一種新型混凝土耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的應(yīng)用★

許 晨 羅月靜 金偉良 王海龍

(1.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

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一種新型混凝土耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的應(yīng)用★

許 晨1羅月靜2金偉良1王海龍1

(1.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

介紹了混凝土耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展，基于鋼筋銹蝕判別陽(yáng)極極化電流法，研制了氯離子侵蝕進(jìn)程監(jiān)測(cè)的銹蝕傳感器，并闡述了其在珠港澳大橋工程中的監(jiān)測(cè)方案，以供參考。

混凝土，氯離子，傳感器，鋼筋銹蝕

0 引言

鋼筋腐蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的首要因素，通過(guò)“監(jiān)測(cè)預(yù)警”，即被動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)、模型推算和評(píng)估，如果能預(yù)報(bào)混凝土中外層鋼筋脫鈍的時(shí)刻及其發(fā)生腐蝕的速度，即可確定最佳維護(hù)和修復(fù)方案，避免產(chǎn)生大的經(jīng)濟(jì)損失和不測(cè)事故的發(fā)生。因此，欲提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，其著眼點(diǎn)就是首先要預(yù)測(cè)鋼筋的脫鈍時(shí)間，然后在鋼筋脫鈍前進(jìn)行“耐久性再設(shè)計(jì)”。目前，國(guó)內(nèi)外都投入了相當(dāng)?shù)难芯苛α浚⑷〉昧素S碩成果，其中，歐盟DuraCrete[1,2]提出的“耐久性再設(shè)計(jì)”是目前公認(rèn)的有效措施，而混凝土結(jié)構(gòu)耐久性無(wú)損監(jiān)測(cè)則是其實(shí)施的基礎(chǔ)，同時(shí)，它可為結(jié)構(gòu)后期的修復(fù)提供科學(xué)決策。

1 耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)展

20世紀(jì)80年代，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)土木工程研究所[3-5]發(fā)明了梯形陽(yáng)極傳感器，目前已經(jīng)在世界各國(guó)陸續(xù)投入了工程應(yīng)用，迄今已有近30年的應(yīng)用歷史，目前基本都處于正常的運(yùn)營(yíng)之中。其中，影響較大的有丹麥的大貝爾特海峽通道(共431套)，荷蘭的綠色心臟隧道工程(共17套)，丹麥—瑞典的Bridge ?resund-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，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也已成功應(yīng)用于杭州跨海大橋的耐久性健康監(jiān)測(cè)中。

另外，瑞士聯(lián)邦蘇黎世工業(yè)大學(xué)[6]系統(tǒng)研究了混凝土中鋼筋腐蝕的電化學(xué)參數(shù)，研制了由若干長(zhǎng)度相等的電極棒、基座、導(dǎo)線和陽(yáng)極構(gòu)成的內(nèi)格爾埋入式陽(yáng)極監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及后裝式陽(yáng)極監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。相同原理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還有丹麥FORCE公司稍晚開(kāi)發(fā)的Corrosion Monitoring Nagel System等。英國(guó)女王大學(xué)(Queen’s University of Belfast)研發(fā)的電極陣列傳感器可同時(shí)測(cè)量混凝土中的水分、有害離子濃度及濕度變化，并采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的混凝土耐久性長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，對(duì)判斷混凝土耐久性指標(biāo)具有重要意義。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)也有大量學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)[7-13]。然而，目前，國(guó)內(nèi)外仍有各種新型傳感器的報(bào)道，而大多數(shù)耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面世及服役時(shí)間較短，仍缺乏重大工程的服役性能數(shù)據(jù)支持。

2 工程應(yīng)用實(shí)例——珠港澳大橋

2.1 傳感器監(jiān)測(cè)原理

如圖1所示，基于鋼筋銹蝕判別陽(yáng)極極化電流法，浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所研發(fā)了氯離子侵蝕進(jìn)程監(jiān)測(cè)的銹蝕傳感器，并通過(guò)室內(nèi)加速試驗(yàn)中取得了良好監(jiān)測(cè)效果。由陽(yáng)極極化電流法測(cè)試原理可知，即使參比電極性能發(fā)生改變，也不會(huì)影響陽(yáng)極極化電流測(cè)試結(jié)果，如此延長(zhǎng)了傳感器工作壽命。

傳感器安置在鋼筋上部混凝土保護(hù)層中，如圖2所示，通過(guò)調(diào)整傳感器一側(cè)螺桿長(zhǎng)度，改變傳感器傾角，使各工作電極位于保護(hù)層不同深度。根據(jù)提出的鋼筋銹蝕判別陽(yáng)極極化電流法，當(dāng)氯離子侵蝕至工作電極并引起銹蝕時(shí)，陽(yáng)極極化電流密度便會(huì)急劇增大至銹蝕臨界值之上，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式可獲得工作電極腐蝕電流密度，間接估算工作電極處氯離子濃度。因?yàn)榇罅垦芯勘砻鳎炷林杏绊戜摻罡g電流密度的主要因素為溫度、鋼筋附近混凝土電阻、時(shí)間及鋼筋附近氯離子濃度，Liu.T通過(guò)試驗(yàn)回歸分析建立了如式(1)所示的計(jì)算模型。因此，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)獲取的腐蝕電流密度、溫度、鋼筋附近混凝土電阻和時(shí)間等數(shù)據(jù)反算得到氯離子濃度。

(1)

式中：i——腐蝕電流密度，μA/cm2；Cl——氯離子濃度，kg/m3；T——環(huán)境溫度，K；Rc——混凝土電阻，Ω；t——時(shí)間，年。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

課題組于2014年6月在連接西人工島引橋箱梁的底部，埋設(shè)了課題組研發(fā)的耐久性傳感器CP2(改進(jìn)型)。改進(jìn)的傳感器基座厚度更加輕薄，并且優(yōu)化的傳感器的封裝工藝，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性能。傳感器的具體埋設(shè)部位如圖3所示。調(diào)整傳感器傾角，使得傳感器上各監(jiān)測(cè)面距混凝土表面的距離為15 mm，30 mm，45 mm和60 mm，混凝土保護(hù)層厚度為80 mm。

2.3 耐久性監(jiān)測(cè)結(jié)果

目前，傳感器共計(jì)服役2年零6個(gè)月，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。圖中W1，W2，W3和W4分別代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)1(15 mm)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)2(30 mm)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3(45 mm)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)4(60 mm)。由圖4可知在混凝土澆筑完成的第一個(gè)月內(nèi)，由于混凝土內(nèi)部濕度很大，氧氣供應(yīng)不足，導(dǎo)致平衡電位負(fù)移，測(cè)試數(shù)據(jù)為負(fù)值。隨著混凝土的水化繼續(xù)，混凝土內(nèi)部濕度逐漸降低，數(shù)值逐漸趨于平穩(wěn)，但直到目前為止各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的陽(yáng)極極化電流均小于0.1 μA，表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于鈍化狀態(tài)。這是由于結(jié)構(gòu)服役時(shí)間較短，氯離子并未侵蝕至第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(15 mm深度)表面。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種新的傳感器的設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)方法，并結(jié)合了實(shí)際工程應(yīng)用——珠港澳大橋，介紹了傳感器工作原理與初步監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1)設(shè)計(jì)的傳感器采用三電極原理，基于陽(yáng)極極化電流測(cè)試技術(shù)，能有效避免混凝土內(nèi)部因高濕引起的數(shù)據(jù)失真；

2)將傳感器應(yīng)用于港珠澳大橋，前期數(shù)據(jù)表明各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于鈍化狀態(tài)。這是由于結(jié)構(gòu)服役時(shí)間較短，氯離子并未侵蝕至第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(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.

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[11] 杜元龍.電化學(xué)傳感器及其在腐蝕檢測(cè)/監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的研究[A].2006年全國(guó)腐蝕電化學(xué)及測(cè)試方法學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2006:30-31.

[12] 吳文操.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院,2007.

[13] 許 晨.混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕電化學(xué)表征與相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)[D].杭州：浙江大學(xué)，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★：國(guó)家自然基金(51408534，51578490，51278459)；浙江省自然基金(LQ14E080010)；江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目(2015T18);杭州市重大科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)(20142011A41)；浙江省交通運(yùn)輸廳交通工程建設(shè)科研計(jì)劃(2015J02)

許 晨(1984- )，男，博士，助理研究員

TU375

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