通常来说，混凝土结构的设计使用寿命为50年，而大型工程结构（如跨海工程）的设计使用寿命为100年，甚至120年。跨海工程处于海洋环境中，受盐雾、潮汐、高温、干湿交替等众多因素影响，在这种恶劣的腐蚀环境中，其混凝土结构在服役数年后就会出现劣化，影响设计使用寿命。 为保障跨海通道工程的设计使用寿命，有必要对其混凝土结构的耐久性进行定期诊断和维护。目前，结构物耐久性的诊断方式主要为定期人工检测，而随着传感器及通讯技术的进步，混凝土结构耐久性监测技术也不断发展。通过混凝土结构耐久性监测，实时、高效地了解混凝土结构的耐久性健康状况，对科学合理地采取维护措施，降低服役期内结构的维护成本，提高维护效率，保障桥梁结构安全有着极其重要的意义。 跨海通道结构的耐久性监测系统设计可根据其工程结构特点及所处区域的环境特征展开，其设计原则如下： 选择监测点时，应包含不同的腐蚀区域（如大气区、浪溅区、水变区、水下区），以保证监测数据的全面性。水变区与浪溅区腐蚀环境接近，水下区腐蚀风险小。 选择监测点时，应包含所有类型的混凝土结构。不同类型的构件，混凝土质量、浇筑工艺及服役期的受力状态都不一致，其耐久性劣化过程也存在差异。 考虑到经济成本，同一区域相同类型的混凝土结构宜设置1~2个监测点，且优先在腐蚀最严重的位置设置监测点。 监测点应最大限度地均匀分布在工程结构的全区域内。不同的地域区间，腐蚀环境也存在一定差异，为保障监测数据的代表性，监测点应覆盖全区域。 耐久性监测点布置 根据JTS 153-2015《水运工程结构耐久性设计标准》，并结合深中通道的海洋环境相关参数，对深中通道所处的腐蚀区域范围进行划分： 大气区：海拔>+5.04 m；浪溅区：海拔-5.04~0.54 m；水变区：海拔0.54~-2.57 m；水下区：海拔<-2.57 m。 根据耐久性监测系统设计原则，选择腐蚀最严重的浪溅区作为实施耐久性监测的重点区域，同时以大气区耐久性监测数据作为对比。 深中通道工程桥梁使用多、跨度广，涵盖超大跨径悬索桥、大跨径斜拉桥、浅滩区非通航孔桥和陆域引桥等。桥梁结构由上部结构、下部结构、支座及附属构造物组成。其中，上部结构为桥跨结构，包括箱梁、桥面等；下部结构包括桥台、桥墩和基础；支座为桥跨结构与桥墩或桥台支承处的传力装置；附属构造物包括桥头搭板、锥形护坡等。考虑到处于浪溅区的钢筋混凝土构件主要为桥墩、锚碇基础，因此在布置监测位点时，主要选择桥墩、锚碇基础实施监测，同时覆盖箱梁。其混凝土结构施工方式、保护层设计厚度及强度如表1所示。 表1 深中通道混凝土保护层的厚度及强度 综合不同构件、不同腐蚀区域及均匀分布的设计原则，其耐久性监测点分布如表2所示。 表2 深中通道混凝土结构耐久性监测点分布 监测传感器选择 目前，耐久性监测传感器分为预埋式和后装式两类，分别应用于新建和已建结构物。其中应用于新建结构的预埋式传感器包括德国Sensortec GMBH公司的阳极梯、丹麦Force Technology公司的ERE20电极、美国Virginia TechnologiesInc公司的ECI腐蚀监测器以及四航研究院的多功能耐久性监测传感器等。 阳极梯应用较为广泛，这种耐久性监测传感器是基于宏电池电流监测技术来判断腐蚀的发生。对于内部干燥的混凝土，若监测电流绝对值小于15 μA，表明被检测的阳极未发生腐蚀，反之则表明阳极发生腐蚀；而对于内部潮湿的混凝土，其腐蚀发生的标志是监测电流绝对值的突变增加以及电位的持续负移。基于监测到的腐蚀发生时间及电极埋深等数据，可评估混凝土结构的剩余使用寿命。 ERE20电极本质为MnO2参比电极，它是通过半电池电位法测量钢筋的电位从而判断钢筋锈蚀。根据JTS/T 236-2019《水运工程混凝土试验检测技术规范》标准，并结合MnO2电极与CuSO4电极的电位差计算钢筋的半电池电位（相对于MnO2电极），判断其锈蚀状态，结果见表3。ERE20电极作为一种固态长寿命电极，具有较高的稳定性和实用性，可与阳极梯联用，结合半电池电位判断各阳极腐蚀状况。 表3 钢筋的电位（相对于MnO2电极）与腐蚀的关系 电位/V 腐蚀 >-0.291 钢筋未发生腐蚀的可能性大于90% -0.441~-0.291 钢筋腐蚀不确定 <-0.441 钢筋发生腐蚀的可能性大于90% ECI腐蚀监测器可实现钢筋腐蚀速率、氯离子含量和混凝土电阻率、极化电阻的定量监测。多功能耐久性监测传感器也具备相同功能，此外它还可以监测混凝土内部的pH，且该设备价格相对便宜。根据混凝土内部氯离子含量随时间变化规律，可推算出混凝土结构的剩余使用寿命。 结合以上传感器的特点，确定耐久性监测传感器的设置方案，如表4所示，即在每个监测点布置1套阳极梯、1个ERE20电极、2套多功能耐久性监测传感器。传感器均需在混凝土浇筑前预埋到混凝土保护层中，并在施工阶段将电缆沿外侧钢筋引至目标区域，以便无线采集系统安装以及后期统一管理和维护。 表4 耐久性监测传感器的设置方案 数据采集系统布置 为便于以后采集设备安装维护及供电，数据采集系统置于监测点上方的箱梁或承台上，如图1所示。 （a）桥墩 （b）锚碇 （c）箱梁 图1 传感器及采集仪设计位点示意 针对偏远或供电不便的区域，采用太阳能-蓄电池供电系统进行长期供电。采用无线网络进行远程数据传输，一套数据采集仪可与多个不同种类的传感器同时适配连接。一套数据采集仪负责同一结构上的所有传感器的通讯，数据采集系统详细布置如表5所示。 表5 数据采集系统布置 阳极梯及ERE20电极安装 为了便于安装，将ERE20电极线路并入阳极梯系统中。安装时，ERE20电极固定在阳极梯附近的钢筋上，以确保更准确检测出阳极梯各阳极电位。阳极梯安装时，先挑选合适的钢筋间隙，确保阳极梯固定棒与上端接触处刚好紧靠在钢筋上，然后依次用扎带固定阳极梯固定棒及上端接触位置，如图2所示。 图2 阳极梯及ERE20电极安装 值得注意的是，阳极梯上端与钢筋接触处需与钢筋绝缘，阴极也需与钢筋绝缘。同时，为保证阳极梯各阳极均匀分布于混凝土保护层内，通常情况下，在模板安装完毕后再调节阳极梯各阳极埋深。最后，测量各阳极到模板的距离，记录各阳极的埋深，以便后期进行耐久性数据分析及混凝土寿命评估。 多功能耐久性监测传感器安装 多功能耐久性监测传感器安装方法简便，其结构和安装如图3所示。先利用U型支架将传感器固定，再用带孔的钢条固定U型支架，然后用扎带将钢条绑牢在钢筋上，最后利用支架上的螺母位置来调节传感器埋深。记录传感器表面到模板距离，便于耐久性数据评估。 (a) 结构 (b) 安装 图3 多功能耐久性监测传感器的结构及安装 根据深中通道耐久性监测传感器大约1年的采集数据，初步分析其耐久性状况。 ERE20电极监测数据 深中通道大气区的混凝土结构内部采用的是普通钢筋，阳极梯安装时钢筋电极与结构物钢筋电连接，因此可通过测量ERE20电极与阳极梯钢筋电极间的电位判断钢筋腐蚀状况。在浪溅区混凝土结构中，内部靠外侧采用的是环氧钢筋，因阳极梯钢筋电极固定在环氧钢筋附近，所以测量的数据与此处环氧钢筋破损处的腐蚀状况相近。 图4为锚碇（M1、M2）和119号桥墩（M6、M7）监测点ERE20电极监测数据。可见监测初期，由于耐久性传感器所在的混凝土未完全水化，内部环境不稳定，因此数据波动较大，电位过负，部分数据小于-1.0 V（相对于MnO2电极）。随着时间延长，钢筋电位逐渐正移，这是因为混凝土内部水分逐渐消耗殆尽，内部环境也趋于稳定。由于半电池电位检测数据是在工程建设阶段采集的，受工程围堰影响，大气区和浪溅区各监测点的电位差异不明显。约300天后，各监测点的电位都稳定在-0.3~-0.2 V（相对于MnO2电极）。结合表3中数据可判断混凝土内部钢筋逐渐趋于钝化，且尚未发生腐蚀。 图4 ERE20电极耐久性监测数据 阳极梯监测数据 阳极梯可测量不同阳极与阴极之间的电位和电流、相邻阳极之间的混凝土电阻等参数，获得相应的腐蚀监测数据。 从M1监测点的数据可以看出，监测250天后，电位和电流逐渐稳定，电流数据绝对值都小于15 μA，而电阻随着时间延长不断增加，这表明混凝土内部水分逐渐消耗完毕，内环境也逐渐稳定。结合阳极梯的腐蚀判断依据，电流未超过阈值，表明M1点尚未监测到腐蚀发生。从M2监测点的数据可以看出，混凝土浇筑后短时间内，电位与电流数值波动明显，约100天后，电流数值趋于零，电流绝对值小于15 μA，而电阻在此过程中逐渐增大，这表明此处阳极梯未监测到腐蚀发生。 多功能耐久性监测传感器监测数据 氯离子是影响腐蚀发生的关键因素之一，也是桥梁健康监测需要重点监测的耐久性参数之一。结合四航研究院研究结果表明，氯离子浓度与探针电位成正相关，且当探针电位低于15 mV时，环境中的氯离子浓度大于0.06 mol/L（混凝土中氯离子的临界浓度）。 图5 多功能耐久性监测传感器的监测数据 结合深中通道腐蚀环境和结构特点，针对性地设计及搭建了耐久性监测系统，成功地将36套耐久性监测传感器安装于深中通道锚碇、箱梁、桥墩的浪溅区及大气区。同时，通过现场采集的耐久性监测数据分析可知，尽管数据存在一定的波动，但从目前各监测点的阳极梯数据及半电池电位判断，耐久性传感器尚未监测到腐蚀发生，桥梁耐久性健康状态良好。
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