随着我国经济的飞速发展，沿海交通需求增加，海洋工程建设规模不断扩大，其设计服役寿命也不断提高，动辄百年甚至更高。而在严苛的海洋环境中，混凝土结构受海水侵蚀严重，在长期服役过程中其耐久性必然发生退化，从而危及结构的安全使用，因此有必要采取相关措施及时掌握结构的健康状态，以指导后续结构的健康运营维护。

通常，结构健康状态的诊断技术分为检测和监测技术。因混凝土耐久性监测技术具有对结构物无损害、人工成本低、可实时反馈等优点，被广泛应用于各重大海工结构。而随着耐久性监测技术的不断应用及发展，各类耐久性监测传感器也逐渐被开发应用。同时耐久性监测也暴露出各种问题，包括现场传感器无人监管维护、数据无法及时持续采集、传感器终端线路腐蚀严重等，导致传感器数据无法得到有效分析，无法对工程结构腐蚀进行合理评估，从而无法发挥其应有价值。

耐久性监测传感器

目前，国内外市场上耐久性监测传感器主要有：德国Sensortec GMBH公司的阳极梯传感器和后装式膨胀环、美国Virginia Technologics Inc.公司的ECI传感器、丹麦Force Technology公司的ERE20电极和Corrowatch传感器，如图1所示。其中，阳极梯、膨胀环及Corrowatch均为基于宏电流监测的传感器，其原理是依据监测不同埋置深度下阳极间与阴极间的电位、电流、电阻等数据，综合判定钢筋的腐蚀状况。而ERE 20电极为MnO2参比电极，可对钢筋腐蚀电位进行有效监测。ECI传感器则具备监测混凝土电阻率、钢筋腐蚀电位、钢筋腐蚀速率以及氯离子电位的功能。

图1 各式耐久性监测传感器

同时，随着技术研究的深入，一些基于电化学阻抗、电化学噪声、光纤等技术的新型耐久性监测传感器也正逐渐被开发和应用，但这些传感器一直未在工程上广泛应用。

监测系统建设

1 监测系统设计

基于我国境内不同海域的工程结构，开展了耐久性监测研究工作。监测系统遍布华南、华东、华北地区，包括海口、湛江、泉州、日照、青岛的涉海工程结构。除膨胀环外，其他埋设的传感器均在建设阶段以预埋的方式进行搭建安装，其监测设计如图2所示，重点在腐蚀环境严重的浪溅区布点监测，同时为了便于监测数据对比分析在大气区也进行了布点。

（a）海口        （b）湛江

（c）泉州

（d）日照       （e）青岛

图2 国内不同区域海工结构耐久性监测设计图

各海域监测结构及布点情况如下：

(1) 海口监测结构为重力式码头结构，监测传感器为阳极梯和ERE20电极，监测点布置在3处浪溅区；

(2) 湛江监测结构为高桩码头结构，监测传感器为阳极梯、ERE20电极及应变传感器，监测点分布在大气区和浪溅区；

(3) 泉州监测结构为跨海大桥结构，监测传感器为阳极梯和ERE20电极，监测点分布在大气区和浪溅区；

(4) 日照监测结构为重力式码头结构，监测传感器为阳极梯、ERE20电极及ECI传感器，监测点分布在大气区、浪溅区、水变区；

(5) 青岛监测结构为跨海大桥结构，监测传感器为阳极梯和膨胀环，监测点分布在大气区和浪溅区。

2 监测系统搭建

海口大气区和浪溅区的监测传感器布置点设置在现浇胸墙上，于2016年底安装完成；湛江监测点设置在受海水腐蚀较为严重的横梁、纵梁、桩帽和预制面板侧面，于2016年3月安装完毕；泉州监测点分布在主桥Z3塔柱迎海侧（东侧，此侧受风浪影响较大，腐蚀环境比其他侧更严酷），于2010年搭建完成；日照大气区和浪溅区的监测传感器布点位置设置在现浇管架桥墩上，于2013年建设完成；青岛监测点均安装于桥墩侧面，于2010年安装完成。各海域浪溅区阳极梯埋深如下：

监测数据采集及分析

经过长达10年的数据采集跟踪，获取了各海域海工结构的耐久性监测数据。同时也发现，采集数据终端出现部分传感器锈蚀、无人监管维护等问题，部分海域的监测点甚至已被破坏。因监测传感器安装数量多，范围广，为便于数据分析，取腐蚀较为严重的浪溅区的监测数据进行评估分析。

1 海口

在海口浪溅区（+2.9 m），混凝土浇筑后短时间内电位与电流均表现为负值，电位达到-200 mV以下，电流均为负值，且低于判定值（-15 μA），这是因为混凝土水化仍在进行，内部湿度较大，传感器未达到稳定状态。但随着时间延长，其电位逐渐显示为正值，且大部分电流值为0，这表明传感器已钝化。但由于监测采集频率过低，数据分析得到的信息有限。

2 湛江

湛江浪溅区（+2.5 m）耐久性监测系统建设完成初期，电位和电流波动较大，但电流电位均为正值；监测4个月后，电位与电流值均接近0，这表明混凝土内部水化完成，传感器逐渐钝化；再经过8个月，电位与电流几乎无变化，此后电位和电流出现正向的小幅度上升。以上监测数据分析表明，传感器未监测到腐蚀发生。

3 泉州

泉州浪溅区（+5.9 m）监测数据与湛江浪溅区（+2.5 m）监测数据类似，电位与电流出现较大的正向值而后随时间衰减，并逐渐稳定在0附近。但由于监测频率低，数据过少，很难看出数据的变化规律。

4 日照

日照浪溅区（+4.3 m）阳极梯的监测数据中，除个别数据波动较大外，绝大部分阳极电位为正值，且稳定在0附近，而电流从负值（甚至个别位于-200 μA以下）逐渐正移，并稳定在0附近。此监测点电位与电流值变化规律与海口类似，表明传感器已钝化，未监测到腐蚀发生。

日照浪溅区（+5.8 m）ECI监测数据中，开路电位（OCP）在-0.294 V以上钢筋未发生腐蚀，在-0.444~-0.294 V之间钢筋腐蚀状态不明，在-0.444 V以下钢筋发生腐蚀。监测700天后，OCP均在-0.294 V以上，说明钢筋未发生腐蚀。

当临界氯离子浓度为0.06 mol/L时，根据能斯特方程计算得到氯离子电位为-0.15 V。如果监测到的氯离子电位在-0.15 V以下，则表明探针处氯离子浓度已达到临界浓度。从ECI监测数据可看出，监测时间超过1000小时后，氯离子电位均高于-0.15 V，这说明氯离子浓度在临界浓度以下；而在监测时间为500~1000天时，氯离子浓度超过临界浓度，而后又降为临界浓度以下，这可能是混凝土内环境变化引起的波动。

5 青岛

从青岛浪溅区（+2.5 m）阳极梯监测数据可见，各阳极电位波动基本一致，电流波动趋势与电位波动有一定的相关性，阳极电位均大于0 mV，且未监测到明显的腐蚀电流，表明此处钢筋未发生腐蚀。从浪溅区（+4.5 m）的监测数据可见，除连接钢筋CR监测点外，各阳极电位和电流趋于稳定，且保持在0附近；而CR监测点前7年电位波动较大，处于-300 mV以下，但未监测到对应的腐蚀电流，推测此处电位波动是由环境因素导致。综上，认为此处未监测到腐蚀。

从青岛浪溅区（+2.0 m）膨胀环监测数据来看，电流和电位整体波动小，除一次较大波动外，其余均保持在0附近。此次数据波动未检测到持续的电位和电流为负值，因此推测电流和电位出现的较大波动是环境因素或测试误差导致。综上，认为此处未监测到腐蚀。

混凝土氯离子数据分析

在监测周期中，耐久性监测数据出现明显波动，因此对其结构健康状态存疑。为准确验证混凝土的耐久性状况，取结构芯部或者相同环境中同一配合比的混凝土结构试验块进行氯离子渗透试验。其中，海口海域试验对象为暴露试验块，其他海域试验对象为结构芯部。试验结果如图3所示。

图3 各海域浪溅区结构中的氯离子含量

从图中可以看出，在海口海域氯离子扩散深度达到18 mm，在其他海域氯离子扩散深度均为15 mm左右。而各海域传感器最外侧埋深均为20 mm左右，因此可判定氯离子尚未侵蚀到阳极表面。

结论与建议

(1) 耐久性监测传感器在长达10年的服役期内，仍能保持正常工作，且耐久性监测传感器数据前期均表现为电位或电流值跳跃大，但后期逐渐平稳的趋势，大部分数据都稳定在0附近。

(2) 现阶段对耐久性监测传感器的监测数据分析以及氯离子渗透数据表明，各海域结构耐久性状况良好，未监测到腐蚀发生。

(3) 耐久性监测传感器现场状况维护差，数据采集频率少，导致耐久性监测数据分析有限，未能起到关键作用。建议与相关工程单位保持沟通，做好耐久性监测系统现场维护工作。

(4) 建议当持续监测到阳极梯电位处于负值，电流处于-15 μA以下时，及时提高对结构的监测频率，确定该现象是环境波动还是腐蚀引起，必要时可采取检测手段综合判定结构物是否腐蚀。

(5) 建议定期对耐久性监测数据进行采集及维护，必要时可结合无线传输技术，实现数据远距离高频采集。同时需做好传感器终端维护工作，避免传感器终端设备因人为破坏或恶劣环境侵蚀导致失效。