腐蝕監測傳感器在丹麥的應用

Ruth E. Sørensen (rso@cowi.dk)

Birit Buhr (bbu@cowi.dk)

Thomas Frølund (tfd@cowi.dk)

摘要:

今天，大型混凝土工程的下部結構的設計使用年限都是100年。這對混凝土結構設計師提出了很高的要求，在設計階段就必須去細致考慮怎么去運營和養護結構。因為，今年來，在丹麥的主要混凝土結構的下部構造都在臨界斷面安裝了腐蝕監測傳感器，如Great Belt Link，Oresund Link以及哥本哈根地鐵。腐蝕監測讓檢驗早期階段的氯離子侵入成為可能，可以在佳時間段里采取腐蝕防護措施，降低維修費用。

腐蝕監測應用還處于初始階段，但使用這種新手段的效果是值得肯定的。

1.介紹

在過去的15年里，丹麥有3個大型的混凝土結構的下部結構得到了改良

.     The Great Belt Link,連接Sealand和Funen兩個島嶼

.     The Oresund link, 厄勒海峽大橋connecting the island Sealand with Sweden 連接Seanland島和瑞典

.     哥本哈根地鐵

這幾個主要的混凝土工程的設計使用年限都是100年，在設計階段就必須貫徹考慮建造、保養和維修策略細節問題。其中一個考慮的事項就是在這些結構里面發展和安裝腐蝕傳感器預測鋼筋混凝土腐蝕的開始時間。

Great Belt Link與Oresund Link厄勒海峽大橋都是暴露在海水里，一個氯離子活動非?；钴S的環境。哥本哈根地鐵的縱深部分處在一個多變的環境，底部位于天然地基上，地鐵結構有幾個位置接觸到含有豐富氯離子的地下水。在這些環境條件下，氯離子會侵入到混凝土結構里，當鋼筋周圍的氯離子含量超過臨界值時，腐蝕就會發生，終導致使用年限的降低了。

通過在保護層里埋入傳感器可以監測目前環境里氯離子侵入導致的腐蝕。可供選擇的措施是用混凝土試樣做大量重復的氯離子破壞分析?；炷恋哪途眯再|量設計會以實際環境條件為檢驗依據。當腐蝕傳感器安放在混凝土保護層和臨界斷面上時，就能夠監測到氯離子侵入的臨界數量。防腐措施如陰極保護，也可以在初重修工作開始前的恰當時候進行，相應的會減低養護的費用。

圖一：丹麥三個主要的混凝土結構工程項目

腐蝕監測系統是估計鋼筋腐蝕開始時間的一個工具。有了這個信息的支持，養護措施的能夠在技術和經濟性上具有好的依據。

2 、監測原理

鋼筋腐蝕是一個電化學過程，在鋼筋的不同位置，鐵離子游離（陽極）和氧化物減少(陰極)，會產生一個電勢差。由于存在電勢差，相應會產生腐蝕電流，而這種腐蝕電流是可以被量測的。當腐蝕過程是在很大的陽極區域和陰極區域中進行的，這種腐蝕就叫宏單元腐蝕。

腐蝕傳感器是基于宏單元腐蝕原理，假設一個黑鋼連接有一個惰性金屬充當陰極的情況下，當腐蝕發生時，黑鋼就成為了陽極。一般會選用鈦金屬或表面覆蓋有金屬氧化物的鈦作為陰極，有時也可以采用不銹黑鋼（鋼筋）。

在一個健康的混凝土結構里，陽極和陰極的電化學電位是基本相同的，這個微小的電勢差使陽極和陰極連接起來的電流基本為零。當黑鋼由于氯離子的侵入而腐蝕時，陽極的電位會下降，而在正常狀態下的陰極電位會保持恒定。這樣，當陽極和陰極連接在一起后，之間的電流會產生數量級的重大增加。能指示腐蝕發生的觸發值與混凝土質量和周圍環境如氯離子含量、濕度、氧含量、溫度和混凝土電阻率有關。因此，整個結構的腐蝕觸發電流值都不會*一樣的。不同的混凝土部件會有相應的腐蝕觸發值。實際上，腐蝕監測傳感器由幾個黑鋼傳感器（4或者6個陽極）組成，這些黑鋼陽極安裝在混凝土保護層以下不同的深度處，與陰極組合在一起。當外面陽極電流超過觸發值時，說明在臨界面活躍的物質特別是氯化物已經接觸到此陽極，腐蝕開始了。當第二個外面的陽極的電流超過觸發值，說明在臨界面活躍的物質開始接觸到此陽極，處在保護層相應深度的鋼筋混凝土開始被腐蝕了。相應的，腐蝕前鋒面會相繼推進到混凝土保護層里。

  圖2：腐蝕傳感器進行腐蝕監測的基本原理-監測脫鈍前封面的進展情況

當混凝土的質量情況很好時，就像Great Belt Link項目一樣，往往需要很多年的時間靠近外面的傳感器才會發生腐蝕和監測到腐蝕電流。與保養費用的長期預算相關的是盡可能早預測到鋼筋發生腐蝕的時間。登記腐蝕傳感器的腐蝕時間，建立服務年限與氯離子侵入引起的腐蝕相關的數學推理模型，可以獲知這種相關性。

3 監測

3.1 The Great Belt Link

Great Belt Link建造于1989年，1998年投入運營。海上通道由兩段橋梁和一段隧道組成。分別叫作西橋，東橋和東隧道。西橋由兩條長約6.6公里的平行連續箱梁組成，一條是公路橋，一條是鐵路橋。沉箱、橋軸和梁都是混凝土預制而成，而連接件都是混凝土現澆的。東橋是懸索橋，包含引橋長約6.8公里。沉箱、橋軸、錨墩和橋塔都是鋼筋混凝土結構，部分預制，部分現澆。東隧道由兩條平行的長約7.5公里長的隧道管道組成，隧道管襯砌部分都是混凝土預制而成，加上兩頭，隧道總長接近8公里，浸入海水里深超過75米。

圖3 The great belt Link

Great belt link的耐久性要求是100年。這包含了結構布置、材料構成、執行質量、施工及養護策略方面的綜合考慮。如果在結構設計和運營中不把保養和維修作為主要部分來考慮是很難實現100年的服務年限的。腐蝕檢測將作為一種非常重要的工具，可以確認質量退化的標識，在質量退化前采取預防性措施。

The Great Belt Link的腐蝕監測總共使用了446套腐蝕傳感器，其中180套安裝在西橋的橋軸和梁上，42套安裝在東橋的橋塔、橋軸和錨墩上，225套安裝在東隧道的接口和保護層的內外環形襯砌上。

The Great Belt Link采用的腐蝕傳感器是德國S+R sensortech公司的陽極梯。陽極梯由6段黑鋼陽極和溫度傳感器組成（PT-1000）,陰極是一段鈦棒。同時配備了丹麥FORCE Technology公司的ERE10參比電極。傳感器安裝安放在臨界薄弱斷面例如結構連接處和難以到達或者很難開展檢測工作的構件上。傳感器在1989-1991年安裝在東隧道。

圖4 梯形腐蝕傳感器

3.2 厄勒海峽大橋

厄勒海峽大橋修建于1995年，2000年竣工。大橋包括一斜拉橋和一座隧道，連接哥本哈根和瑞典第三大城市馬爾默。斜拉橋長7.8km，采用加強混凝土作為基礎。所有的沉箱、橋墩和墩軸都是預制的，橋塔采用現澆方式。混凝土隧道全長接近4公里，海底部分長約3.5KM。

圖5 The Oresund Bridge

混凝土隧道結構部分一共使用了249套腐蝕傳感器，其中60套用在斜拉橋上的墩軸和橋塔以及鐵道槽里。另外189套傳感器用在隧道上。大橋上用的腐蝕傳感器是德國S+R sensortech公司的陽極梯，過去在Great Belt Link上也使用過，參比電極采用的是丹麥FORCE Technology公司的ERE20。橋桿和橋塔里的傳感器都安裝在大體積混凝土部位和結構連接處，這些都是暴露在氯離子侵蝕環境下，比較容易腐蝕的地方。鐵路槽里的傳感器都設置在容易受到碳化腐蝕和在建設階段可能出現裂縫的位置。隧道采用的腐蝕傳感器是丹麥FORCE Technology公司的Corrowatch,這種傳感器有4個普通黑鋼陽極和一個采用高純度鈦合金網的陰極，相應配置的參比電極同樣是Force公司的ERE20。這些傳感器都安放在臨界薄弱斷面例如結構連接處和難以到達或者很難開展檢測工作的構件上。

.

圖6、Corrowatch腐蝕傳感器

3.3 哥本哈根地鐵

哥本哈根地鐵修建于1996-2003年。地鐵位于哥本哈根市中心的部分是隧道結構，郊區是筑堤或者輕軌。哥本哈根地鐵的地下部分大概有接近8公里長，隧道是盾構開挖，襯砌是預制鋼筋混凝土板，接口與上蓋也是鋼筋混凝土結構的，與NATM隧道類似。地鐵站也大多是在地下隨著開挖用交叉樁支撐的，同樣是鋼筋混凝土結構。地上高架鐵路的基礎和上部結構同樣是鋼筋混凝土結構的，這些都一般只面臨較低風險的鋼筋腐蝕，除非主要公路因為冬季噴灑除冰鹽而面臨氯離子侵蝕的危險。

圖7、哥本哈根地鐵隧道

在1997-2004年，地鐵在修建期間一共安裝147套腐蝕傳感器。傳感器都安裝在以下盾構隧道的幾種結構里，如接口處、上蓋、斜坡、交叉樁、橫隔墻、高架墩柱與橋墩。哥本哈根地鐵的腐蝕傳感器采用的是DURMON^TM耐久性監測系統，這是腐蝕控制服務有限公司的產品。這種腐蝕傳感器由4根黑鋼陽極，一個鍍鉑鈦金陰極和一個PT1000溫度傳感器還有一個ERE20參比電極組成。這種傳感器安裝在混凝土結構里面，陽極處于保護層的不同深度。作為一個完整的腐蝕監測系統，一個電纜插座會作為一部分與陽極和陰極同時安裝在混凝土里面。

圖8.哥本哈根地鐵， 埋入式傳感器 Durmon

4.測試與評估

典型的量測腐蝕傳感器的儀器是萬用表，可以用于電化學電位測量、一個零阻抗的電流測量和一個AC阻抗的電阻率測量。一個典型的測量包括以下內容：

1、 傳感器電極的電化學電位測試（陽極與陰極）和鋼筋與參比電極與鋼筋與陰極的電位測試；

2、 不固定的宏單元電流測試，在各陽極與陰極耦合后的5-10秒后測量。一旦有腐蝕電流的產生，此測量將會在幾分鐘到一個小時內作為其他固定的電流測試的補充；

3、 不同傳感器的電阻率測試，參比電極與鋼筋之間的電阻率測試；

4、 混凝土溫度測試。

在腐蝕風險里首先評估是以陽極和陰極之間的電流為基礎的，然后才是其他測量結果。陽極與陰極的電勢差會由于含氧量與濕度等因素有一些小的差異，導致會產生一個很小的電流，但此時的傳感器仍然是鈍態的。因此，有必要制定出一個電流值臨界值（觸發值）來指出是否發生了腐蝕。不同類型的混凝土原件都有他們自己的腐蝕觸發值，隨著實際環境而變化，這意味著一種結構可能會有不同的觸發值。

觸發值將以不同混凝土構建的腐蝕傳感器實際測量的結果為基礎得以確定。在這個依據制定出來之前腐蝕的發生將以外面的陽極為準。

5.經驗

丹麥的大型海工混凝土結構工程還處于初始服務階段，此時的腐蝕傳感器還沒有開始腐蝕。

腐蝕監測探頭按照預期在正常狀態下運作。然而，在某些特定的位置，我們知道鍍鉑鈦金（陰極）的電位比腐蝕傳感器的陽極電位還低，在這種情況下，宏單元結構的短路電流往往會獲得相反的信息。這些情況都發生在環境非常潮濕或者密實的沒有氧氣或者很少氧氣的混凝土結構。有時候相同位置的鋼筋電位會高于腐蝕傳感器的電位，這種問題的解決方案就是采用鋼筋作為陰極。另外，臨近的處于豐富氧環境下鍍鉑鈦金也可以考慮作為陰極，但同時必須考慮混凝土的電阻率。

在保證低阻抗的前提下，陽極和陰極在混凝土里的距離往往是幾米，但這種情況不發生在非常密實的混凝土結構里面。上面提到問題的一個非常。典型的案例就是在Great Belt Link的海底混凝土隧道，氧氣是從隧道內部襯砌滲透進去的。安裝在外面鋼筋上的宏單元的陰極電位比腐蝕傳感器的電位要低，但是安裝在內部鋼筋的宏單元是正常的。

6.結論

腐蝕監測是混凝土結構傳統監測的一種重要補充手段，適用于需要定期維修（預測性維修）措施和難以或者不可能檢測評估的混凝土結構。常規質量檢測為混凝土質量退化提供了一種關于明顯特征的看法。然而，腐蝕監測提供的是確定位置的腐蝕發展情況。因此，需要在混凝土質量明顯退化之前發展預警手段

腐蝕監測系統明顯的優勢是能測試到與腐蝕風險（如氯離子含量、濕度、氧或其他）非常相關的特性，也就是暴露接觸面以下不同深度處腐蝕開始的時間?；具@個考慮，腐蝕監測是所有方法里直接的評定腐蝕的方法。通過綜合腐蝕監測與其他無損檢測手段，就可以獲得一種佳的手段來檢驗或者調整之前制定的運營與養護措施。因此，運用所有收集的信息來檢驗和升級服務年限模型，用一種統一而合理的觀點方法來確保本論文提到的大型海工混凝土結構和將來對耐久性要求高的結構的服務年限不低于100年。