一種新型混凝土耐久性監測傳感器的應用★

許 晨 羅月靜 金偉良 王海龍

(1.浙江大學結構工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007)

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一種新型混凝土耐久性監測傳感器的應用★

許 晨1羅月靜2金偉良1王海龍1

(1.浙江大學結構工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007)

介紹了混凝土耐久性監測技術的研究進展，基于鋼筋銹蝕判別陽極極化電流法，研制了氯離子侵蝕進程監測的銹蝕傳感器，并闡述了其在珠港澳大橋工程中的監測方案，以供參考。

混凝土，氯離子，傳感器，鋼筋銹蝕

0 引言

鋼筋腐蝕是影響混凝土結構耐久性的首要因素，通過“監測預警”，即被動信號監測、模型推算和評估，如果能預報混凝土中外層鋼筋脫鈍的時刻及其發生腐蝕的速度，即可確定最佳維護和修復方案，避免產生大的經濟損失和不測事故的發生。因此，欲提高混凝土結構耐久性，其著眼點就是首先要預測鋼筋的脫鈍時間，然后在鋼筋脫鈍前進行“耐久性再設計”。目前，國內外都投入了相當的研究力量，并取得了豐碩成果，其中，歐盟DuraCrete[1,2]提出的“耐久性再設計”是目前公認的有效措施，而混凝土結構耐久性無損監測則是其實施的基礎，同時，它可為結構后期的修復提供科學決策。

1 耐久性監測技術進展

20世紀80年代，德國亞琛工業大學土木工程研究所[3-5]發明了梯形陽極傳感器，目前已經在世界各國陸續投入了工程應用，迄今已有近30年的應用歷史，目前基本都處于正常的運營之中。其中，影響較大的有丹麥的大貝爾特海峽通道(共431套)，荷蘭的綠色心臟隧道工程(共17套)，丹麥—瑞典的Bridge ?resund-Link(共60套)，埃及的Monitoring of the walls of the Al Sukhna Por(共71套)和日本的Tunnel Project in Tokyo(共15套)。目前，該監測系統也已成功應用于杭州跨海大橋的耐久性健康監測中。

另外，瑞士聯邦蘇黎世工業大學[6]系統研究了混凝土中鋼筋腐蝕的電化學參數，研制了由若干長度相等的電極棒、基座、導線和陽極構成的內格爾埋入式陽極監測系統及后裝式陽極監測系統。相同原理的監測系統還有丹麥FORCE公司稍晚開發的Corrosion Monitoring Nagel System等。英國女王大學(Queen’s University of Belfast)研發的電極陣列傳感器可同時測量混凝土中的水分、有害離子濃度及濕度變化，并采用無線網絡技術實現數據的遠程傳輸，實現無人值守的混凝土耐久性長期監測，對判斷混凝土耐久性指標具有重要意義。

同時，國內也有大量學者和科研機構進行了混凝土結構耐久性傳感監測系統的研發[7-13]。然而，目前，國內外仍有各種新型傳感器的報道，而大多數耐久性監測系統面世及服役時間較短，仍缺乏重大工程的服役性能數據支持。

2 工程應用實例——珠港澳大橋

2.1 傳感器監測原理

如圖1所示，基于鋼筋銹蝕判別陽極極化電流法，浙江大學結構工程研究所研發了氯離子侵蝕進程監測的銹蝕傳感器，并通過室內加速試驗中取得了良好監測效果。由陽極極化電流法測試原理可知，即使參比電極性能發生改變，也不會影響陽極極化電流測試結果，如此延長了傳感器工作壽命。

傳感器安置在鋼筋上部混凝土保護層中，如圖2所示，通過調整傳感器一側螺桿長度，改變傳感器傾角，使各工作電極位于保護層不同深度。根據提出的鋼筋銹蝕判別陽極極化電流法，當氯離子侵蝕至工作電極并引起銹蝕時，陽極極化電流密度便會急劇增大至銹蝕臨界值之上，通過經驗公式可獲得工作電極腐蝕電流密度，間接估算工作電極處氯離子濃度。因為大量研究表明，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式(1)所示的計算模型。因此，可以通過監測獲取的腐蝕電流密度、溫度、鋼筋附近混凝土電阻和時間等數據反算得到氯離子濃度。

(1)

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

2.2 監測方案

課題組于2014年6月在連接西人工島引橋箱梁的底部，埋設了課題組研發的耐久性傳感器CP2(改進型)。改進的傳感器基座厚度更加輕薄，并且優化的傳感器的封裝工藝，提高了傳感器的工作穩定性能。傳感器的具體埋設部位如圖3所示。調整傳感器傾角，使得傳感器上各監測面距混凝土表面的距離為15 mm，30 mm，45 mm和60 mm，混凝土保護層厚度為80 mm。

2.3 耐久性監測結果

目前，傳感器共計服役2年零6個月，監測結果如圖4所示。圖中W1，W2，W3和W4分別代表監測點1(15 mm)、監測點2(30 mm)、監測點3(45 mm)和監測點4(60 mm)。由圖4可知在混凝土澆筑完成的第一個月內，由于混凝土內部濕度很大，氧氣供應不足，導致平衡電位負移，測試數據為負值。隨著混凝土的水化繼續，混凝土內部濕度逐漸降低，數值逐漸趨于平穩，但直到目前為止各監測點的陽極極化電流均小于0.1 μA，表明監測點處于鈍化狀態。這是由于結構服役時間較短，氯離子并未侵蝕至第一個監測點(15 mm深度)表面。

3 結語

本文介紹了一種新的傳感器的設計與監測方法，并結合了實際工程應用——珠港澳大橋，介紹了傳感器工作原理與初步監測結果。

1)設計的傳感器采用三電極原理，基于陽極極化電流測試技術，能有效避免混凝土內部因高濕引起的數據失真；

2)將傳感器應用于港珠澳大橋，前期數據表明各監測點處于鈍化狀態。這是由于結構服役時間較短，氯離子并未侵蝕至第一個監測點(15 mm深度)表面。

[1] DuraCrete.Probabilistic Performance Based Durability Design of Concrete Structures-General Guidelines for Durability Design and Redesign[R].Report No.BE95-1347/R14,2000.

[2] GEHLEN C.Probabilistische Lebensdauerbemessung von Stahl betonwerken[R].Deutsche Ausschuss fuer Stahlbeton,Heft 510,Berlin:Beuth Verlag GmbH,2000.

[3] SCHIEβ L P,RAUPACH M.Monitoring System for the Corrosion Risk for Steel in Concrete[J].Concrete International,1992,14 (7):52-55.

[4] SCHIESSL P,BREIT W,RAUPACH M.Sensortechnik: Schutz statt Instandsetzung-überwachung von Betonbau-werken[R].Deutsches Ingenieurblatt,1996:40-46.

[5] RAUPACH M.überwachung der Korrosionsgefahr von Sahlbetonbauwerken mit modernen Sensorsystemen-Grundlagen und Anwendungsbeispiele[C].Universitt-GH Siegen:Siegener KIB-Seminare,1998.

[6] SCGIEGG Y.Online-Monitoring zur Erfassung der Korrosion der Bewehrung von Stahlbetonbauten[D].Zuerich:Eidgenoessischen Technischen Hochschule Zuerich,2002.

[7] 趙永韜.混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置:中國專利,200610069705.4[P].2006-22-22,2007.

[8] 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:中國專利,200610117060.7[P].2006-22-22,2007.

[9] 吳 瑾,李 俊,高俊啟.鋼筋混凝土構件中鋼筋腐蝕的檢測方法:中國專利,200710019822.4[P].2006-22-22,2007.

[10] 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:中國專利,200710021728.2[P].2006-22-22,2007.

[11] 杜元龍.電化學傳感器及其在腐蝕檢測/監測中應用的研究[A].2006年全國腐蝕電化學及測試方法學術會議論文集[C].2006:30-31.

[12] 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.

[13] 許 晨.混凝土結構鋼筋銹蝕電化學表征與相關監測技術[D].杭州：浙江大學，2012.

The application of a new concrete durability monitoring sensor★

Xu Chen1Luo Yuejing2Jin Weiliang1Wang Hailong1

(1.InstituteofStructuralEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;2.GuangxiTransportationResearchInstitute,Nanning530007,China)

This paper introduced the research progress of concrete durability monitoring technology, based on steel bar corrosion discrimination of anodic polarization current method, researched the corrosion sensor of chloride ions process monitoring, and described its monitoring program in Hong Kong Zhuhai Macao bridge engineering, for reference.

concrete, chloride ion, sensor, rebar corrosion

1009-6825(2017)15-0027-02

2017-03-13★：國家自然基金(51408534，51578490，51278459)；浙江省自然基金(LQ14E080010)；江蘇省交通運輸科技項目(2015T18);杭州市重大科技創新專項(20142011A41)；浙江省交通運輸廳交通工程建設科研計劃(2015J02)

許 晨(1984- )，男，博士，助理研究員

TU375

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