欧洲钢筋混凝土结构腐蚀无损监测系统的研究与应用

1、欧洲钢筋混凝土结构腐蚀无损监测系统的研究与应用*干伟忠1 M. Raupach2（1. 宁波工程学院，浙江，宁波 315016；2. 德国亚琛工业大学，亚琛 52066）摘 要：随着技术规范的更新换代，高性能混凝土技术的发展，一般环境的钢筋混凝土结构的耐久性已经有所保障，但对于严酷环境如海洋环境中的混凝土结构，目前尚无足够的把握达到设计要求的使用寿命。在欧洲，对重要的或难以检查的混凝土结构，如跨海大桥、码头、海洋平台、海底隧道等进行腐蚀无损监测，然后及时进行“耐久性再设计”已是目前不可替代的设计措施，同时它作为多重保护系统，为将来可能需要的腐蚀防护或修复腐蚀措施的科学决策提供了保障。本文主要介

2、绍欧洲80年代末开始研发的“预埋式梯形阳极”和“后装环形阳极”等腐蚀无损监测系统的工作原理以及它们的工程应用。关键词：混凝土结构 耐久性 腐蚀 无损监测1 概述桥梁、隧道、港口等基础设施工程的混凝土结构耐久性，已是当前亟待采取措施应对的重大问题。长期以来，人们一直以为混凝土应是非常耐久的材料。直到70年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后不到二、三十年甚至在更短的时期内就出现劣化1-4正在和即将建设的大型基础设施工程就有：宁波杭州湾跨海大桥，绍兴杭州湾大桥，金塘大桥及舟山连岛工程，象山港跨海大桥，三门湾大桥，

3、宁波舟山港口一体化工程以及规划中的宁波杭州湾铁路大桥等等，因而这些海工混凝土结构的耐久性能否过关，工程寿命能否达到设计要求，是摆在我们面前的现实难题。在欧洲，通过不懈研究与实践，已经取得了大量的可资工程应用的成果1,2,4-17。但是，由于该问题的复杂性，比较成熟的一般还只能在材料和构造层面来间接反映结构设计中对耐久性和使用寿命的要求。对于某些重要基础工程，欲确保100年（或120年）的使用年限，尚缺乏普通认可的基于可靠度的设计理论2,4,5。欧洲DuraCrete提出的做法是“耐久性设计与再设计”，而实施之的前提就是动态获得结构原体耐久性关键参数的信息反馈。大量调查表明1-3：处于沿海浪溅区

4、的梁板，水位变动区的柱，发生顺筋胀裂的时间往往不到10年。浙江宁波港在役的钢筋混凝土结构码头的腐蚀现状触目惊心，如10万吨级矿石中转码头，当时是全优工程，但仅使用11年，桩帽、水平撑就普通顺筋胀裂，某些部位厚45 cm的混凝土保护层内水溶性Cl含量就已达0.8%左右。随着经济的持续增长，我国沿海地区正进行着历史上规模最大的基础设施建设，就浙东沿海而言，-* 浙江省自然科学基金项目（M503150），交通部科技项目（2003 319 H01 010）2 混凝土结构耐久性监控原理混凝土结构中钢筋脱钝后，如果还有足够的氧和水供给，则钢筋阳极处失去电子生锈，结构进入腐蚀阶段。新浇混凝土的脱钝前锋线处于

5、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。当然，脱钝前锋线的推进速度主要取决于外部环境以及混凝土本身的抵抗腐蚀介质扩散性能。混凝土结构的耐久性下降一般可以分为二个阶段（图1），即引导阶段（t0-t1）和腐蚀阶段（t1-t3）。其中腐蚀阶段以构件混凝土胀裂点t2为界又可分为二个时段，t2-t3全过程暴露在人们的视线中，而t1-t2进程也可用无损检测设备跟踪。从经济角度讲，在t1-t2阶段的腐蚀修复设计与施工往往是“亡羊补牢，犹未为晚”，然而，最为经济有效的是钢筋脱钝前采取耐久性再设计措施，如及时启用预置的阴极保护装置、采用表面保护阻止有害介质的进一步侵入等。要实现这个目标，国内目前

6、主要依靠试验室快速试验获取的参数以及现场同条件构件破损试验结果间接推定t1，由于数据有限、间断、参数预选，且无动态反馈，因此基于各种数学模型的t1预报精度难以期望。对于重要工程，如果在混凝土结构内埋入能监测整个t1进程的传感器，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体耐久性关键参数的信息反馈5-7，那么t1的预报准确性问题即可迎刃而解了。如图2所示，在混凝土结构保护层的范围内，按不同深度埋入多个脱钝传感器，每个传感器均匀分布于混凝土表面到钢筋的保护层上，那么就可利用一组脱钝前锋面到达多个不同深度传感器的时间，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。

7、我们通过外推计算即可得到t1，此值能够不断得到动态修正。如果t1小于设计使用年限，就可以对结构进行耐久性再设计，及时启动腐蚀保护预案，并继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t1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。图 2 耐久性监测原理3 耐久性监测系统的研究与应用3.1 预埋式梯形阳极监测系统上世纪80年代末，德国亚琛工业大学土木工程研究所（ibac, RWTH Aachen）P. Schießl, M. Raupach, W. Breit等7-18首先发明了梯形阳极混凝土结构预埋式耐久性无损监测传感系统（Anod

8、en-Leiter-System，图3、图4），它由浇入混凝土的一组钢筋梯段传感器、一个阴极和互连的引出结构的导线组成，能够测量的是钢筋段腐蚀各阶段电学参数。“梯子”两侧的竖杆由于不锈钢制成，并与钢筋段绝缘，导线安装在竖杆中孔内并由树脂固定，然后倾斜地安装于监测部位的混凝土保护层中，使每一钢筋段与混凝土表面保持不同的距离。当钢筋段脱钝时，此钢筋段与不锈钢之间的回路电学参数必定改变。而共同阴极段则由涂氧化铂的钛棒制成，使其具有很高的正电位。因为电位不同的两种金属通过导线可以构成原电池，电位差愈大，则腐蚀电流愈大。图 3 预埋式耐久性无损监测传感系统图 4 预埋式耐久性监测传感系统俯视图相同原理的

9、监测系统还有丹麦FORCE公司稍晚开发的Nagel-System（图5）等。图 5 丹麦的Nagel-System监测系统 图 6 后装环形阳极监测系统3.2 后装环形阳极监测系统对于已建成的重要基础设施工程，为了跟踪混凝土结构的耐久性情况，德国亚琛工业大学还研发了后装环形阳极监测系统（Speizring-Anoden-Sys- tem，图6）。该系统由阳极环和阴极棒组成，通过在结构上钻孔安装就位。3.3 应用实例经过十余年的不懈研发，德国的梯形阳极系统(用于实际工程的系统硬件和数据分析软件)已逐步成龙配套。1990年开始，该系统在世界各国陆续投入工程应用（见表1），涉及的工程类型主要有处于海

10、洋腐蚀环境中的码头、隧道、桥梁等重要基础设施，至2003年11月全球共使用了889套梯形阳极系统，影响较大的有丹麦的Buildings of the Great-Belt-Link（1991-1994，共431套），丹麦-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），我国香港和台湾也于1994年和1998年先后引进了17套这种监测系统用于Immersed tub

11、es, Western Harbour Crossing；Concrete plinth of railway, trial-installation；Monitoring, fiels tests。而后装环形阳极监测系统的应用则相对较晚，数量也较少，截至2001年全世界共应用145套（见表2）。表1 梯形阳板系统的应用实例18国家或 工程名称, 部位实施地区 年份数量德国 Bridge Schießbergstraße, Cologne 1990/199113 奥地利 Caps of the Bridge Nötsch 19916 丹麦 Buildings of

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

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

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

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

16、2;nster200215 克罗Monitoring of the corrosion risk of 地亚 the KRK-Bridge20036 巴林 AHEAD Flyover20039 德国corrosion risk of park decks in Munich200330表2 后装环形阳板系统的应用实例18国家或 工程名称，部位实施数地区年份量 德国Wuppertal and Sankt Augustin199811 德国Testing of bridge caps with new type of cement, BAST19988 挪威of Defense199920 德国(

17、research), UNI Braunschweig19992 德国within the Brite Euram Project Smart 199940 Structures德国garage Rathauscenter Ludwigshafen 200012德国挪威2000/台湾Laboratory tests on Monitoring 200110日本德国(research), Uni Braunschweig200112 挪威Monitoring of quay walls, Ministry of Defense200130遗憾的是，这种对混凝土结构耐久性非常重要的预埋式无损监测系

18、统在我国大陆尚无成功的应用，难点在于如何整合电化学钢筋腐蚀检测方法，依靠埋入混凝土保护层中不同深度的钢筋脱钝传感器，以新的时域和频域分析方法，彻底解决引线绝缘层寿命短、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，并用合金模局部取代光纤介质包层，构成腐蚀脱钝敏感膜，从而获得与钢筋腐蚀电化学理论相关性良好的信息。 3.4 监测数据处理为了实时判断脱钝前锋面的深度，需要定时测定多项电学参数，如电流、电位差、极化电阻、电解质电阻以及钢筋所在部位的温度、湿度等。测量的时间间隔一般控制在每年1-3次，当然还可以利用电脑进行实时巡测，不过这不是很必要，因为脱钝前锋面的发

19、展速度毕竟是缓慢的，它短期内的试验数据的波动对数学推算不起决定性作用。试验表明，温湿度对电学参数的影响是显著的，因此需要对电学参数进行校正。进一步还要测定不同钢筋段（探头）之间的阻抗，并以此推算混凝土的含水量。然后可以根据通过相应试验室试验建立的数学模型推算脱钝面的推进速度。为了测定参数专门研制的数据采集系统（CAN IN-LTM），操作简单，参数存储位达1000条，而且存储的数据还可以通过USB接口或PS2串行接口与微电脑交换，所有数据可在微电脑使用专门软件进行处理。到目前为止，工程实测结果显示，测试数据与实验室研究数据非常吻合。但由于这种测定是长期的，其周期将达几十年，甚至达百年，因此完整

20、的全寿命的实测成果要等若干年后才能陆续公开发表。监测，然后及时进行“耐久性再设计”是目前不可替代的设计措施，同时作为多重保护系统，可为将来可能需要的腐蚀防护或修复腐蚀措施的科学决策提供依据。对于无法或难以检查或抵达的结构，如海洋中的桩基、海底隧道的外衬，无损监测系统更是无法替代，监测系统提供的数据可为工程寿命提供判据。德国梯形阳极系统的应用已有十几年的应用历史，目前都处于正常的运营之中。同类原理的 “后装环形阳极系统”以及丹麦的Corrosion Monitoring- Nagel-System的应用时间则相对较短，它们的测试数据相对于不同混凝土配合比组成和不同环境的评判与分析方法正在通过大量

21、的标定试验进行总结与归纳。4 结语工程经验表明，对混凝土结构耐久性进行无损参考文献：1 金伟良，赵羽习. 混凝土结构耐久性M. 北京：科学出版社，2002.09 2 洪定海. 混凝土中钢筋的腐蚀与保护M. 北京:中国铁道出版社, 1998.093 干伟忠，王高明. 沿海水工混凝土结构腐蚀及修补状况的分析研究J. 水利水运科学研究, 1989，（2）4 陈肇元. 混凝土结构耐久性设计J. 混凝土结构耐久性及耐久性设计，工程科技论坛. 北京：清华大学，2002.115 DuraCrete Probabilistic Performance Based Durability Design of Co

22、ncrete Structures: General Guidelines for Durability Designand Redesign. Report No. BE95-1347/R14, 20006 Lindval, A.; Nilsson, L.-O.: Models for Environmental Actions on Concrete Structures. Brussels: European Union Brite Euram,1999. Project BE 95-1347, Document BE95-1347/TG2/597 Gehlen, C.: Probabi

23、listische Lebensdauerbemessung von Stahlbetonwerken, Deutsche Ausschuss fuer Stahlbeton, Heft 510, 2000 8 Schießl, P. ; Raupach, M.: Monitoring System for the Corrosion Risk for Steel in Concrete. In: Concrete International (1992), No: 7,S. 52-559 Schießl, P. ; Raupach, M.: Monitoring of t

24、he Corrosion Risk for the Reinforcement at the Bridge Schießbergstraße in Germany. In:Journal of Structural Engineering 20 (1993) Indien, No: 1, pp. 23-2710 Schießl, P., Breit, W., Raupach, M.: Sensortechnik: Schutz statt Instandsetzung - Überwachung von Betonbauwerken. In: Deuts

25、chesIngenieurblatt, Nov. 1996, pp. 40-4611 Raupach, M.: Überwachung der Korrosionsgefahr von Sahlbetonbauwerken mit modernen Sensorsystemen; Grundlagen undAnwendungsbeispiele. Siegener KIB-Seminare, Universität-GH Siegen, 09.06.199812 Schießl, P. ; Raupach, M.: Monitoring of the Corro

26、sion Risk for the Reinforcement of Bridges. Berlin : Ernst, 1992. - In:Proceedings of the 3rd Workshop on Bridge Rehabilitation, pp. 741-752, University of Darmstadt, June 14-17, 199213 Schießl, P.; Rostam, S.; Raupach, M.: Corrosion Monitoring Systems Installed in the Structures of the Grat-Belt-Link-Projects -Monitoring as Part of a Multi-Barrier Protection Strategy. International Symposium, Berlin, 26.-28. September 199514 Schießl, P.; Raupach, M.: New Approaches for Monitoring of the Corrosion Risk for