泉州湾跨海大桥混凝土结构长期耐久性监测方案

■谢诗咏(泉州湾跨海大桥有限责任公司，泉州　362000)

泉州湾跨海大桥混凝土结构长期耐久性监测方案

■谢诗咏
(泉州湾跨海大桥有限责任公司，泉州362000)

摘要泉州湾跨海大桥位于腐蚀环境苛酷的海水环境，氯盐侵蚀是影响大桥长期耐久性的最主要因素，本文通过开展大桥实体工程结构耐久性监测研究和工程暴露实验研究，长期跟踪研究大桥的耐久性劣化历程，随时掌握大桥的耐久性健康状况。当耐久性不足时，可以及时采取科学合理的维修维护措施，保证大桥的安全服役，也为类似工程的长期耐久性研究提供参考。

关键词泉州湾跨海大桥暴露实验耐久性监测

1　工程概况

泉州湾跨海大桥工程起于晋江南塘，与泉州市环城高速公路晋江至石狮段相接，在石狮蚶江跨越泉州湾，经惠安秀涂、张坂，终于塔埔，与泉州市环城高速公路南惠支线相接,路线全长26.68km,海上桥长12.45km，主桥全长800m，桥型为双塔分幅组合梁斜拉桥。

2　混凝土结构长期耐久性研究必要性

泉州湾跨海大桥桥址处海水中的氯离子含量较高，根据桥址附近水质分析结果显示：其溶解性总固体含量，低潮位最低值为1486.50～25804mg/L、高潮位最高值为29825～47013mg/L，海水水化学类型均为Cl—Na型[1]。泉州湾海域夏季高温，台风多发，属Ⅲ类环境(即海水氯化物引起钢筋锈蚀的近海或海洋环境)，作用等级从中等程度(C级)至极端严重程度(F级)，工程环境十分恶劣。跨海桥梁属重要工程，混凝土结构设计使用寿命为100年，但是受到温差、干湿变化、氯盐侵蚀、生物侵蚀和荷载等作用，对其耐久性造成严重的影响。为此，我们采用了许多方法来提高混凝土的性能：全桥均采用海工混凝土，混凝土中掺入钢筋阻锈剂，采用7.5cm厚的钢筋保护层，钢筋保护层处增设不锈钢网片，主桥承台采用阴极保护，模板上粘贴透水模板布，浪溅区下混凝土表面采用硅烷涂装等。虽然大桥在建设时采用了多种提高混凝土结构耐久性的措施，可保证大桥100年的耐久性使用寿命，但因施工偏差等因素的存在，大桥实际的耐久性寿命可能与最初设计的耐久性使用寿命存在偏差。为确保泉州湾跨海大桥的耐久性和服役安全性，必须实时了解和掌握大桥混凝土结构耐久性劣化历程，评估其耐久性健康状况，预测其耐久性剩余使用寿命。当大桥耐久性状况不能满足耐久性设计使用寿命时，采取相应的补救措施，变被动维修为主动预防，不仅可以确保大桥耐久性设计使用寿命，还可以显著降低大桥的全寿命周期费用成本，具有重要实际意义。

3　腐蚀环境划分

大量的工程调研结果表明：不同的腐蚀环境，混凝土结构的耐久性劣化速率不同，因此，掌握泉州湾大桥的腐蚀环境划分可以帮助我们分析不同构件的腐蚀风险和耐久性劣化速率，以便选取具有代表性的典型构件作为进行长期耐久性研究的研究对象，表1给出泉州湾大桥腐蚀环境划分。

表1　泉州湾跨海大桥腐蚀环境划分

4　耐久性寿命评估

混凝土为一种高碱性的环境，位于混凝土中的钢筋在高碱性环境中会发生钝化，在钢筋表面形成一层钝化膜，抑制了钢筋的锈蚀。混凝土外围环境中的氯离子需通过外层混凝土到达钢筋表面达到一定浓度(钢筋锈蚀的阈值)才会破坏钝化膜，引起钢筋的锈蚀。因此，混凝土及其一定的保护层厚度可有效抑制钢筋的腐蚀，延长钢筋发生腐蚀的时间。

目前，混凝土结构的耐久性寿命计算均基于Fick第二定律来进行的。Fick第二定律在混凝土中的应用是假定混凝土中的孔隙分布是均匀的，氯离子在混凝土中的扩散是一维扩散行为，浓度梯度仅沿着暴露表面到钢筋表面的方向变化，Fick第二定律可以表示为：

式(1)中，t0为从混凝土浇筑到钢筋开始锈蚀所经历的时间(a)，x为混凝土保护层厚度(mm)，为混凝土有效扩散系数(实体工程的氯离子扩散系数)，erf为误差函数，Ccr为引起混凝土中钢筋发生腐蚀的临界氯离子浓度(%)，Cs为混凝土表面氯离子浓度(%)，C0为混凝土中的初始氯离子浓度(%)。

从公式(1)中可以看出：要想计算评估大桥的耐久性剩余使用寿命，就必须获得大桥实际的混凝土有效扩散系数((t))、表面浓度(Cs)和临界氯离子浓度(Ccr)等耐久性关键参数。目前，这些参数的获得主要通过相似环境混凝土结构物的工程调查获得，这样获得的参数难以真实反映大桥的实际状况，为此，大桥通过开展工程暴露实验和实体工程耐久性监测来评估大桥的实际耐久性健康状况，计算其耐久性剩余使用寿命，保证大桥的安全运营。

5　大桥工程暴露实验研究方案

图1　泉州湾跨海大桥暴露实验平台

开展实体工程的暴露实验研究是掌握工程结构耐久性的重要技术手段，我国的许多的大型跨海桥梁工程都建有工程配套的暴露实验站以跟踪研究大桥的耐久性健康状况，如青岛海湾大桥、杭州湾大桥、东海大桥以及在建的港珠澳大桥等。根据相似环境下码头耐久性调研结果，处于大气区、浪溅区和水变区的混凝土构件受氯盐侵蚀的影响较大，水下区受氯盐侵蚀的影响较小，可以不予考虑，所以暴露试件分别放置于大气区、浪溅区和水变区。为了降低费用成本，暴露实验平台的建设充分考虑依托大桥自身的结构，考虑到不影响大桥的运营和便于后期取样，暴露实验平台放置在主桥的Z3主塔的防撞钢套箱和承台上，其中，水变区的暴露实验平台放置于防撞钢套箱内部，浪溅区暴露实验平台放置于防撞钢套箱的上部，大气区暴露实验平台放置于承台上部，泉州湾跨海大桥的暴露实验平台如图1所示。平台采用具有良好耐蚀性能的316L不锈钢钢筋，并涂覆涂层进行保护，以确保暴露实验具有较长的使用寿命要求。

6　大桥实体工程结构耐久性监测研究方案

由于暴露试验研究对象主要为小型混凝土试件，在制作工艺、服役环境方面与实体工程构件尚存在一定差异，所以在开展暴露试验研究的基础上，还需要开展实体构件的耐久性监测，以掌握工程结构在服役期的实际耐久性状态。

6.1混凝土结构耐久性监测传感器

目前，市场应用较多的成熟混凝土结构耐久性监测传感器主要有两类传感器：一类是基于宏观电池原理的传感器，如德国的阳极梯传感器(图2a)、丹麦的CorroWatch传感器(图2b)；另一类是基于线性极化原理的传感器，如美国的ECI-2耐久性监测传感器(图3)。前一类传感器主要有钢筋阳极和惰性阴极组成，通过监测钢筋阳极和惰性阴极之间的电偶腐蚀电流密度和腐蚀电位来判断钢筋的腐蚀状态，这类传感器在实体工程耐久性监测中应用较为普遍，也总结了较多成功经验。后一类监测传感器是采用三电极法测量钢筋的腐蚀速率，并且传感器中还集成了氯离子探针和混凝土电阻率探针，但是对于采集到的数据，使用混凝土耐久性寿命预测模型进行数据分析可靠度较低，因此不如前一类应用普遍。因此泉州湾跨海大桥耐久性监测选择德国生产的阳极梯传感器。

图2　基于宏观电池原理的耐久性监测传感器

图3　ECI-2耐久性监测传感器

6.2阳极梯传感器监测原理

新建的混凝土结构内部是高碱性环境，钢筋在这种环境下处于钝化状态，当环境中的氯离子不断向混凝土内部扩散达到一定浓度时，钝化膜被击破，钢筋发生腐蚀。对于处于不同腐蚀状态的钢筋，其腐蚀电位和腐蚀电流均不同。阳极梯传感器正是基于这种原理设计而成的，其由6根间距相等、与钢筋材质相近的钢筋阳极、1根惰性钛阴极和1根钢筋连接组成(见图2a)。安装时，6根钢筋阳极分布于混凝土保护层中的不同深度，在氯离子向混凝土内部扩散过程中，钢筋阳极从距混凝土表面最近的1根钢筋阳极开始逐根从钝化状态变成活化状态。通过测量钢筋阳极与惰性阴极之间的宏观电流和电位，可判断阳极是处于钝化状态还是活化状态，从而确定临界氯离子浓度锋线在混凝土中的位置。进一步描绘出临界氯离子浓度锋线位置与时间的关系，可得到临界氯离子浓度锋线移动的速度，进而预测其抵达钢筋表面的时间，如图4所示。

6.3耐久性监测的监测点

图4　阳极梯工作原理示意图

考虑的费用成本，实体构件的耐久性监测一般选择受腐蚀风险较大的重点构件，因此，泉州湾跨海大桥耐久性监测点选择设置在主桥的Z3主塔中塔柱的塔身和承台上，监测点覆盖大气区和浪溅区。由于水变区和浪溅区均为主塔的承台，具有相同的混凝土配合比和保护层厚度，浪溅区的腐蚀风险要大于水变区，所以，在进行监测点设计时，没有在水变区设置监测点。为保证数据的可靠性和可对比性，大气区和浪溅区分别设置2个监测点，每个监测点预埋1套阳极梯传感器，监测点的设置位置如图5所示。阳极梯传感器在混凝土浇筑前预埋如混凝土结构中，阳极梯的预埋安装如图6所示。

图5　泉州湾跨海大桥耐久性监测点设置位置

图6　承台阳极梯监测传感器的预埋安装

7　结语

泉州湾跨海大桥是跨越泉州湾的大型桥梁工程，大桥所处的腐蚀环境严苛，而设计使用寿命长达100年，因此对大桥主体混凝土结构的耐久性状况进行监测，为大桥的耐久性再设计以及养护提供了数据支撑，是保证大桥100年设计使用寿命的重要举措。本文中所介绍的混凝土耐久性的实体监测点应主要布设于钢筋最容易受腐蚀的浪溅区以及水变区，试件与实体同时观测有助于数据的对比以及修正，可为今后其他海上混凝土工程耐久性健康跟踪提供借鉴。另外，本文考虑的仅限于氯离子，而海洋生物侵蚀对大桥健康的侵蚀也是不容忽视的，而今后是否可以利用生物技术来提高海工混凝土的耐久性是一个值得认真思考的问题。

参考文献

[1]中交公路规划设计院有限公司，中交路桥技术有限公司.泉州湾跨海大桥工程施工图设计[R].2011.

[2]方翔，陈龙，潘俊.混凝土耐久性监测系统在埃及塞得东港集装箱码头二期水工工程中的应用[J].中国港湾建设，2013(2)：50- 55.

[3]汤雁冰，熊建波，方翔，陈龙，李海洪.港珠澳大桥主体混凝土结构耐久性实时监测设计[J].中国港湾建设，2014(2)：21- 32，65.

[4]董桂洪，巴恒静，王胜年，范志宏.海工混凝土实时监控和耐久性预警系统的设计与实现.中国港湾建设,2010(10)增刊:75- 79.