长大跨径悬拉索桥钢桥面的腐蚀监测

王昊宇 张鑫敏 罗吉庆 赵永韬 白润昊

（1. 青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266101；2. 广东省公路建设有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

钢桥面铺装的基本性能和使用条件远较一般路面、机场道面严酷, 因而对钢桥面铺装有较高的性能要求。长大跨径桥梁的钢桥面铺装一直是一个国际性的难题，其原因在于钢桥面的刚度较小，变形较大，要求沥青铺装具有良好的变形随从性；铺装层受力复杂，受温度的影响更为严重，尤其是在水平剪应力的作用下，铺装层易于产生各种变形破坏[1]。

国外在20世纪60年代就开始对钢桥面铺装进行研究，国内在近几年也陆续开展了试验研究和实际应用。目前钢桥面使用的沥青铺装主要有浇注式沥青混凝土、环氧改性沥青混凝土、沥青玛碲脂碎石（SMA）三种材料，这三种铺装材料在材料组成、性能、施工工艺上有很大的区别[2,3]。

国内进行大跨度悬索桥钢箱梁铺装，目前流行用TAF环氧沥青混凝土进行铺装。这种铺装层养生周期短（4～10d），而且TAF环氧沥青混凝土高温施工（约180℃）可以去除水分，显著减少或避免铺装层鼓包开裂病害[4]。典型的铺装层的组成如图1所示。

图1 铺装层铣刨重铺路面结构图

为了保证长大跨径悬拉索桥的安全运行，本文报道的腐蚀监测方法同时测定铺装层下防水层破损参数和钢桥面腐蚀状态，综合判定桥面铺装层与防水胶层脱粘状态和钢桥面腐蚀发生发展的状态。对铺装层下防水层粘结状态的长期监测，可以达到有效管理铺装层养护的目的。防水层的阻抗高低可以反映铺装层的老化状态，当水分渗入防水层，或者由于外力导致防水层发生开裂时，钢桥面腐蚀风险大大上升，通过监测并计算腐蚀速率，进一步评估了防水层破裂的严重程度，大大降低刨开铺装层验证钢桥面的锈蚀的频次和劳动量，达到保障悬索桥行车安全性的目的。

1 工程背景

钢桥面防腐技术的研究主要集中在防腐油漆的选用种类方面。但在有水和空气的条件下，漆膜表面会出现粉化[5]。因此，钢桥面防腐的关键是要在铺装其它层次中，加强防水功能设计，使其在一个相对较长的时期内与水和空气隔绝。防水粘结层从所承担的功能上来看，是整个铺装中最重要的一个层次。

随大桥车流量的增长,钢桥面铺装层也经过高温曝晒的考验，桥面损坏随之加剧，破坏形式是先出现裂缝，裂缝发展密集后铺装层失效，出现坑槽，维修的坑槽也不断增大。铺装层也时有推移和车辙出现，维修的难度和工作量相应增大，下游桥面铺装层开裂、推移、拥包等病害的出现日趋频繁, 尤其是雨后病害更易产生。铺装层破损后钢板易外露生锈, 难以满足舒适行车要求[6]。

中国专利CN109142521A，公开了一种基于压电传感器的钢桥面防水粘结层监测装置，实现原位、实时、在线监测防水粘结层的损伤状况[7]。

中国专利CN112815862A，公开了一种钢桥面铺装层间粘结状态监测系统及脱空检测方法，通过层间传感器中设置有光纤，光纤设置有三段式光栅，车辆荷载作用使得钢桥面板与铺装结构界面变形出现差异，引起层间传感器中光栅波长的偏移，通过波长偏移进行监测，计算层间脱空大小，从而实现对钢桥面板铺装层间粘结状态的长期跟踪观测[8]。

但是上述技术只是针对防水层的损坏进行监测，并没有提及钢桥面板本身的腐蚀及其速度的测量。实际上，从防水层损伤失效到钢桥面发展成腐蚀坑，这之间往往还需要数个季度乃至更长。只有对钢桥面的腐蚀速度和腐蚀过程参数进行监测，才能对钢板锈蚀发生量做出评估，进而对钢桥面的承载能力变化做出相应的评判。

2 腐蚀监测系统的工作原理

腐蚀监测系统如图2所示，其组成包括：无线收发器，腐蚀探针主机，阻抗分析仪，阻抗探针，电阻探针，参考臂。

图2 钢桥面监测系统组成

本系统采用电阻探针和腐蚀阻抗测量技术实现对钢桥面的腐蚀评估，采用同时监测铺装层下防水层破损参数和钢桥面腐蚀状态的方法，综合判定桥面铺装层与防水胶层脱粘状态和钢桥面腐蚀发生发展的状态。

防水层破损参数测量采用阻抗分析仪和埋入铺装层下的阻抗探针完成；钢桥面腐蚀状态由腐蚀探针主机，电阻探针和参考臂实施测量。防水层破损参数和钢桥面腐蚀状态参数有无线收发器实施数据传输。阻抗探针、电阻探针和参考臂都采用钢桥面同材质的丝状金属电极。其直径0.5～4mm，直径最大不超过防水层厚度；其长度0.5～10m，金属丝的长度与铺装层的监测范围适配，金属丝长度越长，监测范围越大。但是铺装层局部破损时，金属丝长度越大，则测量精度降低。电阻探针和参考臂为同一组监测探头时，长度和直径相同，参考臂的金属丝外部采用绝缘材料包裹，以保证参考臂不腐蚀。

防水层的阻抗高低可以反映铺装层的老化状态，当水分渗入防水层，或者由于外力导致防水层发生开裂时，防水层的介电常数也会增加，导致两平板电极之间电容量增加，通过测量两个阻抗探针之间的高频阻抗值，再通过阻抗虚部Z”=1/（jωC）可以计算出防水层界面电容。而电容值与防水层的含水率或者裂纹密度是线性相关的。

对于两个阻抗探针之间的铺装层，其等效电路如图3所示。

图3 阻抗等效电路

在防水层老化初期，界面电容为：

A是钢丝/沥青层界面面积；

d是电极间的沥青层厚度；

ε代表相对介电常数；

ε0是真空介电常数。

而防水层电阻：

其中ρ代表孔隙电阻率；

Ad防水层剥离面积；

Rs为防水层介质电阻，Cc为防水层电容，Rc为防水层/阻抗探针界面电阻，Cdl为防水层与钢丝电极之间的界面电容，Rct为阻抗探针发生腐蚀相应的电荷转移电阻。

显然，通过测量防水层电容可以计算出其介电常数变化，而通过防水层电阻可以测量其孔隙率。

当钢板表面防水层发生老化龟裂时，还会导致路基钢板的锈蚀，进一步降低沥青层与钢板之间的粘合力。为监测钢板锈蚀，可采用精密电阻探针技术来测量电阻探针某一段钢丝传感器的欧姆电阻值，然后通过欧姆定律来计算截面积减少量，进而计算出钢丝的腐蚀速率。

采用扇形布置的电阻探针来检测一个扇区的钢板锈蚀速率，可以通过安装多组电阻探针来检测不同位置的钢桥面腐蚀速率，通过测量钢丝电阻增量来计算电阻探针临近位置钢桥面的腐蚀速率，通过连续监测和计算电阻探针腐蚀速度随时间积分值，进一步计算获得钢桥面腐蚀深度。

电阻探针腐蚀测试装置采用典型的四线制测量法，以期提高测量电阻的准确度。腐蚀探针主机包含了程控恒流源、程控前置放大器、A/D转换器构成了测量电路的主体。中央控制单元MCU通过恒流源给电阻探针施加一个恒定的、高精度的电流。参考臂和电阻探针为相同材质的参考金属丝，参考臂封装在绝缘套内部，不会腐蚀，并与电阻探针处于同一温度区域。然后，同时测量两个电阻（参考臂和电阻探针）两端的分压并计算其比值λ，根据λ随时间的变化曲线求导，即可计算出任意时刻的腐蚀速率。

3 模拟实验与腐蚀监测

采用双U型钢丝，参考臂表面包覆聚乙烯热缩套，电阻探针铺在喷洒防水层前固定在下部铺装层上。阻抗探针，电阻探针，参考臂都采用钢桥面同材质的钢丝，直径2mm，长度2m。

实验一：铺装层完整坚固，未见微裂纹。监测探头埋覆在防水层下半年内曲线如图4所示。

图4 完整铺装层下电阻探针的腐蚀余量和腐蚀速率半年内的变化曲线

如图4所示，从半年多的在线监测数据来看，此位置的钢丝腐蚀速率在0.001µm/a，可以忽略不计，表明此处的防水层保护效果极好。

完整铺装层下对应的阻抗测试结果，防水层/阻抗探针电阻Rc大于107Ω·cm2，防水层电容Cc小于1μF/cm2，表明钢丝没有腐蚀，钢丝包裹在防水层中保持初始光亮状态，界面电容很小。

实验二：通过局部高频振动人为制造裂纹，在铺装层上表面裂纹宽度达到0.5～1mm，长度30cm以上，并定期喷洒3.5%率氯化钠盐水。则监测探头埋覆在防水层下半年内曲线如图5所示。

图5 0.5～1mm裂纹铺装层下电阻探针腐蚀余量和腐蚀速率变化曲线

如图5所示，钢丝初期腐蚀速率接近90µm/a，其年平均腐蚀速率仅5.656µm/a，总腐蚀量逐渐增加，大约为4µm。数据分析表明此处的腐蚀速率高于实验一，其原因是铺装层裂纹加大，防水层与铺装层的老化加快。图5横坐标21/9日期开始，对铺装层上部灌注粘结剂，以封闭裂纹，可以看到电阻探针腐蚀速度明显下降到10µm/a以下。说明随着裂纹的愈合，腐蚀速率又快速下降。

宽裂纹铺装层下对应的阻抗测试结果表明，阻抗探针发生腐蚀相应的电荷转移电阻Rct减小一个数量级，普遍小于103Ω·cm2的水平，防水层与钢丝电极之间的界面电容Cdl在500μF/cm2以上，表明钢丝发生腐蚀，钢丝表面变得粗糙，界面电容大。即便是后期粘结剂封闭裂纹，阻抗探针钢丝的Rct略微增大，但是界面电容仍在Cdl在500μF/cm2以上，没有减小，说明钢丝表面遭受腐蚀后粗糙，无法逆转。

4 工程实施案例

2021年1月，在珠江某悬拉索桥上进行了腐蚀监测系统的现场安装。图6是电阻探头在最近一年时间内腐蚀变化，平均腐蚀速率为2.692μm/a，基本相当于钢丝裸露在大气中腐蚀速率的1/3，半年时间的总腐蚀量小于为3µm，表明此处的沥青层保护效果良好。我们选取2021年8月上旬到2021年10月底的局部数据进行拟合分析，这一段时间内腐蚀速度为4.453μm/a（如图7所示），速度略高于其他时段。期间瞬时腐蚀速度曾达到647.1μm/a，但是时间短暂，平均腐蚀速度并不高，这可能与环境温度高导致铺装层产生微裂纹有关。经过持续监测，腐蚀速度在2021年11月回归正常，腐蚀速度降低2.279μm/a。

图6 电阻探头安装后，最近一年内腐蚀余量和腐蚀速率随时间变化曲线，时间范围：2021-04-05～2022-04-06

图7 电阻探头在2021年8月上旬～2021年10月底的局部数据

5 结语

通过电阻探针测定的瞬时腐蚀速率对时间的积分，可以及时获得钢桥面的腐蚀量；通过阻抗分析测定铺装层下防水层破损参数，监测铺装层的老化情况。因此，联合采用电阻探针和阻抗分析技术，综合判定桥面铺装层与防水胶层脱粘状态和钢桥面腐蚀发生发展的状态，可以实现长大跨径悬拉索桥钢桥面的腐蚀监测。