基于阳极梯传感器的新建高桩码头结构耐久性监测与自动控制技术研究

刘红彪，计子凡，张树龙，郭 畅*，赵 震，刘晶晶，赵 晶，王绪亭

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室， 天津 300456；2.天津城建大学 土木工程学院，天津300384；3.中石化胜利油田海洋采油厂，东营 257200；4.天津东方泰瑞科技有限公司，天津 300192)

服役于海洋环境的钢筋混凝土结构，如码头及近海结构物、跨海桥梁等，因氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀混凝土开裂是影响结构耐久性的主要影响因素[1]。海洋环境中，与混凝土保护层碳化引起的钢筋锈蚀相比, 氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀速度更快、造成的损失更大，已引起业内的广泛关注。尤其是近些年越来越多的重要基础设施被要求具有100 a或更长的使用寿命，如中国的港珠澳大桥工程、杭州湾大桥等，这对钢筋混凝土结构的耐久性提出了更高的要求。而目前国际上并没有一个公认的可靠性设计理论可保证混凝土结构可使用100 a或者更长的时间[2]，因此，为了实现混凝土结构更长的使用寿命，目前多采用“耐久性设计与再设计”的原则，即在混凝土结构服役期间基于监测手段获取混凝土结构的实际耐久性信息，对监测中发现的不满足设计要求的部分采取进一步的措施以保证混凝土结构的耐久性要求[3-4]。为此，需要在混凝土结构内预埋监测传感器采集结构的耐久性数据，实时监测结构的腐蚀风险，做到钢筋锈蚀过程开始之前可采取必要预防措施[5-6]，这样既可保证结构的耐久性要求，也可降低维护成本，因为混凝土结构的耐久性维护费用符合“五倍定律”，即轻微破损的维护费用是预防措施费用的5倍。因此，对服役于海洋环境的混凝土结构的耐久性监测是非常必要的。

在混凝土结构耐久性理论研究方面，Bashear提出了一种混凝土退化模型来预测混凝土结构的性能退化状态，并强调了渗透性能对混凝土退化的影响[7]。Glass指出氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素[8]。Ahmad综述了钢筋锈蚀机理、钢筋锈蚀监测技术以及预测结构剩余使用寿命的方法，详细分析了混凝土结构中钢筋锈蚀原因，并采用经验模型及实验手段对存在钢筋锈蚀的混凝土结构剩余使用寿命进行了预测，指出影响钢筋混凝土结构耐久性的主要问题是氯离子的侵蚀[9]。阳极梯传感器由Raupach于1986年开发，并在1990年成功应用于混凝土结构中的钢筋锈蚀监测中，为混凝土结构的耐久性再设计提供技术手段[10]；Raupach采用阳极梯测试系统监测混凝土结构中氯离子的侵蚀深度，基于监测数据可实现钢筋锈蚀状态预测[5]。随后，Zhang、金祖权、方翔将阳极梯测试系统运用到了海底隧道以及码头工程等水工建筑物上，用于监测混凝土结构的耐久性能[11-13]。但目前阳极梯传感器在国内高桩码头结构中的应用未见报道，对于长期监测数据的分析更是少之又少，对基于阳极梯监测数据的钢筋锈蚀判定标准很不完善，因此，开展基于阳极梯传感器的新建高桩码头耐久性监测技术研究非常有必要[14-16]。

沿海港口码头结构长期服役于海水环境，因氯离子侵蚀引起的混凝土结构耐久性问题较为突出，对其进行结构耐久性监测至关重要。本文主要介绍了天津港南疆27#通用码头工程结构耐久性监测系统的设计与实施，监测手段基于阳极梯传感器。天津南疆27#通用码头工程为一新建的高桩码头结构，其主要用于矿石和其它散货运输。该耐久性监测系统是该结构上布设的健康监测系统的一部分，其监测指标是钢筋锈蚀状态，并基于监测结果预测结构的剩余使用寿命。本研究对指导高桩码头结构健康监测系统建设，促进沿海港口工程结构健康监测技术的发展方面具有积极作用。

1 工程概况

图1 南疆27#码头外观Fig.1 Appearance of the South 27# Wharf

天津港南疆27#通用码头工程位于天津港南疆港区，是一座正在建设的高桩码头，用于散货运输，该码头结构的力学性能是基于300 000 DWT散货船设计，外观示意图如图1所示。

图2 南27号码头的横截面示意图Fig.2 Cross section of the South 27# Wharf

天津港南疆27#通用码头工程长390 m，宽75 m，由1个390 m的主码头平台和2个73.3 m的侧向引桥组成。主码头段由9个65 m的结构段组成，分为前承台和后承台。前承台宽36.5 m，后承台宽38.5 m。前承台每个结构段由17个排架组成，每个排架9根钢管桩，包括4个叉桩和5个直桩。后承台每个排架布置9根650 mm×650 mm预应力钢筋混凝土方桩。从码头前沿到距前沿18.5 m处的设计均匀载荷为30 kPa，从18.5 m到36.5 m的设计均为50 kPa，从36.5 m到75.0 m的设计均为80 kPa。码头结构健康监测系统位于第二结构段上，耐久性传感器布置位置见图2所示。

2 阳极梯传感器及其工作原理

一般混凝土内部的钢筋具有良好的抗锈蚀性能，主要是由于混凝土内部属于高碱性环境，钢筋在此环境下表面会形成钝化膜，钝化膜可保护钢筋免遭腐蚀。但当钢筋混凝土结构服役于海洋环境时，氯离子通过扩散作用从混凝土表面往内部渗透，当钢筋表面的氯离子浓度超过临界氯离子浓度时，钢筋将由钝化态转变为活化态(即脱钝)。若活化态的钢筋周围存在水和氧气，钢筋就会发生锈蚀，钢筋锈蚀后形成的Fe离子易与Cl-离子结合形成易溶于水的FeCl2，起到搬运Fe离子的作用，造成了阳极去极化作用，加速了钢筋的阳极过程，造成钢筋锈蚀逐渐加重，最终膨胀导致混凝土开裂脱落。由此可见，钢筋锈蚀主要是由于氯离子等有害物质渗透到混凝土内部造成的。因此，若可以及时掌握氯离子在混凝土内部的渗透状态，确定临界氯离子浓度锋线的位置及其移动速度，即可预测混凝土内部钢筋发生锈蚀的时间，进而可预测结构剩余寿命。对于服役于海洋环境中的混凝土结构，钢筋脱钝锋线也即临界氯离子浓度锋线，而阳极梯传感器即可确定脱钝锋线位置。因此，基于阳极梯传感器监测沿海高桩码头结构的耐久性状态、预测混凝土内部钢筋的锈蚀时间是非常有效的。

用于天津港南疆27#通用码头工程结构耐久性监测的阳极梯传感器为德国生产，设计使用寿命为100 a。整个阳极梯传感器监测系统主要包括预埋在混凝土中的传感器、测量电缆、终端测试盒及数据采集仪，其中传感器由阳极梯、阴极、参比电极、钢筋连接棒、温度探头等组成。阳极梯共有6根由普通碳钢制成的阳极，分别命名为A1、A2、……、A6。各阳极固定在不锈钢支架上，形成梯子状，各阳极与支架电绝缘，支架一端有一不锈钢固定条，以两螺栓与支架相连。阳极梯安装在钢筋笼的外侧，即混凝土保护层范围内，通过调整螺栓可使阳极梯倾斜不同角度，实现6根阳极埋设在混凝土保护层的不同深度内，通过测量不同位置处阳极的电化学反应状态即可判定混凝土氯离子的侵蚀位置，由此可预测钢筋的锈蚀时间。阳极梯传感器安装外观见图3所示。

图3 阳极梯传感器Fig.3 Anode-ladder sensor

3 监测传感器的现场安装

天津港南疆27#通用码头工程结构耐久性监测的阳极梯传感器分别布置在后承台的横梁和前承台轨道梁的位置上，传感器安装在梁的侧面靠底部位置的混凝土保护层中，其位置均处于码头的浪溅区。按照上述传感器的安装方法，在后承台的1个横梁位置及前承台的1个轨道梁上分别安装了1只阳极梯传感器。传感器首先在构件预制厂进行安装预埋，待安装完成后浇筑混凝土，等构件养护完成运送至码头现场进行构件安装，待码头所有构件安装完成，在制作码头面层过程中将传感器终端盒预埋在混凝土中，并用不锈钢保护壳将终端盒进行保护，保护钢壳表面与面层上表面平行，保护壳上盖打开后即可露出传感器终端盒，拧开终端盒保护盖即可进行数据采集，具体传感器安装与数据采集见图4。

图4 阳极梯传感器的安装与数据采集Fig.4 Installation and data acquisition of anode-ladder sensor

4 数据采集

码头主体完工后便可对阳极梯传感器进行数据采集。天津港南疆27#码头工程于2016年初开始建设，于2017年11月结构主体完工，本项目阳极梯传感器数据采集于2017年11月开始，间隔14 d测试一次，截至目前已连续测试数据18个月。传感器数据采集时，采集的参数包括阳极棒分别相对于阴极、参比电极、内部钢筋的电压值，相对阴极、内部钢筋的电流值，阳极之间的电阻值，环境温度值，共计40个参数，其中，各参数的定义具体如表1～表3所示。采集获取的耐久性监测数据，通过标准格式导入的方式存入码头全寿命周期健康监测运维平台中，实现数据的自动化展示与分析工作。

表1 阳极梯传感器采集的电压值Tab.1 Voltage value collected by anode ladder sensor

表3 阳极梯传感器采集的电阻值Tab.3 Resistance value collected by anode ladder sensor

表2阳极梯传感器采集的电流值

Tab.2 Current value collected by anode ladder sensor

序号监测值描述序号监测值描述1I1A1和阴极之间的电流8I1'A1和钢筋之间的电流2I2A2和阴极之间的电流9I2'A2和钢筋之间的电流3I3A3和阴极之间的电流10I3'A3和钢筋之间的电流4I4A4和阴极之间的电流11I4'A4和钢筋之间的电流5I5A5和阴极之间的电流12I5'A5和钢筋之间的电流6I6A6和阴极之间的电流13I6'A6和钢筋之间的电流7I7钢筋和阴极之间的电流

5 监测数据分析

基于阳极梯传感器得到的监测数据包含电压、电流、电阻及温度等参数。根据相关文献可知，目前多采用监测的电流值来判定阳极脱钝或锈蚀状态。目前，多认为对于埋设在干燥混凝土中的阳极，阳极与阴极之间的测试电流远小于15 μA时，表明阳极仍处于钝态，若电流大于15 μA时，表明阳极处在活化态。在电压和电阻方面没有形成统一的标准。由此，基于上述标准，对本项目监测到的18个月的阳极梯监测数据进行分析，重点分析电流参数，并对电压、电阻和温度参数进行相关分析，以期通过参数的综合分析，获取混凝土结构的耐久性状态，预测氯离子的侵蚀速度及钢筋的锈蚀状态。

安装在前承台轨道梁的阳极梯传感器距码头前沿16.5 m，距离海水面3.5 m；经过数据处理，得到了各阳极棒与阴极、钢筋之间的相对电流值随时间的变化曲线，具体如图5～图7所示。由图5可知，在不考虑电流方向的情况下，阳极棒A1、A2相对于阴极的电流值在2018年4～7月份均超过了15 μA，而在其后的9个月中电流值又逐渐恢复到了10 μA以内。若按照电流值大于15 μA即认定为阳极棒去钝活化的原则，可认定阳极棒A1、A2在2018年4～7月期间出现去钝活化现象，即氯离子侵蚀到了阳极棒A2所处的深度处。但从其后的9个月监测数据可判定阳极棒A1、A2仍处于钝化状态，这两种结论矛盾。为了理解这种矛盾的出现，从环境温度角度进行分析，由图5可看出，在2018年4～7月期间温度持续上升，阳极棒A1、A2相对于阴极的电流值出现了大于15 μA的情况；其后温度持续下降，电流值又恢复到了15 μA以下，作者认为导致出现这种现象的因素是环境温度的变化，不能依据2018年4～7月期间出现电流值大于15μA的情况绝对判定阳极棒A1、A2发生去钝活化现象，而且梁外面涂刷了防腐涂层，氯离子侵蚀深度不太可能到达A1、A2的位置。因此，作者认为阳极棒A1、A2仍处于钝化状态，对于这种现象后期会采取现场检测的方式进一步确认。

再者，从阳极与钢筋之间的电流分布看(图6)，阳极棒A1～A6相对于钢筋的电流值均小于10 μA。若按照15 μA的标准，可认为所有阳极棒均处于钝化状态。

图5 阳极和阴极之间的电流Fig.5 Current between anode and cathode图6 阳极和钢筋之间的电流Fig.6 Current between anode and reinforcement

图7 阳极和阴极之间的电压Fig.7 Voltage between anode and cathode图8 阳极和参比电极之间的电压Fig.8 Voltage between anode and reference electrode

图9 阳极和钢筋之间的电压Fig.9 Voltage between anode and reinforcement 图10 阳极之间的电阻Fig.10 Resistance among anodes

根据相同的数据处理方法，对采集到的阳极棒与阴极、参比电极与钢筋之间的相对电压值以及阳极棒之间的电阻值进行了相应处理，得到了其随时间的变化曲线，具体如图7～图10所示。图7可以看出，电压的分布规律与上述电流值的分布规律基本一致，电压在2018年4～7月期间同样出现了类似的波动，个别电压值达到了625 mV，然后在其后的时间，电压值又逐渐变小，降至20 mV以内恢复平稳。在各个阳极棒相对参比电极和钢筋之间的电压值也出现类似分布规律(图8～图9)。因此，又进一步证明了出现波动的主要因素是环境温度，并非阳极棒去钝活化引起的。由于监测数据有限，监测期间中季节交替的完整周期只有一个，待后续监测数据的增加，出现多个季节交替周期，可能会进一步验证上述结论。

对于各阳极棒之间的电阻值，由图10可以看出，电阻的分布是很有规律的，与温度的变化趋势相反，即温度上升时电阻下降，温度下降时电阻上升，这符合物理学中电阻与温度的相关性规律，这也表明布设的阳极梯传感器性能正常，监测的数据可靠。

6 结论

目前，针对沿海码头结构的耐久性监测手段及数据处理分析方面的研究较少，尤其是对于长期的耐久性监测数据分析处理方面的研究仍处于空白。本文以新建的天津港南疆27#码头为依托工程，在码头结构构件中布设阳极梯传感器，以长期监测码头的耐久性状态。通过本项目的实施，解决了新建高桩码头结构的耐久性监测问题，完善了高桩码头结构的健康监测系统，积累了阳极梯传感器的安装布设方法，总结了监测数据的长期分布规律。经过长期的连续监测，目前已获得连续18个月的耐久性监测数据，数据间隔平均为14 d，监测指标包括阳极的相对电流、电压、电阻、环境温度等共计40个参数。通过对监测数据的处理分析，得到如下结论：

(1)安装于前承台轨道梁上的阳极梯传感器数据显示，在监测开始的第7个月至第11月的4个月期间，阳极棒A1、A2相对阴极的电流超出了15μA，出现了去钝活化的假象。经分析主要原因可能是环境温度的变化引起的，因为上述4个月正是春夏季节，温度持续上升。

(2)温度的变化会显著影响混凝土的电阻，温度升高会导致混凝土电阻下降。

(3)阳极梯监测系统虽然能反映氯离子对混凝土结构的侵蚀状态，但在混凝土温度、湿度的影响下可能会出现干扰数据，影响结果的可信度。因此，针对监测数据应结合电流、电压、电阻、环境温度进行综合分析以确定阳极的活化状态，不能单纯以电流值判定。