混凝土中钢筋腐蚀实时监测研究现状及展望.pdf
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1、混凝土中钢筋腐蚀实时监测研究现状及展望 熊传胜等 1 0 l 混凝土中钢筋腐蚀实时监测研 究现状及展望 熊传胜 , 蒋林华 , 王 维春 , 宋子健 , 王 涛 ( 1 河海大学力学与材料学院, 南京 2 1 0 0 9 8 ; 2 河海大学土木与交通学院, 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要 混凝土耐久性的监测是 目前 国内外 学者广泛 关注的重要课题 。从混凝土 中钢 筋腐蚀 的机理 出发 , 介绍 了钢筋腐蚀监测的两种传统方法, 包括物理检测法和电化学检测法; 总结了钢筋腐蚀监测的传感器系统, 分析 了现有 监测技术存在的不足, 并提 出了有待进一步研究的问题。 关键词 混凝土耐久性
2、钢筋锈蚀实时监测 Pr e s e nt S i t u a t i o n a n d Fo r e c a s t o f Re s e a r c h e s i n On - t i me M o ni t o r i ng o f Du r a b i l i t y o f Co n c r e t e XI ONG C h u a n s h e n g , J I ANG L i n h u a , WANG We i c h u n 。 , S ONG Z ij i a n , WANG Ta o ( 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c s
3、a n d Ma t e r i a l s ,Ho h a i Un i v e r s i t y , Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 ;2 C o l l e g e o f C i v i l a n d Tr a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ,Ho h a i Un i v e r s i t y , Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 ) Ab s t r a c t Du r a b i l i t y mo n i t o r i n g o f c o n c r e t e i s
4、a n i mp o r t a n t t o p i c wh i c h i s wi d e l y c o n c e r n e d b y i n t e r n a l a n d e x t e r n a 1 r e s e a r c h e r s B a s e d o n t h e c o r r o s i o n me c h a n i s m o f s t e e li n c o n c r e t e ,t wo t r a d i t i o n a l mo n i t o r i n g me t h o d s a r e i n t r o
5、 d u c e d ,i n c l u d i n g p s y c h i c a l me t h o d a n d e l e c t r o c h e mi c a l me t h o d S e n s o r s y s t e m o n mo n i t o r i n g o f s t e e l c o r r o s i o n i n c o n c r e t e i s s u mma r i z e d S o me e x i s t i n g s h o r t a g e s o f mo n i t o r i n g t e c h n
6、o l o g i e s a r e a n a l y z e d a n d s o me p r o b l e ms n e e d i n g f u r t h e r s t u d y a r e p r e s e n t e d Ke y wo r d s d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e ,s t e e l c o r r o s i o n ,o n - t i me mo n i t o r i n g 0 引言 2 O世纪 中期以来, 人们试 图通过各类理论 、 模型来 预测 混凝土的使用寿命 1 , 然而这是一个极
7、其复杂的问题, 影响 因素非常多 , 不可能通过单一 的实验数据或理论实现, 因此 要比较准确地评估混凝土的耐久性 , 就需要对影响耐久性 的 参数进行实时、 动态、 连续地监测, 建立相应 的数据库和劣化 程度动态模型。钢筋锈蚀 问题是造成混凝土耐久性损伤 的 最主要原因之一_ 2 , 因此 , 钢筋腐蚀 的实时监测便成 为混凝 土耐久性监测的首要内容 。 1 钢筋锈蚀的传统检测方法 1 1 物理检测法 物理检测方法 主要是通过测定钢筋锈蚀引起电阻、 电 磁、 热传导、 声波传播等物理特性的变化来反映钢筋锈蚀情 况l 3 , 目前 应用 比较 广泛 的有 电阻探 针法 和光 纤传 感技 术
8、。 1 1 1 电阻探 针 法 电阻探针法是在混凝土中埋人与钢筋相 同材质的金属 探针 , 探针在腐蚀过程中的截面积减小, 导致电阻增大, 通过 测量探针的电阻来 反映钢筋锈蚀情况 的方法。钢筋的电阻 变化与其腐蚀量的变化关系为 s : R 一 Ro S 二 s 0 一 W_f 】 一 W 一 一 =- 一 式 中: R 。 、 S 。 、 w。 分别为钢筋的原始电阻值、 截面积和质量 ; R, 、 S 、 w 分别为钢筋腐蚀一段时间t后的电阻值、 截面积和 质量。然而, 实际丁程 中的钢筋腐蚀 是非常缓慢的, 截 面变 化较小 , 电阻变化也很小, 且受温度影响 比较大 , 因此采用普 通的
9、仪器测量很难得到准确的结果 , 需要用更加精确的方法 测量钢筋 的电阻。为此 , VZ i v i c a _ 6 采用电桥法进行钢筋 电阻的测量, 该方法灵敏度高 , 并且 消除了温度变化对测量 结果的影响。 电阻探针法的优点是可 以实时测量钢筋 的截面变化和 质量损失, 间接预测结构 的使用寿命 。但是, 该法只能应用 于估测钢筋的腐蚀性, 不能准确地提供钢筋的腐蚀状态和腐 蚀速度 , 而且单个探头只能用于测定局部位置的钢筋腐蚀, 要对整个结构进行监测 , 则需要预埋多个探 头, 施工操作 比 较麻烦 。 1 1 2 光纤传 感技 术 光纤传感技术 的原理主要是 : 腐蚀引起钢筋 膨胀或
10、断 *国家 自然科学基金( 5 O 9 7 8 O 8 5 ; 5 O 8 0 8 0 6 6 ) ; “ 十一五” 国家科技 支撑 计划重大项 目( 2 0 0 6 B AB O 4 A0 5 ) ; 江苏省 六大人才 高峰项 目 2 0 0 9年 A 类 熊传胜: 男, 1 9 8 7年生, 硕士研究生, 从事混凝土耐久性研究 E - ma i l : x c s 1 9 8 7 0 6 1 7 1 6 3 e o m 蒋林华: 1 9 6 3年生, 教授, 博士生 导师, 主要从事水工混凝土材料及其耐久性方面的研究 1 0 2 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 2年 6月( 上 ) 第
11、 2 6 卷 第 6期 裂, 导致附近的光纤变形, 引起输出光强 的改变 , 通过输出光 强的变 化评 价 钢 筋腐 蚀 状 态E 8 i o 。1 9 9 5年 , K DB e n n e t t _ 1 “ 基于微弯效应设计了光纤腐蚀传感器“ 腐蚀保 险 丝” , 但是, 该传感器 只能给出钢筋断裂时的腐蚀信息, 不能 反映钢筋的腐蚀过程。2 0 0 0年 , 黎学 明等口 开发 了基于腐 蚀敏感膜传递腐蚀信息的监测方法 , 其原理是在光纤纤 芒 : 上 镀一层 F e c合金敏感膜 , 当膜层受到腐蚀时, 光纤芯 内传导 的光信号发生改变 , 通过监测输出光的改变即可获得钢筋 的 腐蚀
12、信息。后来, J u n q i O a o等口 又研究了采用光纤光栅监 测钢筋腐蚀的传感器系统及其温度补偿方法 。 目前, 光纤传感技术已经广泛地用于各种结构的健康监 测 I f) , 具有灵敏度高、 准确性高 、 耐久性好等优点 , 可用于 钢筋腐蚀的实时监测。但是 , 该技术不能准确反映钢筋的腐 蚀速度和腐蚀过程 , 受温度和环境影 响较大 , 而且传感器 的 封装 以及封装材料 的选择等技术问题还没有得到很好 的解 决 。 1 2电化学检测法 电化学方法是 目前 国内外用于研究钢筋锈蚀情况的热 点方法 , 应用 比较广泛的主要有半 电池电位法 、 线性极化法 、 交流阻抗谱法 、 宏电
13、池腐蚀电流法等。 1 2 1 半 电池 电位 法 半电池电位法是通过测量钢筋 的 自腐蚀电位判断钢筋 锈蚀程度 的一 种电化学测量 方法 1 , 其原 理如 图 l所示。 AS TM C 8 7 6标准 中规定 : 自腐蚀电位大于一0 2 V, 钢筋 发生腐蚀的概率为 1 O ; 自腐蚀电位介于一0 2 一0 3 5 V, 钢筋发生腐蚀 的概率为 5 O ; 自腐蚀电位小 于一0 3 5 V, 钢 筋发生腐蚀的概率大于 9 O 。半 电池电位法测量钢筋的 自 腐蚀电位受混凝土碳化和湿度影响较大u 。朱雅仙等_ 】 妇研 究发现 , 若混凝土相对湿度大于 8 5 , 则不能用半 电池电位 判断钢
14、筋的腐蚀状态。 e e l e c t r o d e 图 1 半电池电位法原理图 F i g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m f o r h a l f - c e l l p o t e n t i a l 半电池 电位法可以定性评估钢筋的腐蚀状态 , 在非破坏 性检测方面具有一定的应用 。但是该法不 能定量给 出钢筋 的腐蚀速率和锈蚀量, 而且受混凝土湿度影响较大 , 不适 用 饱水条件 , 对于涂有金属氧化物或有机类涂层的钢筋 , 其半 电池电位还不能得到很好的解释 , 以及各种影响因素的相关 性也没有得到进一步的研究 。 1 2 2 线性 极化 法
15、( I P) 线性极化 法 是对 钢 筋施 加 小 幅 电位 E( A E 2 0 mV) 进行电化学极化 , 使钢筋产生极化 电阻 , 测量所 产生 的极化电流 i , 绘 P 极化曲线 , 在 曲线上存在一段线 性区, 线性区的斜率即钢筋 的线性极化电阻 R 。S t e r n等 J 根据腐蚀极化电阻的表达式按腐蚀电位进行泰勒展开 , 得到 钢筋的线性极化电阻表达式 : R 一 一 土 堡一 旦 l z l Z oo r r + z r 式中: 为钢筋的腐蚀 电流 ; 1和 分别为阴极 和阳极 的 Ta f e l 常数; B为极化常数 , 与混凝土 中钢筋所处 的状态有 关 , 处于腐
16、蚀态时 B一2 6 mV, 处于钝化态时 B一5 2 mV, 采用 S t e r n公式时一律取 B一2 6 mV。钢筋的腐蚀电流与腐蚀状 态的对应关系如表 1 所示 。 表 l 钢筋的腐蚀电流与腐蚀状态的关系E 6 , 1 9 Ta b l e 1 Re l a t i o n s h i p b e t we e n c o r r o s i o n c u r r e n t a n d c o r r o s i o n s t a t u s o f s t e e 1 6 , 线性极化法施加的扰动电位较小 , 对钢筋 的腐蚀体系几 乎不造成影响, 能比较真实地反应钢筋的腐蚀状态
17、 , 且可进 行多次测量 。但是 , 线性极化法只适用于电解质溶液 中, 并 且要求 电阻率小于 1 0 mf m, 如果钢筋表面除电化学腐蚀外 还包括其他类型腐蚀 , 则会 由于无 法区分导致误差。而且, 混凝土中钢筋 的极化面积很难确定 , 混凝土湿度和保护层厚 度对极化电阻的测量有较大影响, 因此对钢筋腐蚀状态的判 断缺乏可靠性和准确性。 1 2 3 电化 学 阻抗谱 法 电化学 阻抗谱 ( E l e c t r o c h e mi c a l i mp e d a n c e s p e c t r o s c o p y , E I S ) 法是对钢筋施加频率不同、 振幅较小的正
18、弦波电位 ( 或电流) 作为扰动信号 , 测量钢筋体系对扰动信号的反应, 进而评价钢筋 的腐蚀状态 和腐蚀 速度的 电化学方法 2 。该 法作为频域内的电化学测试技术, 不仅能得到钢筋 的腐蚀信 息, 还能得到混凝土的内部结构信息。MKe d d a m等 研 究发现 , 高频率区的阻抗谱拓扑结构主要反映混凝土的介电 性质 , 低频区则主要表征钢筋的腐蚀状态。但是 , 由于高频 率区的谱 图受 电化学设备和电极 电缆以及周围环境 电场影 响较大 , 图谱显示存在误差, 因此 , 高频率区的阻抗 图谱对于 钢筋腐蚀的测量意义不大 。 E I S 法监测钢筋腐蚀 , 加载的扰动信号较小 , 对腐蚀
19、体系 几乎不造成影响, 能够 比较真实地反映钢筋 的腐蚀状况, 并 且可进行多次重复测量。然而 , 由于钢筋混凝土腐蚀体系的 复杂性 , 目前没有统一的模拟 电路, 不 同的模拟电路得 的 谱图最终结果会相差较大 ; 对于现场检测 , EI S法所得谱 图比 较复杂、 专业性强, 分析时需要专业知识 , 且极化面积难 以确 定。 不适用于现场检测 。 混凝土 q - 钢筋腐蚀 实时监测研 究现状及展 望 熊传胜等 1 O 3 1 2 4 宏 电池腐蚀 电流法 宏电流法是指通过测量 阳极 区和阴极区之 间的宏 电流 来判断钢筋腐蚀状态的方法 。根据宏电池腐蚀机理 , 宏 电流 j 的计算公式为
20、: r一 ”PA + P【 , + P 式中: J 为宏电池腐蚀电流 , mA; U为阴阳极之间电势差 , mV; P 为阳极极化电阻, Q; P 、 为阴极极化电阻, Q; P 为阴 阳极之间的混凝土电阻, Q。根据测得的腐蚀电流 , 利用法拉 第第二定律可以求出钢筋的损失量: w- - d 式 中: M 为铁的摩尔质量, M一5 6 g too l ; F 为法拉第 常数, F 一9 6 5 0 0 C mo l ; 为铁的价态 , V一2 ; J 为腐蚀宏电流密 度 , A c m 。 宏电池腐蚀电流法可用于长期监测混凝土中钢筋 的腐 蚀状态 , 通过一段时间 的监测 , 可以得到钢筋宏
21、电池腐蚀 电 流的平均值 , 进而计算 该段 时间内钢筋 的总损失量, 对 于 评价钢筋使用寿命具有一定的参考意义。然而 , 该法是采用 其他材料作为阴极模拟钢筋的腐蚀 , 与实际钢筋的腐蚀存在 差异 , 因此所测得的电流不能直接用于钢筋腐蚀 的评价, 也 不宜作为钢筋腐蚀起始点的标志。另外 , 腐蚀 电流受环境因 素影响较大, 且不能用 于已建混凝土 中钢筋的腐蚀测试 , 不 适用于现场检测 。 2 钢 筋腐蚀传 感器监测 系统 目前 , 应用比较成熟的钢筋腐蚀传感器系统有 : 预埋式 阳极梯形腐蚀监测传感 系统 、 Na g e l S y s t e m腐蚀监测系统、 钢筋腐蚀无线监测系
22、统( 射频技术) 。 2 1 预埋式阳极梯形腐蚀传感器 预埋式 阳极梯形腐蚀传感系统首先由德 国亚琛工业大 学于 2 0世纪 8 O年代末发明创造 , 该传感系统由一组等间 距排布的碳钢钢筋组成的梯形阳极和一块惰性金属( 钛网板 或不锈钢) 组成, 梯形阳极两侧 由不锈钢竖杆固定 , 惰性金属 置于阳极附近作为阴极, 钢筋两侧及惰性金属引出导线并由 树脂固定在两侧 竖杆 中引出混凝土表面。为监测不同保护 层深度的钢筋随着时间的腐蚀状态, 需将整个传感装置倾斜 地埋在需要监测 的部位_ 2 。 预埋式 阳极梯形腐蚀传感 系统主要应用于新拌混凝土 构件 中, 对于已建成的构件不适用 , 针对这一点
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