鋼筋銹蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降，致使結(jié)構(gòu)物破壞的最主要原因[1]。為了保證結(jié)構(gòu)物的耐久性健康狀態(tài)，必須實時掌握鋼筋的腐蝕狀況。當(dāng)結(jié)構(gòu)物耐久性不足時，及時采取必要的維修措施，提高結(jié)構(gòu)物的耐久性，保證結(jié)構(gòu)的服役安全性。

鋼筋腐蝕監(jiān)測技術(shù)是通過將監(jiān)測傳感器在混凝土澆筑時埋入混凝土內(nèi)部，實時、無損地掌握鋼筋腐蝕狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)物耐久性和服役安全性的關(guān)鍵技術(shù)。新近頒布實施的《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 （JTS 153-2015） 中明確提出：“設(shè)計使用壽命50 a以上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，對重要構(gòu)件易發(fā)生腐蝕的部位宜安裝可監(jiān)測鋼筋腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測裝置”[2]。可見，耐久性監(jiān)測技術(shù)在我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)中將得到更加廣泛的應(yīng)用。

目前，市售成熟的、并在許多工程中得到廣泛應(yīng)用的鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器是基于電化學(xué)原理的監(jiān)測技術(shù) （電化學(xué)傳感器）。本文主要回顧了鋼筋腐蝕監(jiān)測電化學(xué)傳感器的研究現(xiàn)狀，重點分析了市售成熟的電化學(xué)傳感器在實際工程應(yīng)用中存在和需要解決的問題，為采用電化學(xué)傳感器更加準(zhǔn)確的反映鋼筋的腐蝕狀況提供參考。

1 電化學(xué)傳感器研究開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 基于宏觀電偶電池原理的監(jiān)測傳感器

基于宏觀電偶電池監(jiān)測技術(shù)，一般由間距相等的多根鋼筋陽極 （鋼筋陽極在混凝土保護層中由表面到最外層鋼筋均勻布置） 和惰性陰極組成，通過測量鋼筋陽極和惰性陰極之間的電偶腐蝕電位和腐蝕電位 （相對惰性陰極） 的變化來定性地判斷鋼筋的腐蝕狀態(tài)。最為著名的是上世紀(jì)80年代末，由德國亞琛工業(yè)大學(xué)土木工程研究所研制的陽極梯 （Ladder Anode）。它由埋入混凝土的一組鋼筋段傳感器、一個陰極、一個鋼筋連接和引出結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線組成[3]。陽極梯兩側(cè)的豎桿由不銹鋼制成，并與鋼筋段絕緣，導(dǎo)線安裝在豎桿中孔內(nèi)并由樹脂固定，然后傾斜地安裝于監(jiān)測部位的混凝土保護層中，使每一鋼筋段與混凝土表面保持不同的距離 （見圖1a）。由于陰極為具有很高正電位的基本不腐蝕的金屬，當(dāng)鋼筋段發(fā)生腐蝕后，鋼筋段和陰極形成閉合回路后形成宏觀電偶電池。電偶電池的電位差越大，則電偶電流越大，從而鋼筋的腐蝕風(fēng)險也越大。基于同樣原理的耐久性監(jiān)測系統(tǒng)還有丹麥FORCE公司的CorroWatch環(huán)狀陽極監(jiān)測傳感器。它由環(huán)狀鈦金屬陰極和均勻分布在環(huán)上的4個不同高度的鋼筋陽極組成[4],如圖1b所示。這兩種傳感器也是目前應(yīng)用時間最長、應(yīng)用量最大的兩種傳感器，在國內(nèi)外的許多大型工程中得以應(yīng)用。除此之外，還有加拿大ROCKTEST公司研制的Senscore傳感器[5],如圖1c所示，因研制時間不長，該傳感器并未在工程中得到廣泛應(yīng)用。宋曉冰等[6]基于宏觀電池原理研究開發(fā)了一套鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器，傳感器由階梯狀的底座和6根分別安裝于階梯中央的電極棒組成，電極棒由陽極鋼筋棒和陰極不銹鋼管組成，不銹鋼管套在鋼筋棒的外層，鋼筋棒與不銹鋼鋼筋之間用環(huán)氧樹脂進(jìn)行填封。周志東等[7]研制了由高度不同的4組電偶對組成的鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器。不過，目前尚未查閱到這兩種傳感器在相關(guān)的工程中應(yīng)用。

圖1 宏觀電偶電池監(jiān)測傳感器

基于宏觀電偶電池原理的鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器是監(jiān)測陽極和惰性陰極之間的電偶腐蝕電流，并不是直接測量鋼筋的腐蝕速率，且測量的參數(shù)有限。為此，很多學(xué)者開始研究能直接測量鋼筋腐蝕速率且參量參數(shù)較多的多功能鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器。

1.2 基于三電極體系的監(jiān)測傳感器

通過構(gòu)建三電極體系 （鋼筋陽極、參比電極和輔助電極） 來直接監(jiān)測鋼筋腐蝕速率的多參數(shù)傳感器的研究較多[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],應(yīng)用最多的是由美國VTI公司開發(fā)出的ECI型埋入式耐久性監(jiān)測傳感器[8]。傳感器采用內(nèi)置三電極體系，監(jiān)測鋼筋的腐蝕速率和腐蝕電位。另外，傳感器內(nèi)還設(shè)置了氯離子探針和混凝土電阻率探針，可對混凝土內(nèi)部的氯離子濃度和混凝土電阻率進(jìn)行實時監(jiān)測。Duffó等[9]研制了由鋼筋陽極、參比電極、惰性陰極 （2個）、氯離子探針組成的鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器，可以監(jiān)測鋼筋的腐蝕速率、腐蝕電位、混凝土中的氯離子濃度和混凝土電阻率。Kumar等[10]研制了可以監(jiān)測鋼筋腐蝕速率、氯離子濃度和混凝土電阻率的監(jiān)測傳感器。Yu等[11]研制了參比電極、氯離子探針、pH值探針、混凝土電阻率探針和陣列陽極組成的鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器，監(jiān)測鋼筋的腐蝕速率、混凝土電阻率、pH值和氯離子濃度。湯雁冰等[12]研究開發(fā)了包含鋼筋陽極、輔助陰極、參比電極、氯離子探針和pH值探針的多功能傳感器，可以實時監(jiān)測鋼筋的腐蝕速率、腐蝕電位、氯離子濃度和pH值等參數(shù)多功能傳感器，并在港珠澳大橋、珠海高欄港等工程中得以應(yīng)用。林昌健等[5,13]研制了可以監(jiān)測鋼筋腐蝕速率、腐蝕電位、氯離子濃度和pH值的多功能傳感器，并在甬江隧道進(jìn)行了示范工程應(yīng)用。歐進(jìn)萍等[14]研制開發(fā)了由參比電極、工作電極、輔助電極以及兩個與所監(jiān)測鋼筋同材質(zhì)的等同電極組成的鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器。Xu等[15]研制了由4個工作電極、4個參比電極和2個輔助陽極組成的鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器，可以測量鋼筋腐蝕速率和腐蝕電位，并間接估算混凝土中的氯離子濃度，在杭州灣跨海大橋進(jìn)行了示范工程應(yīng)用。Lu和Ba等[16,17]研制了兩種可以監(jiān)測鋼筋腐蝕的監(jiān)測傳感器，一種為塔形，由4根尺寸不同的陽極環(huán)和1個Ti/MMO陰極網(wǎng)組成，通過與參比電極配套使用，監(jiān)測不同保護層厚度陽極環(huán)的腐蝕速率和腐蝕電位，監(jiān)測鋼筋的腐蝕狀態(tài)，預(yù)測鋼筋發(fā)生腐蝕的時間。此外，他們還開發(fā)了由6根陽極、1根陰極、1個參比電極和3根氯離子探針組成的鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器。

2 電化學(xué)傳感器應(yīng)用中面臨的問題

2.1 傳感器使用壽命

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命較長，可達(dá)幾十年甚至上百年，這就要求預(yù)埋式鋼筋腐蝕監(jiān)測電化學(xué)傳感器具有較長的使用壽命。截至目前，傳感器的最長服役年限不到30 a （陽極梯傳感器），且未查閱到后期的跟蹤研究報道，傳感器能否正常運行不得而知。另外，對含有參比電極的監(jiān)測傳感器，受參比電極壽命的影響，其壽命較基于宏觀電池原理類的監(jiān)測傳感器要短一些。目前，雖然采取固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)，提高了參比電極的使用壽命，但仍無法達(dá)到與混凝土結(jié)構(gòu)同壽命。如何延長監(jiān)測傳感器的使用壽命，實現(xiàn)鋼筋腐蝕狀態(tài)的全壽命周期監(jiān)測，尚需要做進(jìn)一步的深入研究。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的解析

在混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)埋傳感器的目的就是通過傳感器測得的數(shù)據(jù)來判斷、預(yù)測鋼筋的腐蝕狀態(tài)，因此，如何對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確和合理的解析，從而準(zhǔn)確判斷鋼筋的腐蝕狀態(tài)至關(guān)重要。混凝土是個非常復(fù)雜的腐蝕系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境 （溫度、濕度） 和腐蝕區(qū)域差異 （大氣區(qū)、浪賤區(qū)、水變區(qū)和水下區(qū)、泥下區(qū)）、外部荷載不同 （應(yīng)力大小、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力）、鋼筋材質(zhì)和表面狀態(tài)的差異等，都會影響傳感器的監(jiān)測結(jié)果，給監(jiān)測數(shù)據(jù)的解析帶來巨大困難。

2.2.1 外部環(huán)境影響 混凝土結(jié)構(gòu)處于不同的地域，其周圍的溫度和濕度不盡相同，湯雁冰等[18]和何謀杰等[19]研究了溫度變化對傳感器監(jiān)測結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)溫度變化會不同程度地影響傳感器鋼筋腐蝕的監(jiān)測結(jié)果，如圖2所示。與溫度相似，環(huán)境濕度的變化也會對電化學(xué)傳感器的監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響，如圖3所示。除溫、濕度外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處不同的腐蝕區(qū)域也會對監(jiān)測的結(jié)果產(chǎn)生重大影響，圖4為某碼頭同一混凝土構(gòu)件大氣區(qū)和浪濺區(qū)陽極梯傳感器的埋入1 a時的監(jiān)測結(jié)果，可以看出：不同腐蝕區(qū)域，監(jiān)測結(jié)果差異很大。即使是同一傳感器，不同的鋼筋陽極之間測差距也較大。此外，對于可以監(jiān)測混凝土濃度和pH值的傳感器，其測量的原理都是基于能斯特方程，通過測量氯離子探針和pH值探針的電極電位來推算氯離子濃度和pH值，溫度[19]和濕度的變化同樣會影響氯離子探針和pH值探針電極電位的測量結(jié)果，從而影響氯離子濃度和pH值的監(jiān)測結(jié)果。因此，必須深入地研究外部環(huán)境的變化和不同腐蝕區(qū)域給傳感器的監(jiān)測結(jié)果帶來的影響，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行修正，從而準(zhǔn)確地判斷鋼筋的腐蝕狀態(tài)。

圖2 溫度對鋼筋腐蝕監(jiān)測結(jié)果的影響[18]

圖3濕度對鋼筋腐蝕監(jiān)測結(jié)果的影響

圖4不同腐蝕區(qū)域?qū)﹃枠O梯傳感器監(jiān)測結(jié)果的影響

2.2.2 鋼筋的影響 鋼筋的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)是影響鋼筋腐蝕行為的重要因素。傳感器中所用的鋼筋陽極的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)相對固定，而不同混凝土結(jié)構(gòu)所用的鋼筋的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)不盡相同。不僅如此，目前成熟的、國內(nèi)應(yīng)用較多的傳感器都是由國外進(jìn)口，傳感器所用的鋼筋的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)與國內(nèi)的鋼筋存在差異，導(dǎo)致傳感器監(jiān)測的結(jié)果不能真實反映鋼筋實際的腐蝕狀態(tài)。湯雁冰等[20]研究了在混凝土模擬孔液中國外傳感器 （陽極梯和ECI-2） 所用的鋼筋與國內(nèi)普通Q235鋼的差異，結(jié)果表明：在鋼筋的點蝕臨界氯離子濃度和點蝕后的腐蝕速率上，兩種監(jiān)測傳感器所用的鋼筋陽極與國內(nèi)Q235鋼存在差異。因此，如何利用傳感器的監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確反映和判斷不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的鋼筋的腐蝕狀態(tài)，需要進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。

2.2.3 應(yīng)力的影響 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中均會受不同程度的應(yīng)力作用，應(yīng)力作用會誘發(fā)鋼筋發(fā)生點蝕，加速鋼筋的腐蝕速率[21]。而傳感器的尺寸較小，傳感器中的鋼筋陽極受到的應(yīng)力大小與實際鋼筋的并不一致，應(yīng)力的差異導(dǎo)致傳感器的監(jiān)測結(jié)果無法準(zhǔn)確反映實際鋼筋的腐蝕狀態(tài)。

3 展望

近些年，鋼筋腐蝕監(jiān)測電化學(xué)傳感器在國內(nèi)的許多海港碼頭和橋梁得到應(yīng)用，如湛江港、珠海高欄港等碼頭，港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋等，隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的出臺，將會繼續(xù)在鋼筋腐蝕監(jiān)測中發(fā)揮更加重要的作用，為了使鋼筋腐蝕監(jiān)測技術(shù)能更加準(zhǔn)確地反映鋼筋的腐蝕狀況，為混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性壽命預(yù)測評估提供更真實的數(shù)據(jù)，需要從以下三個方面做進(jìn)一步的深入研究：

（1） 傳感器的壽命延長技術(shù)研究，使傳感器的使用壽命達(dá)到與混凝土結(jié)構(gòu)同壽命，實現(xiàn)鋼筋腐蝕的全壽命周期監(jiān)測；

（2） 傳感器的數(shù)據(jù)分析和處理研究，研究各種因素對電化學(xué)監(jiān)測傳感器監(jiān)測結(jié)果的影響，從而準(zhǔn)確地判斷鋼筋的腐蝕狀態(tài)；

（3） 新型監(jiān)測技術(shù)的研究，研究開發(fā)精度更高、壽命更長、受外界環(huán)境和鋼筋材質(zhì)影響較小的鋼筋腐蝕監(jiān)測技術(shù)，如基于光纖傳感技術(shù)的鋼筋腐蝕監(jiān)測技術(shù)。