摘要：在嚴酷環境如海洋環境下服役的混凝土結構，需要混凝土內部安置傳感器以獲取耐久性關鍵參數，對混凝土進行健康監測。本文論述了幾種常見檢測鋼筋銹蝕電化學傳感技術，并介紹了國外混凝土傳感監測的研究狀況。
關鍵字：傳感器；腐蝕；混凝土結構；健康監測
1．前言
鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土耐久性失效的重要形式。鋼筋銹蝕對混凝土結構性能的影響表現在以下三個方面[1~2]①鋼筋銹蝕直接使鋼筋受力截面減小,造成鋼筋的承載力下降,極限延伸率減少； ②鋼筋銹蝕產生銹脹應力,引發順筋開裂和裂縫擴展；③鋼筋銹蝕使鋼筋與混凝土之間的粘結力下降。而鋼筋銹蝕引起的混凝土構件的破壞已受到人們的重視，對混凝土進行耐久性健康監測已成為必然。
健康診斷系統的引入,可以較全面了解海洋環境中現役海工混凝土的使用現狀,并適時對結構內潛在的耐久性變化作出預警判斷，以此提供相應的維修意見，有利于橋梁壽命經濟。 診斷系統可分為三個部分：
其一：通過傳感器等檢測設備獲取目標建筑物的各種耐久性參數；
其二：對傳感器得到的模擬信號調節，傳遞，A/D轉化及存儲；
其三：微機端依據一定的耐久性預測模型對關鍵數據進行處理運算，作出預警判斷、壽命預測和系統檢查和維護。
2．傳感監測技術
耐久性監測中重要的一環節即是如何及時有效獲取各種耐久性參數，主要包括耐久性關鍵參數的確定，各種傳感器的選擇和安裝技術。而影響鋼筋銹蝕速度主要包括環境條件(溫度、濕度、O2濃度、Cl-濃度等)、混凝土滲透性和保護層厚度，鋼筋位置等，其中部分因素可以直接獲取且保持一定數值變，同時考慮到鋼筋銹蝕是一個電化學過程，故可以選擇侵入混凝土內部有害離子（氣體）濃度變化和混凝土的各種電化學參數（自腐蝕電位，極化電阻，混凝土電阻率，半電池電位，宏電流等）做為關鍵參數，以此選擇傳感器和埋入方式。
目前運用在鋼筋混凝土腐蝕監測的電化學方法多采用預先埋入高靈敏度易變性好的傳感器，并通過電纜導出信號， 并實現工作站通信。
2.1半電池電位式傳感器
鋼筋銹蝕時鋼筋表面不同區域形成電位差，即分化成陽極區和陰極區。當鋼筋由鈍化變為活性態，鋼筋的電壓發生變化[3,4,7]。通過對鋼筋表面電勢的測量，可得到其電位分布，進而判斷銹蝕區和非銹蝕區，圖1為半電池法示意圖。電位的測定與混凝土表面的飽和程度密切，而混凝土的碳化和內部含鹽量會干擾測量[5]。 Thirumalai Parthiban等人[4]采用ASTM C-876法研究了板狀混凝土試樣，在澆筑前用黃銅棒與鋼筋不同部位接觸并用導線引出，成型后在混凝土表面繪制不柵格點（如圖2示），將參比電極置于不同的柵格點處測得柵格點電勢，并用Excell繪圖給出鋼筋腐蝕狀況。 
圖1 半電池法示意圖 圖2柵格化平板混凝土表面圖
在對混凝土的電化學測試過程中常需要用到參比電極，而在線監測常則需將參比電極埋入保護層中，故對參比電極的選擇不僅需要從一般性能（可再現性，可逆性和穩定性）著手考慮，還要求其應具容積小和有一定強度的特征，以便于參比電極的封裝和埋入。常用的參比電極如下： 
表1常見參比電極電勢[5]
Srinivasan Muralidharan等人[4]研究了用MnO2做參比電極（MnO2粉末＋高堿漿＋多孔水泥料漿），分別在蒸餾水，3％NaCl溶液和海水對埋有該參比電極進行極化行為和阻抗特性進行了研究，并得到較好可重現性和穩定性（相比甘汞電極電位穩定在176±6mv）。
2.2混凝土電阻率法傳感器
混凝土導電是指在外加電場下混凝土中的孔溶液離子定向發生流動時的電解過程，工程中經常用混凝土的電阻率(電導率的倒數)來衡量混凝土的導電性能 可以通過測定不同深度處電阻率的變化，來判斷氯離子滲入的前鋒位置。電阻率由混凝土電阻乘以兩電極間的電池常數得到[5,6,7]。對于普通硅酸鹽混凝土在20℃時其電阻率和鋼筋腐蝕幾率的關系如下表2所示 。 
圖4 電阻率法傳感器示意圖 表2鋼筋混凝土電阻率法測定鋼筋腐蝕幾率特征值
2.3宏電池電流監測傳感元件
在鋼筋結構保護層的范圍內，按不同深度埋入多個脫鈍傳感器，每個傳感器均勻分布于鋼筋混凝土表面到鋼筋保護層上，可以用一組脫鈍前鋒面到達多個不同深度傳感器的時間，以建立前鋒面發展進程的數學模型[5,8,9,10]。
圖5 宏電流測定示意圖 圖6 梯形陽極系統的監測原理
上世紀80年代末，德國亞琛工業大學發明了梯形陽極混凝土結構預埋式耐久性無損監測傳感系統（Anode-Leiter-system 見圖7），此裝置將一組鋼筋梯段（共6根15cm長鋼筋棒）傳感器等間距排布，鋼筋兩端分別引出導線，導線安裝在“梯子“兩側的豎桿中孔內并由樹脂固定，后將其傾斜地安裝于監測部位的混凝土的保護層中，以測式鋼筋段腐蝕各階段電學參數。如電流、電位差、和陽極間電阻值。 
圖7預埋式耐久性無損監測傳感系統 圖8 后裝環形陽極監測系統
德國亞琛工業大學又發明了后裝環形陽極監測系統（如圖8示），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,并利用膨脹螺栓緊固措施使得陽極環和混凝土壁表接觸。其后仍可監測的到不同鋒面上的電化學參數。
2.4氯離子含量和氧氣量傳感器
處于海洋環境下的海工混凝土鋼筋銹蝕多由于Cl－侵蝕造成的，通過混凝土表面的孔隙逐漸擴散至鋼筋表面，破壞鈍化層，到達臨界濃度時導致鋼筋的銹蝕。Cl－含量可以通過Ag/AgCl電極測定。而鋼筋銹蝕也需要氧氣的參與，氧氣的濃度也直接影響著腐蝕速率。圖8，10分別所示為丹麥Smart Structure研究組所開發的Cl－含量傳感器和RH傳感器[11,12]。
圖9 Cl含量傳感器 圖10 O2含量傳感器 圖11 RH傳感器
2.5溫度和濕度傳感器
在鋼筋混凝土腐蝕中，水是侵蝕性介質進入混凝土內部的載體。水分在混凝土孔隙和裂縫中的傳輸特性造成局部微區干濕過程和孔溶液濃度的差別，進而影響著氯離子的擴散。此外低水膠比的高性能混凝土的自干燥效應與混凝土的內部濕度變化緊密相關[13,14,15]。故由必要對混凝土內部的濕氣濕度進行監測，并研究混凝土內部濕度的變化和水分擴散和氯離子滲透之間的關聯。
在用傳感器獲取混凝土濕度變化的過程中，可以在混凝土成型時設制預埋孔或是后期直接鑿出小孔，設定在一定溫度下，孔內濕氣與混凝土內部濕氣平衡時，測得孔內濕度即為混凝土內部濕度。在不同齡期將濕度傳感器置于不同深度處，獲取相對濕度數值。
2.6無線傳感監測技術[16]
相對于有線傳感技術，目前出現了無線傳感監測。無線傳感省去了各種導線和導線通道，直接利用遙感技術獲取混凝土中傳感器采集到的信息。在遙感監測技術中，聲發射法 電化學阻抗譜和時域反射儀受干擾因素影響較顯著，難以定位，也不易確切找出具體的影響因素，同時由于測試的逆過程結果不唯一和參數設置不同，導致各種測試結果之間對比度低。其替代方案是引入點傳感器，點傳感器是指試樣足夠小以至于傳送器得到的結果與實際狀態幾乎一致，混凝土中的微區傳感可以借鑒生物醫學上的的技術。同時聲發射法可嘗試用電磁與聲信號結合的方法以提高其對比度。
3．結論：
鋼筋引起的鋼筋混凝土耐久性失效的過程，利用埋入傳感器獲取耐性性數據可以綜合評價混凝土中鋼筋的腐蝕狀況和趨勢，由監測系統提供的數據可以為工程壽命提供判據。
在國外，混凝土內置傳感監測系統于上個世紀90年代初已開始陸續投入工程應用，設計的工程類型主要有處于海洋腐蝕環境下的碼頭，隧道，橋梁等重要基礎設施。 國內也正引入和研發傳感器元件和逐步建立并完善健康監測系統。
4．參考文獻：
[1] 耿歐，李果，袁迎曙.電化學檢測技術在混凝土內鋼筋腐蝕研究中的應用現狀與展望凝土[J] 2005.2: 20－23
[2] 常保全, 孫百林, 白常舉. 混凝土中鋼筋銹蝕的檢測技術 [J]. 建筑技術開發 , 2001,(03): 44－48
[3] 陳瀾濤，周學杰. 水環境混凝土中鋼筋腐蝕及其研究的現狀與趨勢 [J]. 全面腐蝕控制 , 2006,20(3) :1-4
[4] Rob B.Poldel,Test methods for on site measurement of resistivity of concrete-a RILEM TC-154 technical recommendation. Construction and Building Materials,2001(15):125-131
[5] W.John McCarter and Øystein Vennesland Sensor systems for use in reinforced concrete structures Construction and Building Materials[J], 2004(18): 351-358
[6] 劉志勇，詹鎮峰 混凝土電阻率及其在鋼筋混凝土耐久性評價中的應用研究[J] 混凝土 , 2006(10) :13-16
[7] 張偉平, 張譽, 劉亞芹. 混凝土中鋼筋銹蝕的電化學檢測方法 [J]. 工業建筑 , 1998,28(12) : 21-25
[8] 干偉忠，金偉良，M.Raupach 歐洲鋼筋混凝土結構腐蝕無損監測系統的研究與應用[C]. 第五屆全國混凝土耐久性議論文,2000.11:179－185
[9] M.Raupach and P.Schießl Macrocell sensor systems for monitoring of the corrosion risk of the reinforcement in concrete structures NDT & E International[J],2001,34 :435-442
[10] P.Schielbl,M.Raupach Zerstorungsfrele permanente Uberwanchung der Krrosiongefahr fur Bewehrang von Stanhlbetonbauwerken-Sensorsysteme fur direkenten und nachtraglichen Einbau DGZfP-Berichtsband 66 Cd Plakat27
[11] 劉凱, 封偉偉, 路新瀛. 橋梁腐蝕與耐久性監測 [J]. 腐蝕與防護 , 2006(04) :178－180
[12] SMART STRUCTURES. Integrated Monitoring Systems for Durability Assessment of Concrate Structures [J] 2002.9.
[13] 王新友,蔣正武,高相東,孫振平. 混凝土中水分遷移機理與模型研究評述 [J] 建筑材料學報 , 2002,(01) :67－70
[14] 蔣正武, 王培銘. 等溫干燥條件下混凝土內部相對濕度的分布 [J]. 武漢理工大學學報 , 2003,(07) : 18－21
[15] C.Hall*. Water sorptivity of mortars and concretes :a review magzine of concrete researsh,1989,41(147) :51-61
[16] Matthew M.Andringa P.Neikirk. Nathan P. Dickerson and Sharon L. Wood Unpowered wireless corrosion sensor for steel reinforced department IEEE 2005 :155-158
