混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

摘要：近年來，中國建設(shè)了許多讓世界驚嘆的大型基建工程。如何保證工程質(zhì)量，成就“百年工程”成了大家關(guān)心的問題。混凝土耐久性是保證工程質(zhì)量的一個重要因素，經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，混凝土在一般環(huán)境下的耐久性得到了保障，但是在一些復雜惡劣環(huán)境，容易發(fā)生腐蝕情況，降低混凝土使用性能，結(jié)構(gòu)達不到設(shè)計的使用壽命。如果可以對混凝土結(jié)構(gòu)進行腐蝕監(jiān)測，及時針對腐蝕情況進行耐久性再設(shè)計，就有助于延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。在歐洲，早在上世紀八十年代末就開始研發(fā)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，并對重要的或者難以檢測的混凝土結(jié)構(gòu)進行腐蝕監(jiān)測，根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的腐蝕修復措施或者腐蝕防護等耐久性再設(shè)計。近年來，腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)也逐漸在我國的重點工程得到應(yīng)用，如廈門翔安海底隧道等。本文將主要介紹目前腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)原理，發(fā)展以及工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)  耐久性  鋼筋脫鈍  腐蝕監(jiān)測  

1.概述

    混凝土自問世以來，其堅固耐用的特點一直被世人認同，是土木工程建設(shè)中一種非常普遍的材料，每年估計有近百億立方的澆筑量。上世紀七十年代開始，逐漸發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過早破壞現(xiàn)象，引起學術(shù)界對混凝土耐久性研究的重視，專家們努力研究混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕失效和提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。引起混凝土破壞失效的主要原因有鋼筋腐蝕、混凝土碳化、堿基料反應(yīng)、凍融破壞等，其中以鋼筋腐蝕的危害為嚴重。為了提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，抗腐蝕能力，以往國內(nèi)一般通過改善混凝土配方，采用陰極保護裝置，采用表面保護等措施來阻止有害物質(zhì)如水分，空氣，氯離子等有害介質(zhì)的進一步侵入。我國沿海地區(qū)建成或者在建擬建許多大型的基建項目，如杭州灣大橋、廈門翔安隧道、港珠澳大橋等，都提出了百年工程的口號，但是在惡劣的工程環(huán)境中，這些海工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能否過關(guān)，工程壽命能否達到設(shè)計要求，是擺在我們面前的現(xiàn)實難題。為了大限度的避免和早期發(fā)現(xiàn)鋼筋腐蝕的發(fā)生和發(fā)展，可以考慮在這些大型工程上采用可持續(xù)監(jiān)測鋼筋腐蝕技術(shù)，測量混凝土中早期的腐蝕信息，在鋼筋腐蝕之前采取有效的防腐措施，這比鋼筋腐蝕后再采取防腐措施費用更低，防腐效果也更好。
2.腐蝕原理

金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學變化及電化學作用而遭到的破壞，叫做金屬的腐蝕。鋼筋腐蝕有兩大類，分別是化學腐蝕和電化學腐蝕?；瘜W腐蝕過程沒有電子的流動，只是腐蝕現(xiàn)象的一小部分。鋼筋表面與介質(zhì)如濕空氣，電解質(zhì)溶液等發(fā)生電化學作用而引起的腐蝕就是電化學腐蝕，這個腐蝕過程中有電子的流動。鋼筋的絕大部分腐蝕都屬于電化學腐蝕。鋼筋腐蝕的幾個必要條件：1.存在共軛陰極；;2.鋼筋的鈍態(tài)膜被破壞；3.存在侵蝕條件。如圖1所示，

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境

混凝土是一種高堿性環(huán)境（PH值約在13左右），鋼筋在這種環(huán)境下表面形成鈍態(tài)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(huán)境或者橋梁結(jié)構(gòu)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(tài)轉(zhuǎn)為活性態(tài)，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(chǎn)物多為Fe3O4等氧化物，其體積遠遠大于產(chǎn)生這些產(chǎn)物的鋼的體積，因此產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，使混凝土開裂。鋼筋混凝土腐蝕的另外一個原因是酸性物質(zhì)（如CO2）的滲入，識得孔隙液的PH值降低，當PH值降至12.5時，加之Clˉ的作用，腐蝕以較快的速度發(fā)生?；炷聊途眯韵陆?，強度退化可分為幾個階段，見圖2，

圖2混凝土結(jié)構(gòu)的強度退化示意圖

以陽極脫鈍開始失去電子生銹的時間T為分界點。因此，如果我們可以通過一種手段，可以測試陽極開始失去電子生銹的時間，對于我們進行腐蝕修復設(shè)計與施工就顯得尤為重要。國內(nèi)目前主要依靠實驗室快速試驗獲取的參數(shù)以及現(xiàn)場同條件構(gòu)件破損或者無損試驗結(jié)構(gòu)間接推斷這個時間，但由于各種原因，這個時間推斷的精度就難以保證，而且存在無法動態(tài)反饋的缺點。如果在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋入能監(jiān)測整個脫鈍過程的傳感器，動態(tài)地、長期地獲得脫鈍的進展情況及一些關(guān)鍵參數(shù)的信息反饋，那么就可以預報腐蝕開始的時間。我們知道，新澆混凝土的脫鈍前鋒線位于混凝土表面，隨著時間的推演，脫鈍前鋒線將穿過保護層向鋼筋方向推進。那么，在混凝土結(jié)構(gòu)保護層范圍內(nèi)，按不同深度埋入多個脫鈍傳感器，每個傳感器分布于混凝土表面到達鋼筋的保護層上，就可以利用一組脫鈍前鋒線道道多個不同深度傳感器的時間，建立前鋒面發(fā)展進程的數(shù)學模型，從而可以推算出鋼筋脫鈍的時間，這個時間值T能夠不斷得到動態(tài)修正。如果T小于設(shè)計年限，就可以對結(jié)構(gòu)進行耐久性再設(shè)計，及時啟動腐蝕保護預案，并繼續(xù)對前鋒面進行監(jiān)測，以確認腐蝕保護措施的效果。如果采取措施后，T仍小于設(shè)計年限，那么在工程進入腐蝕階段前仍有機會采取相應(yīng)的補救措施。

3.腐蝕檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

3.1預埋式腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

世紀80年代末，歐洲開始研發(fā)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其中有德國S+R SensorTech公司的梯形陽極混凝土結(jié)構(gòu)預埋式腐蝕監(jiān)測傳感系統(tǒng)（Anoden-Leiter-Sysetem，圖3）和丹麥的FORCE Technology公司的環(huán)形多探頭陽極混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)（Nagel-System，圖4），這兩個系統(tǒng)在歐洲及非洲很多大型混凝土結(jié)構(gòu)工程中得到了很好的應(yīng)用。兩者的共同原理都是把傳感器安裝在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，根據(jù)不同高度的陽極的脫鈍       圖3 Anoden-Leiter-Sysetem系統(tǒng)                        

腐蝕情況來提前預警鋼筋的腐蝕時間。

下面以丹麥FORCE Technology公司的Nagel-System腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)為例，詳細介紹一下這類系統(tǒng)。

圖4  Nagel-System腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

Nagel-System腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀，CorroWatch腐蝕傳感器，ERE20參比電極組成。CorroWatch腐蝕傳感器是一個多探頭傳感器（圖5），由四個處于不同高度的陽極（黑鋼材質(zhì)）和一個陰極（鈦網(wǎng)）以及互連的引出結(jié)構(gòu)的導線組成，在傳感器基座還內(nèi)置了一個溫度傳感器，能夠測量鋼筋短腐蝕各階段的電學參數(shù)及溫度數(shù)據(jù)。

圖5 CorroWatch多探頭腐蝕傳感器

傳感器基座固定在主鋼筋網(wǎng)上面（必須用絕緣材料與鋼筋段絕緣），位于混凝土保護層中，四個陽極朝向腐蝕可能發(fā)生的方向，即鋼筋脫鈍前鋒線，并處于混凝土表面以下不同的深度。共同陰極由涂氧化鉑的鈦網(wǎng)制成，具有很高的正電位。當脫鈍前鋒線推進到陽極處，陽極脫鈍時，陽極與陰極的之間的回路的宏電流將發(fā)生變化，電位不同的兩種金屬通過導線可以構(gòu)成原電池，電位差越大，則腐蝕電流越大。

處于不同電化學狀態(tài)的鋼筋，其腐蝕電位是不同的。鋼筋在鈍化時，其腐蝕電位升高，而脫鈍后，其腐蝕電位降低。可以根據(jù)腐蝕電位判斷鋼筋的腐蝕狀況。但在混凝土表面測得的腐蝕電位是不夠準確的。因此，可以采用嵌入式的參比電極，但要求參比電極應(yīng)該具有長期的穩(wěn)定性和準確性。目前，使用的多的參比電極是FORCE公司的ERE20參比電極。ERE20主要材料是二氧化錳MnO2和堿性無氯化物凝膠材料，配套CorroWatch使用，組成半電池結(jié)構(gòu)，監(jiān)測鋼筋的腐蝕狀態(tài)。

Nagel-System系統(tǒng)的優(yōu)勢在于CorroWatch傳感器的工業(yè)設(shè)計，其基座是平的環(huán)形結(jié)構(gòu)，很容易就可以固定在主鋼筋網(wǎng)上，不用考慮角度的問題。陽極的高度也非常容易確定，而且高度在安裝時可以調(diào)整。根據(jù)不同陽極脫鈍腐蝕的時間點，可以提前預測主鋼筋網(wǎng)開始腐蝕的時間。在宏電流測試中，要求陰陽極間距較小，否則由于混凝土電阻的影響會造成測試得到的宏電流數(shù)值較小，不容易判斷鋼筋腐蝕的情況。而CorroWatch傳感器相比其他腐蝕監(jiān)測傳感器，陰陽極的間距小，宏電流數(shù)據(jù)相對來說更容易判斷。而且，由于占用空間小，預埋在混凝土中，對保護層和承載力影響不大。

相同原理的監(jiān)測系統(tǒng)還有美國Virginia Technologies研發(fā)的ECI腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)（圖6）和ROCKTEST公司的SENSCORE腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，不過這兩套系統(tǒng)問世不久，也沒有真正的大規(guī)模應(yīng)用于工程上面。

圖6 美國ECI腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

3.2后裝式腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

對于已建成的基礎(chǔ)建設(shè)工程，為了跟蹤混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性情況，還研發(fā)了相應(yīng)的后裝式腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。德國H+R傳感器公司的Speizring-Anoden-System（圖7），該系統(tǒng)由陽極環(huán)和陰極棒組成，通過在結(jié)構(gòu)上鉆孔安裝就位。丹麥FORCE Technology公司的CorroRisk（圖8），由4-8個陽極和一個組合電極（鈦網(wǎng)和ER20合成）構(gòu)成，既可以用于新建混凝土結(jié)構(gòu)，也可以用于已有混凝土結(jié)構(gòu)，也是通過鉆孔安裝就位。

圖7 Speizring-Anoden-System系統(tǒng)          圖8 CorroRisk系統(tǒng)

3.3應(yīng)用案例

歐洲的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，從上世紀90年代開始，腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在世界各國陸續(xù)投入工程應(yīng)用，涉及的工程類型主要有處于海洋腐蝕環(huán)境中的碼頭、隧道、橋梁、人工島、海洋平臺、甲板等重要基礎(chǔ)設(shè)施。時至今日，使用了近千套的梯形陽極腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)和五六百套的環(huán)形多探頭陽極腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。影響較大的有丹麥的Buildings of the Great-Belt-Link（446套），丹麥-瑞典的Oresund-Link（249套）,埃及的Monitoring of the walls of the A了Sukhna Por（71套），日本的Tunnel Project in Tokyo（15套），中國的廈門翔安海底隧道（34套）。所有的這些項目，雖然采用了兩種不同的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，但是腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)里重要的組成部分參比電極都是采用了丹麥FORCE公司的ERE20參比電極?，F(xiàn)在以丹麥-瑞典的Oresund-Link為例，介紹腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用情況。The Oresund Link全長15410米，其中橋梁長7800米，隧道長3510米。橋梁的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)使用了60套S+R傳感器公司的梯形陽極腐蝕傳感器和幾十套丹麥FORCE公司的ERE20參比電極；隧道的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)使用了189套丹麥FOREC公司的環(huán)形多探頭腐蝕傳感器（CorroWatch）和243套ERE20參比電極。隧道9個通道砌塊，其中七個位置 (C1-C7): 設(shè)置了3套CorroWatch和1個ERE20.另外十個位置 (R1-R10)分別設(shè)置了2個ERE20.

3.4數(shù)據(jù)采集處理

腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集可以有兩種方式。*種是實時的在線監(jiān)測采集，象丹麥的FORCE Technology公司的Corrologger數(shù)據(jù)采集儀包含了數(shù)據(jù)采集器、GSM/GPRS模塊、電池和太陽能電池板，可以直接接入CorroWatch、CorroRisk、ERE20以及溫度、濕度傳感器，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測。第二種是隨機采集，采用的數(shù)據(jù)采集儀或者萬用電表都可以，采集的間隔可以是一年兩三次或者更長一些。另外，混凝土的溫濕度、混凝土阻抗等信息也是非常重要的。結(jié)合這些數(shù)據(jù)，通過試驗室試驗建立數(shù)學模型來推算鋼筋脫鈍的時間。

4.結(jié)語

實踐證明，對于大型基建工程，建立一套完善的混凝土腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，可以獲得混凝土耐久性下降，強度退化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進行耐久性再設(shè)計，提前做好防腐措施。對于難以到達的結(jié)構(gòu)，如水下基礎(chǔ)，跨海橋梁基礎(chǔ)，海底隧道等，腐蝕監(jiān)測更是其他檢測手段無法替代的。為了提高我國的工程質(zhì)量，建設(shè)百年工程，引進腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)是非常有意義，也是非常必要的。也希望我們的學者能夠研發(fā)自主創(chuàng)新的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。

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