一种新型混凝土耐久性监测传感器的应用★

许 晨 罗月静 金伟良 王海龙

(1.浙江大学结构工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)



一种新型混凝土耐久性监测传感器的应用★

许 晨1罗月静2金伟良1王海龙1

(1.浙江大学结构工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

介绍了混凝土耐久性监测技术的研究进展，基于钢筋锈蚀判别阳极极化电流法，研制了氯离子侵蚀进程监测的锈蚀传感器，并阐述了其在珠港澳大桥工程中的监测方案，以供参考。

混凝土，氯离子，传感器，钢筋锈蚀

0 引言

钢筋腐蚀是影响混凝土结构耐久性的首要因素，通过“监测预警”，即被动信号监测、模型推算和评估，如果能预报混凝土中外层钢筋脱钝的时刻及其发生腐蚀的速度，即可确定最佳维护和修复方案，避免产生大的经济损失和不测事故的发生。因此，欲提高混凝土结构耐久性，其着眼点就是首先要预测钢筋的脱钝时间，然后在钢筋脱钝前进行“耐久性再设计”。目前，国内外都投入了相当的研究力量，并取得了丰硕成果，其中，欧盟DuraCrete[1,2]提出的“耐久性再设计”是目前公认的有效措施，而混凝土结构耐久性无损监测则是其实施的基础，同时，它可为结构后期的修复提供科学决策。

1 耐久性监测技术进展

20世纪80年代，德国亚琛工业大学土木工程研究所[3-5]发明了梯形阳极传感器，目前已经在世界各国陆续投入了工程应用，迄今已有近30年的应用历史，目前基本都处于正常的运营之中。其中，影响较大的有丹麦的大贝尔特海峡通道(共431套)，荷兰的绿色心脏隧道工程(共17套)，丹麦—瑞典的Bridge Öresund-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，该监测系统也已成功应用于杭州跨海大桥的耐久性健康监测中。

另外，瑞士联邦苏黎世工业大学[6]系统研究了混凝土中钢筋腐蚀的电化学参数，研制了由若干长度相等的电极棒、基座、导线和阳极构成的内格尔埋入式阳极监测系统及后装式阳极监测系统。相同原理的监测系统还有丹麦FORCE公司稍晚开发的Corrosion Monitoring Nagel System等。英国女王大学(Queen’s University of Belfast)研发的电极阵列传感器可同时测量混凝土中的水分、有害离子浓度及湿度变化，并采用无线网络技术实现数据的远程传输，实现无人值守的混凝土耐久性长期监测，对判断混凝土耐久性指标具有重要意义。

同时，国内也有大量学者和科研机构进行了混凝土结构耐久性传感监测系统的研发[7-13]。然而，目前，国内外仍有各种新型传感器的报道，而大多数耐久性监测系统面世及服役时间较短，仍缺乏重大工程的服役性能数据支持。

2 工程应用实例——珠港澳大桥

2.1 传感器监测原理

如图1所示，基于钢筋锈蚀判别阳极极化电流法，浙江大学结构工程研究所研发了氯离子侵蚀进程监测的锈蚀传感器，并通过室内加速试验中取得了良好监测效果。由阳极极化电流法测试原理可知，即使参比电极性能发生改变，也不会影响阳极极化电流测试结果，如此延长了传感器工作寿命。

传感器安置在钢筋上部混凝土保护层中，如图2所示，通过调整传感器一侧螺杆长度，改变传感器倾角，使各工作电极位于保护层不同深度。根据提出的钢筋锈蚀判别阳极极化电流法，当氯离子侵蚀至工作电极并引起锈蚀时，阳极极化电流密度便会急剧增大至锈蚀临界值之上，通过经验公式可获得工作电极腐蚀电流密度，间接估算工作电极处氯离子浓度。因为大量研究表明，混凝土中影响钢筋腐蚀电流密度的主要因素为温度、钢筋附近混凝土电阻、时间及钢筋附近氯离子浓度，Liu.T通过试验回归分析建立了如式(1)所示的计算模型。因此，可以通过监测获取的腐蚀电流密度、温度、钢筋附近混凝土电阻和时间等数据反算得到氯离子浓度。

(1)

式中：i——腐蚀电流密度，μA/cm2；Cl——氯离子浓度，kg/m3；T——环境温度，K；Rc——混凝土电阻，Ω；t——时间，年。

2.2 监测方案

课题组于2014年6月在连接西人工岛引桥箱梁的底部，埋设了课题组研发的耐久性传感器CP2(改进型)。改进的传感器基座厚度更加轻薄，并且优化的传感器的封装工艺，提高了传感器的工作稳定性能。传感器的具体埋设部位如图3所示。调整传感器倾角，使得传感器上各监测面距混凝土表面的距离为15 mm，30 mm，45 mm和60 mm，混凝土保护层厚度为80 mm。

2.3 耐久性监测结果

目前，传感器共计服役2年零6个月，监测结果如图4所示。图中W1，W2，W3和W4分别代表监测点1(15 mm)、监测点2(30 mm)、监测点3(45 mm)和监测点4(60 mm)。由图4可知在混凝土浇筑完成的第一个月内，由于混凝土内部湿度很大，氧气供应不足，导致平衡电位负移，测试数据为负值。随着混凝土的水化继续，混凝土内部湿度逐渐降低，数值逐渐趋于平稳，但直到目前为止各监测点的阳极极化电流均小于0.1 μA，表明监测点处于钝化状态。这是由于结构服役时间较短，氯离子并未侵蚀至第一个监测点(15 mm深度)表面。

3 结语

本文介绍了一种新的传感器的设计与监测方法，并结合了实际工程应用——珠港澳大桥，介绍了传感器工作原理与初步监测结果。

1)设计的传感器采用三电极原理，基于阳极极化电流测试技术，能有效避免混凝土内部因高湿引起的数据失真；

2)将传感器应用于港珠澳大桥，前期数据表明各监测点处于钝化状态。这是由于结构服役时间较短，氯离子并未侵蚀至第一个监测点(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] 赵永韬.混凝土中钢筋腐蚀监测装置:中国专利,200610069705.4[P].2006-22-22,2007.

[8] 宋晓冰,刘西拉.钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀长期监测传感器:中国专利,200610117060.7[P].2006-22-22,2007.

[9] 吴 瑾,李 俊,高俊启.钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法:中国专利,200710019822.4[P].2006-22-22,2007.

[10] 梁大开,王 彦,周 兵.长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器:中国专利,200710021728.2[P].2006-22-22,2007.

[11] 杜元龙.电化学传感器及其在腐蚀检测/监测中应用的研究[A].2006年全国腐蚀电化学及测试方法学术会议论文集[C].2006:30-31.

[12] 吴文操.钢筋混凝土结构腐蚀监测无线传感器研究[D].南京:南京航空航天大学航空宇航学院,2007.

[13] 许 晨.混凝土结构钢筋锈蚀电化学表征与相关监测技术[D].杭州：浙江大学，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★：国家自然基金(51408534，51578490，51278459)；浙江省自然基金(LQ14E080010)；江苏省交通运输科技项目(2015T18);杭州市重大科技创新专项(20142011A41)；浙江省交通运输厅交通工程建设科研计划(2015J02)

许 晨(1984- )，男，博士，助理研究员

TU375

A