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  混凝土结构腐蚀监测技术的发展与应用
 
发 布 者:dt1718  添 加 时 间:2012/10/19  点 击 数:2926 

 
摘要:近年来,中国建设了许多让世界惊叹的大型基建工程。如何保证工程质量,成就“百年工程”成了大家关心的问题。混凝土耐久性是保证工程质量的一个重要因素,经过多年的技术发展,混凝土在一般环境下的耐久性得到了保障,但是在一些复杂恶劣环境,容易发生腐蚀情况,降低混凝土使用性能,结构达不到设计的使用寿命。如果可以对混凝土结构进行腐蚀监测,及时针对腐蚀情况进行耐久性再设计,就有助于延长结构的使用寿命。在欧洲,早在上世纪八十年代末就开始研发腐蚀监测系统,并对重要的或者难以检测的混凝土结构进行腐蚀监测,根据腐蚀数据采取相应的腐蚀修复措施或者腐蚀防护等耐久性再设计。近年来,腐蚀监测系统也逐渐在我国的重点工程得到应用,如厦门翔安海底隧道等。本文将主要介绍目前腐蚀监测系统的技术原理,发展以及工程应用。
关键词:混凝土结构  耐久性  钢筋脱钝  腐蚀监测  
 
1.概述
    混凝土自问世以来,其坚固耐用的特点一直被世人认同,是土木工程建设中一种非常普遍的材料,每年全球估计有近百亿立方的浇筑量。上世纪七十年代开始,逐渐发混凝土结构出现过早破坏现象,引起学术界对混凝土耐久性研究的重视,专家们努力研究混凝土结构腐蚀失效和提高混凝土结构耐久性。引起混凝土破坏失效的主要原因有钢筋腐蚀、混凝土碳化、碱基料反应、冻融破坏等,其中以钢筋腐蚀的危害最为严重。为了提高钢筋混凝土结构的耐久性,抗腐蚀能力,以往国内一般通过改善混凝土配方,采用阴极保护装置,采用表面保护等措施来阻止有害物质如水分,空气,氯离子等有害介质的进一步侵入。我国沿海地区建成或者在建拟建许多大型的基建项目,如杭州湾大桥、厦门翔安隧道、港珠澳大桥等,都提出了百年工程的口号,但是在恶劣的工程环境中,这些海工混凝土结构的耐久性能否过关,工程寿命能否达到设计要求,是摆在我们面前的现实难题。为了最大限度的避免和早期发现钢筋腐蚀的发生和发展,可以考虑在这些大型工程上采用可持续监测钢筋腐蚀技术,精确测量混凝土中早期的腐蚀信息,在钢筋腐蚀之前采取有效的防腐措施,这比钢筋腐蚀后再采取防腐措施费用更低,防腐效果也更好。
2.腐蚀原理
金属表面与周围介质发生化学变化及电化学作用而遭到的破坏,叫做金属的腐蚀。钢筋腐蚀有两大类,分别是化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀过程没有电子的流动,只是腐蚀现象的一小部分。钢筋表面与介质如湿空气,电解质溶液等发生电化学作用而引起的腐蚀就是电化学腐蚀,这个腐蚀过程中有电子的流动。钢筋的绝大部分腐蚀都属于电化学腐蚀。钢筋腐蚀的几个必要条件:1.存在共轭阴极;;2.钢筋的钝态膜被破坏;3.存在侵蚀条件。如图1所示,
图1 混凝土结构的腐蚀环境
混凝土是一种高碱性环境(PH值约在13左右),钢筋在这种环境下表面形成钝态膜,因此其腐蚀速率非常低。但是当钢筋混凝土被Clˉ污染时,如海洋环境或者桥梁结构冬季洒除冰盐后,Clˉ通过混凝土表面的空隙逐渐扩散至钢筋表面,Clˉ可以破坏钢筋的表面钝性,钢筋由钝态转为活性态,当钢筋脱钝后,如果还存在侵蚀条件,则钢筋阳极处就失去电子生锈,钢筋进入腐蚀阶段。钢筋的腐蚀产物多为Fe3O4等氧化物,其体积远远大于产生这些产物的钢的体积,因此产生了内应力,使混凝土开裂。钢筋混凝土腐蚀的另外一个原因是酸性物质(如CO2)的渗入,识得孔隙液的PH值降低,当PH值降至12.5时,加之Clˉ的作用,腐蚀以较快的速度发生。混凝土耐久性下降,强度退化可分为几个阶段,见图2,
图2混凝土结构的强度退化示意图
以阳极脱钝开始失去电子生锈的时间T为分界点。因此,如果我们可以通过一种手段,可以精确测试阳极开始失去电子生锈的时间,对于我们进行腐蚀修复设计与施工就显得尤为重要。国内目前主要依靠实验室快速试验获取的参数以及现场同条件构件破损或者无损试验结构间接推断这个时间,但由于各种原因,这个时间推断的精度就难以保证,而且存在无法动态反馈的缺点。如果在混凝土结构内部埋入能监测整个脱钝过程的传感器,动态地、长期地获得脱钝的进展情况及一些关键参数的信息反馈,那么就可以精确预报腐蚀开始的时间。我们知道,新浇混凝土的脱钝前锋线位于混凝土表面,随着时间的推演,脱钝前锋线将穿过保护层向钢筋方向推进。那么,在混凝土结构保护层范围内,按不同深度埋入多个脱钝传感器,每个传感器分布于混凝土表面到达钢筋的保护层上,就可以利用一组脱钝前锋线道道多个不同深度传感器的时间,建立前锋面发展进程的数学模型,从而可以推算出钢筋脱钝的时间,这个时间值T能够不断得到动态修正。如果T小于设计年限,就可以对结构进行耐久性再设计,及时启动腐蚀保护预案,并继续对前锋面进行监测,以确认腐蚀保护措施的效果。如果采取措施后,T仍小于设计年限,那么在工程进入腐蚀阶段前仍有机会采取相应的补救措施。
 
3.腐蚀检测系统的研究与应用
3.1预埋式腐蚀监测系统
世纪80年代末,欧洲开始研发腐蚀监测系统,其中有德国S+R SensorTech公司的梯形阳极混凝土结构预埋式腐蚀监测传感系统(Anoden-Leiter-Sysetem,图3)和丹麦的FORCE Technology公司的环形多探头阳极混凝土结构腐蚀监测系统(Nagel-System,图4),这两个系统在欧洲及非洲很多大型混凝土结构工程中得到了很好的应用。两者的共同原理都是把传感器安装在结构内部,根据不同高度的阳极的脱钝       图3 Anoden-Leiter-Sysetem系统                        
腐蚀情况来提前预警钢筋的腐蚀时间。
下面以丹麦FORCE Technology公司的Nagel-System腐蚀监测系统为例,详细介绍一下这类系统。
图4  Nagel-System腐蚀监测系统
Nagel-System腐蚀监测系统由数据采集仪,CorroWatch腐蚀传感器,ERE20参比电极组成。CorroWatch腐蚀传感器是一个多探头传感器(图5),由四个处于不同高度的阳极(黑钢材质)和一个阴极(钛网)以及互连的引出结构的导线组成,在传感器基座还内置了一个温度传感器,能够测量钢筋短腐蚀各阶段的电学参数及温度数据。
图5 CorroWatch多探头腐蚀传感器
传感器基座固定在主钢筋网上面(必须用绝缘材料与钢筋段绝缘),位于混凝土保护层中,四个阳极朝向腐蚀可能发生的方向,即钢筋脱钝前锋线,并处于混凝土表面以下不同的深度。共同阴极由涂氧化铂的钛网制成,具有很高的正电位。当脱钝前锋线推进到阳极处,阳极脱钝时,阳极与阴极的之间的回路的宏电流将发生变化,电位不同的两种金属通过导线可以构成原电池,电位差越大,则腐蚀电流越大。
处于不同电化学状态的钢筋,其腐蚀电位是不同的。钢筋在钝化时,其腐蚀电位升高,而脱钝后,其腐蚀电位降低。可以根据腐蚀电位判断钢筋的腐蚀状况。但在混凝土表面测得的腐蚀电位是不够准确的。因此,可以采用嵌入式的参比电极,但要求参比电极应该具有长期的稳定性和准确性。目前,全球使用的最多的参比电极是FORCE公司的ERE20参比电极。ERE20主要材料是二氧化锰MnO2和碱性无氯化物凝胶材料,配套CorroWatch使用,组成半电池结构,监测钢筋的腐蚀状态。
Nagel-System系统的优势在于CorroWatch传感器的工业设计,其基座是平的环形结构,很容易就可以固定在主钢筋网上,不用考虑角度的问题。阳极的高度也非常容易确定,而且高度在安装时可以调整。根据不同阳极脱钝腐蚀的时间点,可以提前预测主钢筋网开始腐蚀的时间。在宏电流测试中,要求阴阳极间距较小,否则由于混凝土电阻的影响会造成测试得到的宏电流数值较小,不容易判断钢筋腐蚀的情况。而CorroWatch传感器相比其他腐蚀监测传感器,阴阳极的间距最小,宏电流数据相对来说更容易判断。而且,由于占用空间小,预埋在混凝土中,对保护层和承载力影响不大。
相同原理的监测系统还有美国Virginia Technologies研发的ECI腐蚀监测系统(图6)和ROCKTEST公司的SENSCORE腐蚀监测系统,不过这两套系统问世不久,也没有真正的大规模应用于工程上面。
图6 美国ECI腐蚀监测系统
3.2后装式腐蚀监测系统
对于已建成的基础建设工程,为了跟踪混凝土结构的耐久性情况,还研发了相应的后装式腐蚀监测系统。德国H+R传感器公司的Speizring-Anoden-System(图7),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。丹麦FORCE Technology公司的CorroRisk(图8),由4-8个阳极和一个组合电极(钛网和ER20合成)构成,既可以用于新建混凝土结构,也可以用于已有混凝土结构,也是通过钻孔安装就位。
图7 Speizring-Anoden-System系统          图8 CorroRisk系统
3.3应用案例
欧洲的腐蚀监测系统已经发展的非常成熟,从上世纪90年代开始,腐蚀监测系统在世界各国陆续投入工程应用,涉及的工程类型主要有处于海洋腐蚀环境中的码头、隧道、桥梁、人工岛、海洋平台、甲板等重要基础设施。时至今日,全球使用了近千套的梯形阳极腐蚀监测系统和五六百套的环形多探头阳极腐蚀监测系统。影响较大的有丹麦的Buildings of the Great-Belt-Link(446套),丹麦-瑞典的Oresund-Link(249套),埃及的Monitoring of the walls of the A了Sukhna Por(71套),日本的Tunnel Project in Tokyo(15套),中国的厦门翔安海底隧道(34套)。所有的这些项目,虽然采用了两种不同的腐蚀监测系统,但是腐蚀监测系统里重要的组成部分参比电极都是采用了丹麦FORCE公司的ERE20参比电极。现在以丹麦-瑞典的Oresund-Link为例,介绍腐蚀监测系统的应用情况。The Oresund Link全长15410米,其中桥梁长7800米,隧道长3510米。桥梁的腐蚀监测系统使用了60套S+R传感器公司的梯形阳极腐蚀传感器和几十套丹麦FORCE公司的ERE20参比电极;隧道的腐蚀监测系统使用了189套丹麦FOREC公司的环形多探头腐蚀传感器(CorroWatch)和243套ERE20参比电极。隧道9个通道砌块,其中七个位置 (C1-C7): 设置了3套CorroWatch和1个ERE20.另外十个位置 (R1-R10)分别设置了2个ERE20.
 
 
 
 
3.4数据采集处理
腐蚀监测系统的数据采集可以有两种方式。第一种是实时的在线监测采集,象丹麦的FORCE Technology公司的Corrologger数据采集仪包含了数据采集器、GSM/GPRS模块、电池和太阳能电池板,可以直接接入CorroWatch、CorroRisk、ERE20以及温度、湿度传感器,实现远程在线监测。第二种是随机采集,采用专用的数据采集仪或者万用电表都可以,采集的间隔可以是一年两三次或者更长一些。另外,混凝土的温湿度、混凝土阻抗等信息也是非常重要的。结合这些数据,通过试验室试验建立数学模型来推算钢筋脱钝的时间。
4.结语
实践证明,对于大型基建工程,建立一套完善的混凝土腐蚀监测系统,可以获得混凝土耐久性下降,强度退化的关键数据,进行耐久性再设计,提前做好防腐措施。对于难以到达的结构,如水下基础,跨海桥梁基础,海底隧道等,腐蚀监测更是其他检测手段无法替代的。为了提高我国的工程质量,建设百年工程,引进腐蚀监测系统是非常有意义,也是非常必要的。也希望我们的学者能够研发自主创新的腐蚀监测系统。
 
参考文献:
1.       于伟忠,M.Raupach,欧洲钢筋混凝土结构腐蚀无损监测系统的研究与应用。2004
2.       金伟良,赵羽习,混凝土结构耐久性。科学出版社,2002.09
3.       吴建华,赵永韬,钢筋混凝土的腐蚀监测/检测.腐蚀与防护,2003.10
4.       陈爱英,陈旭庆,钢筋混凝土中钢筋腐蚀原理的研究,城市道桥与防洪,2005.01
5.       Ruth E. SØrensen, Birit Buhr ,Thomas FrØThomas , Sensoring corrosion - The Danish Way
6.       Dr. Gisli Gudmundsson,On site monitoring of high performance concrete during freeze/thaw cycles and relationship to standardized testing
   
 
   
   
 
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