杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性原位监测预警系统.

1、第 23 卷第 2 期 2010 年 3 月中国公路学报Chi na Jour nal of Hig hw ay and T ran sportVol.23 N o.2M ar.2010文章编号:1001 7372(201002 0030 06收稿日期:2009 05 27基金项目：国际科技合作计划重点项目(2005DFA70810;交通部科技项目(2003319H 01010;国家自然科学基金重点项目(50538070作者简介:干伟忠(1963，男，浙江舟山人，宁波工程学院教授，工学博士 ,E mail:ga nnb ut.c n。杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性原位监测预警系统干伟忠 1,2

2、,RAU PACH M 3,金伟良 1,吕忠达 4(1浙江大学结构工程研究所，浙江杭州 310027; 2 宁波工程学院混凝土结构耐久性研究所，浙江宁波 315016; 3 亚琛工业大学土木工程研究所，北莱茵 威斯特法伦亚琛52062;4.杭州湾大桥工程指挥部，浙江宁波 315327摘要:为了确保杭州湾跨海大桥混凝土结构达到百年设计使用寿命，评价混凝土 结构耐久性状况的动态发展，通过对预埋式钢筋腐蚀无损监测传感系统的国际合作 研究,确定了基于电化学原理和辅助光纤技术的耐久性监测技术思路，制定了该工程 耐久性动态预报监测平台的构架技术方案，捕获了结构各部位腐蚀预警的个性化判 据优化了全桥测点的布

3、置，集成、改良并安装了控制关键部位的全套系统(共计 48套监测单元。工程实测结果表明：测试数据稳定，并且与实验室研究数据吻合。关键词:桥梁工程；混凝土结构；电化学原理；耐久性;预警系统;无损监测中图分类号:U 446.2 文献标志码:AIn situ Monitoring and Early Warning System for Durability ofCon crete Structure of Han gzhou Bay Sea cross ing BridgeGAN Wei zhong 1,2,RAUPA CH M 3,JIN Wei lia ng 1,LU Zho ng da 4(1

4、.1 nstitute of Str uctural Eng ineering ,Zhejiang U niver sity,Hang zhou310027,Zhejiang ,China; 2.Institute ofCon crete Structure Durability ,N in gbo U niv ersit y of T ech no log y,N ing bo315016,Zhejiang ,China;3.Inst itute of Civil Engineer ing ,Aachen U niv ersity of T echnolo gy,A achen 52062,

5、N or th Rhine W est phalia,Germa ny; 4.C onst ruct ion Headquart er s of H ang zho u Bay Bridg e,N in gbo315327,Zhejia ng,Chi naAbstract:In order to attain a hundred year long designed service life fo r the concretestructure of H angzho u Bay Sea crossing Bridge and evaluate the development trend of

6、the state for durability,thro ug h international coo peratio n research on embedded no ndestructive perm anent monito ring of the corr osion risk of steel bar,the technical thought ofdurability m onito ring based on electro chemical principles and assistant optical fiber techno logy w as deter mi ne

7、d.The relev ant tech ni cal solutio n fo r the m on itori ng platfor m ofdynam ic predict on fo r the structure dur ability was g iv en. The characteristic criteria forcorro sion ear ly w arning of ev ery part o f the structure was set.The arrangements of measuring po sition of the bridg e w er e op

8、tim ized.The w hole system (co n sisti ng of 48sensors of co ntro lli ng main parts w as in tegrated,improv ed and installed.Pr actical test results sho w that test data are co nstant and ag ree w ell w ith data g ot by labor atorialresear ch.Key words:bridge engin eeri ng;co n crete structure;elect

9、rochem ical prin ciple;durability;early warni ng system ;non destructiv e perma nent m on itor ing0 引言杭州湾跨海大桥设计使用寿命为 100 年，主体结构除航道桥钢箱梁及部分钢管 桩外,其余均为混凝土结构，混凝土用量近 2.5M m3。工程所处海域潮大流急，浅层海 水溶氧量高，实测值达 6.2 8.9mg L-1;受长江、钱塘江等陆域径流、降水、蒸发、 洋流、潮汐、季节等因素影响，桥位表层海水氯离子实测含量(质量浓度在 5.515.9g L-1 之间,pH 值6.98.1,电导率 1637mS

10、cm-1。调查表明1 6:中国桥梁、港工等海洋环境混凝土结构的耐久性问题非常严重，一般建成后 812 年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂而需要大修，严重的不得不拆除重 建。如浙东某国家重点工程 10 万 t 级矿石中转码头不到 10 年就不得不进行腐蚀修 补，造成的损失令人痛心；南部沿海几十座服役 325 年的码头，因钢筋锈蚀造成耐久 性问题的占 80%以上,有的仅使用 37 年即出现顺筋开裂。调研还显示，在杭州湾沿 海地区，混凝土中性化、碱骨料反应、硫酸盐侵蚀、冻融等并不是混凝土结构劣化 的主要原因，耐久性主要取决于混凝土的抗氯离子侵蚀的性能。氯离子通过混凝土 表面的孔隙逐渐扩散至钢筋表面，积累到

11、一定浓度即会破坏钢筋表面钝化膜，钢筋由 钝态转为活化态，特别是处于浪溅区及潮差区的结构部位，因同时有水分和氧气的充 分供给，钢筋最易锈蚀7 10。钢筋的腐蚀产物多为膨胀性氧化物，其体积是母体钢筋 体积的 26 倍，易导致顺筋胀裂、保护层剥落。就杭州湾跨海大桥（后文简称本工程混凝土结构来说，虽然采取了系统的耐久性 措施,在材料和构造层面来间接反映了设计中对耐久性的要求，同时各国还有大量的可借鉴的成果11,但由于问题的复杂性，再好的设计都不能期望能够预见在长达百 年服役期内的所有环境负荷及其耦合作用。对于重大基础设施，欲确保 100 年以上的使用年限，国际上尚缺乏普遍认可的基于可靠度的设计理论。欧

12、洲Lindv all 等提出的做法是耐久性设计与再设计，而实施的前提就是动态捕获结构原位耐久性关键 参数的信息反馈 12 16 。鉴于此，本文中通过引进国外技术消化吸收再创新，在本工 程施工过程中预置了个性化原位监测系统，旨在获取混凝土结构原位耐久性参数，期 望据此在早期对结构耐久性状况进行诊断预警，指导耐久性再设计或预案的决策，把 握维护与维修的最佳时机。1 监测原理1.1 总体技术思路混凝土结构的耐久性下降一般可以分为2 个阶段（图 1,即钢筋钝化阶段（tO t1 和钢筋腐蚀阶段（t1 t3。腐蚀阶段以混凝土保护层胀裂点 t2 为界又可分为 2 个时段（t2 t3 和（t1 t2。从经济角

13、度讲，若在（t2-t3 阶段进行修复作业有是否值得的问题，而（t1 t2 阶段的修复设计与施工往往代价高昂，最为经济有效的做法是在钢筋脱钝前采取耐 久性再设计措施（预案17。显然，实现该目标的难点在于如何提高 t1 的预报精度。图 1 钢筋锈蚀与结构服役时间的关系Fig.1Relati on Betwee n C orrosi on of SteelBar and Service Time of Structure海洋环境中，混凝土中钢筋锈蚀以宏电池腐蚀为主导，阳极区钢筋被氧化，阴极区 氧气被还原。新浇混凝土的脱钝前锋线处于混凝土表面，随着时间的推延,脱钝前锋线将向钢筋方向推进，其推进速度主要

14、取决于外部腐蚀介质负荷强度以及混凝土本 身抵抗这些介质的扩散性能。如果在钢筋保护层内，按不同深度埋入多个脱钝传感 单元阵列，那么就可利用一组脱钝前锋面到达多个不同深度传感单元的时域信号，建立前锋面发展进程的数学模型，这个模型能够不断得到新反馈信号的校正(图 2,其中 纵坐标 h 表示距混凝土表面的距离。通过外推拟合即可得到t1,此值能够不断得到修正，这样就能动态地、长期地获得混凝土配筋脱钝前锋面的进展情况和结构原位 耐久性关键参数的信息反馈。如果预报的 t1 小于设计使用年限，就可以对结构进行耐久性再设计，及时启动耐 久性预案，并继31第 2 期干伟忠，等:杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性原位监

15、测预警系统图 2耐久性监测原理Fig .2t测量系统t混凝上表而川11-/IA1A2一阴极|A3A4A5A61 ySI、 、WX钢筋,-k-(a)监测单元阵列位置(b)预警时间推算0Prin ciple of Durability Mon itori ng续对前锋面的进展进行监测，以确认腐蚀保护措施的效果；如果采取措施后的 t 1 仍小于设计使用年限，那么在工程进入腐蚀阶段前仍有机会采取经济的补救措施。1.2 预警复合判据试验表明，处于不同电化学状态的金属腐蚀电位明显不同。 钢筋在钝化时腐蚀 电位升高(正移 1V 左右，而由钝态转入活化态时腐蚀电位降低，其活化区和钝化区的 电位差往往可达 10

16、0500mV 量级,因此在 2 个区之间可形成电偶电流和电场。据此 依据输出信号的电平分贝数可以判断钢筋的腐蚀状态。测量时若进行恒电位控制 钢筋脱钝时用低输入端压降的安培计还可以捕捉到电流的突跃(图 3(a)监测雀元阵列位置(b)预警时间推算腐蚀电流的突跃Fig.3Sudde n Change of C orrosi on Current在腐蚀过程中，钝化区和活性区之间一般形成宏观腐蚀电池（图 4,如果略去钝化 区（阴极钢筋本体电阻 R t 和活性区（阳极钢筋本体电阻 R s，其腐蚀电流服从闭合回 路欧姆定律 I cor r =（E a -E c /（R B +Ra +R c(1式中:I co

17、rr 为腐蚀电流;E a、E c 分别为阳极、阴极的静态电位；R B 为混凝土 电解质电阻;R a、R c分别为阳、阴极反应电阻。按法拉第定律，金属离子化（氧化失重可按式（2（a）监测单元阵列位置（b）预警时任计算图 4腐蚀闭合回路的等效电路Fig.4Equivale nt Circuit for Corrosi on C losed Circuitm =i corr tM/(nF (2式中:m 为单位表面阳极金属离子化质量;i corr 为腐蚀电流密度;t 为腐蚀持续 时间;M、n 分别为金属的摩尔质量及其价态;F 为法拉第常数。对铁(钢筋而言,M、n 分别为 55.85g mo l -1和

18、 2,所以由式(2 可知其腐蚀失重的理论速度约为1.04g (A h-1。在纯物理方法方面，可以在混凝土中埋入与钢筋同材质的电阻传感元件，通过平 衡电桥测量其电阻的变化，利用电阻与其截面积成反比的关系，最终变换成腐蚀速 度。还可以把铁脱钝敏感膜移植到光纤的芯部，制成光纤传感元件，埋设于混凝土保 护层中。与光纤的外包皮相比，铁脱钝敏感膜对光信号具有较大的吸收率和较小的 反射率，因此钢筋未脱钝或腐蚀时，光信号通过该敏感膜部位后被捕获到的信号强度 较弱,相反当敏感膜腐蚀后，可以检测到较强的光信号，因此通过敏感膜的脱钝可以估 算钢筋的腐蚀速率。经试验优化和改进的电阻及光纤传感装置，不受电磁干扰，可足够

19、精确地推测混 凝土中钢筋腐蚀的前锋线，有理想的重复性和再现性，与电化学方法也有很好的一致 性。系统构成2.1梯形监测传感单元20 世纪 80 年代末，德国亚琛工业大学土木工程研究所发明了第 1 代梯形阳极混凝土结构耐久性预埋式无损监测传感系统 （包括传感单元和数据处理单元，它能够测量基于钢筋段脱钝的各回路或开路电学参 数的突变信号。1990 年开始，该系统在世界各国陆续投入工程应用，涉及的工程类型 主要有处于海洋腐蚀环境中的码头、隧道、桥梁等重要基础设施，截至 2008 年全球共使用了 1496 套梯形阳极单元，影响较大的有丹麦 的 T he Great BeltLink 和丹麦 瑞典的 Br

20、idge resund Link 等工程。32 中国公路学报 2010 年中国大陆对混凝土结构耐久性无损监测的研究起步较晚。 在中国国际科技合作 计划重点项目的支持下，通过中德双方合作研究，整合了钢筋腐蚀监测手段，确定了旨 在提高测量信号灵敏度和分辨力的噪声抑制技术状态，解决了信号线寿命短、抗电 磁与温湿干扰能力差、测量系统易发生漂移、难以实时修正脱钝前锋面发展进程等 问题。在此基础上，结合本工程尝试利用合金膜局部取代光纤介质包层，构成腐蚀脱 钝敏感膜，为本工程不同检测部位研制了个性化的阳极元件和专位阴极元件，从而获 得了与钢筋腐蚀电化学理论相关性良好的信号，架构了第 2 代多冗余监测信号通道

21、，研制了更加可靠的新一代钢筋脱钝传感单元（图 5ycvqcujic|.JACCLaUICJdWOI J1VQJ.bnpjupiug |Oir LGKLAC| VIJ耳盒卩/；pim?Qo图 5 预埋式耐久性无损监测传感单元 Fig.5Sen sor for Durability Non destructivePerma nent Mon itori ng of Early Warni ng System2.2 监测数据处理单元实时掌握脱钝前锋面的发展，需要定时测量多项电学以及某些光电子参数，如电流、电位差、极化电阻、电解质电阻、光功 率变化、钢筋所在部位的温度、湿度等。测量的时间间隔频率一般控

22、制在每年12次。一般来说，利用计算机进行实时巡测或无线遥测并非必要，因为脱钝前锋面的发 展速度毕竟是缓慢的，短期内试验数据的波动基本属于偶然误差，而且二次自动仪表 本身的耐久性难以与工程使用年限相匹配。中德双方合作研究改装了高阻静电仪，优化了测量电路,有效免除了电磁和温、 湿度干扰。研制的便携式数据采集单元，参数测量效率高，而且存储的数据还可以与 普通电脑甚至常用的 TI 图形计算器交换，所有数据可使用通用软件进行处理，并根据 通过相应实验室试验建立的数学模型推算脱钝面的位置。考虑到工程服役期内，电脑及其他二次仪表必将多次升级换代，因此所有的参数均采用原始信号，并提供了原 始的手工图解法模块，

23、便于系统在没有二次投入的情况下也能长期运行。3系统设计与安装3.1系统平台混凝土结构耐久性监测系统主要基于热力学和电化学原理，不是一种通用的定型设备，需要事先针对具体工程、具体设计要 求、实际环境负荷、结构部位的供氧供水条件、所用混凝土配比和钢筋材质、使用 年限要求、技术指标等进行预研和专项设计，选用个性化阳极和研制专用参比阴极，并捕获各监测点稳定的复合判据，为将来对数据进行解读奠定基础。根据本工程实际，耐久性监测系统平台的建立基于下列逐一紧后的计划评审法 (PERT的逻辑循环路线：耐久性分析数据库个性化脱钝复合判据钢筋脱钝传感单元 结构剩余寿命模型。系统设备研制经历了方案阶段初样阶段正样阶段

24、，标定经历了单元调试分系统调试系统调试，最后对系统级冗余技术状态进行冻结。3.2 监测点 的选择与优化为了在确保效率的基础上全面掌握工程耐久性状况，监测点的选择与优化是很 重要的。本工程是长达 36km 的跨海通道，具有大量的同环境、同材料、同工艺、同类别、同部 位的工况归一化构件，而且耐久性的短板预期腐蚀活化控制点容易分析确定。经过多次方案及技术论证，最终在全桥若干个典型墩号截面（F107、E81、C17、A39 上布 置了测位，即南引桥滩涂区、南引桥深水区、中引桥、北引桥高墩。每个墩号截面布 置了若干测点，分布在不同高程、不同部位控制处，共 48 套监测系统（含实验室比对 校正系统。3.3

25、安装程序重大工程工期紧，节点任务重，施工组织严密，工序进度高度交叉，因此安装窗口较 小。为了尽量不干扰施工流水节奏，编制实施了安装零窗口 -168h 程序：-168h:7d 准备,单元设备启封，元器件稳定性验证，信号通断测试，电气性能测试,各子系统进行最后一次健康体检。-48h:2d 准备,技术状态激活，监测诸元、复合判据重新捕获,必要时进行校正，系 统级合检。-24h:1d准备，技术状态最终冻结，进入技术封存状态；进行安装准备，运输 打包，气象咨询，各方确认首选零窗口和备选零窗口。-5h:单元设备启运，到达工地。33第 2 期干伟忠，等:杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性原位监测预警系统0h:设

26、备解包，工具准备,零窗口（例如底、腹板钢筋安装绑扎结束、内模吊装之前安装。3.4腐蚀监测和模拟试验根据测得的监测单元 C 1C 6 以及工程钢筋 C S 回路的特征腐蚀电流（图&电 位（图 7 和电解质电阻等参数的变化即可确定脱钝前锋面。当然脱钝的判据尚与信号源时刻、混凝土原材料、钢材、配合比、温度、湿度及腐蚀环境有关，这些数据还必须通过实验室中试校正和长期试验修正。图 6腐蚀电流时间动态曲线Fig.6Relati ons of C orrosi on Curre nts and Tim e图 7腐蚀电位时间动态曲线Fig.7Relati ons of C orrosi on Pote

27、 ntials and Time滤去信号噪音，实验室研究数据（图 3 与工程实测数据（图 8 吻合,其中图 3 是实验室快速模拟得到的混凝土中钢筋腐蚀的电化学表征 电流的突跃。图 8 是 2007 年其中某一测点系列 13 阳极阵的特征腐蚀电流测试值，数据显示相应钝化膜尚处于稳定状态。如果将来监测信号显示工程钢筋开始腐蚀，则可依据式（2 计算腐蚀速度。由于这种监测是长期的，其生命周期将达几 十年，必要时甚至百年，因此完整的全寿命的实测成果要等若干年后才能陆续发表。4 结语（1 通过构架耐久性动态预报监测平台，对杭州湾跨海大桥的钢筋腐蚀状况进行 长期无损监测，不仅可为耐久性评估和剩余寿命预测提供

28、实时判据，YCvqciMlC|CCUOlfrti血巧ohJiphNUH/UJ|C r IK(leKLA&qpVII H*piaCPim_而且可为将来的腐蚀防护或腐蚀修复决策提供科学图 8部分阳极阵特征腐蚀电流测试值Fig.8Variati ons of Characteristic C orrosi on Curre ntsvs Time in Partial Ano des依据，及时进行耐久性再设计。(2 通过捕获被动电化学和光电子腐蚀信号，比对本工程个性化的腐蚀预警判据，可对当前的腐蚀情况进行必要判断，即利用腐 蚀前锋面推进速率可以推算出结构钢筋脱钝的时间，从而对工程控制部位提供早

29、期 预警。550550(3 腐蚀监测系统还能够推断钢筋腐蚀的速率，更为重要的是可以对实施的腐蚀 控制措施和维护方案进行有效性评价。(4 施行正确和有效的腐蚀监测，有助于更加有效地延长工程寿命以及保证工程 在健康条件下运行，从而把工程维护从损伤维修提高到预测性维护和以可靠性、耐 久性为核心的预防层次。(5 不过，本预埋式监测系统只适合于由表及里的介质扩散腐蚀(如海洋环境氯离子侵蚀，不适用于监测谜流产生的电解腐蚀和混入氯离子(如海砂引起的宏电池腐蚀 自然也不适用于已经在役的混凝土结构工程，因此具有更高技术含量的后置式耐久 性监测预警系统亟待进一步研究。参考文献：Refere nces:1 金伟良，

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