MCD鋼筋銹蝕監測儀的設計與應用

金南國, 蔣昊宇, 田 野， 高榮森, 李宗津

(1.浙江大學 建筑工程學院， 浙江 杭州 310058； 2.澳門大學 應用物理及材料工程研究所， 澳門 999078)

鋼筋銹蝕嚴重影響混凝土結構的耐久性：它不僅會減少鋼筋的有效截面積，也會削弱鋼筋與混凝土的黏結，從而導致結構承載力的下降與失效；隨著鋼筋銹蝕加劇，銹蝕產物體積膨脹會造成混凝土保護層開裂，進一步加劇鋼筋銹蝕[1-2].因此，量化表征及動態監測混凝土結構中的鋼筋銹蝕程度，對合理制定鋼筋混凝土結構的維護方案，保障結構的安全性具有重要意義[3-6].

鋼筋銹蝕檢測根據測試手段可分為破損檢測與非破損檢測[7-11].破損檢測是通過破型取出鋼筋，在機械或化學除銹后檢測鋼筋直徑得出銹蝕率，雖然檢測結果真實準確，但在檢測過程中通常需要鑿除保護層或者將檢測構件切斷移至實驗室測量，對結構造成破壞.隨著非破損檢測技術的發展，破損檢測逐步被淘汰.非破損檢測根據檢測原理有分析法、物理法和電化學法3類[12].其中，電化學法是基于鋼筋銹蝕的電化學機理，能夠反映鋼筋銹蝕的本質，同時具有測量速度快、靈敏度高和原位檢測等優點，因此半電池電位法、線性極化法等在實際工程中得以廣泛應用[13-16].但電化學方法往往只能根據腐蝕電位、銹蝕電流密度等電化學信號定性地判斷鋼筋銹蝕概率，無法準確判定鋼筋銹蝕程度.

針對鋼筋銹蝕檢測技術的缺陷，國內外許多學者對鋼筋的銹蝕檢測技術進行了研究，其中基于電磁場理論的銹蝕檢測技術是無損檢測領域的一項創新.Polar等[17]通過磁彈性傳感器測量美標410號不銹鋼不同蠕變條件下的磁飽和度、矯頑力和剩磁，發現不銹鋼磁化滯后曲線的形狀隨蠕變時間而變化；Raupach等[18]開發了德國陽極梯系統，將6個單陽極均勻地埋設在混凝土內不同的深度，基于鋼筋銹蝕時產生的電阻變化、宏電流變化或電位變化來判斷鋼筋是否銹蝕；楊茂等[19]將金屬磁記憶技術引入到混凝土內部鋼筋銹蝕的檢測中，實現了混凝土未開裂期間的鋼筋銹蝕區域定位，并能半定量檢測鋼筋銹蝕程度；羅萍萍[20]設計的鋼筋混凝土銹蝕監測系統，通過遠程端系統與中央控制端系統的配合，最終實現了對鋼筋不同銹蝕狀態的實時監測；程俊[21]基于脈沖渦流工作原理，設計了一套電磁脈沖渦流檢測系統，通過不同直徑、不同保護層厚度的鋼筋混凝土試件的對比檢測試驗，獲得了銹蝕量與霍爾電壓的關系曲線.然而，以上學者設計發明的電磁檢測儀均只得出輸出信號與鋼筋銹蝕之間的客觀變化規律，無法根據儀器輸出的信號定量表征結構中鋼筋的真實銹蝕情況，也無法表征鋼筋銹蝕階段保護層開裂、溫濕度變化和氯離子侵蝕等因素對鋼筋實時銹蝕速率造成的影響.

本文根據李宗津提出的基于磁介質理論的鋼筋銹蝕檢測原理[22]，將組裝的基于磁介質理論的鋼筋銹蝕監測儀(MCD鋼筋銹蝕監測儀)用于鋼筋混凝土梁試驗，并探究了儀器在混凝土結構中的測量精度.

1 MCD鋼筋銹蝕監測儀的原理與構造

當介質置于磁場中，介質內磁矩的排列取向受磁場作用逐步趨于一致，呈現出一定的磁性[23]，空間磁場強度為原磁場強度與介質磁化強度的疊加：

B=μ0(H+M)=μ0μrH=μH

(1)

式中：B為空間磁感應強度，T；H為原磁場強度，A/m；M為磁體磁化強度，A/m；μ0為真空磁導率,μ0=4π×10-7H/m；μr為介質相對磁導率；μ為介質磁導率，H/m.

依據介質被磁化能力即介質磁導率的大小，物質的磁性分為5類：抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性[21].根據外斯分子場理論，鐵磁性材料內部含有大量的磁疇，當鐵磁性材料處于外磁場中，磁疇磁化方向逐步轉向外磁場方向，表現為極強的飽和磁化強度Ms，對原磁場有很強的增強作用.因此，由于鋼筋內含有大量的鐵單質，與混凝土、水和空氣等其余介質的磁導率有巨大的差異，詳細如表1所示.

表1 鋼筋混凝土結構中常見介質的磁導率Table 1 Permeability of common medium in reinforcedconcrete structures

MCD傳感器原理構造如圖1所示：利用鋼筋混凝土中組分磁導率的巨大差異性，在鋼筋周圍布置永磁體構造磁場，用鍍鋅鐵框架構造磁路防止磁場在空氣域內急劇衰退；當鋼筋銹蝕時，由于鐵單質發生化學反應生成銹蝕產物，鐵單質含量減少導致鋼筋所在區域的磁感應強度發生改變，利用鋼筋周圍的霍爾元件檢測鋼筋銹蝕導致的磁感應強度變化，從而建立霍爾電壓與鋼筋銹蝕的相關關系；為克服周圍環境微磁場變化對測量數據造成誤差，額外設置2個通道的霍爾元件，在檢測過程中起參考及校正作用.

圖1 MCD傳感器原理構造Fig.1 Internal structure of MCD sensor

根據MCD傳感器原理，設計組裝了MCD鋼筋銹蝕監測儀，其示意圖見圖2.由圖2可見：MCD鋼筋銹蝕監測儀由內埋傳感器、數據采集器和電腦軟件系統三部分組成；傳感器通過內埋的方式固定于混凝土結構內鋼筋檢測點，可以最大程度地減少空間介質對傳感器測量數據的干擾；數據采集器與傳感器相連，將輸入的電壓信號轉變為數值信號，傳輸到電腦軟件系統，實現霍爾電壓的實時采集與記錄.

圖2 MCD鋼筋銹蝕監測儀示意圖Fig.2 Schematic of MCD

2 MCD鋼筋銹蝕監測儀標定試驗

根據MCD鋼筋銹蝕監測儀的測量原理，鋼筋銹蝕率與霍爾電壓之間存在一定變化規律，通過標定試驗，可以建立霍爾電壓變化率與鋼筋銹蝕率的關系曲線.

傳感器的設計卡口尺寸為16mm，試驗選用2根φ16 HPB 300光圓鋼筋作為銹蝕對象，編號G1、G2，長度為150mm.考慮試驗周期，采用外加電流加速銹蝕，電解液為質量分數5% NaCl溶液，電流密度45A/m2.在24、48、72、96、120、144h切斷電源，取出銹蝕鋼筋，使用朗潔LJ-927型號鋼筋除銹劑除去鋼筋表面鐵銹，烘干后在室溫、無明顯外加磁場條件下利用MCD監測儀測量電壓，并稱量鋼筋銹蝕后的質量，得到不同銹蝕齡期的鋼筋銹蝕率和霍爾電壓.為克服偶然誤差，共使用4只傳感器，編號分別為C-1～C-4.

圖3為霍爾電壓U隨鋼筋銹蝕率w變化曲線.由圖3可見：隨著鋼筋銹蝕率的增加，霍爾元件點1處磁感應強度逐漸減弱，表現為傳感器輸出電壓不斷降低；同一傳感器測量不同鋼筋標定點和不同傳感器測量同一鋼筋標定點，輸出電壓均有一定的差異，這是由于永磁體的退磁和二次磁化現象，以及鋼筋中碳、磷、硫等微量元素的隨機分布[23]造成的.

圖3 霍爾電壓U隨鋼筋銹蝕率w變化曲線Fig.3 Variation curve between Hall voltage with steel corrosion rate

對霍爾電壓歸一化處理后得到了霍爾電壓變化率(ΔU)-鋼筋銹蝕率(w)擬合直線，如圖4所示.由圖4可見，霍爾電壓變化率與鋼筋銹蝕率表現為良好的線性關系，線性擬合公式為：

ΔU=0.1194×w

(2)

(3)

式中：Δw為鋼筋銹蝕率；Δm為鋼筋銹蝕前后的質量變化；m0為鋼筋銹蝕前的質量.

根據線性擬合公式，當傳感器內埋于鋼筋混凝土結構內部時，通過各銹蝕齡期傳感器測量的霍爾電壓變化率即可得出鋼筋銹蝕率，從而達到非破損、動態監測鋼筋銹蝕的目的.

圖4 霍爾電壓變化率ΔU與鋼筋銹蝕率w擬合直線Fig.4 Linear fitting of Hall voltage change rate and steel corrosion rate

3 傳感器內埋鋼筋混凝土梁試驗

為探究MCD監測儀在鋼筋混凝土結構中應用的穩定性及測量精度，制備了16根鋼筋混凝土梁，其中2根在澆筑過程中安裝了標定試驗使用的 C-1～ C-4傳感器，編號為S1、S2，剩余14根用于破型測定鋼筋的真實銹蝕率.

鋼筋混凝土梁均由C30細石混凝土澆筑，配合比為m(水泥)∶m(水)∶m(細骨料)∶m(粗骨料)= 1.00∶ 0.53∶ 2.00∶ 3.00，尺寸為150mm× 150mm× 400mm，保護層厚度為37mm；縱筋采用φ16的HPB 300光圓鋼筋，鋼筋長450mm，在鋼筋兩端 75mm 范圍內涂抹環氧樹脂涂層，防止鋼筋端部位置處發生局部銹蝕.試驗前對每根鋼筋稱重并編號，混凝土梁距中心兩側100mm位置處布置2個MCD監測儀.測試梁試件尺寸及傳感器布置如圖5所示.

圖5 測試梁試件尺寸及傳感器布置Fig.5 Dimension and sensor layout diagram of test beam specimen

鋼筋混凝土梁標準養護28d后，將試件浸泡于3% NaCl溶液中7d使鋼筋脫鈍.鋼筋銹蝕采用半浸泡外加電流加速銹蝕方法，電解質溶液為5% NaCl溶液，在溶液中放入不銹鋼棒并接入穩流電源負極作為輔助電極，混凝土梁內鋼筋接電源正極，作為陽極.通電電流密度為10A/m2，液面距鋼筋底部 10mm.試驗環境溫度(25±2)℃，相對濕度(65±5)%.

銹蝕過程中每隔1d記錄1次傳感器電壓，測量電壓期間切斷電源防止“電流磁效應”對傳感器測量數據造成影響，并均勻攪動NaCl溶液，保證整個電解池中濃度均勻;同時保持液面高度和溶液濃度不變，對陰極不銹鋼筋上附著的銹蝕物進行清除，以保證加速銹蝕效率.試驗過程中測試梁與對照梁采用相同的試驗條件，因此假定測試梁與對照梁在同一齡期具有相同的銹蝕率.在5、10、15、20、25、30、35d時，分別將2根對照梁破型后取出鋼筋，使用朗潔LJ-927型號鋼筋除銹劑除去鋼筋表面鐵銹，干燥后稱重，得到測試梁內鋼筋的實測銹蝕率.

4 結果與分析

4.1 MCD計算銹蝕率可靠度分析

通過測量不同銹蝕齡期的傳感器輸出的霍爾電壓變化率，得到了0～35d MCD計算銹蝕率.圖6為MCD計算銹蝕率與破型實測銹蝕率的對比曲線.為了驗證MCD計算銹蝕率的精度，在顯著性水平α=0.05下對MCD計算銹蝕率進行顯著性分析，每條樣本曲線點數n=7,臨界t值tα/2(n-2)=2.5706,結果如表2所示.由表2可見，4只傳感器計算銹蝕率的回歸效果均為顯著，表明MCD計算銹蝕率具有較高的可信度.從圖6亦可看出，除傳感器C-3有較大差異外，其余傳感器計算銹蝕率與真實銹蝕率均表現出較高的吻合度.傳感器C-3的較大誤差與鋼筋混凝土梁澆筑過程中傳感器位置變動及傳感器長期檢測過程中被介質侵蝕等試驗因素有關.

圖6 MCD計算銹蝕率與破型實測銹蝕率對比曲線Fig.6 Contrast curves between tested and calculated corrosion rate of MCD

表2 MCD計算銹蝕率顯著性分析
Table 2 Significance analysis of MCD calculated corrosion rate

SensorResidual sum ofsquareR2Significance test value |t|SignificancelevelC-14.4960.98218.178HighC-23.4460.98822.528HighC-320.8140.8686.368HighC-46.7010.97415.143High

4.2 MCD計算銹蝕率發展分析

通過C1傳感器測量的霍爾電壓，得到MCD計算銹蝕率時變曲線，結果如圖7所示.由圖7可見，25d鋼筋保護層脹裂出現宏觀裂縫，根據保護層開裂時間，將銹蝕率變化分為2個階段：(1)0～25d：該階段混凝土保護層尚未開裂，在半浸泡外加電流加速銹蝕試驗條件下，銹蝕速率主要由電流大小控制，由于試驗過程中已嚴格控制電流大小與液面高度，因此鋼筋銹蝕率增長緩慢且增速均勻，銹蝕速率較為穩定；(2)25～35d：由于保護層開裂，銹脹裂縫的產生為氧氣提供通道，加快鋼筋的銹蝕速率；隨著銹脹裂縫不斷擴展，鋼筋接觸空氣表面積逐漸增大，同時通電條件下電阻減小，銹蝕速率呈上升趨勢.

圖7 MCD計算銹蝕率時變曲線Fig.7 Time-varying curve of corrosion rate calculatedby MCD

根據MCD計算銹蝕率在保護層開裂前后的變化，可以得出：MCD計算銹蝕率的時變曲線與鋼筋實際銹蝕發展狀況相吻合，能夠動態表征鋼筋銹蝕狀況的發展.

5 結論

(1)利用鋼筋中鐵與水、空氣、混凝土、鐵銹等介質磁導率的巨大差異，組裝了一種基于磁介質理論的鋼筋銹蝕監測儀(MCD鋼筋銹蝕監測儀)，隨檢測鋼筋銹蝕率增加，儀器輸出霍爾電壓逐漸降低.

(2)通過標定試驗，MCD監測儀測量的霍爾電壓變化率與鋼筋銹蝕率為線性關系.根據線性擬合公式，通過測量傳感器輸出的霍爾電壓變化率，可非破損、定量、原位檢測混凝土結構中鋼筋銹蝕發展，試驗結果表明MCD監測儀具有較高的精度.

(3)MCD監測儀計算的銹蝕速率在保護層開裂前后有明顯變化，計算銹蝕率時變曲線能夠反映混凝土結構內鋼筋銹蝕發展的動態變化.