混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)新進(jìn)展

羅月靜+許晨++金駿+王海龍

摘 要：鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要表現(xiàn)形式。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)和修復(fù)的研究是目前研究的熱點(diǎn)問題，其中耐久性監(jiān)測(cè)是修復(fù)的前提條件。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)而言，在鋼筋銹蝕發(fā)展過程中，混凝土內(nèi)部的溫度、濕度、氯離子等都會(huì)對(duì)鋼筋銹蝕速率產(chǎn)生影響。目前，國內(nèi)外使用最為廣泛的是Anode-Ladder-System and Corrowatch System這兩種傳感器，但是這兩種傳感器的檢測(cè)原理是基于鋼筋銹蝕半電池電位測(cè)試原理，該方法受混凝土內(nèi)部濕度影響較大。因此，該文旨在分析國內(nèi)外在耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的討論，指出各種傳感技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為研究人員在耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的研發(fā)提供新的思路。

關(guān)鍵詞：混凝土 氯離子 傳感器 鋼筋銹蝕

中圖分類號(hào)：TU37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（c）-0007-05

Abstract：Steel corrosion is the major form of failure of durability of concrete structures. The durability monitoring for concrete structure and its repair research are two urgent and necessary tasks， and the former provides the basis for the latter. For concrete durability monitoring， with the development of corrosion processes， environmental factors in the concrete （saturation， temperature， and so on） and the corrosion rate changing will have an effect on steel corrosion polarization dynamics. Most corrosion sensors were designed to monitor corrosion state in concrete， such as Anode-Ladder-System and Corrowatch System， which are widely used to monitor chloride ingress in marine concrete. However， the monitoring principle of these corrosion sensors is based on the macro-cell test method， so erroneous information may be obtained， especially from concrete under drying or saturated conditions due to concrete resistance taking control in macro-cell corrosion. This paper reviewed some widely used foreign durability monitoring sensors for the reinforced concrete，and discussed the negative and positive aspects of them.

Key Words：Concrete； Chloride； Sensors； Steel corrosion

鋼筋混凝土作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的橋梁建筑材料在沿海橋梁工程中廣泛應(yīng)用，其中氯離子侵入、鋼筋銹蝕、重載等問題已成為影響結(jié)構(gòu)安全、耐久、高效運(yùn)營的主要因素[1]?；A(chǔ)設(shè)施遭遇環(huán)境破壞的情況在世界許多地區(qū)是嚴(yán)重的、大量存在的問題，并且已經(jīng)逐漸成為一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題。其中，鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)施耐久性的主導(dǎo)、關(guān)鍵因素[2-3]。以美國為例，二十世紀(jì)五六十年代前是其基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模興建時(shí)期，而二十世紀(jì)七八十年代后，美國步入了大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施修復(fù)時(shí)期。美國1991年的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，每年基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)費(fèi)用，已經(jīng)占據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施固定資產(chǎn)的10%，美國鋼筋混凝土銹蝕的修復(fù)費(fèi)每年高達(dá)2 500億美元，其中1 550億美元花在橋梁上。在我國，混凝土耐久性問題也同樣十分嚴(yán)重，20世紀(jì)90年前我國修建的海港工程，一般使用10～20年就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的鋼筋銹蝕，80%以上的港口基本都發(fā)生了嚴(yán)重的鋼筋銹蝕破壞，結(jié)構(gòu)使用壽命基本達(dá)不到設(shè)計(jì)要求[4]。

美國學(xué)者用“五倍定律”形象地說明混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的嚴(yán)重性，特別是設(shè)計(jì)對(duì)耐久性問題的重要性[4]。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)新建項(xiàng)目在鋼筋防護(hù)方面，每節(jié)省1美元，則發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時(shí)采取措施多追加5美元，混凝土開裂時(shí)多追加維護(hù)費(fèi)用25美元，嚴(yán)重破壞時(shí)多追加維護(hù)費(fèi)用125美元。

在海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究領(lǐng)域，雖然國內(nèi)外都已經(jīng)在腐蝕機(jī)理、修補(bǔ)、防護(hù)和耐久性設(shè)計(jì)等方面取得了大量的成果，但由于該問題的復(fù)雜性，目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中還只能通過對(duì)混凝土配比、保護(hù)層厚度以及其它一些構(gòu)造措施來間接反映結(jié)構(gòu)對(duì)使用壽命的要求。對(duì)于重要的基礎(chǔ)設(shè)施工程，欲達(dá)到100年或以上的使用年限，國際上尚缺乏普遍認(rèn)可的基于可靠度的設(shè)計(jì)理論，發(fā)達(dá)國家目前的做法是對(duì)基于持續(xù)動(dòng)態(tài)獲得的結(jié)構(gòu)原體耐久性關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行“耐久性再設(shè)計(jì)”，其實(shí)施前提就是動(dòng)態(tài)獲得結(jié)構(gòu)原體耐久性關(guān)鍵參數(shù)的信息反饋。因?yàn)樵俸玫脑O(shè)計(jì)和措施都不能期望能夠預(yù)見在長(zhǎng)達(dá)百年服役期內(nèi)的所有環(huán)境負(fù)荷及其耦合作用。

因此，對(duì)于沿海橋梁工程，有必要建立一套完善的結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以獲得混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降、強(qiáng)度退化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)行耐久性再設(shè)計(jì)，提前做好防腐措施。對(duì)于難以到達(dá)的結(jié)構(gòu)，如水下基礎(chǔ)、跨海橋梁基礎(chǔ)、海底隧道等，腐蝕監(jiān)測(cè)更是其他檢測(cè)手段無法替代的。目前國內(nèi)在橋梁的變形等監(jiān)測(cè)方便已經(jīng)有了很多成熟的傳感器和檢測(cè)手段，但是對(duì)于耐久性傳感器的開發(fā)和耐久性監(jiān)測(cè)的研究尚屬空白。為了提高我國的工程質(zhì)量，建設(shè)百年工程，發(fā)展耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常有意義也非常必要的。

1 沿海環(huán)境混凝土腐蝕監(jiān)測(cè)原理

混凝土是一種高堿性環(huán)境（pH值約在13左右），鋼筋在這種環(huán)境下表面形成鈍態(tài)膜，因此其腐蝕速率非常低。但是當(dāng)鋼筋混凝土被Clˉ污染時(shí)，如海洋環(huán)境或者橋梁結(jié)構(gòu)冬季灑除冰鹽后，Clˉ通過混凝土表面的空隙逐漸擴(kuò)散至鋼筋表面，Clˉ可以破壞鋼筋的表面鈍性，鋼筋由鈍態(tài)轉(zhuǎn)為活性態(tài)，當(dāng)鋼筋脫鈍后，如果還存在侵蝕條件，則鋼筋陽極處就失去電子生銹，鋼筋進(jìn)入腐蝕階段。鋼筋的腐蝕產(chǎn)物多為Fe3O4等氧化物，其體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)生這些產(chǎn)物的鋼的體積，因此產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，使混凝土開裂?；炷聊途眯韵陆担阅芡嘶煞譃閹讉€(gè)階段，見圖1。

國內(nèi)目前主要依靠實(shí)驗(yàn)室快速試驗(yàn)獲取的參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)同條件構(gòu)件破損程度檢測(cè)間接預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)使用壽命，但由于存在各種不確定因素，預(yù)測(cè)精度難以保證，而且存在無法動(dòng)態(tài)反饋的缺點(diǎn)。但如果在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋入能監(jiān)測(cè)整個(gè)氯離子侵蝕過程的傳感器，動(dòng)態(tài)地、長(zhǎng)期地獲得混凝土腐蝕進(jìn)展情況及一些關(guān)鍵參數(shù)的信息反饋，那么就可以做到精確預(yù)測(cè)。一旦壽命預(yù)測(cè)結(jié)果小于設(shè)計(jì)年限，就可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性再設(shè)計(jì)，及時(shí)啟動(dòng)腐蝕防護(hù)預(yù)案，并繼續(xù)對(duì)前鋒面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確認(rèn)腐蝕保護(hù)措施的效果。

2 國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代末，歐洲開始研發(fā)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中有德國S+R SensorTech公司的梯形陽極混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋式腐蝕監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)（Anode-Ladder-System，見圖2）和丹麥的FORCE Technology公司的環(huán)形多探頭陽極混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Nagel-System，見圖3），這兩個(gè)系統(tǒng)在歐洲及非洲很多大型混凝土結(jié)構(gòu)工程中得到了應(yīng)用。兩者的共同原理都是把傳感器安裝在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，根據(jù)不同高度陽極的脫鈍腐蝕情況來提前預(yù)警鋼筋的腐蝕時(shí)間。

對(duì)于以上兩種傳感器，不同高度陽極的脫鈍判據(jù)基于電化學(xué)宏電池腐蝕原理[5-6]。然而，大量研究表明，當(dāng)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度處于一般或較低水平時(shí)，由于混凝土電阻率較大，電化學(xué)微電池腐蝕占據(jù)主導(dǎo)地位；只有當(dāng)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度很大（大于90%）時(shí)，宏電池腐蝕才成為主控因素[7-8]，但過大的內(nèi)部濕度會(huì)導(dǎo)致陽極表面電子聚集引起自腐蝕電位顯著負(fù)移，即使陽極處于鈍化態(tài)，測(cè)試得到的宏電流仍會(huì)顯著增加，表現(xiàn)出已經(jīng)脫鈍的假象[9-10]。因此，宏電流測(cè)試技術(shù)只適用于一般濕度條件，且要求陰陽極間距很小，否則由于混凝土電阻的影響會(huì)造成測(cè)試得到的宏電流數(shù)值較小，不容易判斷鋼筋腐蝕的情況；特別是對(duì)于水下區(qū)混凝土的腐蝕監(jiān)測(cè)，以上兩種傳感器并不適用。

基于德國梯形陽極檢測(cè)原理，近些年加拿大的ROCKTEST公司開發(fā)了SENSCORE腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（見圖4），不過這套系統(tǒng)剛剛問世不久，尚未真正大規(guī)模應(yīng)用于工程。

區(qū)別于以上3種基于宏電池測(cè)試技術(shù)的傳感器，美國Virginia Technologies研發(fā)的ECI腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則有了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。該傳感器可實(shí)現(xiàn)5個(gè)主要參數(shù)的測(cè)試，分別為線性極化電阻、開路電位、混凝土電阻、氯離子濃度、溫度?；谖㈦姵販y(cè)試技術(shù)，采用氧化錳固體參比電極，通過測(cè)試碳鋼工作電極的開路電位和線性極化電阻來判定鋼筋的腐蝕狀態(tài)；借助于銀/氯化銀參比電極，可實(shí)現(xiàn)氯離子濃度的監(jiān)測(cè)；混凝土電阻率采用了更為合理的四電極測(cè)試技術(shù)，較陽極梯傳感器的兩電極法可信度更高[11-13]。該傳感器的不足之處在于：（1）采用碳鋼工作電極的開路電位和線性極化電阻來判定鋼筋的腐蝕狀態(tài)，仍無法避免混凝土在高濕缺氧狀態(tài)下的自腐蝕電位負(fù)移，致使線性極化電阻失真，形成誤判。因此，此傳感器也不適用于水下混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。（2）氯離子濃度的監(jiān)測(cè)通過銀/氯化銀參比電極相對(duì)于氧化錳固體參比電極的電壓來間接顯示，不同混凝土材料其電壓與氯離子濃度間的標(biāo)定曲線不盡相同，海水中的其他鹵素離子會(huì)影響銀/氯化銀參比電極工作性能；銀/氯化銀參比電極在混凝土中的耐久性與工作性能有待考驗(yàn)。（3）此傳感器只能監(jiān)測(cè)混凝土中某一深度處的腐蝕狀態(tài)，因此，通常使傳感器的碳鋼工作電極頂面與主筋表面齊平。若要對(duì)整個(gè)腐蝕進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，則需在不同深度處放置傳感器，如此便會(huì)大大增加監(jiān)測(cè)成本。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)也有大量研究人員和機(jī)構(gòu)進(jìn)行混凝土耐久性傳感器的研制和開發(fā)。近年來誕生的多項(xiàng)關(guān)于混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的發(fā)明專利在一定程度上反映了國內(nèi)同行在這方面的不懈追求，也反映了這個(gè)研究領(lǐng)域活躍的現(xiàn)狀。趙永韜[14]的發(fā)明涉及一種測(cè)試和分析材料耐腐蝕性能和鋼筋腐蝕速度的儀器，可測(cè)量腐蝕體系的極化電阻、塔菲爾斜率等參數(shù)；宋曉冰等[15]公開的發(fā)明涉及一種鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋腐蝕長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)傳感器，可用于直接對(duì)腐蝕發(fā)生的載體（鋼筋）進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，確定腐蝕介質(zhì)入侵鋒面距離鋼筋的距離；吳瑾等人[16]公開了一種基于光纖光柵的鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)方法，由光柵波長(zhǎng)移動(dòng)量及速率推斷鋼筋腐蝕程度與速率的關(guān)系；梁大開等人[17]的發(fā)明涉及長(zhǎng)周期光纖光柵的鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)方法及其傳感器，通過判斷光柵是否發(fā)生了彎曲來推斷鋼筋腐蝕的程度與速率。中國國家金屬腐蝕與防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)金屬銹蝕的在線無損腐蝕電化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究[18]，并開發(fā)了相應(yīng)的電化學(xué)傳感器等探測(cè)儀樣機(jī)。吳文操[19]采用無線監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究改進(jìn)了基于射頻技術(shù)的鋼筋腐蝕無線傳感器，并進(jìn)行了電路分析和傳感器實(shí)驗(yàn)研究。

現(xiàn)階段，對(duì)于氯離子濃度的監(jiān)測(cè)主要基于銀/氯化銀參比電極來實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際應(yīng)用中參比電極的穩(wěn)定性與耐久性能仍有待驗(yàn)證。大量研究表明，混凝土中影響鋼筋腐蝕電流密度的主要因素為溫度、鋼筋附近混凝土電阻、時(shí)間及鋼筋附近氯離子濃度，Liu.T通過試驗(yàn)回歸分析建立了如下計(jì)算模型。該項(xiàng)目擬通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立氯離子濃度與腐蝕電流密度、溫度、鋼筋附近混凝土電阻、時(shí)間之間的映射關(guān)系，以期提出一種新的氯離子濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)。

式中：i為腐蝕電流密度，μA/cm2；Cl為氯離子濃度，kg/m3；T為環(huán)境溫度，K；Rc為混凝土電阻，Ω；t為時(shí)間，a。

4 結(jié)語

該文對(duì)目前國內(nèi)外在混凝土耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。該文旨在分析國內(nèi)外在耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的討論，指出各種傳感技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為研究人員在耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的研發(fā)方面提供新的思路。特別是對(duì)使用最為廣泛的Anode-Ladder-System and Corrowatch System這兩種傳感器進(jìn)行了深入分析，由于這兩種傳感器的檢測(cè)原理是鋼筋銹蝕半電池電位測(cè)試原理，因此該傳感器受混凝土內(nèi)部濕度影響較大。對(duì)于美國的ECI傳感器，該文也進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，特別是該傳感器只能監(jiān)測(cè)一個(gè)深度的耐久性劣化闡述，若要監(jiān)測(cè)不同深度的耐久性劣化進(jìn)程，則需布置多個(gè)傳感器，如此將顯著增加監(jiān)測(cè)成本。最后，該文提出一個(gè)監(jiān)測(cè)氯離子氯離子的間接方法，即通過監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度、電阻率、鋼筋電流密度等參數(shù)反算氯離子濃度。

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