摘要：在严酷环境如海洋环境下服役的混凝土结构，需要混凝土内部安置传感器以获取耐久性关键参数，对混凝土进行健康监测。本文论述了几种常见检测钢筋锈蚀电化学传感技术，并介绍了国外混凝土传感监测的研究状况。
关键字：传感器；腐蚀；混凝土结构；健康监测
1．前言
钢筋锈蚀是钢筋混凝土耐久性失效的重要形式。钢筋锈蚀对混凝土结构性能的影响表现在以下三个方面[1~2]①钢筋锈蚀直接使钢筋受力截面减小,造成钢筋的承载力下降,极限延伸率减少； ②钢筋锈蚀产生锈胀应力,引发顺筋开裂和裂缝扩展；③钢筋锈蚀使钢筋与混凝土之间的粘结力下降。而钢筋锈蚀引起的混凝土构件的破坏已受到人们的重视，对混凝土进行耐久性健康监测已成为必然。
健康诊断系统的引入,可以较全面了解海洋环境中现役海工混凝土的使用现状,并适时对结构内潜在的耐久性变化作出预警判断，以此提供相应的维修意见，有利于桥梁寿命经济。 诊断系统可分为三个部分：
其一：通过传感器等检测设备获取目标建筑物的各种耐久性参数；
其二：对传感器得到的模拟信号调节，传递，A/D转化及存储；
其三：微机端依据一定的耐久性预测模型对关键数据进行处理运算，作出预警判断、寿命预测和系统检查和维护。
2．传感监测技术
耐久性监测中重要的一环节即是如何及时有效获取各种耐久性参数，主要包括耐久性关键参数的确定，各种传感器的选择和安装技术。而影响钢筋锈蚀速度主要包括环境条件(温度、湿度、O2浓度、Cl-浓度等)、混凝土渗透性和保护层厚度，钢筋位置等，其中部分因素可以直接获取且保持一定数值变，同时考虑到钢筋锈蚀是一个电化学过程，故可以选择侵入混凝土内部有害离子（气体）浓度变化和混凝土的各种电化学参数（自腐蚀电位，极化电阻，混凝土电阻率，半电池电位，宏电流等）做为关键参数，以此选择传感器和埋入方式。
目前运用在钢筋混凝土腐蚀监测的电化学方法多采用预先埋入高灵敏度易变性好的传感器，并通过电缆导出信号， 并实现工作站通信。
2.1半电池电位式传感器
钢筋锈蚀时钢筋表面不同区域形成电位差，即分化成阳极区和阴极区。当钢筋由钝化变为活性态，钢筋的电压发生变化[3,4,7]。通过对钢筋表面电势的测量，可得到其电位分布，进而判断锈蚀区和非锈蚀区，图1为半电池法示意图。电位的测定与混凝土表面的饱和程度密切，而混凝土的碳化和内部含盐量会干扰测量[5]。 Thirumalai Parthiban等人[4]采用ASTM C-876法研究了板状混凝土试样，在浇筑前用黄铜棒与钢筋不同部位接触并用导线引出，成型后在混凝土表面绘制不栅格点（如图2示），将参比电极置于不同的栅格点处测得栅格点电势，并用Excell绘图给出钢筋腐蚀状况。 
图1 半电池法示意图 图2栅格化平板混凝土表面图
在对混凝土的电化学测试过程中常需要用到参比电极，而在线监测常则需将参比电极埋入保护层中，故对参比电极的选择不仅需要从一般性能（可再现性，可逆性和稳定性）着手考虑，还要求其应具容积小和有一定强度的特征，以便于参比电极的封装和埋入。常用的参比电极如下： 
表1常见参比电极电势[5]
Srinivasan Muralidharan等人[4]研究了用MnO2做参比电极（MnO2粉末＋高碱浆＋多孔水泥料浆），分别在蒸馏水，3％NaCl溶液和海水对埋有该参比电极进行极化行为和阻抗特性进行了研究，并得到较好可重现性和稳定性（相比甘汞电极电位稳定在176±6mv）。
2.2混凝土电阻率法传感器
混凝土导电是指在外加电场下混凝土中的孔溶液离子定向发生流动时的电解过程，工程中经常用混凝土的电阻率(电导率的倒数)来衡量混凝土的导电性能 可以通过测定不同深度处电阻率的变化，来判断氯离子渗入的前锋位置。电阻率由混凝土电阻乘以两电极间的电池常数得到[5,6,7]。对于普通硅酸盐混凝土在20℃时其电阻率和钢筋腐蚀几率的关系如下表2所示 。 
图4 电阻率法传感器示意图 表2钢筋混凝土电阻率法测定钢筋腐蚀几率特征值
2.3宏电池电流监测传感元件
在钢筋结构保护层的范围内，按不同深度埋入多个脱钝传感器，每个传感器均匀分布于钢筋混凝土表面到钢筋保护层上，可以用一组脱钝前锋面到达多个不同深度传感器的时间，以建立前锋面发展进程的数学模型[5,8,9,10]。
图5 宏电流测定示意图 图6 梯形阳极系统的监测原理
上世纪80年代末，德国亚琛工业大学发明了梯形阳极混凝土结构预埋式耐久性无损监测传感系统（Anode-Leiter-system 见图7），此装置将一组钢筋梯段（共6根15cm长钢筋棒）传感器等间距排布，钢筋两端分别引出导线，导线安装在“梯子“两侧的竖杆中孔内并由树脂固定，后将其倾斜地安装于监测部位的混凝土的保护层中，以测式钢筋段腐蚀各阶段电学参数。如电流、电位差、和阳极间电阻值。 
图7预埋式耐久性无损监测传感系统 图8 后装环形阳极监测系统
德国亚琛工业大学又发明了后装环形阳极监测系统（如图8示），该系统由阳极环和阴极棒组成,通过在结构上钻孔安装就位,并利用膨胀螺栓紧固措施使得阳极环和混凝土壁表接触。其后仍可监测的到不同锋面上的电化学参数。
2.4氯离子含量和氧气量传感器
处于海洋环境下的海工混凝土钢筋锈蚀多由于Cl－侵蚀造成的，通过混凝土表面的孔隙逐渐扩散至钢筋表面，破坏钝化层，到达临界浓度时导致钢筋的锈蚀。Cl－含量可以通过Ag/AgCl电极测定。而钢筋锈蚀也需要氧气的参与，氧气的浓度也直接影响着腐蚀速率。图8，10分别所示为丹麦Smart Structure研究组所开发的Cl－含量传感器和RH传感器[11,12]。
图9 Cl含量传感器 图10 O2含量传感器 图11 RH传感器
2.5温度和湿度传感器
在钢筋混凝土腐蚀中，水是侵蚀性介质进入混凝土内部的载体。水分在混凝土孔隙和裂缝中的传输特性造成局部微区干湿过程和孔溶液浓度的差别，进而影响着氯离子的扩散。此外低水胶比的高性能混凝土的自干燥效应与混凝土的内部湿度变化紧密相关[13,14,15]。故由必要对混凝土内部的湿气湿度进行监测，并研究混凝土内部湿度的变化和水分扩散和氯离子渗透之间的关联。
在用传感器获取混凝土湿度变化的过程中，可以在混凝土成型时设制预埋孔或是后期直接凿出小孔，设定在一定温度下，孔内湿气与混凝土内部湿气平衡时，测得孔内湿度即为混凝土内部湿度。在不同龄期将湿度传感器置于不同深度处，获取相对湿度数值。
2.6无线传感监测技术[16]
相对于有线传感技术，目前出现了无线传感监测。无线传感省去了各种导线和导线通道，直接利用遥感技术获取混凝土中传感器采集到的信息。在遥感监测技术中，声发射法 电化学阻抗谱和时域反射仪受干扰因素影响较显著，难以定位，也不易确切找出具体的影响因素，同时由于测试的逆过程结果不唯一和参数设置不同，导致各种测试结果之间对比度低。其替代方案是引入点传感器，点传感器是指试样足够小以至于传送器得到的结果与实际状态几乎一致，混凝土中的微区传感可以借鉴生物医学上的的技术。同时声发射法可尝试用电磁与声信号结合的方法以提高其对比度。
3．结论：
钢筋引起的钢筋混凝土耐久性失效的过程，利用埋入传感器获取耐性性数据可以综合评价混凝土中钢筋的腐蚀状况和趋势，由监测系统提供的数据可以为工程寿命提供判据。
在国外，混凝土内置传感监测系统于上个世纪90年代初已开始陆续投入工程应用，设计的工程类型主要有处于海洋腐蚀环境下的码头，隧道，桥梁等重要基础设施。 国内也正引入和研发传感器元件和逐步建立并完善健康监测系统。
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