歐洲鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕無損監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

1、歐洲鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕無損監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用*干偉忠1 M. Raupach2（1. 寧波工程學(xué)院，浙江，寧波 315016；2. 德國亞琛工業(yè)大學(xué)，亞琛 52066）摘 要：隨著技術(shù)規(guī)范的更新?lián)Q代，高性能混凝土技術(shù)的發(fā)展，一般環(huán)境的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性已經(jīng)有所保障，但對于嚴(yán)酷環(huán)境如海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，目前尚無足夠的把握達(dá)到設(shè)計要求的使用壽命。在歐洲，對重要的或難以檢查的混凝土結(jié)構(gòu)，如跨海大橋、碼頭、海洋平臺、海底隧道等進(jìn)行腐蝕無損監(jiān)測，然后及時進(jìn)行“耐久性再設(shè)計”已是目前不可替代的設(shè)計措施，同時它作為多重保護(hù)系統(tǒng)，為將來可能需要的腐蝕防護(hù)或修復(fù)腐蝕措施的科學(xué)決策提供了保障。本文主要介

2、紹歐洲80年代末開始研發(fā)的“預(yù)埋式梯形陽極”和“后裝環(huán)形陽極”等腐蝕無損監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理以及它們的工程應(yīng)用。關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu) 耐久性 腐蝕 無損監(jiān)測1 概述橋梁、隧道、港口等基礎(chǔ)設(shè)施工程的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，已是當(dāng)前亟待采取措施應(yīng)對的重大問題。長期以來，人們一直以為混凝土應(yīng)是非常耐久的材料。直到70年代末期，發(fā)達(dá)國家才逐漸發(fā)現(xiàn)原先建成的基礎(chǔ)設(shè)施工程在一些環(huán)境下出現(xiàn)過早損壞。美國許多城市的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程和港口工程建成后不到二、三十年甚至在更短的時期內(nèi)就出現(xiàn)劣化1-4正在和即將建設(shè)的大型基礎(chǔ)設(shè)施工程就有：寧波杭州灣跨海大橋，紹興杭州灣大橋，金塘大橋及舟山連島工程，象山港跨海大橋，三門灣大橋，

3、寧波舟山港口一體化工程以及規(guī)劃中的寧波杭州灣鐵路大橋等等，因而這些海工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能否過關(guān)，工程壽命能否達(dá)到設(shè)計要求，是擺在我們面前的現(xiàn)實難題。在歐洲，通過不懈研究與實踐，已經(jīng)取得了大量的可資工程應(yīng)用的成果1,2,4-17。但是，由于該問題的復(fù)雜性，比較成熟的一般還只能在材料和構(gòu)造層面來間接反映結(jié)構(gòu)設(shè)計中對耐久性和使用壽命的要求。對于某些重要基礎(chǔ)工程，欲確保100年（或120年）的使用年限，尚缺乏普通認(rèn)可的基于可靠度的設(shè)計理論2,4,5。歐洲D(zhuǎn)uraCrete提出的做法是“耐久性設(shè)計與再設(shè)計”，而實施之的前提就是動態(tài)獲得結(jié)構(gòu)原體耐久性關(guān)鍵參數(shù)的信息反饋。大量調(diào)查表明1-3：處于沿海浪濺區(qū)

4、的梁板，水位變動區(qū)的柱，發(fā)生順筋脹裂的時間往往不到10年。浙江寧波港在役的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碼頭的腐蝕現(xiàn)狀觸目驚心，如10萬噸級礦石中轉(zhuǎn)碼頭，當(dāng)時是全優(yōu)工程，但僅使用11年，樁帽、水平撐就普通順筋脹裂，某些部位厚45 cm的混凝土保護(hù)層內(nèi)水溶性Cl含量就已達(dá)0.8%左右。隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，我國沿海地區(qū)正進(jìn)行著歷史上規(guī)模最大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，就浙東沿海而言，-* 浙江省自然科學(xué)基金項目（M503150），交通部科技項目（2003 319 H01 010）2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)控原理混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋脫鈍后，如果還有足夠的氧和水供給，則鋼筋陽極處失去電子生銹，結(jié)構(gòu)進(jìn)入腐蝕階段。新澆混凝土的脫鈍前鋒線處于

5、混凝土表面，隨著時間的推延，脫鈍前鋒線將向鋼筋方向推進(jìn)。當(dāng)然，脫鈍前鋒線的推進(jìn)速度主要取決于外部環(huán)境以及混凝土本身的抵抗腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散性能。混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性下降一般可以分為二個階段（圖1），即引導(dǎo)階段（t0-t1）和腐蝕階段（t1-t3）。其中腐蝕階段以構(gòu)件混凝土脹裂點t2為界又可分為二個時段，t2-t3全過程暴露在人們的視線中，而t1-t2進(jìn)程也可用無損檢測設(shè)備跟蹤。從經(jīng)濟(jì)角度講，在t1-t2階段的腐蝕修復(fù)設(shè)計與施工往往是“亡羊補(bǔ)牢，猶未為晚”，然而，最為經(jīng)濟(jì)有效的是鋼筋脫鈍前采取耐久性再設(shè)計措施，如及時啟用預(yù)置的陰極保護(hù)裝置、采用表面保護(hù)阻止有害介質(zhì)的進(jìn)一步侵入等。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，國內(nèi)目前

6、主要依靠試驗室快速試驗獲取的參數(shù)以及現(xiàn)場同條件構(gòu)件破損試驗結(jié)果間接推定t1，由于數(shù)據(jù)有限、間斷、參數(shù)預(yù)選，且無動態(tài)反饋，因此基于各種數(shù)學(xué)模型的t1預(yù)報精度難以期望。對于重要工程，如果在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)埋入能監(jiān)測整個t1進(jìn)程的傳感器，動態(tài)地、長期地獲得混凝土配筋脫鈍前鋒面的進(jìn)展情況和結(jié)構(gòu)原體耐久性關(guān)鍵參數(shù)的信息反饋5-7，那么t1的預(yù)報準(zhǔn)確性問題即可迎刃而解了。如圖2所示，在混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的范圍內(nèi)，按不同深度埋入多個脫鈍傳感器，每個傳感器均勻分布于混凝土表面到鋼筋的保護(hù)層上，那么就可利用一組脫鈍前鋒面到達(dá)多個不同深度傳感器的時間，建立前鋒面發(fā)展進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型，這個模型能夠不斷得到新反饋信號的校正。

7、我們通過外推計算即可得到t1，此值能夠不斷得到動態(tài)修正。如果t1小于設(shè)計使用年限，就可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性再設(shè)計，及時啟動腐蝕保護(hù)預(yù)案，并繼續(xù)對前鋒面的進(jìn)展進(jìn)行監(jiān)測，以確認(rèn)腐蝕保護(hù)措施的效果；如果采取措施后的t1仍小于設(shè)計使用年限，那么在工程進(jìn)入腐蝕階段前仍有機(jī)會采取經(jīng)濟(jì)的補(bǔ)救措施。圖 2 耐久性監(jiān)測原理3 耐久性監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用3.1 預(yù)埋式梯形陽極監(jiān)測系統(tǒng)上世紀(jì)80年代末，德國亞琛工業(yè)大學(xué)土木工程研究所（ibac, RWTH Aachen）P. Schießl, M. Raupach, W. Breit等7-18首先發(fā)明了梯形陽極混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋式耐久性無損監(jiān)測傳感系統(tǒng)（Anod

8、en-Leiter-System，圖3、圖4），它由澆入混凝土的一組鋼筋梯段傳感器、一個陰極和互連的引出結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線組成，能夠測量的是鋼筋段腐蝕各階段電學(xué)參數(shù)?！疤葑印眱蓚?cè)的豎桿由于不銹鋼制成，并與鋼筋段絕緣，導(dǎo)線安裝在豎桿中孔內(nèi)并由樹脂固定，然后傾斜地安裝于監(jiān)測部位的混凝土保護(hù)層中，使每一鋼筋段與混凝土表面保持不同的距離。當(dāng)鋼筋段脫鈍時，此鋼筋段與不銹鋼之間的回路電學(xué)參數(shù)必定改變。而共同陰極段則由涂氧化鉑的鈦棒制成，使其具有很高的正電位。因為電位不同的兩種金屬通過導(dǎo)線可以構(gòu)成原電池，電位差愈大，則腐蝕電流愈大。圖 3 預(yù)埋式耐久性無損監(jiān)測傳感系統(tǒng)圖 4 預(yù)埋式耐久性監(jiān)測傳感系統(tǒng)俯視圖相同原理的

9、監(jiān)測系統(tǒng)還有丹麥FORCE公司稍晚開發(fā)的Nagel-System（圖5）等。圖 5 丹麥的Nagel-System監(jiān)測系統(tǒng) 圖 6 后裝環(huán)形陽極監(jiān)測系統(tǒng)3.2 后裝環(huán)形陽極監(jiān)測系統(tǒng)對于已建成的重要基礎(chǔ)設(shè)施工程，為了跟蹤混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性情況，德國亞琛工業(yè)大學(xué)還研發(fā)了后裝環(huán)形陽極監(jiān)測系統(tǒng)（Speizring-Anoden-Sys- tem，圖6）。該系統(tǒng)由陽極環(huán)和陰極棒組成，通過在結(jié)構(gòu)上鉆孔安裝就位。3.3 應(yīng)用實例經(jīng)過十余年的不懈研發(fā)，德國的梯形陽極系統(tǒng)(用于實際工程的系統(tǒng)硬件和數(shù)據(jù)分析軟件)已逐步成龍配套。1990年開始，該系統(tǒng)在世界各國陸續(xù)投入工程應(yīng)用（見表1），涉及的工程類型主要有處于海

10、洋腐蝕環(huán)境中的碼頭、隧道、橋梁等重要基礎(chǔ)設(shè)施，至2003年11月全球共使用了889套梯形陽極系統(tǒng)，影響較大的有丹麥的Buildings of the Great-Belt-Link（1991-1994，共431套），丹麥-瑞典的Bridge Öresund-Link（1997/1998，共60套），埃及的Monitoring of the walls of the Al Sukhna Por（1999，共71套）和日本的Tunnel Project in Tokyo（1998，共15套），我國香港和臺灣也于1994年和1998年先后引進(jìn)了17套這種監(jiān)測系統(tǒng)用于Immersed tub

11、es, Western Harbour Crossing；Concrete plinth of railway, trial-installation；Monitoring, fiels tests。而后裝環(huán)形陽極監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用則相對較晚，數(shù)量也較少，截至2001年全世界共應(yīng)用145套（見表2）。表1 梯形陽板系統(tǒng)的應(yīng)用實例18國家或 工程名稱, 部位實施地區(qū) 年份數(shù)量德國 Bridge Schießbergstraße, Cologne 1990/199113 奧地利 Caps of the Bridge Nötsch 19916 丹麥 Buildings of

12、 the Great- Belt-Link，1991/Eastern Tunnel1992168丹麥 Buildings of the Great- Belt-Link，1991/Cut & Cover - Tunnel199236 丹麥 Buildings of the Great- Belt-Link，Western Bridge, 6 pier shafts199272 丹麥 Buildings of the Great- Belt-Link，Western Bridge, 6 girders1992108Buildings of the Great -Belt-Link，丹麥

13、Eastern Bridge, anchor block and 1993/pylon199428 丹麥 Buildings of the Great- Belt-Link，Eastern Bridge, pier shaft 199414 丹麥 Bridge edge beam elements 19945 中國Immersed tubes, Western Harbour 香港 Crossing19949 日本 Trials for Tunnel segments199510 克羅Spray water zones of Maslenica Arch 地亞 Bridge, HIMK1995

14、21 埃及 Suez-Canal Tunnel19964 埃及 Bibliotheca Alexandria199651 荷蘭 Segments of the 2nd Heinenoord Tunnel, RWS199719 瑞士 Trial for tunnel segments19975 丹麥-Öresund-Link, Bridge, splash water 1997/瑞典 zone of pylon and piers 199860 香港 trial-installation 19982 澳大利亞 Tunnel Perth, BCJV 19984 日本 Tunnel Pro

15、ject in Tokyo 199815 臺灣 Monitoring, fiels tests 19986 荷蘭 2nd BENELUX Tunnel, RWS 199910 丹麥 Testing of stainless steel reinforcement, COWI19996 埃及 Monitoring of the walls of the Al Sukhna Por199971 埃及 Said Harbour Extension200069 荷蘭 corrosion risk of the Green Heart 200117 Tunnel德國 park deck in M

16、2;nster200215 克羅Monitoring of the corrosion risk of 地亞 the KRK-Bridge20036 巴林 AHEAD Flyover20039 德國corrosion risk of park decks in Munich200330表2 后裝環(huán)形陽板系統(tǒng)的應(yīng)用實例18國家或 工程名稱，部位實施數(shù)地區(qū)年份量 德國Wuppertal and Sankt Augustin199811 德國Testing of bridge caps with new type of cement, BAST19988 挪威of Defense199920 德國(

17、research), UNI Braunschweig19992 德國within the Brite Euram Project Smart 199940 Structures德國garage Rathauscenter Ludwigshafen 200012德國挪威2000/臺灣Laboratory tests on Monitoring 200110日本德國(research), Uni Braunschweig200112 挪威Monitoring of quay walls, Ministry of Defense200130遺憾的是，這種對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性非常重要的預(yù)埋式無損監(jiān)測系

18、統(tǒng)在我國大陸尚無成功的應(yīng)用，難點在于如何整合電化學(xué)鋼筋腐蝕檢測方法，依靠埋入混凝土保護(hù)層中不同深度的鋼筋脫鈍傳感器，以新的時域和頻域分析方法，徹底解決引線絕緣層壽命短、抗電磁與溫濕干擾能力差、測量系統(tǒng)易發(fā)生漂移、難以實時修正脫鈍前鋒面發(fā)展進(jìn)程等問題，并用合金模局部取代光纖介質(zhì)包層，構(gòu)成腐蝕脫鈍敏感膜，從而獲得與鋼筋腐蝕電化學(xué)理論相關(guān)性良好的信息。 3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理為了實時判斷脫鈍前鋒面的深度，需要定時測定多項電學(xué)參數(shù)，如電流、電位差、極化電阻、電解質(zhì)電阻以及鋼筋所在部位的溫度、濕度等。測量的時間間隔一般控制在每年1-3次，當(dāng)然還可以利用電腦進(jìn)行實時巡測，不過這不是很必要，因為脫鈍前鋒面的發(fā)

19、展速度畢竟是緩慢的，它短期內(nèi)的試驗數(shù)據(jù)的波動對數(shù)學(xué)推算不起決定性作用。試驗表明，溫濕度對電學(xué)參數(shù)的影響是顯著的，因此需要對電學(xué)參數(shù)進(jìn)行校正。進(jìn)一步還要測定不同鋼筋段（探頭）之間的阻抗，并以此推算混凝土的含水量。然后可以根據(jù)通過相應(yīng)試驗室試驗建立的數(shù)學(xué)模型推算脫鈍面的推進(jìn)速度。為了測定參數(shù)專門研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（CAN IN-LTM），操作簡單，參數(shù)存儲位達(dá)1000條，而且存儲的數(shù)據(jù)還可以通過USB接口或PS2串行接口與微電腦交換，所有數(shù)據(jù)可在微電腦使用專門軟件進(jìn)行處理。到目前為止，工程實測結(jié)果顯示，測試數(shù)據(jù)與實驗室研究數(shù)據(jù)非常吻合。但由于這種測定是長期的，其周期將達(dá)幾十年，甚至達(dá)百年，因此完整

20、的全壽命的實測成果要等若干年后才能陸續(xù)公開發(fā)表。監(jiān)測，然后及時進(jìn)行“耐久性再設(shè)計”是目前不可替代的設(shè)計措施，同時作為多重保護(hù)系統(tǒng)，可為將來可能需要的腐蝕防護(hù)或修復(fù)腐蝕措施的科學(xué)決策提供依據(jù)。對于無法或難以檢查或抵達(dá)的結(jié)構(gòu)，如海洋中的樁基、海底隧道的外襯，無損監(jiān)測系統(tǒng)更是無法替代，監(jiān)測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)可為工程壽命提供判據(jù)。德國梯形陽極系統(tǒng)的應(yīng)用已有十幾年的應(yīng)用歷史，目前都處于正常的運營之中。同類原理的 “后裝環(huán)形陽極系統(tǒng)”以及丹麥的Corrosion Monitoring- Nagel-System的應(yīng)用時間則相對較短，它們的測試數(shù)據(jù)相對于不同混凝土配合比組成和不同環(huán)境的評判與分析方法正在通過大量

21、的標(biāo)定試驗進(jìn)行總結(jié)與歸納。4 結(jié)語工程經(jīng)驗表明，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行無損參考文獻(xiàn)：1 金偉良，趙羽習(xí). 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性M. 北京：科學(xué)出版社，2002.09 2 洪定海. 混凝土中鋼筋的腐蝕與保護(hù)M. 北京:中國鐵道出版社, 1998.093 干偉忠，王高明. 沿海水工混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕及修補(bǔ)狀況的分析研究J. 水利水運科學(xué)研究, 1989，（2）4 陳肇元. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計J. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及耐久性設(shè)計，工程科技論壇. 北京：清華大學(xué)，2002.115 DuraCrete Probabilistic Performance Based Durability Design of Co

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