水泥基材料中钢筋锈蚀及其传感器监测

硕士学位论文水泥基材料中钢筋锈蚀及其传感器监测申请学位级别：工学硕士 学科、专业：结构工程 硕 士 学 位 论 文目 录摘要IABSTRACTIII第1章 绪论11.1研究背景11.1.1钢筋锈蚀在混凝土中的研究意义11.1.2钢筋锈蚀的机理31.1.3影响钢筋锈蚀的因素61.2钢筋锈蚀监测技术71.2.1 物理检测法71.2.2电化学监测方法81.3本课题的主要研究目的与内容131.3.1研究目的13第2章 国内外钢筋锈蚀监测传感器的研究152.1德国梯式阳极系统152.1.1传感器的结构设计152.1.2阳极梯的监测原理172.1.3传感器的安装与应用182.1.4阳极梯的优缺点202.2CorroDec传感器212.2.1结构设计原理212.2.2传感器的工作原理212.2.3CorroDec系统的优缺点222.3ERE20和CorroWatch探头监测传感器232.3.1传感器的结构设计232.3.2监测原理242.3.3传感器的优缺点242.4膨胀环形阳极系统252.4.1结构设计及安装过程252.4.2监测原理262.4.3优缺点262.5复合型多功能传感器262.5.1结构设计262.5.2监测原理272.5.3传感器的优缺点282.6宏电池传感器282.6.1传感器结构设计282.6.2监测原理292.6.3传感器的特点292.7本章小结29第3章 初始氯离子含量对钢筋锈蚀的影响313.1引言313.2原材料的准备313.3试样制备333.3.1试件配合比333.3.2试样制备及试验设计343.3.3试验监测设备353.4普通砂浆试验结果与讨论363.4.1普通砂浆相同氯离子含量下钢筋电位分析363.4.2普通砂浆不同氯离子含量下钢筋电位383.4.3普通砂浆相同氯离子含量下不同时间Niquist曲线393.4.4普通砂浆不同氯离子含量下Niquist曲线403.4.5钢筋表面锈蚀状况423.5 SHCC试验结果与讨论433.5.1相同氯离子含量下钢筋电位分析433.5.2不同氯离子含量下钢筋电位分析443.5.3 SHCC相同氯离子含量下不同时间Niquist曲线443.5.4 SHCC不同氯离子含量下Niquist曲线463.6本章小结47第4章 裂缝宽度在不同环境下对钢筋锈蚀的影响494.1引言494.2试验设计494.2.1试验配比494.2.2试验设备494.2.3试验方法504.3试验结果及讨论514.3.1试样表面裂缝宽度统计514.3.2吸盐/干燥环境下钢筋电位分析524.3.3吸水/干燥环境下钢筋电位分析544.3.4 干燥的空气环境下钢筋电位564.3.5不同环境下钢筋电位分析584.4本章小结60第5章 多传感器在水泥基材料中的应用615.1引言615.2试验设计615.2.1试验配比615.2.2传感器制备625.2.3传感器的封装635.2.4传感器的安装与定位645.2.5试验方法665.3试验结果与讨论675.3.1自制阳极梯的可靠性675.3.2氯离子传感器的可靠性695.3.3混凝土材料下钢筋锈蚀的发展725.3.4砂浆材料下钢筋锈蚀的发展745.4本章小结75第6章 结论与展望776.1结论776.2展望77参考文献79攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目87致谢8981 摘要目前已知钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土结构较早破坏的重要原因，而经过调查与研究，影响钢筋锈蚀的因素有多种，比如说：氯离子浓度、温湿度、裂缝宽度等等，这些因素影响了钢筋锈蚀的发展，进而影响到钢筋混凝土结构的使用寿命，因此研究不同影响因素下钢筋锈蚀的发展以及设计一种可监测多因素的传感器，对于及时评判钢筋锈蚀，预测混凝土结构使用寿命，确保结构安全具有深远意义。本文调查分析了国内外监测传感器的设计原理、监测原理并讨论了其优缺点，对其在实际工程中的适用范围做出了深入探讨，然后研究了氯离子含量以及裂缝宽度对钢筋锈蚀的影响，在此基础上研究埋入到水泥基材料中的自制阳极梯、氯离子传感器、温湿度传感器在干湿循环下的电化学参数表征。基本研究内容包括：（1）通过研究两种水灰比下普通砂浆以及应变硬化水泥基复合材料（SHCC）中内掺不同含量氯离子影响钢筋锈蚀过程表明：相同水灰比下，初始氯离子含量越高，钢筋越容易发生锈蚀；养护初期湿度大、自由氯离子含量高，钢筋易发生锈蚀；后期湿度大、自由氯离子含量低，钢筋较易发生锈蚀；中期湿度低、自由氯离子含量低，钢筋不易发生锈蚀；相同氯离子含量下，0.55水灰比下钢筋比0.4水灰比下钢筋更容易发生锈蚀。（2）通过研究不同裂缝宽度在毛细吸盐、毛细吸水以及空气环境中钢筋锈蚀过程得知，在毛细吸盐以及吸水过程中，随裂缝宽度的增大，钢筋越容易发生锈蚀，而在空气环境下裂缝宽度对钢筋锈蚀影响不明显；在相同裂缝宽度下，吸盐过程钢筋锈蚀最容易发生，其次是吸水环境，最后是空气环境。（3）对比自制阳极梯与德国阳极梯在水泥基材料中电化学参数趋势发现，自制阳极梯在预测钢筋锈蚀方面具有一定的可靠性。（4）对比自制氯离子传感器与钻芯取粉滴定出来的氯离子含量可知，自制传感器在描述氯离子趋势方面具有一定的可靠性。（5）通过研究自制阳极梯、氯离子传感器、温湿度传感器在混凝土中干湿循环下电化学参数表征可知，当混凝土表面湿度较大时，外界氧气不容易扩散到阴极表面，此时钢筋不易发生锈蚀，而当钢筋表面氯离子含量远远大于规范标准的临界氯离子含量时，钢筋此时会发生锈蚀。（6）通过研究德国阳极梯、氯离子传感器、温湿度传感器在砂浆中干湿循环下电化学参数表征得知，砂浆表面湿度大时，钢筋同样不易发生锈蚀，当钢筋周围的氯离子含量超过标准时，钢筋才可能会发生锈蚀。关键词：传感器；氯离子含量；裂缝宽度；钢筋锈蚀；温湿度ABSTRACTAt present, it is known that the corrosion of steel bars is an important reason for the early failure of reinforced concrete structures. After investigation and research, there are many factors that affect the corrosion of steel bars, such as chloride ion concentration, temperature and humidity, crack width and so on. The development of steel corrosion and the design of a multi-factor sensor can be used to evaluate the corrosion of steel bars, to predict the service life of concrete structures, and to ensure the development of reinforced concrete structures. Structural safety has far-reaching significance.This paper investigates and analyzes the design principle and monitoring principle of monitoring sensors at home and abroad, it also discusses its advantages and disadvantages, and makes a thorough discussion on its application in practical engineering. Then, the effects of chloride ion content and crack width on steel corrosion is studied. Based on this, the electrochemical parameters of self-made anode ladder, chloride ion sensor and temperature and humidity sensor embedded in cement - based materials were studied. The basic research includes: (1) The effects of different kinds of chloride ions on the corrosion process of steel bars were studied by studying the effects of two different water-cement ratio mortar and strain hardening cement-based composites (SHCC), the results show that the higher the chloride content is, the higher the content of chloride is easy to occur rust; curing early humidity and free chlorine ion content is high, the steel is easy to rust, followed by the late high humidity and the low free chloride ion content, and finally the medium-term low humidity, free chloride ion content is low，the steel is not easy to rust; the same chloride ion content, 0.55 water-cement ratio under the steel than 0.4 water-cement ratio is more prone to corrosion.(2) By studying the effects of different crack widths on capillary absorption, capillary water absorption and air corrosion in the steel ,it is found that the increase of the crack width in the process of capillary salt absorption and water absorption is more prone to corrosion. In the air environment, the effect of crack width on the corrosion of steel bars is not obvious. Under the same crack width, the corrosion of steel bars is most likely to occur during the salt absorption process, followed by the water absorption environment and finally the air environment.(3) Comparison of the trend of electrochemical parameters in self-made anodic ladder and German anode ladder in cement-based materials, self-made anodic ladder has a certain reliability in predicting corrosion of steel bar.(4) Compared with the chloride ion content of the self-made chloride ion sensor and the core powder, the self-made sensor has a certain reliability in describing the chloride ion trend.(5) By studying the electrochemical parameters of self-made anodic ladder, chloride ion sensor and temperature and humidity sensor in concrete under dry and wet cycle, it can be seen that when the concrete surface humidity is large, the outside oxygen is not easy to spread to the cathode surface, then the steel is not easy to rust, and when the steel surface chloride content is far greater than the standard critical chloride content, the steel will rust at this time.(6) By studying the electrochemical parameters of the German anode ladder, chloride ion sensor and temperature and humidity sensor under the wet and dry cycle of mortar, it is known that the steel bar is also less susceptible to corrosion when the surface humidity is large. When the chloride ion content around the steel bar exceeds the standard, it may be rusted.Keywords: sensor, chloride ion content, crack width, steel corrosion, temperature and humidity第1章 绪论1.1研究背景1.1.1钢筋锈蚀在混凝土中的研究意义自19世纪中叶，法国人约瑟制造出钢筋混凝土并取得了专利权之后，钢筋混凝土结构因为其充分发挥了钢筋高抗拉与混凝土高抗压两种力学性能而在建筑业中以一种飞快的速度发展起来，现如今已经作为当今世界应用最广泛的建筑材料。虽然说其具有相对比较简单的结构形式，相对于其它结构形式容易施工，但是其耗资巨大、耗时也较长，因此其使用寿命的长短对于其性价比的评价有很大的影响。现如今许多该结构的建筑物因为达不到设计使用年限而失效，从而造成了巨大的经济与社会损失，很大程度上是因为只注重量的发展而忽视了钢筋混凝土结构耐久性的设计造成的。混凝土结构耐久性就是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用性和可接受的外观的能力1。经过大量统计调查，由混凝土耐久性问题造成的经济与社会损失非常严重，其中，钢筋锈蚀引起的混凝土破坏所占比例很大。正如Mehta教授在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上作的主题报告中指出：“当今世界上混凝土破坏原因按重要性递降顺序排列是：钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用”2。另外其又在混凝土耐久性50年进展报告中指出：引起结构物失效的最主要原因就是钢筋锈蚀。据有关资料表明，在美国1984年的一项调查研究中发现，美国所建的钢筋混凝土桥中一半以上都出现了锈蚀破坏，而其中的40%由于承载力问题急需加固处理3。在另外一份调查报告中显示，美国一年需要承担由腐蚀原因造成的经济损失大约2500亿美元，而在这项费用中有超过60%的比例花费在了修补混凝土桥梁，远远超过了建造该桥梁的成本。美国公路研究战略计划发出警告，到20世纪末，为修复或重建因冬季撒除冰盐引起的劣化混凝土路面，需要费用将超过4000亿美元，占美国2000年全年GDP的4%4-5。在英国1996年的一份环保报告估计中发现，英国建筑工业的年成交额为500亿英镑，而现在修补这些因腐蚀破坏的混凝土结构形式的建筑已达到5.5亿英镑，给英国的财政添加了一个沉重的负担。在日本，钢筋锈蚀引起的建筑结构破坏大约占21.4% 6，例如日本运输省在调查与统计了大约上百座钢筋混凝土形式的海港码头情况后，得出结论凡是建成后并使用超过20年的，基本上都出现了大量的顺筋裂纹需要进行修补。日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用就达400亿日元。同样的问题也出现在我国，由严酷环境所造成的钢筋锈蚀成为影响建筑工程项目安全的第一因素，给我国带来了极大的直接和间接损失。据不完全统计，在1999年一年内因腐蚀原因所造成的损失约有18003600亿元，而钢筋锈蚀造成的损失占其中的接近一半，占总经济损失的40%。而处于严酷环境当中比如说沿海环境中的混凝土结构因钢筋锈蚀引起的破坏尤为严重。通过调查我国山东沿海地区的混凝土桥梁的耐久性状况发现7-8，大部分桥梁主体结构的混凝土保护层都出现了开裂乃至脱落，其中钢筋锈蚀所造成的损坏尤为严重。那么据以上所述，现如今各个国家因为混凝土耐久性问题所造成的经济财产损失已经达到国民生产总值的2%4%，而钢筋锈蚀在腐蚀当中更是占到了40%以上9。美国、英国、日本等国每年都需要投入非常多的财力以及物力用于维护混凝土结构的安全，其中由于钢筋锈蚀造成的破坏需要进行的维护更是占有很高的比例。而我国正处于建设高潮，许多规模比较大的基础设施正在建设，其中一些跨时代的道桥建筑也在建设或规划之中，如高速铁路、海底隧道、跨海大桥、超高层标志性建筑等，而这些基础工程的服役年限往往要更长，因此必须保证这一类建筑的耐久性达到标准，并且需要通过监测来确建筑的使用寿命。总之，无论是国外还是国内，混凝土中的钢筋锈蚀都是一个迫切需要解决的重要问题。开展对混凝土中钢筋锈蚀的研究，对于重大工程的安全保障具有技术支持作用，同时也具有重要的社会意义和经济价值。1.1.2钢筋锈蚀的机理在混凝土当中，钢筋发生锈蚀需要满足四个条件：一是满足钢筋表面存在电位差，二是钢筋表面的钝化膜破坏，三是钢筋表面需要有氧气与水，四是电解质即离子传输的通道，因此可以判定钢筋锈蚀是一种电化学腐蚀过程。这个过程又可以分为两个阶段，钝化阶段与去钝化阶段。钝化阶段出现主要是因为普通的硅酸盐水泥成分是：3CaOSiO2、2CaOSiO2、3CaOAl2O3、5CaO3Al2O3、4CaOAl2O3Fe2O3，所以水泥水化时在混凝土中会产生大量的Ca(OH)210,并且还含有少量可溶性的钾、钙、钠等碱金属和金属的氧化物，这使得钢筋所处环境的pH值极易达到12.513.5，钢筋表面极易在这种环境中形成一层致密的，厚度为（210）10-9m的钝化膜,这层膜对钢筋起到了化学保护作用，可以阻止钢筋的继续溶解，其形成的机理为：（1-1）（1-2）去钝化阶段根据其去钝化机理分为两个部分：1.碳化导致的钢筋锈蚀；2.氯离子引起的钢筋锈蚀。（1）碳化导致的钢筋锈蚀碳化并不会直接造成钝化膜的破坏，而是通过降低孔隙液的pH值，使得钢筋表面的钝化膜不稳定，相关资料表明，当pH小于9.88时，钢筋表面没有钝化膜，当9.88pH11.5时，此时钢筋表面的钝化膜比较稳定，能够很好的保护钢筋不被侵蚀性离子破坏11。碳化造成的钝化膜破坏可以分为四个阶段，首先CO2通过扩散的形式侵入到混凝土中，然后溶解到孔隙液里与水形成碳酸，之后碳酸会与氢氧化钙发生中和反应形成碳酸钙，此时未溶解的Ca(OH)2会溶解以保证pH值稳定在1213，然而随着碳酸钙的不断生成，阻断了Ca(OH)2的继续溶解，此时pH没有后续补充来保证，从而pH值会慢慢降低，当其小于11.5时，钝化膜慢慢不稳定，为钢筋锈蚀创造了条件。（1-3）碳化导致的钢筋锈蚀一般是均匀锈蚀，这样形成的腐蚀原电池是微电池，产生微电流。（2）氯离子引起的钢筋锈蚀氯离子因其具有半径小、活性大、穿透力强等特性而成为引起混凝土构钢筋锈蚀的最主要的因素之一。其进入到混凝土内部主要以两种方式：一是内掺，比如说在施工与搅拌混凝土时所用的原材料是含有氯离子的海砂、外加剂等；二是外渗，外界环境中的氯离子通过混凝土孔溶液最终渗入到钢筋表面12。氯离子的传输同样也是非常复杂的，比较常见的传输方式主要有毛细血管作用、扩散作用、渗透作用和电化学迁移。尽管氯离子侵入混凝土的方式是多种多样的，但是在大多数情况下，氯离子是以扩散的形式侵入到混凝土内部的。氯离子引起的钢筋锈蚀一般分为三个阶段：第一阶段是腐蚀诱导期，即当钢筋表面的氯离子浓度达到破坏钝化膜的界限时引起的钢筋锈蚀时期；第二阶段是腐蚀发展期，在这一阶段钢筋会不断的发生锈蚀，其锈蚀产物不断的增加，导致体积不断膨胀，产生的裂缝数不断增加；第三阶段腐蚀破坏期，该阶段是指因钢筋锈蚀胀裂混凝土保护层到混凝土结构承载力失效。虽然说钢筋表面的钝化膜在高碱性的条件下是非常稳定的，但是当氯离子到达钢筋表面时，它会吸附在钢筋表面的钝化膜上，氯离子浓度较大的区域pH值会降低，从而引起钢筋锈蚀。然而目前氯离子具体是如何破坏钢筋表面的钝化膜的机理还不明确，现在比较受认可的理论主要有三种：一是氯离子比其他侵蚀性离子更容易通过带有孔洞的或者是有缺陷的钝化膜，从而导致钢筋的锈蚀131415161718；二是氯离子相对于溶解在孔隙液的O2或者是OH-更容易吸附在钢筋表面，因此引起钢筋的锈蚀14-1516171819；三是氯离子与氢氧根离子同活性腐蚀产生的Fe2+离子竞争结合，并且形成了一种可溶性的FeCl2,它可以从阳极扩散出去，在向外扩散的过程中破坏了Fe(OH)2的保护层，从而导致钢筋的锈蚀。从氯离子引起的钢筋锈蚀来看，其锈蚀一般是不均匀锈蚀。由于局部的一些薄弱区，导致其表面的钝化膜很容易被氯离子破坏，使得该区域的钢筋暴露在外，这样就使得该区域表面的电位与钝化膜完好区域的表面电位形成电位差，一般来说有钝化膜的区域电位较正，而钝化膜破坏区域的电位较负，这样暴露在外的钢筋就是阳极，其容易失电子形成Fe2+，而钝化膜完好的大部分区域为阴极，容易得电子，不易被破坏，此时腐蚀原电池已形成。那么在电场的作用下，氯离子会不断的受到阳极带正电的离子吸引而迁移，当遇到Fe2+后会与之形成可溶于水的FeCl2。那么正是由于其具有可溶的特性，使其在向阳极外扩散迁移时，遇到OH-后生成褐色的沉淀Fe(OH)2，而该沉淀在遇到孔隙液中的H2O与O2后会进一步氧化，此时Cl-会再次被释放出来，再一次受到阳极带正电的离子吸引，从而扩散出更多的Fe2+，加速了钢筋的进一步锈蚀。那么通过上述反应过程，可以看出Cl-在该过程中并不参与构成腐蚀产物，没有任何损失，只是对钢筋的锈蚀起到了类似催化的作用20。（1-4）（1-5）现如今用来判断氯离子引起钢筋锈蚀的临界值的表述方法也不尽相同，比较认可的有两种：一是用自由氯离子含量占水胶凝材料或混凝土的重量百分比表征临界氯离子浓度；另一种是用自由氯离子浓度与氢氧根浓度的比来表征临界氯离子浓度。图1.1 氯离子引起的钢筋点蚀示意图1.1.3影响钢筋锈蚀的因素（1）外部因素影响钢筋锈蚀的外部因素有很多，主要有以下几种：第一，钢筋表面的氧气浓度与其表面的湿度。混凝土内部湿度越大说明混凝土孔隙液越充足，这不仅可以为腐蚀原电池提供充足的电解液，还可以降低离子移动的阻力，而水与氧气共同存在可以产生更多的OH-，导致更多的Fe2+被结合，从而加速了钢筋的锈蚀，而氧气含量在一定范围内，随着氧气含量的增加，钢筋锈蚀的速度也会提高，但是当超过这一范围，锈蚀速度并不会增大，这是因为氧气的增加导致了阴极极化产生，一定程度上阻碍了阴极反应的发生；第二，相对湿度与温度，在50%100%的相对湿度范围下，随着相对湿度的增加，CO2不易进入到混凝土内部，从而达不到钢筋表面，因此此时的钢筋就不容易被腐蚀，而随着温度的上升，电极反应的速率会上升，但是氧气却不易溶解到孔隙液里，阻碍了电极反应的发生；第三，不管是碳化还是酸性物质进入到钢筋表面，都会造成钢筋周围的孔隙液pH值降低，导致其表面的钝化膜不稳定而发生破坏，进而令钢筋进入活性腐蚀；第四，侵蚀性的离子，不管是外侵的离子还是内掺的侵蚀性离子，都会在一定程度上影响钝化膜的稳定性，造成钢筋暴露出来从而发生脱钝腐蚀；其余的还有杂散电流、细菌腐蚀等等。（2）内部因素根据调查研究，影响钢筋锈蚀的内部因素也有很多，例如：（1）胶凝材料的组成成分，不同的胶凝材料水化后会产生不同量的Ca(OH)2，因而钢筋外部的pH值不同，那么钢筋表面的钝化膜在pH值较高的环境里比较稳定，在pH较低的环境里不太稳定容易破坏，钢筋容易发生腐蚀，另外胶凝材料还可以与一些含有自由氯离子相结合，那么这就会降低孔隙液中自由氯离子的含量，那么从一定程度上保护了钢筋不容易被腐蚀；（2）含有杂质的石子、水分和外加剂，有些石子、水分和外加剂含有氯离子，当这些原料的氯离子含量较高的时候，钢筋比较容易被破坏；（3）在一定范围内，水灰比也会影响钢筋锈蚀，混凝土水灰比越大，混凝土的强度会降低，此时混凝土的渗透性会增大，那么氯离子会更加容易渗进混凝土中，从而引起钢筋腐蚀；（4）裂缝宽度，混凝土由于水化产热、干燥收缩等等造成的裂缝也很容易造成有害离子的侵入，从而加速钢筋锈蚀，造成混凝土会产生更大的胀缝，加速了钢筋混凝土的劣化；（5）胶凝材料的含量同样也会影响钢筋的锈蚀，当胶凝材料的用量较少的时候，容易造成混凝土表面的蜂窝状，不利于抵抗氯离子侵入，另外石子的粒径与颗粒等级、钢筋混凝土的保护层深度、钢筋的化学组份等等都会影响钢筋的锈蚀。以上不管是外部因素还是内部因素有可能会对钢筋起到保护作用，也有可能加速了钢筋的活性腐蚀，因此评判钢筋锈蚀速率或者是预测钢筋的失效时间是一件及其困难的事情，所以现在急需解决的问题是发明一种能随时监测钢筋表面电位、电流以及周围氯离子浓度、温湿度等等影响因素的多功能传感器。1.2钢筋锈蚀监测技术监测钢筋锈蚀状态对于评价或者是预测钢筋混凝土结构使用寿命来说是一件及其有意义的事情。目前监测钢筋锈蚀的方法根据破坏形式可以分为预埋式无损监测法与有损监测法，根据监测技术可以分为物理法与电化学方法21-22232425。一般来说混凝土内部发生的钢筋锈蚀是电化学腐蚀，所以电化学监测方法是一种揭示其内在行为的非常有效的手段，另外电化学监测方法还具有灵敏度高、监测速度快和可以进行实时跟踪等优势，所以电化学监测方法在未来的一段时间内还会持续发展与改进26。1.2.1 物理检测法（1）电阻探针法电阻探针法其实质是在混凝土内部埋入与钢筋材料一致的电阻探针，由于电阻探针的截面面积与电阻成反比，因此通过监测探针的电阻变化，就可以反推出钢筋锈蚀情况。其两者之间的变化关系如下式27：（1-6）式中CS0电阻探针的起始面积DR电阻探针的起始电阻值与测量时刻测量值的差R0电阻探针起始电阻值CF电阻探针起始界面周长该方法通过将钢筋与测试仪器进行连接从而对探针的电阻进行不断的监测而反应钢筋锈蚀的状况。该监测手段的优点是可以实时监测钢筋截面面积的变化与质量的损失，间接的预测结构的使用寿命。其缺点是该监测手段只能预测钢筋的腐蚀性，并不能精确的监测出钢筋的锈蚀状态与锈蚀速率，而且该方法仅仅能监测到探针头部安放位置的钢筋锈蚀速率，所以要对整个结构监测，就必须在整个结构的不同位置处埋入多个探头。（2）光纤传感监测技术光纤传感监测技术是本世纪初刚刚发展起来的一种新型监测技术，其工作原理是：钢筋锈蚀产生的锈蚀产物导致钢筋体积的膨胀会引起钢筋附近的光纤变形，从而造成光强的变化，根据光强的变化评判钢筋的锈蚀状态28。国外有些专家基于微弯效应设计了光纤腐蚀传感器即“腐蚀保险丝”，可以通过该传感器得到的腐蚀参数评判钢筋是否发生锈蚀，但是该传感器的缺点是仅仅只能表达钢筋发生断裂时的锈蚀信息，并不能给出钢筋发生锈蚀时的过程29。后来，我国黎学明等30发明了基于腐蚀敏感膜传递腐蚀信息的监测方法，工作原理是通过在光纤纤芯上镀一层Fe-C合金膜，然后观察膜层的破坏与否，当膜层破坏时，光纤芯内传导的光信号会发生改变，那么根据其改变的量就可评价钢筋是否锈蚀。光纤传感器具有质量轻、有较强的抗电磁干扰、比较耐腐蚀、耐久性好等特点，而且还拥有对混凝土中的钢筋进行空间立体监测、连续性监测以及远程监测等特点。但是，该监测方法并不能反映出钢筋的腐蚀的发展状况，这也是目前大多数监测手段急需解决的问题。1.2.2电化学监测方法根据钢筋的腐蚀机理与影响钢筋锈蚀的因素得知，自然腐蚀电位、混凝土电阻率与腐蚀电流密度三个参数的获取对预测钢筋锈蚀有很大的作用，这三个参数的获取都是通过电化学方法得到的，其中半电池电位法可以获得钢筋表面的自然腐蚀电位，混凝土电阻率法可以求得混凝土的电阻率，而通过线性极化法与交流阻抗法可以得到极化电阻以及腐蚀电流密度31。虽然这几种方法在实验室里被广泛应用，但是在现场由于监测方法的特殊性，并没有在实际现场普遍应用开来。（1）半电池电位法半电池电位法又称为自然腐蚀电位法，是目前现场应用最广最简便的一种评判钢筋锈蚀与否的监测方法32-3334353637,其工作原理是当钢筋发生脱钝以及锈蚀时，钢筋表面的电位会与钝化膜完好的钢筋表面的电位形成电位差，钢筋锈蚀区域由于失电子是阳极，其电位较负，钝化膜完好区域得电子是阴极，其电位较正，由于混凝土孔隙液可以作为电解液，腐蚀原电池就此形成。那么在该监测方法当中，用电位比较稳定的参比电极与电解液作为一个半电池，钢筋与混凝土作为另一个半电池，然后通过导电海绵接触两个半电池，那么全电池就此形成38，由于参比电极电位稳定，而钢筋由于钝化膜的形成与脱钝所表现出来的电位有差异，那么通过移动参比电极，就可以根据得到的电位判断哪个区域腐蚀。半电池电位法具有监测简单、耗时短、可以即时反映钢筋锈蚀等优点，可以很好的为混凝土内部钢筋做及时预测，并了解锈蚀区域的分布情况以及锈蚀的发展方向，为评价结构的安全性、采取相应措施保护钢筋延续其使用寿命具有重要的意义31,但是由于钢筋表面电位在不同的温湿度下、不同氧气浓度下、不同的外力环境下以及不同的混凝土外表面下所表现出来的电位是不同的，因此判定钢筋锈蚀的标准是有一定局限性的。虽然其只能粗略的预测钢筋是否锈蚀，精确性不高，但是由于其仪器简便、操作简单从而在实际现场中被广泛应用。（2）混凝土电阻率法混凝土电阻率是可以反映钢筋腐蚀的电流密度以及腐蚀发展状况的重要指标，在混凝土结构里，当在同一条件下对比电阻率不同的混凝土时，电阻率越高，混凝土中的腐蚀电流就会越小，所以通过判断电阻率的大小也可以用来反映钢筋的锈蚀状况。那么根据不同的原理或是形式可以分为不同种类的测试方法，目前应用比较广泛的是交流电下的四点法，其工作原理就是预先在混凝土内置入四个等水平距离、深度一致的传感器，四个传感器要保持平行，然后在最外侧的两个探针上施加120Hz的交频电流，然后通过监测内侧两个探针的电位差，就可以通过公式1-7、1-8求得混凝土的电阻率。（1-7）（1-8）式中混凝土电阻率（cm）a四个探针之间的距离（cm）V内侧两个电极的电位差（mv）I施加电流（mA）研究表明混凝土电阻率不仅可以反映钢筋腐蚀速率，还可以反映混凝土中氯离子的扩散性能、混凝土内部的饱和度39。比如说，研究表明混凝土内部的相对湿度影响混凝土的电阻率，当混凝土电阻率较高时，混凝土内部的湿度会比较低，因此混凝土电阻率同样也是一个反映钢筋周围环境的重要参数。图1.2 混凝土电阻率测试电路图虽然混凝土电阻率可以反映众多参数，但是目前测试混凝土电阻率的方法还不是太完善，比如说图1.2所示，该方法在实际应用中避免不了与混凝土相接触，因此电流不可避免的会流过多余的电阻，造成实际电阻小于测试电阻，而且在交流电的测试方法当中，频率在一定程度上会影响混凝土的电阻率，所以完善测试方法是目前急需解决的问题40。（3）线性极化法线性极化法是目前实验室用来反映钢筋锈蚀即时速率的常用方法41-42434445，其工作原理是通过对钢筋施加电流或者是电压从而扰动其原有的平衡体系，使得钢筋表面的电位与原平衡体系电位出现偏差。那么当在钢筋表面施加可与原电位产生变化量为E的电位时，通过监测在该扰动下产生的扰动电流，就可以得到极化曲线在E=0时的斜率，或者是在钢筋上面施加恒电流，使得钢筋表面电位发生变化，同样也可以求得极化曲线的斜率。不管选择何种方法，都需要将电位的偏离值控制在10-30mv内，保证曲线在线性极化区内从而满足Stern-Geary公式。 （1-9）那么通过求得线性极化电阻之后，就可以求得需要的腐蚀动力学参数Ik。（1-10）通常情况下，钢筋发生锈蚀时，常数B可以取值为26mv;当钢筋处于钝化状态时，B为52mv。线性极化法具有可以反映钢筋腐蚀的即时速率等优势，但是得到一个稳定的极化值是比较困难的，因此需要测试多次才有可能得到稳定的极化值，在这个过程中，钢筋的自然腐蚀电位会发生变化，导致测得的极化值与实际极化值存在一定的偏差，而且该方法在现场不容易实施，因此该方法还有很大的发展空间。（4）交流阻抗谱法交流阻抗谱法（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）同样也是一种可以反映钢筋锈蚀速度的方法，而且其可以反映更多的腐蚀信息，它的工作原理同样也是向混凝土内部的电路施加一个扰动信号，不同的是该扰动信号是一个变频信号，在这个变频信号下电路会发出响应，根据这个响应信号，可以选择合适的由电阻、电感或电容等元件组成的等效电路46-474849，从而分析出腐蚀体系中各个动力学参数50。另外，交流阻抗谱法由于采用的是频率域分析法，其频率范围很宽，因此通过在这个很宽的范围内探究混凝土内部腐蚀体系可以获得更多的腐蚀信息51-525354。在实验过程中，通过采用恒电流仪与放大器对混凝土内部的钢筋施加一个幅值为1020mv正弦波扰动信号55,施加的频率范围为10510-4Hz。由于扰动信号是交流信号，因此交流阻抗是一个矢量，其是交流电压与交流电流的比值。那么通过上述测试方法，理论上可以画出的Niquist图为一个半圆如图1.4所示，当频率为无穷大时，曲线会与横坐标交于值为Rs的点，可以认为此时的腐蚀电路中只有电解质中溶液电阻的存在，而当频率趋于无穷小时，曲线与横坐标的交点为（Rp+Rs），此时的腐蚀电路中会同时存在极化电阻与溶液电阻。在半圆的最高点时，此时频率处于低频与高频之间，是一个特征频率*，同时该点的频率与半圆的直径可以确定，因此根据公式1-11就可以得到等效电路中的电容值Cdl。（1-11）在实际测试过程中，不同的电极、不同的反应体系、钢筋表面不同相的钝化膜反映出来的阻抗谱图并不一定是一个半圆，这主要是由于不同的体系造成电路中的元件不同，因此图形会发生改变。EIS测试的优势在于可以反映更多的钢筋腐蚀信息，相比于线性极化法可以防止钢筋表面极化积累现象等等，但是交流阻抗谱由于频率跨度比较大，因此在频率较低阶段耗时较长，不利于在现场应用，所以未来还需要解决其测试时间问题。图1.3 等效电路图图1.4 Niquist图1.3本课题的主要研究目的与内容1.3.1研究目的随着我国实力的不断发展与提高，我国基础设施的建设呈飞速发展态势，该态势还将延续很长时间。不过在这个飞速发展的时期，建筑结构还是出现了各种各样的问题，例如安全性、耐久性问题，那么针对这个问题曾有学者用“五倍定律”形象的揭示了研究建筑结构耐久性的重要性56，即在建设初期，对建筑项目投入的预防结构劣化措施的费用少1美元，预示着发现结构劣化时采取补救措施所花费用就要比投入的预防费用多5倍，而劣化开裂时维护所花费用要比发现劣化所追加费用多5倍，结构严重破坏维护所需要的花费则更甚。那么针对这一个定律，我国政府采取了各种措施，比如对未建项目加大监督监管措施，已建项目积极研究、开发和应用结构劣化监测系统，试图能够及时发现并解决结构劣化问题57。目前施工现场中已经有许多监测钢筋锈蚀的传感器，但是其共有的问题是只能预判钢筋锈蚀，而不能预测其何时发生锈蚀以及其锈蚀发展状况。根据大量的研究与调查，不仅氯离子、碳化会影响到钢筋的锈蚀，混凝土内部的温湿度、表面裂缝的存在、氧气浓度、pH值等等同样也会影响钢筋的锈蚀与发展24。因此预测钢筋混凝土结构的使用寿命不能单单看一个因素的影响，相反应该综合考虑才有可能更加准确的判断混凝土的寿命状况。因此研究钢筋在不同影响因素下钢筋的锈蚀与发展，以及设计一种简便易安装、监测多参数的传感器，为准确的判断钢筋锈蚀、预测钢筋混凝土使用寿命、减少人员伤亡与减少维修维护费用具有重大的意义。因此本文在了解了钢筋锈蚀机理、影响钢筋锈蚀的因素、钢筋锈蚀监测方法与国内外传感器研究现状的基础上，开展了以半电池电位法、交流阻抗谱法、线性极化法为监测手段，研究不同因素下钢筋的锈蚀与发展的试验，并且进行了将团队自制阳极梯、自制氯离子型传感器、温湿度传感器一起应用到水泥基材料中的实验研究。试验的主要内容如下：（1）国内外监测传感器的分析与研究分析与研究目前国内外已经存在监测传感器的结构设计与工作原理，讨论了其在实际工作中的特点与缺点，并根据其对混凝土结构有无损害进行了分类而且统计了市场上出现的传感器价格，根据以上调查信息，设计一种更为适合目前实际工程的传感器。（2）不同因素下钢筋的锈蚀与发展基于钢筋锈蚀的机理与影响钢筋锈蚀的因素，设计研究了钢筋在不同氯离子含量下、不同裂缝宽度不同环境下钢筋的锈蚀与发展，通过半电池电位法、线性极化法、交流阻抗谱法等监测手段监测钢筋在不同因素下钢筋锈蚀的发展，且对比了不同环境下带裂缝工作的钢筋锈蚀。（3）复合多种传感器在水泥基材料中的应用研究基于研究国内外不同的传感器的基础上，设计组合了自制阳极梯、自制氯离子传感器以及温湿度传感器，并将其埋入水泥基材料中进行应用研究，试验首先需要对自制传感器的可靠性进行研究，然后通过各个监测传感器的结果分析干湿循环下钢筋锈蚀的状况。第2章 国内外钢筋锈蚀监测传感器的研究随着时代的进步与发展，国家与政府越来越重视对钢筋混凝土结构进行监测的同时，相关行业的专家也逐步加强了对混凝土结构耐久性评估与钢筋锈蚀监测等技术方法的研究。其中，Ha-Won Song58对国内外监测钢筋锈蚀的仪器与技术进行了分析与讨论；M.F.Montemor, John P.Broomfield, Shamsad Ahmad 等人59-6061总结了监测混凝土耐久性的测试技术、监测仪器等的研究状况；C.Andrade62总结了监测钢筋锈蚀的技术方法以及监测设备；Tang Luping63根据调查对比分析了目前市场上出现的几种监测设备的共同点与不同点;熊传胜64对监测混凝土中钢筋锈蚀的研究现状进行了大量的总结与分析;方翔65探讨了混凝土耐久性监测传感器的安装定位技术。随着国家综合国力的提升，最近20年来越来越多的监测系统都已经实际埋入实际工程中进行监测，其中这就包括已建成的胶州湾海底隧道、杭州湾大桥等等，还有正在建设的青岛地铁、青连铁路等等，那么通过对实际工程进行监测，可以更全面地更精确地了解混凝土内部信息。目前市场上虽然有各种各样的混凝土耐久性监测系统，但是每一种监测系统并不是适合所有的建筑环境，因此本章根据国内外钢筋锈蚀监测传感器的设计原理、工作原理以及特点对其进行了对比分析，从而针对特定的环境选择最合适的监测系统，以达到精准预测钢筋锈蚀的目的。2.1德国梯式阳极系统在上世纪80年代后期，德国著名的亚琛材料研究所根据氯离子引起钢筋锈蚀的机理设计了一种具有梯度的阳极系统，并通过多年的改进与发展，现如今已成为实际现场中监测混凝土中钢筋锈蚀的主要设备66。2.1.1传感器的结构设计阳极梯系统由六大部分组成：阳极梯、阴极棒、连接导线、连接钢筋、接线盒与采集设备，如下图2.1所示：图2.1 德国梯式阳极系统（1）结构主体部分：该部分由6根直径为10mm、长度为50mm的普通碳钢与1个PT1000铂电阻式温度传感器构成。其中六根相同样式的普通碳钢作为系统的阳极，并且将其安装定位在形状为U型、材质为AISI316型的不锈钢槽的架子上。每个阳极两端需要焊接两条导线，导线需要经过从钢槽引