隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，沿海交通需求增加，海洋工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大，其設(shè)計服役壽命也不斷提高，動輒百年甚至更高。而在嚴苛的海洋環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)受海水侵蝕嚴重，在長期服役過程中其耐久性必然發(fā)生退化，從而危及結(jié)構(gòu)的安全使用，因此有必要采取相關(guān)措施及時掌握結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，以指導(dǎo)后續(xù)結(jié)構(gòu)的健康運營維護。

通常，結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的診斷技術(shù)分為檢測和監(jiān)測技術(shù)。因混凝土耐久性監(jiān)測技術(shù)具有對結(jié)構(gòu)物無損害、人工成本低、可實時反饋等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各重大海工結(jié)構(gòu)。而隨著耐久性監(jiān)測技術(shù)的不斷應(yīng)用及發(fā)展，各類耐久性監(jiān)測傳感器也逐漸被開發(fā)應(yīng)用。同時耐久性監(jiān)測也暴露出各種問題，包括現(xiàn)場傳感器無人監(jiān)管維護、數(shù)據(jù)無法及時持續(xù)采集、傳感器終端線路腐蝕嚴重等，導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)無法得到有效分析，無法對工程結(jié)構(gòu)腐蝕進行合理評估，從而無法發(fā)揮其應(yīng)有價值。

耐久性監(jiān)測傳感器

目前，國內(nèi)外市場上耐久性監(jiān)測傳感器主要有：德國Sensortec GMBH公司的陽極梯傳感器和后裝式膨脹環(huán)、美國Virginia Technologics Inc.公司的ECI傳感器、丹麥Force Technology公司的ERE20電極和Corrowatch傳感器，如圖1所示。其中，陽極梯、膨脹環(huán)及Corrowatch均為基于宏電流監(jiān)測的傳感器，其原理是依據(jù)監(jiān)測不同埋置深度下陽極間與陰極間的電位、電流、電阻等數(shù)據(jù)，綜合判定鋼筋的腐蝕狀況。而ERE 20電極為MnO2參比電極，可對鋼筋腐蝕電位進行有效監(jiān)測。ECI傳感器則具備監(jiān)測混凝土電阻率、鋼筋腐蝕電位、鋼筋腐蝕速率以及氯離子電位的功能。

圖1 各式耐久性監(jiān)測傳感器

同時，隨著技術(shù)研究的深入，一些基于電化學阻抗、電化學噪聲、光纖等技術(shù)的新型耐久性監(jiān)測傳感器也正逐漸被開發(fā)和應(yīng)用，但這些傳感器一直未在工程上廣泛應(yīng)用。

監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

基于我國境內(nèi)不同海域的工程結(jié)構(gòu)，開展了耐久性監(jiān)測研究工作。監(jiān)測系統(tǒng)遍布華南、華東、華北地區(qū)，包括海口、湛江、泉州、日照、青島的涉海工程結(jié)構(gòu)。除膨脹環(huán)外，其他埋設(shè)的傳感器均在建設(shè)階段以預(yù)埋的方式進行搭建安裝，其監(jiān)測設(shè)計如圖2所示，重點在腐蝕環(huán)境嚴重的浪濺區(qū)布點監(jiān)測，同時為了便于監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析在大氣區(qū)也進行了布點。

（a）海口        （b）湛江

（c）泉州

（d）日照       （e）青島

圖2 國內(nèi)不同區(qū)域海工結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測設(shè)計圖

各海域監(jiān)測結(jié)構(gòu)及布點情況如下：

(1) 海口監(jiān)測結(jié)構(gòu)為重力式碼頭結(jié)構(gòu)，監(jiān)測傳感器為陽極梯和ERE20電極，監(jiān)測點布置在3處浪濺區(qū)；

(2) 湛江監(jiān)測結(jié)構(gòu)為高樁碼頭結(jié)構(gòu)，監(jiān)測傳感器為陽極梯、ERE20電極及應(yīng)變傳感器，監(jiān)測點分布在大氣區(qū)和浪濺區(qū)；

(3) 泉州監(jiān)測結(jié)構(gòu)為跨海大橋結(jié)構(gòu)，監(jiān)測傳感器為陽極梯和ERE20電極，監(jiān)測點分布在大氣區(qū)和浪濺區(qū)；

(4) 日照監(jiān)測結(jié)構(gòu)為重力式碼頭結(jié)構(gòu)，監(jiān)測傳感器為陽極梯、ERE20電極及ECI傳感器，監(jiān)測點分布在大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水變區(qū)；

(5) 青島監(jiān)測結(jié)構(gòu)為跨海大橋結(jié)構(gòu)，監(jiān)測傳感器為陽極梯和膨脹環(huán)，監(jiān)測點分布在大氣區(qū)和浪濺區(qū)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)搭建

海口大氣區(qū)和浪濺區(qū)的監(jiān)測傳感器布置點設(shè)置在現(xiàn)澆胸墻上，于2016年底安裝完成；湛江監(jiān)測點設(shè)置在受海水腐蝕較為嚴重的橫梁、縱梁、樁帽和預(yù)制面板側(cè)面，于2016年3月安裝完畢；泉州監(jiān)測點分布在主橋Z3塔柱迎海側(cè)（東側(cè)，此側(cè)受風浪影響較大，腐蝕環(huán)境比其他側(cè)更嚴酷），于2010年搭建完成；日照大氣區(qū)和浪濺區(qū)的監(jiān)測傳感器布點位置設(shè)置在現(xiàn)澆管架橋墩上，于2013年建設(shè)完成；青島監(jiān)測點均安裝于橋墩側(cè)面，于2010年安裝完成。各海域浪濺區(qū)陽極梯埋深如下：

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及分析

經(jīng)過長達10年的數(shù)據(jù)采集跟蹤，獲取了各海域海工結(jié)構(gòu)的耐久性監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時也發(fā)現(xiàn)，采集數(shù)據(jù)終端出現(xiàn)部分傳感器銹蝕、無人監(jiān)管維護等問題，部分海域的監(jiān)測點甚至已被破壞。因監(jiān)測傳感器安裝數(shù)量多，范圍廣，為便于數(shù)據(jù)分析，取腐蝕較為嚴重的浪濺區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評估分析。

1 海口

在海口浪濺區(qū)（+2.9 m），混凝土澆筑后短時間內(nèi)電位與電流均表現(xiàn)為負值，電位達到-200 mV以下，電流均為負值，且低于判定值（-15 μA），這是因為混凝土水化仍在進行，內(nèi)部濕度較大，傳感器未達到穩(wěn)定狀態(tài)。但隨著時間延長，其電位逐漸顯示為正值，且大部分電流值為0，這表明傳感器已鈍化。但由于監(jiān)測采集頻率過低，數(shù)據(jù)分析得到的信息有限。

2 湛江

湛江浪濺區(qū)（+2.5 m）耐久性監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)完成初期，電位和電流波動較大，但電流電位均為正值；監(jiān)測4個月后，電位與電流值均接近0，這表明混凝土內(nèi)部水化完成，傳感器逐漸鈍化；再經(jīng)過8個月，電位與電流幾乎無變化，此后電位和電流出現(xiàn)正向的小幅度上升。以上監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，傳感器未監(jiān)測到腐蝕發(fā)生。

3 泉州

泉州浪濺區(qū)（+5.9 m）監(jiān)測數(shù)據(jù)與湛江浪濺區(qū)（+2.5 m）監(jiān)測數(shù)據(jù)類似，電位與電流出現(xiàn)較大的正向值而后隨時間衰減，并逐漸穩(wěn)定在0附近。但由于監(jiān)測頻率低，數(shù)據(jù)過少，很難看出數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

4 日照

日照浪濺區(qū)（+4.3 m）陽極梯的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，除個別數(shù)據(jù)波動較大外，絕大部分陽極電位為正值，且穩(wěn)定在0附近，而電流從負值（甚至個別位于-200 μA以下）逐漸正移，并穩(wěn)定在0附近。此監(jiān)測點電位與電流值變化規(guī)律與海口類似，表明傳感器已鈍化，未監(jiān)測到腐蝕發(fā)生。

日照浪濺區(qū)（+5.8 m）ECI監(jiān)測數(shù)據(jù)中，開路電位（OCP）在-0.294 V以上鋼筋未發(fā)生腐蝕，在-0.444~-0.294 V之間鋼筋腐蝕狀態(tài)不明，在-0.444 V以下鋼筋發(fā)生腐蝕。監(jiān)測700天后，OCP均在-0.294 V以上，說明鋼筋未發(fā)生腐蝕。

當臨界氯離子濃度為0.06 mol/L時，根據(jù)能斯特方程計算得到氯離子電位為-0.15 V。如果監(jiān)測到的氯離子電位在-0.15 V以下，則表明探針處氯離子濃度已達到臨界濃度。從ECI監(jiān)測數(shù)據(jù)可看出，監(jiān)測時間超過1000小時后，氯離子電位均高于-0.15 V，這說明氯離子濃度在臨界濃度以下；而在監(jiān)測時間為500~1000天時，氯離子濃度超過臨界濃度，而后又降為臨界濃度以下，這可能是混凝土內(nèi)環(huán)境變化引起的波動。

5 青島

從青島浪濺區(qū)（+2.5 m）陽極梯監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，各陽極電位波動基本一致，電流波動趨勢與電位波動有一定的相關(guān)性，陽極電位均大于0 mV，且未監(jiān)測到明顯的腐蝕電流，表明此處鋼筋未發(fā)生腐蝕。從浪濺區(qū)（+4.5 m）的監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，除連接鋼筋CR監(jiān)測點外，各陽極電位和電流趨于穩(wěn)定，且保持在0附近；而CR監(jiān)測點前7年電位波動較大，處于-300 mV以下，但未監(jiān)測到對應(yīng)的腐蝕電流，推測此處電位波動是由環(huán)境因素導(dǎo)致。綜上，認為此處未監(jiān)測到腐蝕。

從青島浪濺區(qū)（+2.0 m）膨脹環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，電流和電位整體波動小，除一次較大波動外，其余均保持在0附近。此次數(shù)據(jù)波動未檢測到持續(xù)的電位和電流為負值，因此推測電流和電位出現(xiàn)的較大波動是環(huán)境因素或測試誤差導(dǎo)致。綜上，認為此處未監(jiān)測到腐蝕。

混凝土氯離子數(shù)據(jù)分析

在監(jiān)測周期中，耐久性監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動，因此對其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)存疑。為準確驗證混凝土的耐久性狀況，取結(jié)構(gòu)芯部或者相同環(huán)境中同一配合比的混凝土結(jié)構(gòu)試驗塊進行氯離子滲透試驗。其中，海口海域試驗對象為暴露試驗塊，其他海域試驗對象為結(jié)構(gòu)芯部。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 各海域浪濺區(qū)結(jié)構(gòu)中的氯離子含量

從圖中可以看出，在海口海域氯離子擴散深度達到18 mm，在其他海域氯離子擴散深度均為15 mm左右。而各海域傳感器最外側(cè)埋深均為20 mm左右，因此可判定氯離子尚未侵蝕到陽極表面。

結(jié)論與建議

(1) 耐久性監(jiān)測傳感器在長達10年的服役期內(nèi)，仍能保持正常工作，且耐久性監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)前期均表現(xiàn)為電位或電流值跳躍大，但后期逐漸平穩(wěn)的趨勢，大部分數(shù)據(jù)都穩(wěn)定在0附近。

(2) 現(xiàn)階段對耐久性監(jiān)測傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析以及氯離子滲透數(shù)據(jù)表明，各海域結(jié)構(gòu)耐久性狀況良好，未監(jiān)測到腐蝕發(fā)生。

(3) 耐久性監(jiān)測傳感器現(xiàn)場狀況維護差，數(shù)據(jù)采集頻率少，導(dǎo)致耐久性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析有限，未能起到關(guān)鍵作用。建議與相關(guān)工程單位保持溝通，做好耐久性監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場維護工作。

(4) 建議當持續(xù)監(jiān)測到陽極梯電位處于負值，電流處于-15 μA以下時，及時提高對結(jié)構(gòu)的監(jiān)測頻率，確定該現(xiàn)象是環(huán)境波動還是腐蝕引起，必要時可采取檢測手段綜合判定結(jié)構(gòu)物是否腐蝕。

(5) 建議定期對耐久性監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集及維護，必要時可結(jié)合無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離高頻采集。同時需做好傳感器終端維護工作，避免傳感器終端設(shè)備因人為破壞或惡劣環(huán)境侵蝕導(dǎo)致失效。