基于內(nèi)置多元傳感器監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)研究.pdf

1、在沿海環(huán)境或使用除冰鹽的環(huán)境中，鋼筋的腐蝕被公認(rèn)是造成混凝土結(jié)構(gòu)過早劣化的主要因素。對混凝土結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的評估與預(yù)測、維護(hù)周期的確定、防治技術(shù)的優(yōu)化、全壽命周期的經(jīng)濟(jì)分析以及高耐久混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的完善，都需要實時、長效的多元耐久性參數(shù)監(jiān)測體系，提供包括混凝土保護(hù)層質(zhì)量以及鋼筋的銹蝕狀態(tài)的諸多耐久性參數(shù)。其中，鋼筋表面狀況包括鋼筋的自腐蝕電位、脫鈍時間、宏電池電流、鋼筋銹蝕開始后的腐蝕電流密度等參數(shù)；混凝土保護(hù)層質(zhì)量主要通過混凝土保護(hù)

2、層的厚度及電阻率、氯離子的含量和分布狀態(tài)以及混凝土中溫、濕度變化規(guī)律等進(jìn)行評估。
　　考慮到上述多元耐久性參數(shù)對評估混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)的重要性，基于現(xiàn)有傳感器和測試技術(shù)存在的缺陷，設(shè)計開發(fā)了以下傳感器體系：(1)長壽命、免維護(hù)、可埋置式參比電極，提供長期穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位，消除混凝土電壓降對電化學(xué)測試結(jié)果的影響；(2)在參比電極提供穩(wěn)定輸出電位的基礎(chǔ)上，基于交流阻抗技術(shù)開發(fā)了可埋置式混凝土電阻率測試單元；(3)在電阻率測試單元的基礎(chǔ)上

3、，復(fù)合使用鈦基金屬氧化物輔助電極，研制了可埋置式宏電池電流測試單元；(4)基于參比電極、混凝土電阻率測試單元、宏電池電流測試單元以及開發(fā)的氯離子傳感器，確定了能夠在線監(jiān)測上述各耐久性參數(shù)的多元傳感器的封裝和測試技術(shù)；(5)基于階躍電流方法，利用開發(fā)的多元傳感器對混凝土電阻和極化電阻進(jìn)行了快速原位監(jiān)測。同時，綜合考慮混凝土介質(zhì)環(huán)境的特殊性以及各傳感器在氯化物污染混凝土中的適用性，確定了合理的電化學(xué)參數(shù)以及監(jiān)測方法。
　　首先，對陽極

4、沉積工藝制備的參比電極的電化學(xué)性能的研究表明：采用恒電位沉積工藝制備的電極，沉積體表面的活性物質(zhì)為γ-MnO2，電極在孔隙溶液中的電位穩(wěn)定性隨著沉積電位的升高而降低。在堿性孔隙溶液中，電極電位取決于γ-MnO2還原生成的均一相的相組成和電極的表面狀況；碳基電極基體由于表面易吸附含氧基團(tuán)，導(dǎo)致其電極電位穩(wěn)定性較差，而采用鈦基體的電極表現(xiàn)出了更理想的電位穩(wěn)定性、抗極化能力以及抵抗氯離子干擾的能力。由于表面張力作用以及基體與沉積層間溫度膨脹系

5、數(shù)的差別，采用陽極沉積工藝制備的電極電位重現(xiàn)性控制在[-45,-37.5]mV之間。將封裝后的陽極沉積MnO2參比電極在線性極化測試進(jìn)行了應(yīng)用，通過埋置在待測鋼筋附近消除了混凝土電阻產(chǎn)生的電壓降對測試結(jié)果的影響，得到更加接近真實值的鋼筋極化電阻和腐蝕速率。
　　其次，針對陽極沉積工藝制備的參比電極電位重現(xiàn)性一般的問題，通過粉末固化工藝制備了以 Mn和β-MnO2為主要電極活性物質(zhì)的參比電極。結(jié)果表明通過添加 Mn元素提高了電極電位

6、的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，通過在堿性孔隙溶液中電極的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理分析可知，其穩(wěn)定性和重現(xiàn)性的提高主要是因為電極由MnOx—MnO2—MnOOH非均一相組成，具有較強(qiáng)的抵抗外界環(huán)境干擾的能力?？紤]到混凝土耐久性監(jiān)測涉及的電化學(xué)測試對參比電極高、低頻性能的要求，采用交流阻抗譜法對參比電極的高低頻性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明參比電極的高頻時阻抗模數(shù)為測試儀器阻抗的1/400，而低頻時阻抗模數(shù)更低，高低頻性能非常理想。并通過對參比電極的電位——溫度曲線確

7、定了制備的參比電極的溫度響應(yīng)系數(shù)為-0.65mV/℃。
　　第三，基于交流阻抗技術(shù)，確定了可埋入混凝土內(nèi)部的電阻率測試單元的封裝測試方法，深入研究了不同頻率范圍內(nèi)電阻率傳感器在混凝土中的交流阻抗行為，確定了適合混凝土體系的電阻率采樣頻率范圍為0.01kHz~20kHz；在此頻率范圍內(nèi)，混凝土與傳感器間的界面表現(xiàn)常相位角元件的電化學(xué)特征，并根據(jù)此頻段的線性特性確定了混凝土電阻的采樣頻率對應(yīng)頻點(diǎn)(fcutoff)的取值方法。對不同氯化

8、物摻量的砂漿電阻以及半環(huán)電極的極化電阻測試結(jié)果表明：砂漿電阻隨氯化物的摻量增高而減小，隨著保護(hù)層厚度的增加而增大，同時發(fā)現(xiàn)半環(huán)電極的極化電阻與對應(yīng)的砂漿保護(hù)層電阻變化規(guī)律一致，從而在未摻氯化物的砂漿中建立了Rs與Rp之間的簡化關(guān)系模型。
　　第四，開發(fā)了可埋置于混凝土保護(hù)層內(nèi)的宏電池電流傳感器，研究了宏電池電流的衰減規(guī)律，確定了宏電池電流標(biāo)準(zhǔn)采樣時間為30s。在不同氯化物摻量砂漿及混凝土中對宏電池電流進(jìn)行測試的結(jié)果表明：宏電池電流

9、隨著氯化物摻量的增加而增大，意味著氯鹽污染嚴(yán)重的混凝土中的鋼筋存在著更高的腐蝕風(fēng)險。首次對宏電池電流的電化學(xué)本質(zhì)進(jìn)行了研究，并結(jié)合加速滲透的方法，對宏電池電流傳感器在混凝土中氯離子的響應(yīng)行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：宏電池電流隨著加速試驗的持續(xù)進(jìn)行逐漸增大，加速后期出現(xiàn)一個穩(wěn)定平臺區(qū)，此時的腐蝕速率取決于陽極半環(huán)表面的氧氣濃度，整個反應(yīng)過程受陰極還原反應(yīng)速率控制。
　　第五，研究了多元耐久性參數(shù)傳感器的封裝工藝，實現(xiàn)了對宏電池電流、銹

10、蝕電位、保護(hù)層電阻、保護(hù)層氯離子含量以及陽極的極化電阻的實時監(jiān)測。基于EIS和LPR方法的測試結(jié)果表明：較高的氯化物摻量以及較薄的保護(hù)層厚度都會導(dǎo)致混凝土電阻的降低以及腐蝕風(fēng)險的增大。建立了基于混凝土保護(hù)層電阻和氯離子含量相關(guān)的腐蝕速率預(yù)測模型，基于該模型，通過對混凝土保護(hù)層電阻和氯離子含量的監(jiān)測，實現(xiàn)了對服役鋼筋腐蝕狀態(tài)和保護(hù)層劣化狀況的評估。
　　最后，基于階躍電流法的暫態(tài)原位測試技術(shù)，在混凝土中確定了混凝土保護(hù)層的電阻值以及

11、對應(yīng)鋼筋的極化電阻值。結(jié)果表明：GPT技術(shù)的應(yīng)用避免了外界環(huán)境雜散電流的干擾，基于該技術(shù)的傳感器十分適合現(xiàn)場原位測試。建立了混凝土耐久性分級預(yù)警系統(tǒng)，其中分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DDAS進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)采集，然后遠(yuǎn)程傳輸至數(shù)據(jù)處理終端DEE，后者進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，并在終端顯示實測數(shù)據(jù)并作出決策和維護(hù)建議。根據(jù)宏電池電流測試單元中顯示的數(shù)據(jù)，將預(yù)警系統(tǒng)劃分為藍(lán)、紅以及黃色三級預(yù)警，對混凝土保護(hù)層的服役狀態(tài)進(jìn)行全面的評估，提高了測試儀器的效率。