，陰極也需與鋼筋絕緣。同時，為保證陽極梯各陽極均勻分布于混凝土保護層內(nèi)，通常情況下，在模板安裝完畢后再調(diào)節(jié)陽極梯各陽極埋深。最后，測量各陽極到模板的距離，記錄各陽極的埋深，以便后期進行耐久性數(shù)據(jù)分析及混凝土壽命評估。

多功能耐久性監(jiān)測傳感器安裝

多功能耐久性監(jiān)測傳感器安裝方法簡便，其結(jié)構(gòu)和安裝如圖3所示。先利用U型支架將傳感器固定，再用帶孔的鋼條固定U型支架，然后用扎帶將鋼條綁牢在鋼筋上，最后利用支架上的螺母位置來調(diào)節(jié)傳感器埋深。記錄傳感器表面到模板距離，便于耐久性數(shù)據(jù)評估。

圖3 多功能耐久性監(jiān)測傳感器的結(jié)構(gòu)及安裝

耐久性數(shù)據(jù)分析

ERE20電極監(jiān)測數(shù)據(jù)

深中通道大氣區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用的是普通鋼筋，陽極梯安裝時鋼筋電極與結(jié)構(gòu)物鋼筋電連接，因此可通過測量ERE20電極與陽極梯鋼筋電極間的電位判斷鋼筋腐蝕狀況。在浪濺區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部靠外側(cè)采用的是環(huán)氧鋼筋，因陽極梯鋼筋電極固定在環(huán)氧鋼筋附近，所以測量的數(shù)據(jù)與此處環(huán)氧鋼筋破損處的腐蝕狀況相近。

圖4為錨碇（M1、M2）和119號橋墩（M6、M7）監(jiān)測點ERE20電極監(jiān)測數(shù)據(jù)。可見監(jiān)測初期，由于耐久性傳感器所在的混凝土未完全水化，內(nèi)部環(huán)境不穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)波動較大，電位過負，部分數(shù)據(jù)小于-1.0 V（相對于MnO2電極）。隨著時間延長，鋼筋電位逐漸正移，這是因為混凝土內(nèi)部水分逐漸消耗殆盡，內(nèi)部環(huán)境也趨于穩(wěn)定。由于半電池電位檢測數(shù)據(jù)是在工程建設(shè)階段采集的，受工程圍堰影響，大氣區(qū)和浪濺區(qū)各監(jiān)測點的電位差異不明顯。約300天后，各監(jiān)測點的電位都穩(wěn)定在-0.3~-0.2 V（相對于MnO2電極）。結(jié)合表3中數(shù)據(jù)可判斷混凝土內(nèi)部鋼筋逐漸趨于鈍化，且尚未發(fā)生腐蝕。

圖4 ERE20電極耐久性監(jiān)測數(shù)據(jù)

陽極梯監(jiān)測數(shù)據(jù)

陽極梯可測量不同陽極與陰極之間的電位和電流、相鄰陽極之間的混凝土電阻等參數(shù)，獲得相應(yīng)的腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)。

從M1監(jiān)測點的數(shù)據(jù)可以看出，監(jiān)測250天后，電位和電流逐漸穩(wěn)定，電流數(shù)據(jù)絕對值都小于15 μA，而電阻隨著時間延長不斷增加，這表明混凝土內(nèi)部水分逐漸消耗完畢，內(nèi)環(huán)境也逐漸穩(wěn)定。結(jié)合陽極梯的腐蝕判斷依據(jù)，電流未超過閾值，表明M1點尚未監(jiān)測到腐蝕發(fā)生。從M2監(jiān)測點的數(shù)據(jù)可以看出，混凝土澆筑后短時間內(nèi)，電位與電流數(shù)值波動明顯，約100天后，電流數(shù)值趨于零，電流絕對值小于15 μA，而電阻在此過程中逐漸增大，這表明此處陽極梯未監(jiān)測到腐蝕發(fā)生。

多功能耐久性監(jiān)測傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)

氯離子是影響腐蝕發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，也是橋梁健康監(jiān)測需要重點監(jiān)測的耐久性參數(shù)之一。結(jié)合四航研究院研究結(jié)果表明，氯離子濃度與探針電位成正相關(guān)，且當探針電位低于15 mV時，環(huán)境中的氯離子濃度大于0.06 mol/L（混凝土中氯離子的臨界濃度）。

圖5 多功能耐久性監(jiān)測傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)

結(jié)語

結(jié)合深中通道腐蝕環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點，針對性地設(shè)計及搭建了耐久性監(jiān)測系統(tǒng)，成功地將36套耐久性監(jiān)測傳感器安裝于深中通道錨碇、箱梁、橋墩的浪濺區(qū)及大氣區(qū)。同時，通過現(xiàn)場采集的耐久性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，盡管數(shù)據(jù)存在一定的波動，但從目前各監(jiān)測點的陽極梯數(shù)據(jù)及半電池電位判斷，耐久性傳感器尚未監(jiān)測到腐蝕發(fā)生，橋梁耐久性健康狀態(tài)良好。