混凝土結構耐久性監測新進展

羅月靜+許晨++金駿+王海龍

摘 要：鋼筋銹蝕是混凝土結構耐久性失效的主要表現形式。對混凝土結構耐久性監測和修復的研究是目前研究的熱點問題，其中耐久性監測是修復的前提條件。對于混凝土結構耐久性監測而言，在鋼筋銹蝕發展過程中，混凝土內部的溫度、濕度、氯離子等都會對鋼筋銹蝕速率產生影響。目前，國內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原理是基于鋼筋銹蝕半電池電位測試原理，該方法受混凝土內部濕度影響較大。因此，該文旨在分析國內外在耐久性監測技術方面的討論，指出各種傳感技術的優缺點，為研究人員在耐久性監測傳感器的研發提供新的思路。

關鍵詞：混凝土 氯離子 傳感器 鋼筋銹蝕

中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：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濟實用的橋梁建筑材料在沿海橋梁工程中廣泛應用，其中氯離子侵入、鋼筋銹蝕、重載等問題已成為影響結構安全、耐久、高效運營的主要因素[1]。基礎設施遭遇環境破壞的情況在世界許多地區是嚴重的、大量存在的問題，并且已經逐漸成為一個經濟問題。其中，鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土基礎設施耐久性的主導、關鍵因素[2-3]。以美國為例，二十世紀五六十年代前是其基礎設施大規模興建時期，而二十世紀七八十年代后，美國步入了大規模基礎設施修復時期。美國1991年的調查統計表明，每年基礎設施的修復費用，已經占據基礎設施固定資產的10%，美國鋼筋混凝土銹蝕的修復費每年高達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重，20世紀90年前我國修建的海港工程，一般使用10～20年就會出現嚴重的鋼筋銹蝕，80%以上的港口基本都發生了嚴重的鋼筋銹蝕破壞，結構使用壽命基本達不到設計要求[4]。

美國學者用“五倍定律”形象地說明混凝土結構耐久性的嚴重性，特別是設計對耐久性問題的重要性[4]。設計時，對新建項目在鋼筋防護方面，每節省1美元，則發現鋼筋銹蝕時采取措施多追加5美元，混凝土開裂時多追加維護費用25美元，嚴重破壞時多追加維護費用125美元。

在海洋環境混凝土結構耐久性研究領域，雖然國內外都已經在腐蝕機理、修補、防護和耐久性設計等方面取得了大量的成果，但由于該問題的復雜性，目前在結構設計標準中還只能通過對混凝土配比、保護層厚度以及其它一些構造措施來間接反映結構對使用壽命的要求。對于重要的基礎設施工程，欲達到100年或以上的使用年限，國際上尚缺乏普遍認可的基于可靠度的設計理論，發達國家目前的做法是對基于持續動態獲得的結構原體耐久性關鍵參數進行“耐久性再設計”，其實施前提就是動態獲得結構原體耐久性關鍵參數的信息反饋。因為再好的設計和措施都不能期望能夠預見在長達百年服役期內的所有環境負荷及其耦合作用。

因此，對于沿海橋梁工程，有必要建立一套完善的結構耐久性監測系統，可以獲得混凝土結構耐久性下降、強度退化的關鍵數據，進行耐久性再設計，提前做好防腐措施。對于難以到達的結構，如水下基礎、跨海橋梁基礎、海底隧道等，腐蝕監測更是其他檢測手段無法替代的。目前國內在橋梁的變形等監測方便已經有了很多成熟的傳感器和檢測手段，但是對于耐久性傳感器的開發和耐久性監測的研究尚屬空白。為了提高我國的工程質量，建設百年工程，發展耐久性監測系統是非常有意義也非常必要的。

1 沿海環境混凝土腐蝕監測原理

混凝土是一種高堿性環境（pH值約在13左右），鋼筋在這種環境下表面形成鈍態膜，因此其腐蝕速率非常低。但是當鋼筋混凝土被Clˉ污染時，如海洋環境或者橋梁結構冬季灑除冰鹽后，Clˉ通過混凝土表面的空隙逐漸擴散至鋼筋表面，Clˉ可以破壞鋼筋的表面鈍性，鋼筋由鈍態轉為活性態，當鋼筋脫鈍后，如果還存在侵蝕條件，則鋼筋陽極處就失去電子生銹，鋼筋進入腐蝕階段。鋼筋的腐蝕產物多為Fe3O4等氧化物，其體積遠遠大于產生這些產物的鋼的體積，因此產生了內應力，使混凝土開裂。混凝土耐久性下降，性能退化可分為幾個階段，見圖1。

國內目前主要依靠實驗室快速試驗獲取的參數以及現場同條件構件破損程度檢測間接預測結構使用壽命，但由于存在各種不確定因素，預測精度難以保證，而且存在無法動態反饋的缺點。但如果在混凝土結構內部埋入能監測整個氯離子侵蝕過程的傳感器，動態地、長期地獲得混凝土腐蝕進展情況及一些關鍵參數的信息反饋，那么就可以做到精確預測。一旦壽命預測結果小于設計年限，就可以對結構進行耐久性再設計，及時啟動腐蝕防護預案，并繼續對前鋒面進行監測，以確認腐蝕保護措施的效果。

2 國外研究現狀

20世紀80年代末，歐洲開始研發腐蝕監測系統，其中有德國S+R SensorTech公司的梯形陽極混凝土結構預埋式腐蝕監測傳感系統（Anode-Ladder-System，見圖2）和丹麥的FORCE Technology公司的環形多探頭陽極混凝土結構腐蝕監測系統（Nagel-System，見圖3），這兩個系統在歐洲及非洲很多大型混凝土結構工程中得到了應用。兩者的共同原理都是把傳感器安裝在結構內部，根據不同高度陽極的脫鈍腐蝕情況來提前預警鋼筋的腐蝕時間。

對于以上兩種傳感器，不同高度陽極的脫鈍判據基于電化學宏電池腐蝕原理[5-6]。然而，大量研究表明，當混凝土內部相對濕度處于一般或較低水平時，由于混凝土電阻率較大，電化學微電池腐蝕占據主導地位；只有當混凝土內部相對濕度很大（大于90%）時，宏電池腐蝕才成為主控因素[7-8]，但過大的內部濕度會導致陽極表面電子聚集引起自腐蝕電位顯著負移，即使陽極處于鈍化態，測試得到的宏電流仍會顯著增加，表現出已經脫鈍的假象[9-10]。因此，宏電流測試技術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造成測試得到的宏電流數值較小，不容易判斷鋼筋腐蝕的情況；特別是對于水下區混凝土的腐蝕監測，以上兩種傳感器并不適用。

基于德國梯形陽極檢測原理，近些年加拿大的ROCKTEST公司開發了SENSCORE腐蝕監測系統（見圖4），不過這套系統剛剛問世不久，尚未真正大規模應用于工程。

區別于以上3種基于宏電池測試技術的傳感器，美國Virginia Technologies研發的ECI腐蝕監測系統則有了實質性的改進。該傳感器可實現5個主要參數的測試，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。基于微電池測試技術，采用氧化錳固體參比電極，通過測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；借助于銀/氯化銀參比電極，可實現氯離子濃度的監測；混凝土電阻率采用了更為合理的四電極測試技術，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，仍無法避免混凝土在高濕缺氧狀態下的自腐蝕電位負移，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構的監測。（2）氯離子濃度的監測通過銀/氯化銀參比電極相對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定曲線不盡相同，海水中的其他鹵素離子會影響銀/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。（3）此傳感器只能監測混凝土中某一深度處的腐蝕狀態，因此，通常使傳感器的碳鋼工作電極頂面與主筋表面齊平。若要對整個腐蝕進程進行監測，則需在不同深度處放置傳感器，如此便會大大增加監測成本。

3 國內研究現狀

國內也有大量研究人員和機構進行混凝土耐久性傳感器的研制和開發。近年來誕生的多項關于混凝土中鋼筋腐蝕監測的發明專利在一定程度上反映了國內同行在這方面的不懈追求，也反映了這個研究領域活躍的現狀。趙永韜[14]的發明涉及一種測試和分析材料耐腐蝕性能和鋼筋腐蝕速度的儀器，可測量腐蝕體系的極化電阻、塔菲爾斜率等參數；宋曉冰等[15]公開的發明涉及一種鋼筋混凝土構件中的鋼筋腐蝕長期監測傳感器，可用于直接對腐蝕發生的載體（鋼筋）進行實時測量，確定腐蝕介質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測方法，由光柵波長移動量及速率推斷鋼筋腐蝕程度與速率的關系；梁大開等人[17]的發明涉及長周期光纖光柵的鋼筋腐蝕監測方法及其傳感器，通過判斷光柵是否發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國家重點實驗室對金屬銹蝕的在線無損腐蝕電化學監測技術進行了系統研究[18]，并開發了相應的電化學傳感器等探測儀樣機。吳文操[19]采用無線監測技術，研究改進了基于射頻技術的鋼筋腐蝕無線傳感器，并進行了電路分析和傳感器實驗研究。

現階段，對于氯離子濃度的監測主要基于銀/氯化銀參比電極來實現。但在實際應用中參比電極的穩定性與耐久性能仍有待驗證。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、時間及鋼筋附近氯離子濃度，Liu.T通過試驗回歸分析建立了如下計算模型。該項目擬通過大量試驗數據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、時間之間的映射關系，以期提出一種新的氯離子濃度監測技術。

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

4 結語

該文對目前國內外在混凝土耐久性監測技術方面的研究現狀進行了詳細的闡述。該文旨在分析國內外在耐久性監測技術方面的討論，指出各種傳感技術的優缺點，為研究人員在耐久性監測傳感器的研發方面提供新的思路。特別是對使用最為廣泛的Anode-Ladder-System and Corrowatch System這兩種傳感器進行了深入分析，由于這兩種傳感器的檢測原理是鋼筋銹蝕半電池電位測試原理，因此該傳感器受混凝土內部濕度影響較大。對于美國的ECI傳感器，該文也進行了優缺點分析，特別是該傳感器只能監測一個深度的耐久性劣化闡述，若要監測不同深度的耐久性劣化進程，則需布置多個傳感器，如此將顯著增加監測成本。最后，該文提出一個監測氯離子氯離子的間接方法，即通過監測混凝土內部溫度、電阻率、鋼筋電流密度等參數反算氯離子濃度。

參考文獻

[1] 國家自然科學基金委員會，中國科學院.2011—2020學科發展戰略研究專題報告“建筑、環境與土木工程”[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2] Mirza M Saeed.Durability and sustainability of infrastructure a state-of-the art report[J].Canada Journal of Civil Engineering，2006，33（6）：639-649.

[3] C.Andrade，M.Keddam，X.R.Novoa，et al. Electr ochemical Behaviour of Steel Rebars in Concrete：Influence of Environmental Factors and Cement Chemistry[J].ElectrochimicaActa， 2001（46）：3905-3912.

[4] 金偉良，袁迎曙，衛軍，等.氯鹽環境下混凝土結構耐久性理論與設計方法[M].北京：科學出版社，2011.

[5] G Ping，JJ Beaudoin.Obtaining Effective Half-Cell Potential Measurements in Reinforced Concrete Structures[J].Corrosion Science，2004（97）：246-255.

[6] 朱敏.IR降對混凝土中鋼筋腐蝕電化學測量結果的影響[J].北京科技大學學報，2002，24（2）：111-114.

[7] Guangling Song.Theoretical analysis of the measurement of polarisation resistance inreinforced concrete[J].Cement & Concrete Composites，2000（22）：407-415.

[8] S.Fliu，J.A.Gonzlaez.Confinement of the electrical signal for in situ measurement of polarization resistance in reinforced concrete [J].ACI Materials Journal，1990，87（5）：9-10.

[9] C.Andrade.On-site measurements of corrosion rate of reinforcements[J].Construction and Building Materials，2001（15）：141-145.

[10] ShamsadAhmad.Reinforcement Corrosion in Concrete Structures， Its Monitoring and Service Life Prediction-A Review[J].Cement &Concrete Composites，2003（25）：459-471.

[11] Rob B Poldel.Test methods for on site measurement of resistivity of concrete—a RILEM TC-154 technical recommendation [J].Construction and Building Materials， 2001（15）：125-131.

[12] KD Bennett，LR McLaughlin.Monitoring of corrosion in steel structures using optical fiber sensors[J].SPIE，1995（2446）：48.

[13] 黃國勝，吳建華，陳光章.二氧化錳參比電極的制作及其性能評定[J].材料保護，2005（8）：39-41.

[14] 趙永韜.混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置：中國，200610069705.4 [P].2006-22-222007.01.24

[15] 宋曉冰，劉西拉.鋼筋混凝土構件中鋼筋腐蝕長期監測傳感器：中國，200610117060.7[P].2007-04-11.

[16] 吳瑾，李俊，高俊啟.鋼筋混凝土構件中鋼筋腐蝕的檢測方法：中國，200710019822.4[P].2007-08-01.

[17] 梁大開，王彥，周兵.長周期光纖光柵的鋼筋腐蝕監測方法及其傳感器：中國，200710021728.2[P].2007-16-26.

[18] 杜元龍.電化學傳感器及其在腐蝕檢測/監測中應用的研究[C]//中國腐蝕與防護學會腐蝕電化學及測試方法專業委員會.2006年全國腐蝕電化學及測試方法學術會議論文集.2006：30-33.

[19]吳文操.鋼筋混凝土結構腐蝕監測無線傳感器研究[D].南京：南京航空航天大學航空宇航學院，2007.