摘要：在嚴(yán)酷環(huán)境如海洋環(huán)境下服役的混凝土結(jié)構(gòu)，需要混凝土內(nèi)部安置傳感器以獲取耐久性關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)混凝土進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。本文論述了幾種常見(jiàn)檢測(cè)鋼筋銹蝕電化學(xué)傳感技術(shù)，并介紹了國(guó)外混凝土傳感監(jiān)測(cè)的研究狀況。
關(guān)鍵字：傳感器；腐蝕；混凝土結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測(cè)
1．前言
鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土耐久性失效的重要形式。鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響表現(xiàn)在以下三個(gè)方面[1~2]①鋼筋銹蝕直接使鋼筋受力截面減小,造成鋼筋的承載力下降,極限延伸率減少； ②鋼筋銹蝕產(chǎn)生銹脹應(yīng)力,引發(fā)順筋開(kāi)裂和裂縫擴(kuò)展；③鋼筋銹蝕使鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力下降。而鋼筋銹蝕引起的混凝土構(gòu)件的破壞已受到人們的重視，對(duì)混凝土進(jìn)行耐久性健康監(jiān)測(cè)已成為必然。
健康診斷系統(tǒng)的引入,可以較全面了解海洋環(huán)境中現(xiàn)役海工混凝土的使用現(xiàn)狀,并適時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)潛在的耐久性變化作出預(yù)警判斷，以此提供相應(yīng)的維修意見(jiàn)，有利于橋梁壽命經(jīng)濟(jì)。 診斷系統(tǒng)可分為三個(gè)部分：
其一：通過(guò)傳感器等檢測(cè)設(shè)備獲取目標(biāo)建筑物的各種耐久性參數(shù)；
其二：對(duì)傳感器得到的模擬信號(hào)調(diào)節(jié)，傳遞，A/D轉(zhuǎn)化及存儲(chǔ)；
其三：微機(jī)端依據(jù)一定的耐久性預(yù)測(cè)模型對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，作出預(yù)警判斷、壽命預(yù)測(cè)和系統(tǒng)檢查和維護(hù)。
2．傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)
耐久性監(jiān)測(cè)中重要的一環(huán)節(jié)即是如何及時(shí)有效獲取各種耐久性參數(shù)，主要包括耐久性關(guān)鍵參數(shù)的確定，各種傳感器的選擇和安裝技術(shù)。而影響鋼筋銹蝕速度主要包括環(huán)境條件(溫度、濕度、O2濃度、Cl-濃度等)、混凝土滲透性和保護(hù)層厚度，鋼筋位置等，其中部分因素可以直接獲取且保持一定數(shù)值變，同時(shí)考慮到鋼筋銹蝕是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，故可以選擇侵入混凝土內(nèi)部有害離子（氣體）濃度變化和混凝土的各種電化學(xué)參數(shù)（自腐蝕電位，極化電阻，混凝土電阻率，半電池電位，宏電流等）做為關(guān)鍵參數(shù)，以此選擇傳感器和埋入方式。
目前運(yùn)用在鋼筋混凝土腐蝕監(jiān)測(cè)的電化學(xué)方法多采用預(yù)先埋入高靈敏度易變性好的傳感器，并通過(guò)電纜導(dǎo)出信號(hào)， 并實(shí)現(xiàn)工作站通信。
2.1半電池電位式傳感器
鋼筋銹蝕時(shí)鋼筋表面不同區(qū)域形成電位差，即分化成陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)。當(dāng)鋼筋由鈍化變?yōu)榛钚詰B(tài)，鋼筋的電壓發(fā)生變化[3,4,7]。通過(guò)對(duì)鋼筋表面電勢(shì)的測(cè)量，可得到其電位分布，進(jìn)而判斷銹蝕區(qū)和非銹蝕區(qū)，圖1為半電池法示意圖。電位的測(cè)定與混凝土表面的飽和程度密切，而混凝土的碳化和內(nèi)部含鹽量會(huì)干擾測(cè)量[5]。 Thirumalai Parthiban等人[4]采用ASTM C-876法研究了板狀混凝土試樣，在澆筑前用黃銅棒與鋼筋不同部位接觸并用導(dǎo)線引出，成型后在混凝土表面繪制不柵格點(diǎn)（如圖2示），將參比電極置于不同的柵格點(diǎn)處測(cè)得柵格點(diǎn)電勢(shì)，并用Excell繪圖給出鋼筋腐蝕狀況。 
圖1 半電池法示意圖 圖2柵格化平板混凝土表面圖
在對(duì)混凝土的電化學(xué)測(cè)試過(guò)程中常需要用到參比電極，而在線監(jiān)測(cè)常則需將參比電極埋入保護(hù)層中，故對(duì)參比電極的選擇不僅需要從一般性能（可再現(xiàn)性，可逆性和穩(wěn)定性）著手考慮，還要求其應(yīng)具容積小和有一定強(qiáng)度的特征，以便于參比電極的封裝和埋入。常用的參比電極如下： 
表1常見(jiàn)參比電極電勢(shì)[5]
Srinivasan Muralidharan等人[4]研究了用MnO2做參比電極（MnO2粉末＋高堿漿＋多孔水泥料漿），分別在蒸餾水，3％NaCl溶液和海水對(duì)埋有該參比電極進(jìn)行極化行為和阻抗特性進(jìn)行了研究，并得到較好可重現(xiàn)性和穩(wěn)定性（相比甘汞電極電位穩(wěn)定在176±6mv）。
2.2混凝土電阻率法傳感器
混凝土導(dǎo)電是指在外加電場(chǎng)下混凝土中的孔溶液離子定向發(fā)生流動(dòng)時(shí)的電解過(guò)程，工程中經(jīng)常用混凝土的電阻率(電導(dǎo)率的倒數(shù))來(lái)衡量混凝土的導(dǎo)電性能 可以通過(guò)測(cè)定不同深度處電阻率的變化，來(lái)判斷氯離子滲入的前鋒位置。電阻率由混凝土電阻乘以兩電極間的電池常數(shù)得到[5,6,7]。對(duì)于普通硅酸鹽混凝土在20℃時(shí)其電阻率和鋼筋腐蝕幾率的關(guān)系如下表2所示 。 
圖4 電阻率法傳感器示意圖 表2鋼筋混凝土電阻率法測(cè)定鋼筋腐蝕幾率特征值
2.3宏電池電流監(jiān)測(cè)傳感元件
在鋼筋結(jié)構(gòu)保護(hù)層的范圍內(nèi)，按不同深度埋入多個(gè)脫鈍傳感器，每個(gè)傳感器均勻分布于鋼筋混凝土表面到鋼筋保護(hù)層上，可以用一組脫鈍前鋒面到達(dá)多個(gè)不同深度傳感器的時(shí)間，以建立前鋒面發(fā)展進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型[5,8,9,10]。
圖5 宏電流測(cè)定示意圖 圖6 梯形陽(yáng)極系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理
上世紀(jì)80年代末，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)發(fā)明了梯形陽(yáng)極混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋式耐久性無(wú)損監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)（Anode-Leiter-system 見(jiàn)圖7），此裝置將一組鋼筋梯段（共6根15cm長(zhǎng)鋼筋棒）傳感器等間距排布，鋼筋兩端分別引出導(dǎo)線，導(dǎo)線安裝在“梯子“兩側(cè)的豎桿中孔內(nèi)并由樹(shù)脂固定，后將其傾斜地安裝于監(jiān)測(cè)部位的混凝土的保護(hù)層中，以測(cè)式鋼筋段腐蝕各階段電學(xué)參數(shù)。如電流、電位差、和陽(yáng)極間電阻值。 
圖7預(yù)埋式耐久性無(wú)損監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng) 圖8 后裝環(huán)形陽(yáng)極監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)又發(fā)明了后裝環(huán)形陽(yáng)極監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如圖8示），該系統(tǒng)由陽(yáng)極環(huán)和陰極棒組成,通過(guò)在結(jié)構(gòu)上鉆孔安裝就位,并利用膨脹螺栓緊固措施使得陽(yáng)極環(huán)和混凝土壁表接觸。其后仍可監(jiān)測(cè)的到不同鋒面上的電化學(xué)參數(shù)。
2.4氯離子含量和氧氣量傳感器
處于海洋環(huán)境下的海工混凝土鋼筋銹蝕多由于Cl－侵蝕造成的，通過(guò)混凝土表面的孔隙逐漸擴(kuò)散至鋼筋表面，破壞鈍化層，到達(dá)臨界濃度時(shí)導(dǎo)致鋼筋的銹蝕。Cl－含量可以通過(guò)Ag/AgCl電極測(cè)定。而鋼筋銹蝕也需要氧氣的參與，氧氣的濃度也直接影響著腐蝕速率。圖8，10分別所示為丹麥Smart Structure研究組所開(kāi)發(fā)的Cl－含量傳感器和RH傳感器[11,12]。
圖9 Cl含量傳感器 圖10 O2含量傳感器 圖11 RH傳感器
2.5溫度和濕度傳感器
在鋼筋混凝土腐蝕中，水是侵蝕性介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的載體。水分在混凝土孔隙和裂縫中的傳輸特性造成局部微區(qū)干濕過(guò)程和孔溶液濃度的差別，進(jìn)而影響著氯離子的擴(kuò)散。此外低水膠比的高性能混凝土的自干燥效應(yīng)與混凝土的內(nèi)部濕度變化緊密相關(guān)[13,14,15]。故由必要對(duì)混凝土內(nèi)部的濕氣濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并研究混凝土內(nèi)部濕度的變化和水分?jǐn)U散和氯離子滲透之間的關(guān)聯(lián)。
在用傳感器獲取混凝土濕度變化的過(guò)程中，可以在混凝土成型時(shí)設(shè)制預(yù)埋孔或是后期直接鑿出小孔，設(shè)定在一定溫度下，孔內(nèi)濕氣與混凝土內(nèi)部濕氣平衡時(shí)，測(cè)得孔內(nèi)濕度即為混凝土內(nèi)部濕度。在不同齡期將濕度傳感器置于不同深度處，獲取相對(duì)濕度數(shù)值。
2.6無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)[16]
相對(duì)于有線傳感技術(shù)，目前出現(xiàn)了無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)。無(wú)線傳感省去了各種導(dǎo)線和導(dǎo)線通道，直接利用遙感技術(shù)獲取混凝土中傳感器采集到的信息。在遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)中，聲發(fā)射法 電化學(xué)阻抗譜和時(shí)域反射儀受干擾因素影響較顯著，難以定位，也不易確切找出具體的影響因素，同時(shí)由于測(cè)試的逆過(guò)程結(jié)果不唯一和參數(shù)設(shè)置不同，導(dǎo)致各種測(cè)試結(jié)果之間對(duì)比度低。其替代方案是引入點(diǎn)傳感器，點(diǎn)傳感器是指試樣足夠小以至于傳送器得到的結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)幾乎一致，混凝土中的微區(qū)傳感可以借鑒生物醫(yī)學(xué)上的的技術(shù)。同時(shí)聲發(fā)射法可嘗試用電磁與聲信號(hào)結(jié)合的方法以提高其對(duì)比度。
3．結(jié)論：
鋼筋引起的鋼筋混凝土耐久性失效的過(guò)程，利用埋入傳感器獲取耐性性數(shù)據(jù)可以綜合評(píng)價(jià)混凝土中鋼筋的腐蝕狀況和趨勢(shì)，由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)可以為工程壽命提供判據(jù)。
在國(guó)外，混凝土內(nèi)置傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于上個(gè)世紀(jì)90年代初已開(kāi)始陸續(xù)投入工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)的工程類(lèi)型主要有處于海洋腐蝕環(huán)境下的碼頭，隧道，橋梁等重要基礎(chǔ)設(shè)施。 國(guó)內(nèi)也正引入和研發(fā)傳感器元件和逐步建立并完善健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
4．參考文獻(xiàn)：
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