混凝土結構腐蝕監測技術的發展與應用

摘要：近年來，中國建設了許多讓世界驚嘆的大型基建工程。如何保證工程質量，成就“百年工程”成了大家關心的問題?；炷聊途眯允潜ＷC工程質量的一個重要因素，經過多年的技術發展，混凝土在一般環境下的耐久性得到了保障，但是在一些復雜惡劣環境，容易發生腐蝕情況，降低混凝土使用性能，結構達不到設計的使用壽命。如果可以對混凝土結構進行腐蝕監測，及時針對腐蝕情況進行耐久性再設計，就有助于延長結構的使用壽命。在歐洲，早在上世紀八十年代末就開始研發腐蝕監測系統，并對重要的或者難以檢測的混凝土結構進行腐蝕監測，根據腐蝕數據采取相應的腐蝕修復措施或者腐蝕防護等耐久性再設計。近年來，腐蝕監測系統也逐漸在我國的重點工程得到應用，如廈門翔安海底隧道等。本文將主要介紹目前腐蝕監測系統的技術原理，發展以及工程應用。

關鍵詞：混凝土結構  耐久性  鋼筋脫鈍  腐蝕監測  

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，逐漸發混凝土結構出現過早破壞現象，引起學術界對混凝土耐久性研究的重視，專家們努力研究混凝土結構腐蝕失效和提高混凝土結構耐久性。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、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構的耐久性，抗腐蝕能力，以往國內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如水分，空氣，氯離子等有害介質的進一步侵入。我國沿海地區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境中，這些海工混凝土結構的耐久性能否過關，工程壽命能否達到設計要求，是擺在我們面前的現實難題。為了大限度的避免和早期發現鋼筋腐蝕的發生和發展，可以考慮在這些大型工程上采用可持續監測鋼筋腐蝕技術，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發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，只是腐蝕現象的一小部分。鋼筋表面與介質如濕空氣，電解質溶液等發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.鋼筋的鈍態膜被破壞；3.存在侵蝕條件。如圖1所示，

圖1 混凝土結構的腐蝕環境

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。鋼筋混凝土腐蝕的另外一個原因是酸性物質（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生。混凝土耐久性下降，強度退化可分為幾個階段，見圖2，

圖2混凝土結構的強度退化示意圖

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計與施工就顯得尤為重要。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或者無損試驗結構間接推斷這個時間，但由于各種原因，這個時間推斷的精度就難以保證，而且存在無法動態反饋的缺點。如果在混凝土結構內部埋入能監測整個脫鈍過程的傳感器，動態地、長期地獲得脫鈍的進展情況及一些關鍵參數的信息反饋，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，在混凝土結構保護層范圍內，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，建立前鋒面發展進程的數學模型，從而可以推算出鋼筋脫鈍的時間，這個時間值T能夠不斷得到動態修正。如果T小于設計年限，就可以對結構進行耐久性再設計，及時啟動腐蝕保護預案，并繼續對前鋒面進行監測，以確認腐蝕保護措施的效果。如果采取措施后，T仍小于設計年限，那么在工程進入腐蝕階段前仍有機會采取相應的補救措施。

3.腐蝕檢測系統的研究與應用

3.1預埋式腐蝕監測系統

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（Anoden-Leiter-Sysetem，圖3）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，圖4），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很好的應用。兩者的共同原理都是把傳感器安裝在結構內部，根據不同高度的陽極的脫鈍       圖3 Anoden-Leiter-Sysetem系統                        

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腐蝕監測系統為例，詳細介紹一下這類系統。

圖4  Nagel-System腐蝕監測系統

Nagel-System腐蝕監測系統由數據采集儀，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）和一個陰極（鈦網）以及互連的引出結構的導線組成，在傳感器基座還內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及溫度數據。

圖5 CorroWatch多探頭腐蝕傳感器

傳感器基座固定在主鋼筋網上面（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生變化，電位不同的兩種金屬通過導線可以構成原電池，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?？梢愿鶕g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，但要求參比電極應該具有長期的穩定性和準確性。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，組成半電池結構，監測鋼筋的腐蝕狀態。

Nagel-System系統的優勢在于CorroWatch傳感器的工業設計，其基座是平的環形結構，很容易就可以固定在主鋼筋網上，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整。根據不同陽極脫鈍腐蝕的時間點，可以提前預測主鋼筋網開始腐蝕的時間。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測傳感器，陰陽極的間距小，宏電流數據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。

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

圖6 美國ECI腐蝕監測系統

3.2后裝式腐蝕監測系統

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

圖7 Speizring-Anoden-System系統          圖8 CorroRisk系統

3.3應用案例

歐洲的腐蝕監測系統已經發展的非常成熟，從上世紀90年代開始，腐蝕監測系統在世界各國陸續投入工程應用，涉及的工程類型主要有處于海洋腐蝕環境中的碼頭、隧道、橋梁、人工島、海洋平臺、甲板等重要基礎設施。時至今日，使用了近千套的梯形陽極腐蝕監測系統和五六百套的環形多探頭陽極腐蝕監測系統。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測系統，但是腐蝕監測系統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在以丹麥-瑞典的Oresund-Link為例，介紹腐蝕監測系統的應用情況。The Oresund Link全長15410米，其中橋梁長7800米，隧道長3510米。橋梁的腐蝕監測系統使用了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；隧道的腐蝕監測系統使用了189套丹麥FOREC公司的環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): 設置了3套CorroWatch和1個ERE20.另外十個位置 (R1-R10)分別設置了2個ERE20.

3.4數據采集處理

腐蝕監測系統的數據采集可以有兩種方式。*種是實時的在線監測采集，象丹麥的FORCE Technology公司的Corrologger數據采集儀包含了數據采集器、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，實現遠程在線監測。第二種是隨機采集，采用的數據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。結合這些數據，通過試驗室試驗建立數學模型來推算鋼筋脫鈍的時間。

4.結語

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測系統，可以獲得混凝土耐久性下降，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。為了提高我國的工程質量，建設百年工程，引進腐蝕監測系統是非常有意義，也是非常必要的。也希望我們的學者能夠研發自主創新的腐蝕監測系統。

參考文獻：

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5.       Ruth E. SØrensen, Birit Buhr ,Thomas FrØThomas , Sensoring corrosion - The Danish Way

6.       Dr. Gisli Gudmundsson,On site monitoring of high performance concrete during freeze/thaw cycles and relationship to standardized testing