杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性原位監(jiān)測預警系統(tǒng)

1、第23卷 第2期2010年3月中 國 公 路 學 報China Journal of Hig hw ay and T ransportVol.23 N o.2M ar.2010文章編號:1001 7372(201002 0030 06收稿日期:2009 05 27基金項目:國際科技合作計劃重點項目(2005DFA70810;交通部科技項目(2003319H 01010;國家自然科學基金重點項目(50538070作者簡介:干偉忠(1963 ,男,浙江舟山人,寧波工程學院教授,工學博士,E m ail:gannb 。杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性原位監(jiān)測預警系統(tǒng)干偉忠1,2,RAU PACH M

2、3,金偉良1,呂忠達4(1.浙江大學結(jié)構(gòu)工程研究所,浙江杭州 310027; 2.寧波工程學院混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究所,浙江寧波 315016; 3.亞琛工業(yè)大學土木工程研究所,北萊茵 威斯特法倫亞琛 52062;4.杭州灣大橋工程指揮部,浙江寧波 315327摘要:為了確保杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)達到百年設計使用壽命,評價混凝土結(jié)構(gòu)耐久性狀況的動態(tài)發(fā)展,通過對預埋式鋼筋腐蝕無損監(jiān)測傳感系統(tǒng)的國際合作研究,確定了基于電化學原理和輔助光纖技術的耐久性監(jiān)測技術思路,制定了該工程耐久性動態(tài)預報監(jiān)測平臺的構(gòu)架技術方案,捕獲了結(jié)構(gòu)各部位腐蝕預警的個性化判據(jù),優(yōu)化了全橋測點的布置,集成、改良并安裝了控制關鍵

3、部位的全套系統(tǒng)(共計48套監(jiān)測單元。工程實測結(jié)果表明:測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定,并且與實驗室研究數(shù)據(jù)吻合。關鍵詞:橋梁工程;混凝土結(jié)構(gòu);電化學原理;耐久性;預警系統(tǒng);無損監(jiān)測中圖分類號:U 446.2 文獻標志碼:AIn situ Monitoring and Early Warning System for Durability ofConcrete Structure of Hangzhou Bay Sea crossing BridgeGAN Wei zhong 1,2,RAUPA CH M 3,JIN Wei liang 1,LU Zho ng da 4(1.Institute of Str uc

4、tural Eng ineering ,Zhejiang U niver sity,Hang zhou 310027,Zhejiang ,China; 2.Institute ofConcrete Structure Durability ,N ingbo U niv ersit y of T echnolog y,N ing bo 315016,Zhejiang ,China;3.Inst itute of Civil Engineer ing ,Aachen U niv ersity of T echnolo g y,A achen 52062,N or th Rhine W est ph

5、alia,Germany; 4.Const ruct ion Headquart er s of H ang zho u Bay Bridg e,N ingbo 315327,Zhejiang,ChinaAbstract:In order to attain a hundred year long designed service life fo r the concrete structure of H angzho u Bay Sea crossing Bridge and evaluate the development trend of the state for durability

6、,thro ug h international coo peratio n research on embedded no n destructive perm anent monito ring of the corr osion risk of steel bar,the technical thought of durability m onito ring based on electro chemical principles and assistant optical fiber techno logy w as deter mined.The relev ant technic

7、al solution fo r the m onitoring platfor m of dynam ic prediction fo r the structure dur ability was g iv en.The characteristic criteria for corro sion ear ly w arning of ev ery part o f the structure was set.The arrangements of m easuring po sition of the bridg e w er e optim ized.The w hole system

8、 (co nsisting of 48sensors of co ntro lling main parts w as integrated,improv ed and installed.Pr actical test r esults sho w that test data are co nstant and ag ree w ell w ith data g ot by labor atorial resear ch.Key words:bridge engineering;co ncrete structure;electrochem ical principle;dur abili

9、ty;early warning system;non destructiv e permanent m onitor ing0引 言杭州灣跨海大橋設計使用壽命為100年,主體結(jié)構(gòu)除航道橋鋼箱梁及部分鋼管樁外,其余均為混凝土結(jié)構(gòu),混凝土用量近2.5M m3。工程所處海域潮大流急,淺層海水溶氧量高,實測值達6.2 8.9mg L-1;受長江、錢塘江等陸域徑流、降水、蒸發(fā)、洋流、潮汐、季節(jié)等因素影響,橋位表層海水氯離子實測含量(質(zhì)量濃度在5.515.9g L-1之間,pH值6.98.1,電導率1637mS cm-1。調(diào)查表明1 6:中國橋梁、港工等海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題非常嚴重,一般建成后

10、812年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂而需要大修,嚴重的不得不拆除重建。如浙東某國家重點工程10萬t 級礦石中轉(zhuǎn)碼頭不到10年就不得不進行腐蝕修補,造成的損失令人痛心;南部沿海幾十座服役325年的碼頭,因鋼筋銹蝕造成耐久性問題的占80%以上,有的僅使用37年即出現(xiàn)順筋開裂。調(diào)研還顯示,在杭州灣沿海地區(qū),混凝土中性化、堿骨料反應、硫酸鹽侵蝕、凍融等并不是混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主要原因,耐久性主要取決于混凝土的抗氯離子侵蝕的性能。氯離子通過混凝土表面的孔隙逐漸擴散至鋼筋表面,積累到一定濃度即會破壞鋼筋表面鈍化膜,鋼筋由鈍態(tài)轉(zhuǎn)為活化態(tài),特別是處于浪濺區(qū)及潮差區(qū)的結(jié)構(gòu)部位,因同時有水分和氧氣的充分供給,鋼筋最易

11、銹蝕7 10。鋼筋的腐蝕產(chǎn)物多為膨脹性氧化物,其體積是母體鋼筋體積的26倍,易導致順筋脹裂、保護層剝落。就杭州灣跨海大橋(后文簡稱本工程混凝土結(jié)構(gòu)來說,雖然采取了系統(tǒng)的耐久性措施,在材料和構(gòu)造層面來間接反映了設計中對耐久性的要求,同時各國還有大量的可借鑒的成果11,但由于問題的復雜性,再好的設計都不能期望能夠預見在長達百年服役期內(nèi)的所有環(huán)境負荷及其耦合作用。對于重大基礎設施,欲確保100年以上的使用年限,國際上尚缺乏普遍認可的基于可靠度的設計理論。歐洲Lindv all等提出的做法是 耐久性設計與再設計 ,而實施的前提就是動態(tài)捕獲結(jié)構(gòu)原位耐久性關鍵參數(shù)的信息反饋12 16。鑒于此,本文中通過引

12、進國外技術消化吸收再創(chuàng)新,在本工程施工過程中預置了個性化原位監(jiān)測系統(tǒng),旨在獲取混凝土結(jié)構(gòu)原位耐久性參數(shù),期望據(jù)此在早期對結(jié)構(gòu)耐久性狀況進行診斷預警,指導耐久性再設計或預案的決策,把握維護與維修的最佳時機。1監(jiān)測原理1.1總體技術思路混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性下降一般可以分為2個階段(圖1,即鋼筋鈍化階段(t0 t1和鋼筋腐蝕階段(t1 t3。腐蝕階段以混凝土保護層脹裂點t2為界又可分為2個時段(t2 t3和(t1 t2。從經(jīng)濟角度講,若在(t2-t3階段進行修復作業(yè)有是否值得的問題,而(t1 t2階段的修復設計與施工往往代價高昂,最為經(jīng)濟有效的做法是在鋼筋脫鈍前采取耐久性再設計措施(預案17。顯然,實

13、現(xiàn)該目標的難點在于如何提高t1的預報精度。圖1鋼筋銹蝕與結(jié)構(gòu)服役時間的關系Fig.1Relation Between C orrosion of SteelBar and Service Time of Structure海洋環(huán)境中,混凝土中鋼筋銹蝕以宏電池腐蝕為主導,陽極區(qū)鋼筋被氧化,陰極區(qū)氧氣被還原。新澆混凝土的脫鈍前鋒線處于混凝土表面,隨著時間的推延,脫鈍前鋒線將向鋼筋方向推進,其推進速度主要取決于外部腐蝕介質(zhì)負荷強度以及混凝土本身抵抗這些介質(zhì)的擴散性能。如果在鋼筋保護層內(nèi),按不同深度埋入多個脫鈍傳感單元陣列,那么就可利用一組脫鈍前鋒面到達多個不同深度傳感單元的時域信號,建立前鋒面發(fā)展進

14、程的數(shù)學模型,這個模型能夠不斷得到新反饋信號的校正(圖2,其中縱坐標h表示距混凝土表面的距離。通過外推擬合即可得到t1,此值能夠不斷得到修正,這樣就能動態(tài)地、長期地獲得混凝土配筋脫鈍前鋒面的進展情況和結(jié)構(gòu)原位耐久性關鍵參數(shù)的信息反饋。如果預報的t1小于設計使用年限,就可以對結(jié)構(gòu)進行耐久性再設計,及時啟動耐久性預案,并繼31第2期 干偉忠,等:杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性原位監(jiān)測預警系統(tǒng) 圖2耐久性監(jiān)測原理Fig .2Principle of Durability Monitoring續(xù)對前鋒面的進展進行監(jiān)測,以確認腐蝕保護措施的效果;如果采取措施后的t 1仍小于設計使用年限,那么在工程進入腐

15、蝕階段前仍有機會采取經(jīng)濟的補救措施。1.2預警復合判據(jù)試驗表明,處于不同電化學狀態(tài)的金屬腐蝕電位明顯不同。鋼筋在鈍化時腐蝕電位升高(正移1V 左右,而由鈍態(tài)轉(zhuǎn)入活化態(tài)時腐蝕電位降低,其活化區(qū)和鈍化區(qū)的電位差往往可達100500mV 量級,因此在2個區(qū)之間可形成電偶電流和電場。據(jù)此,依據(jù)輸出信號的電平分貝數(shù)可以判斷鋼筋的腐蝕狀態(tài)。測量時若進行恒電位控制,鋼筋脫鈍時用低輸入端壓降的安培計還可以捕捉到電流的突躍(圖3 。圖3腐蝕電流的突躍Fig.3Sudden Change of C orrosion Current在腐蝕過程中,鈍化區(qū)和活性區(qū)之間一般形成宏觀腐蝕電池(圖4,如果略去鈍化區(qū)(陰極鋼筋

16、本體電阻R t 和活性區(qū)(陽極鋼筋本體電阻R s ,其腐蝕電流服從閉合回路歐姆定律 I cor r =(E a -E c /(R B +R a +R c (1式中:I corr 為腐蝕電流;E a 、E c 分別為陽極、陰極的靜態(tài)電位;R B 為混凝土電解質(zhì)電阻;R a 、R c 分別為陽、陰極反應電阻。按法拉第定律,金屬離子化(氧化失重可按式(2 計算圖4腐蝕閉合回路的等效電路Fig.4Equivalent Circuit for Corrosion C losed Circuitm =i corr tM/(nF (2式中: m 為單位表面陽極金屬離子化質(zhì)量;i corr 為腐蝕電流密度;t

17、 為腐蝕持續(xù)時間;M 、n 分別為金屬的摩爾質(zhì)量及其價態(tài);F 為法拉第常數(shù)。對鐵(鋼筋而言,M 、n 分別為55.85g mo l -1和2,所以由式(2可知其腐蝕失重的理論速度約為1.04g (A h-1。在純物理方法方面,可以在混凝土中埋入與鋼筋同材質(zhì)的電阻傳感元件,通過平衡電橋測量其電阻的變化,利用電阻與其截面積成反比的關系,最終變換成腐蝕速度。還可以把鐵脫鈍敏感膜移植到光纖的芯部,制成光纖傳感元件,埋設于混凝土保護層中。與光纖的外包皮相比,鐵脫鈍敏感膜對光信號具有較大的吸收率和較小的反射率,因此鋼筋未脫鈍或腐蝕時,光信號通過該敏感膜部位后被捕獲到的信號強度較弱,相反當敏感膜腐蝕后,可以

18、檢測到較強的光信號,因此通過敏感膜的脫鈍可以估算鋼筋的腐蝕速率。經(jīng)試驗優(yōu)化和改進的電阻及光纖傳感裝置,不受電磁干擾,可足夠精確地推測混凝土中鋼筋腐蝕的前鋒線,有理想的重復性和再現(xiàn)性,與電化學方法也有很好的一致性。2系統(tǒng)構(gòu)成2.1梯形監(jiān)測傳感單元20世紀80年代末,德國亞琛工業(yè)大學土木工程研究所發(fā)明了第1代梯形陽極混凝土結(jié)構(gòu)耐久性預埋式無損監(jiān)測傳感系統(tǒng)(包括傳感單元和數(shù)據(jù)處理單元,它能夠測量基于鋼筋段脫鈍的各回路或開路電學參數(shù)的突變信號。1990年開始,該系統(tǒng)在世界各國陸續(xù)投入工程應用,涉及的工程類型主要有處于海洋腐蝕環(huán)境中的碼頭、隧道、橋梁等重要基礎設施,截至2008年全球共使用了1496套梯

19、形陽極單元,影響較大的有丹麥的T he Great Belt Link 和丹麥 瑞典的Bridge resund Link 等工程。32中 國 公 路 學 報 2010年中國大陸對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性無損監(jiān)測的研究起步較晚。在中國國際科技合作計劃重點項目的支持下,通過中德雙方合作研究,整合了鋼筋腐蝕監(jiān)測手段,確定了旨在提高測量信號靈敏度和分辨力的噪聲抑制技術狀態(tài),解決了信號線壽命短、抗電磁與溫濕干擾能力差、測量系統(tǒng)易發(fā)生漂移、難以實時修正脫鈍前鋒面發(fā)展進程等問題。在此基礎上,結(jié)合本工程嘗試利用合金膜局部取代光纖介質(zhì)包層,構(gòu)成腐蝕脫鈍敏感膜,為本工程不同檢測部位研制了個性化的陽極元件和專位陰極元件,

20、從而獲得了與鋼筋腐蝕電化學理論相關性良好的信號,架構(gòu)了第2代多冗余監(jiān)測信號通道,研制了更加可靠的新一代鋼筋脫鈍傳感單元(圖5 。圖5預埋式耐久性無損監(jiān)測傳感單元Fig.5Sensor for Durability Non destructivePermanent Monitoring of Early Warning System2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)處理單元實時掌握脫鈍前鋒面的發(fā)展,需要定時測量多項電學以及某些光電子參數(shù),如電流、電位差、極化電阻、電解質(zhì)電阻、光功率變化、鋼筋所在部位的溫度、濕度等。測量的時間間隔頻率一般控制在每年12次。一般來說,利用計算機進行實時巡測或無線遙測并非必要,因為脫鈍前

21、鋒面的發(fā)展速度畢竟是緩慢的,短期內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的波動基本屬于偶然誤差,而且二次自動儀表本身的耐久性難以與工程使用年限相匹配。中德雙方合作研究改裝了高阻靜電儀,優(yōu)化了測量電路,有效免除了電磁和溫、濕度干擾。研制的便攜式數(shù)據(jù)采集單元,參數(shù)測量效率高,而且存儲的數(shù)據(jù)還可以與普通電腦甚至常用的TI 圖形計算器交換,所有數(shù)據(jù)可使用通用軟件進行處理,并根據(jù)通過相應實驗室試驗建立的數(shù)學模型推算脫鈍面的位置。考慮到工程服役期內(nèi),電腦及其他二次儀表必將多次升級換代,因此所有的參數(shù)均采用原始信號,并提供了 原始 的手工圖解法模塊,便于系統(tǒng)在沒有二次投入的情況下也能長期運行。3系統(tǒng)設計與安裝3.1系統(tǒng)平臺混凝土結(jié)構(gòu)耐久

22、性監(jiān)測系統(tǒng)主要基于熱力學和電化學原理,不是一種通用的定型設備,需要事先針對具體工程、具體設計要求、實際環(huán)境負荷、結(jié)構(gòu)部位的供氧供水條件、所用混凝土配比和鋼筋材質(zhì)、使用年限要求、技術指標等進行預研和專項設計,選用個性化陽極和研制專用參比陰極,并捕獲各監(jiān)測點穩(wěn)定的復合判據(jù),為將來對數(shù)據(jù)進行解讀奠定基礎。根據(jù)本工程實際,耐久性監(jiān)測系統(tǒng)平臺的建立基于下列逐一緊后的計劃評審法(PERT的邏輯循環(huán)路線:耐久性分析數(shù)據(jù)庫 個性化脫鈍復合判據(jù) 鋼筋脫鈍傳感單元 結(jié)構(gòu)剩余壽命模型。系統(tǒng)設備研制經(jīng)歷了方案階段 初樣階段 正樣階段,標定經(jīng)歷了單元調(diào)試 分系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試,最后對系統(tǒng)級冗余技術狀態(tài)進行凍結(jié)。3.2監(jiān)

23、測點的選擇與優(yōu)化為了在確保效率的基礎上全面掌握工程耐久性狀況,監(jiān)測點的選擇與優(yōu)化是很重要的。本工程是長達36km 的跨海通道,具有大量的同環(huán)境、同材料、同工藝、同類別、同部位的工況歸一化構(gòu)件,而且耐久性的短板 預期腐蝕活化控制點容易分析確定。經(jīng)過多次方案及技術論證,最終在全橋若干個典型墩號截面(F107、E81、C17、A39上布置了測位,即南引橋灘涂區(qū)、南引橋深水區(qū)、中引橋、北引橋高墩。每個墩號截面布置了若干測點,分布在不同高程、不同部位控制處,共48套監(jiān)測系統(tǒng)(含實驗室比對校正系統(tǒng)。3.3安裝程序重大工程工期緊,節(jié)點任務重,施工組織嚴密,工序進度高度交叉,因此安裝窗口較小。為了盡量不干擾施

24、工流水節(jié)奏,編制實施了安裝零窗口-168h 程序:-168h:7d 準備,單元設備啟封,元器件穩(wěn)定性驗證,信號通斷測試,電氣性能測試,各子系統(tǒng)進行最后一次 健康體檢 。-48h:2d 準備,技術狀態(tài)激活,監(jiān)測諸元、復合判據(jù)重新捕獲,必要時進行校正,系統(tǒng)級合檢。-24h:1d 準備,技術狀態(tài)最終凍結(jié),進入技術封存狀態(tài);進行安裝準備,運輸打包,氣象咨詢,各方確認首選零窗口和備選零窗口。-5h:單元設備啟運,到達工地。33第2期 干偉忠,等:杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性原位監(jiān)測預警系統(tǒng)0h:設備解包,工具準備,零窗口(例如底、腹板鋼筋安裝綁扎結(jié)束、內(nèi)模吊裝之前安裝。3.4腐蝕監(jiān)測和模擬試驗根據(jù)測得

25、的監(jiān)測單元C 1C 6以及工程鋼筋C S 回路的特征腐蝕電流(圖6、電位(圖7和電解質(zhì)電阻等參數(shù)的變化即可確定脫鈍前鋒面。當然脫鈍的判據(jù)尚與信號源時刻、混凝土原材料、鋼材、配合比、溫度、濕度及腐蝕環(huán)境有關,這些數(shù)據(jù)還必須通過實驗室中試校正和長期試驗修正。圖6腐蝕電流 時間動態(tài)曲線Fig.6Relations of C orrosion Currents and Tim e圖7腐蝕電位 時間動態(tài)曲線Fig.7Relations of C orrosion Potentials and Time濾去信號噪音,實驗室研究數(shù)據(jù)(圖3與工程實測數(shù)據(jù)(圖8吻合,其中圖3是實驗室快速模擬得到的混凝土中鋼筋腐

26、蝕的電化學表征 電流的突躍。圖8是2007年其中某一測點系列13陽極陣的特征腐蝕電流測試值,數(shù)據(jù)顯示相應鈍化膜尚處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果將來監(jiān)測信號顯示工程鋼筋開始腐蝕,則可依據(jù)式(2計算腐蝕速度。由于這種監(jiān)測是長期的,其生命周期將達幾十年,必要時甚至百年,因此完整的全壽命的實測成果要等若干年后才能陸續(xù)發(fā)表。4結(jié)語(1通過構(gòu)架耐久性動態(tài)預報監(jiān)測平臺,對杭州灣跨海大橋的鋼筋腐蝕狀況進行長期無損監(jiān)測,不僅可為耐久性評估和剩余壽命預測提供實時判據(jù), 而且可為將來的腐蝕防護或腐蝕修復決策提供科學圖8部分陽極陣特征腐蝕電流測試值Fig.8Variations of Characteristic C orros

27、ion Currentsvs Time in Partial Anodes依據(jù),及時進行 耐久性再設計 。(2通過捕獲被動電化學和光電子腐蝕信號,比對本工程個性化的腐蝕預警判據(jù),可對當前的腐蝕情況進行必要判斷,即利用腐蝕前鋒面推進速率可以推算出結(jié)構(gòu)鋼筋脫鈍的時間,從而對工程控制部位提供早期預警。(3腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)還能夠推斷鋼筋腐蝕的速率,更為重要的是可以對實施的腐蝕控制措施和維護方案進行有效性評價。(4施行正確和有效的腐蝕監(jiān)測,有助于更加有效地延長工程壽命以及保證工程在健康條件下運行,從而把工程維護從損傷維修提高到預測性維護和以可靠性、耐久性為核心的預防層次。(5不過,本預埋式監(jiān)測系統(tǒng)只適合于由

28、表及里的介質(zhì)擴散腐蝕(如海洋環(huán)境氯離子侵蝕,不適用于監(jiān)測謎流產(chǎn)生的電解腐蝕和混入氯離子(如海砂引起的宏電池腐蝕,自然也不適用于已經(jīng)在役的混凝土結(jié)構(gòu)工程,因此具有更高技術含量的后置式耐久性監(jiān)測預警系統(tǒng)亟待進一步研究。參考文獻:References:1 金偉良,趙羽習.混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性M .北京:科學出版社,2002.JIN W ei liang,ZH A O Yu x i.Durability of Co ncr ete StructuresM .Beijing :Science Pr ess,2002.2洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護M .北京:中國鐵道出版社,1998.H ON G Di

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