嵌入式钢筋锈蚀监测传感器的研究

摘要

钢筋锈蚀已成为导致钢筋混凝土建筑物耐久性不足、过早破坏的主要原因。研制开发一种能够合理及时地反映混凝土内部钢筋锈蚀状态的监测系统，对于结构构件进行耐久性评估诊断，预测钢筋何时锈蚀，确定修补与否，以便有效地延长混凝土的服役年限，确保工程安全及减少维修费用具有重要的意义。
　　本文对国内外8种嵌入式钢筋锈蚀监测系统的设计、监测原理及其优缺点进行了系统分析，通过特殊的制作、组装工艺设计研制了两种传感器：一种是既可以通过宏电流变化监测锈蚀介质的侵入，又可以作为混凝土电阻率测试单元的宏电池传感器；另一种是通过监测细钢丝电阻变化来判断锈蚀介质达到保护层深度的电阻式传感器。在此基础上，还开展了以下几个方面的研究：
　　(1)采用氯盐侵蚀水灰比为0.5的砂浆，通过ETH大学阳极梯系统，对自行设计的两种传感器进行了监测性能检验。结果表明，宏电池传感器中埋置在砂浆不同深度的4层阳极监测到的锈蚀时间与ETH大学阳极梯系统基本相同，分别为10d、26d、46d和70d左右。宏电池传感器具有较好的可靠性和灵敏度，而电阻式传感器要滞后4d左右，在快速锈蚀试件中表现相对不灵敏。
　　(2)通过宏电池传感器研究了氯盐侵蚀下三种不同水灰比砂浆中宏电流随时间变化的规律。研究发现，阳极刚开始锈蚀以后，大约经过10d到20d宏电流增大到最大值，然后到达一个稳定的平台，说明此时宏电流主要开始受阴极反应控制，后期受腐蚀产物的影响，电流开始降低。
　　(3)通过ETH大学阳极梯系统研究了同一阳极不同阴极之间宏电流的变化规律。研究表明，随着阴极周围氧气的降低和阴极与阳极距离的增大，宏电流最大值降低了65％左右。
　　(4)基于交流阻抗技术，利用已知电阻率的0.01mol/L的KC1溶液，确定了宏电池传感器相邻两个阴极的几何尺寸系数k为0.1878cm。利用宏电池传感器作为电阻率测试单元，测试了砂浆电阻率的变化。结果表明随着湿度和氯离子浓度的增加，电阻率逐渐降低(5)对胶州湾海底隧道中应用的23个德国阳极梯系统进行数据采集，测试显示宏电流基本为0，表明处于混凝土保护层不同深度的阳极均未锈蚀。同时，对埋置在混凝土试件(暴露在海洋大气区)中的宏电池组进行了原位测试，结果表明宏电池传感器对实际环境中氯离子侵入也能较好的响应。