混凝土结构耐久性监测新进展

罗月静+许晨++金骏+王海龙

摘 要：钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性失效的主要表现形式。对混凝土结构耐久性监测和修复的研究是目前研究的热点问题，其中耐久性监测是修复的前提条件。对于混凝土结构耐久性监测而言，在钢筋锈蚀发展过程中，混凝土内部的温度、湿度、氯离子等都会对钢筋锈蚀速率产生影响。目前，国内外使用最为广泛的是Anode-Ladder-System and Corrowatch System这两种传感器，但是这两种传感器的检测原理是基于钢筋锈蚀半电池电位测试原理，该方法受混凝土内部湿度影响较大。因此，该文旨在分析国内外在耐久性监测技术方面的讨论，指出各种传感技术的优缺点，为研究人员在耐久性监测传感器的研发提供新的思路。

关键词：混凝土 氯离子 传感器 钢筋锈蚀

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：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

鋼筋混凝土作为一种经济实用的桥梁建筑材料在沿海桥梁工程中广泛应用，其中氯离子侵入、钢筋锈蚀、重载等问题已成为影响结构安全、耐久、高效运营的主要因素[1]。基础设施遭遇环境破坏的情况在世界许多地区是严重的、大量存在的问题，并且已经逐渐成为一个经济问题。其中，钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土基础设施耐久性的主导、关键因素[2-3]。以美国为例，二十世纪五六十年代前是其基础设施大规模兴建时期，而二十世纪七八十年代后，美国步入了大规模基础设施修复时期。美国1991年的调查统计表明，每年基础设施的修复费用，已经占据基础设施固定资产的10%，美国钢筋混凝土锈蚀的修复费每年高达2 500亿美元，其中1 550亿美元花在桥梁上。在我国，混凝土耐久性问题也同样十分严重，20世纪90年前我国修建的海港工程，一般使用10～20年就会出现严重的钢筋锈蚀，80%以上的港口基本都发生了严重的钢筋锈蚀破坏，结构使用寿命基本达不到设计要求[4]。

美国学者用“五倍定律”形象地说明混凝土结构耐久性的严重性，特别是设计对耐久性问题的重要性[4]。设计时，对新建项目在钢筋防护方面，每节省1美元，则发现钢筋锈蚀时采取措施多追加5美元，混凝土开裂时多追加维护费用25美元，严重破坏时多追加维护费用125美元。

在海洋环境混凝土结构耐久性研究领域，虽然国内外都已经在腐蚀机理、修补、防护和耐久性设计等方面取得了大量的成果，但由于该问题的复杂性，目前在结构设计标准中还只能通过对混凝土配比、保护层厚度以及其它一些构造措施来间接反映结构对使用寿命的要求。对于重要的基础设施工程，欲达到100年或以上的使用年限，国际上尚缺乏普遍认可的基于可靠度的设计理论，发达国家目前的做法是对基于持续动态获得的结构原体耐久性关键参数进行“耐久性再设计”，其实施前提就是动态获得结构原体耐久性关键参数的信息反馈。因为再好的设计和措施都不能期望能够预见在长达百年服役期内的所有环境负荷及其耦合作用。

因此，对于沿海桥梁工程，有必要建立一套完善的结构耐久性监测系统，可以获得混凝土结构耐久性下降、强度退化的关键数据，进行耐久性再设计，提前做好防腐措施。对于难以到达的结构，如水下基础、跨海桥梁基础、海底隧道等，腐蚀监测更是其他检测手段无法替代的。目前国内在桥梁的变形等监测方便已经有了很多成熟的传感器和检测手段，但是对于耐久性传感器的开发和耐久性监测的研究尚属空白。为了提高我国的工程质量，建设百年工程，发展耐久性监测系统是非常有意义也非常必要的。

1 沿海环境混凝土腐蚀监测原理

混凝土是一种高碱性环境（pH值约在13左右），钢筋在这种环境下表面形成钝态膜，因此其腐蚀速率非常低。但是当钢筋混凝土被Clˉ污染时，如海洋环境或者桥梁结构冬季洒除冰盐后，Clˉ通过混凝土表面的空隙逐渐扩散至钢筋表面，Clˉ可以破坏钢筋的表面钝性，钢筋由钝态转为活性态，当钢筋脱钝后，如果还存在侵蚀条件，则钢筋阳极处就失去电子生锈，钢筋进入腐蚀阶段。钢筋的腐蚀产物多为Fe3O4等氧化物，其体积远远大于产生这些产物的钢的体积，因此产生了内应力，使混凝土开裂。混凝土耐久性下降，性能退化可分为几个阶段，见图1。

国内目前主要依靠实验室快速试验获取的参数以及现场同条件构件破损程度检测间接预测结构使用寿命，但由于存在各种不确定因素，预测精度难以保证，而且存在无法动态反馈的缺点。但如果在混凝土结构内部埋入能监测整个氯离子侵蚀过程的传感器，动态地、长期地获得混凝土腐蚀进展情况及一些关键参数的信息反馈，那么就可以做到精确预测。一旦寿命预测结果小于设计年限，就可以对结构进行耐久性再设计，及时启动腐蚀防护预案，并继续对前锋面进行监测，以确认腐蚀保护措施的效果。

2 国外研究现状

20世纪80年代末，欧洲开始研发腐蚀监测系统，其中有德国S+R SensorTech公司的梯形阳极混凝土结构预埋式腐蚀监测传感系统（Anode-Ladder-System，见图2）和丹麦的FORCE Technology公司的环形多探头阳极混凝土结构腐蚀监测系统（Nagel-System，见图3），这两个系统在欧洲及非洲很多大型混凝土结构工程中得到了应用。两者的共同原理都是把传感器安装在结构内部，根据不同高度阳极的脱钝腐蚀情况来提前预警钢筋的腐蚀时间。

对于以上两种传感器，不同高度阳极的脱钝判据基于电化学宏电池腐蚀原理[5-6]。然而，大量研究表明，当混凝土内部相对湿度处于一般或较低水平时，由于混凝土电阻率较大，电化学微电池腐蚀占据主导地位；只有当混凝土内部相对湿度很大（大于90%）时，宏电池腐蚀才成为主控因素[7-8]，但过大的内部湿度会导致阳极表面电子聚集引起自腐蚀电位显著负移，即使阳极处于钝化态，测试得到的宏电流仍会显著增加，表现出已经脱钝的假象[9-10]。因此，宏电流测试技术只适用于一般湿度条件，且要求阴阳极间距很小，否则由于混凝土电阻的影响会造成测试得到的宏电流数值较小，不容易判断钢筋腐蚀的情况；特别是对于水下区混凝土的腐蚀监测，以上两种传感器并不适用。

基于德国梯形阳极检测原理，近些年加拿大的ROCKTEST公司开发了SENSCORE腐蚀监测系统（见图4），不过这套系统刚刚问世不久，尚未真正大规模应用于工程。

区别于以上3种基于宏电池测试技术的传感器，美国Virginia Technologies研发的ECI腐蚀监测系统则有了实质性的改进。该传感器可实现5个主要参数的测试，分别为线性极化电阻、开路电位、混凝土电阻、氯离子浓度、温度。基于微电池测试技术，采用氧化锰固体参比电极，通过测试碳钢工作电极的开路电位和线性极化电阻来判定钢筋的腐蚀状态；借助于银/氯化银参比电极，可实现氯离子浓度的监测；混凝土电阻率采用了更为合理的四电极测试技术，较阳极梯传感器的两电极法可信度更高[11-13]。该传感器的不足之处在于：（1）采用碳鋼工作电极的开路电位和线性极化电阻来判定钢筋的腐蚀状态，仍无法避免混凝土在高湿缺氧状态下的自腐蚀电位负移，致使线性极化电阻失真，形成误判。因此，此传感器也不适用于水下混凝土结构的监测。（2）氯离子浓度的监测通过银/氯化银参比电极相对于氧化锰固体参比电极的电压来间接显示，不同混凝土材料其电压与氯离子浓度间的标定曲线不尽相同，海水中的其他卤素离子会影响银/氯化银参比电极工作性能；银/氯化银参比电极在混凝土中的耐久性与工作性能有待考验。（3）此传感器只能监测混凝土中某一深度处的腐蚀状态，因此，通常使传感器的碳钢工作电极顶面与主筋表面齐平。若要对整个腐蚀进程进行监测，则需在不同深度处放置传感器，如此便会大大增加监测成本。

3 国内研究现状

国内也有大量研究人员和机构进行混凝土耐久性传感器的研制和开发。近年来诞生的多项关于混凝土中钢筋腐蚀监测的发明专利在一定程度上反映了国内同行在这方面的不懈追求，也反映了这个研究领域活跃的现状。赵永韬[14]的发明涉及一种测试和分析材料耐腐蚀性能和钢筋腐蚀速度的仪器，可测量腐蚀体系的极化电阻、塔菲尔斜率等参数；宋晓冰等[15]公开的发明涉及一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀长期监测传感器，可用于直接对腐蚀发生的载体（钢筋）进行实时测量，确定腐蚀介质入侵锋面距离钢筋的距离；吴瑾等人[16]公开了一种基于光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法，由光栅波长移动量及速率推断钢筋腐蚀程度与速率的关系；梁大开等人[17]的发明涉及长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器，通过判断光栅是否发生了弯曲来推断钢筋腐蚀的程度与速率。中国国家金属腐蚀与防护国家重点实验室对金属锈蚀的在线无损腐蚀电化学监测技术进行了系统研究[18]，并开发了相应的电化学传感器等探测仪样机。吴文操[19]采用无线监测技术，研究改进了基于射频技术的钢筋腐蚀无线传感器，并进行了电路分析和传感器实验研究。

现阶段，对于氯离子浓度的监测主要基于银/氯化银参比电极来实现。但在实际应用中参比电极的稳定性与耐久性能仍有待验证。大量研究表明，混凝土中影响钢筋腐蚀电流密度的主要因素为温度、钢筋附近混凝土电阻、时间及钢筋附近氯离子浓度，Liu.T通过试验回归分析建立了如下计算模型。该项目拟通过大量试验数据建立氯离子浓度与腐蚀电流密度、温度、钢筋附近混凝土电阻、时间之间的映射关系，以期提出一种新的氯离子浓度监测技术。

式中：i为腐蚀电流密度，μA/cm2；Cl为氯离子浓度，kg/m3；T为环境温度，K；Rc为混凝土电阻，Ω；t为时间，a。

4 结语

该文对目前国内外在混凝土耐久性监测技术方面的研究现状进行了详细的阐述。该文旨在分析国内外在耐久性监测技术方面的讨论，指出各种传感技术的优缺点，为研究人员在耐久性监测传感器的研发方面提供新的思路。特别是对使用最为广泛的Anode-Ladder-System and Corrowatch System这两种传感器进行了深入分析，由于这两种传感器的检测原理是钢筋锈蚀半电池电位测试原理，因此该传感器受混凝土内部湿度影响较大。对于美国的ECI传感器，该文也进行了优缺点分析，特别是该传感器只能监测一个深度的耐久性劣化阐述，若要监测不同深度的耐久性劣化进程，则需布置多个传感器，如此将显著增加监测成本。最后，该文提出一个监测氯离子氯离子的间接方法，即通过监测混凝土内部温度、电阻率、钢筋电流密度等参数反算氯离子浓度。

参考文献

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