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)的評估與預測、維護周期的確定、防治技術(shù)的優(yōu)化、全壽命周期的經(jīng)濟分析以及高耐久混凝土結(jié)構(gòu)設計方法的完善，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)；混凝土保護層質(zhì)量主要通過混凝土保護

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，設計開發(fā)了以下傳感器體系：(1)長壽命、免維護、可埋置式參比電極，提供長期穩(wěn)定的基準電位，消除混凝土電壓降對電化學測試結(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上

3、，復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，導致其電極電位穩(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行了應用，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反應機理分析可知，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頻點(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的砂漿保護層電阻變化規(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準采樣時間為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，意味著氯鹽污染嚴重的混凝土中的鋼筋存在著更高的腐蝕風險。首次對宏電池電流的電化學本質(zhì)進行了研究，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行為進行了研究，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，整個反應過程受陰極還原反應速率控制。
　　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、保護層電阻、保護層氯離子含量以及陽極的極化電阻的實時監(jiān)測?；贓IS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層厚度都會導致混凝土電阻的降低以及腐蝕風險的增大。建立了基于混凝土保護層電阻和氯離子含量相關(guān)的腐蝕速率預測模型，基于該模型，通過對混凝土保護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層的電阻值以及

11、對應鋼筋的極化電阻值。結(jié)果表明：GPT技術(shù)的應用避免了外界環(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警系統(tǒng)，其中分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DDAS進行實時的數(shù)據(jù)采集，然后遠程傳輸至數(shù)據(jù)處理終端DEE，后者進行數(shù)據(jù)的處理和分析，并在終端顯示實測數(shù)據(jù)并作出決策和維護建議。根據(jù)宏電池電流測試單元中顯示的數(shù)據(jù)，將預警系統(tǒng)劃分為藍、紅以及黃色三級預警，對混凝土保護層的服役狀態(tài)進行全面的評估，提高了測試儀器的效率。