混凝土受氯鹽侵蝕過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

1、第41卷第1期2010年1月Vol_41No1Jan2010建筑技術(shù)ArchitectureTechnolozv41混凝土受氯鹽侵蝕過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)高小建，楊英姿，鄧宏衛(wèi)(哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150006，哈爾濱)摘要：氯鹽引起鋼筋銹蝕是導(dǎo)致目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的主要因素，提出一種通過(guò)埋入氯離子傳感器對(duì)混凝土受氯鹽侵蝕過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的新思路。論述兩種埋入式氯離子傳感器的基本原理，并著重分析電極型氯離子傳感器的最新研究進(jìn)展

2、，提出目前存在問(wèn)題及下一步研究方向。關(guān)鍵詞：混凝土：氯離子：傳感器中圖分類號(hào)：TU76113文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1000—4726(2010)01—0041—04REALTIMEMONITINGTECHNoLoGYFCHLIDEIONPERATIoNPRoCESSINTOCONCRETEGAOXiaojian，YANGYingzi，DENGHongwei(SchoolofCivilEngineering，HarbinInstitut

3、eofTechnology，150006，Harbin，China)Abstract：ChlorideinducedcorrosionofreinforcingsteelisamajorcauseofdurabilitydegradationofconcretestructuresnowadaysAnewtechniqueispresentedinthispaperthatchlorideionsensorsareembeddedinc

4、oncretefortherealtimemonitoringofchloridepenetrationprocessintoconcreteBasicprinciplesoftwoembeddablechlorideionsensorsareintroduced，thelatestresearchprogressonelectrode—typechloridesensorisemphasizedtoanalyze，andthepres

5、entproblemsandthefutureresearchdirectionsaresummarizedKeywords：concrete；chlorideion；sensor因鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能劣化，工程使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而過(guò)早破壞，造成的直接和間接損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)料，這已經(jīng)成為全世界日益關(guān)注的一大災(zāi)害和土木工程界的重大科技難題【l，習(xí)。引起混凝土鋼筋銹蝕的原因有多方面，從目前工程破壞事例統(tǒng)計(jì)各種氯鹽的侵入是

6、引起鋼筋銹蝕的最主要原因[31?；炷林袖摻畎l(fā)生銹蝕的可能性與銹蝕速率會(huì)隨著混凝土中氯離子含量的增加而增大這一基本規(guī)律是大家所公認(rèn)的。因此，控制、減輕或避免實(shí)際混凝土工程因氯鹽導(dǎo)致鋼筋銹蝕破壞的關(guān)鍵就是要及時(shí)、準(zhǔn)確掌握和控制混凝土中氯離子分布狀態(tài)。目前，普遍采用的方法是對(duì)混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，然后在高壓條件下將混凝土中孔隙溶液榨出，或?qū)⒒炷猎嚇幽ゼ?xì)，再進(jìn)行化學(xué)分析，測(cè)出Cl一在混凝土中分布情況。此方法較為成熟，但其工作量大、操作過(guò)程繁雜

7、、屬于破損型測(cè)試，在一些重大工程中無(wú)法應(yīng)用。因此，如果在混凝土中預(yù)埋一種長(zhǎng)效性的氯離子傳感器將可實(shí)現(xiàn)收稿日期：2009—0828基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目f20070213036)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50878068)作者簡(jiǎn)介：高小建(1976一)，男，陜西白水人，副教授，e—mail：xjgao2002@yahooeomen對(duì)混凝土受氯鹽侵蝕過(guò)程的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)，這將是混凝土耐久性領(lǐng)域中的一個(gè)新的研究方向。根

8、據(jù)國(guó)內(nèi)外最新研究資料和理論分析，可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有兩類傳感器：光纖氯離子傳感器和Ag／AgC1OE極型氯離子傳感器。1光纖氯離子傳感器它是將分析化學(xué)中的Fajans方法與光纖傳感技術(shù)相結(jié)合，定量檢測(cè)氯離子濃度的一種新技術(shù)_5，61。其基本原理是~]AgNO3溶液滴定Cl一時(shí)，在滴定終點(diǎn)處Cl一與Ag摩爾數(shù)一樣，AgC1沉淀物呈乳白色。超過(guò)滴定終點(diǎn)時(shí)，過(guò)量鯫吸附~JZAgC1表面上，帶凈正電荷，吸附二氯熒光后，沉淀物轉(zhuǎn)為粉紅色。因此，利

9、用沉淀物色度隨Cl濃度變化的關(guān)系f乳白色與粉紅色間的轉(zhuǎn)換)，結(jié)合光纖傳感技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)部Cl一濃度的測(cè)量。具體的做法是在光纖傳感端面安置熒光分子和硝酸銀溶液，通過(guò)多孔膜或是溶膠凝膠化合物滲透氯離子，利用分析化學(xué)的指示劑的顯色反應(yīng)或是熒光物質(zhì)波長(zhǎng)的漂移、顏色調(diào)制或是強(qiáng)度調(diào)制，設(shè)置檢測(cè)濃度的閾值點(diǎn)。在閾值點(diǎn)光學(xué)信號(hào)將有明顯的改變，從而提供報(bào)警指示。此方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)迅速。氯離子一般能夠引起腐蝕的濃度為600～900I~g／m

10、L，而這種方法可2010年1月高小建，等：混凝土受氯鹽侵蝕過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)43測(cè)試研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在Cl一離子含量超過(guò)04％的砂漿中。電極的輸出值可在較長(zhǎng)時(shí)間(至少45個(gè)月)內(nèi)保持穩(wěn)定，但在Cl一離子含量較低的砂漿件中，其測(cè)量值隨著時(shí)間延長(zhǎng)有所降低，這可能與水泥水化物對(duì)少量氯離子的化學(xué)固化作用有關(guān)。Montemo在實(shí)驗(yàn)室將Ag／AgC1電極埋入砂漿和混凝土試件中不同深度處，測(cè)量在05mo濃度的氯鹽溶液浸泡下氯離子向砂漿和混凝土中的擴(kuò)散與

11、遷移過(guò)程。通過(guò)測(cè)試砂漿件中不同深度處Ag／AgC1電極相對(duì)于飽和甘汞參比電極的相對(duì)電位隨時(shí)間變化規(guī)律從而換算出不同浸泡時(shí)間后砂漿件中氯離子濃度在砂漿件不同深度處的分布情況(圖3)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間電極具有很好的工作穩(wěn)定性。然而，由于不同使用環(huán)境中混凝土中所含氯離子濃度變化范圍較大，混凝土中溫度、濕度也隨季節(jié)和氣候變化混凝土同時(shí)受碳化、硫酸鹽侵蝕等也會(huì)改變混凝土中堿度和離子組成，而在這些情況下Ag／AgCl~極是否還會(huì)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性。目前還

12、沒(méi)有研究報(bào)道。012001008006冀004u002O234深度／cm圖3不同浸泡時(shí)間后砂漿件中氯離子濃度分布32參比電極的選擇Ag／AgC1電極是通過(guò)電位值的變化來(lái)反映出氯離子濃度的變化，因此在測(cè)試中需要一個(gè)穩(wěn)定可靠的參比電極。目前，幾乎所有實(shí)驗(yàn)室研究中都采用了飽和甘汞電極為參比電極【89]，但是甘汞電極的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能直接埋人混凝土中使用；美國(guó)斯坦福研究院的Watters博士等人曾研制出以Cu／CuS0為參比電極的氯離子傳感器ll

13、Ol，可應(yīng)用于海洋環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)中進(jìn)行遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)。但由于甘汞電極和銅電極等都需要電解質(zhì)溶液，它們?cè)诘蜏鼗騼鋈诃h(huán)境條件下的工作性能無(wú)法保證，在實(shí)際混凝土工程中無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此需要研制一種適用于混凝土堿性環(huán)境的性能穩(wěn)定的固態(tài)參比電極。目前可用于堿性環(huán)境下的固態(tài)參比電極主要有石墨電極、金屬一金屬氧化物電極、MnO電極。Muralid—haran等研究發(fā)現(xiàn)『11]，經(jīng)過(guò)特殊加工處理并用水泥基材料封裝后的MnO：電極在飽和石灰水中，模

14、擬混凝土孔溶液和實(shí)際砂漿中均具有很好的電位穩(wěn)定性和抗極化能力，其性能優(yōu)于石墨電極和金屬一金屬氧化物電極，因此是一種最具潛力用于埋入式氯離子傳感器的參比電極。但是，關(guān)于這種電極受溫度、力學(xué)荷載、各種鹽類離子作用下的性能特征尚未有文獻(xiàn)報(bào)道。33外界因素影響與電極封裝技術(shù)針對(duì)Ag／AgC1電極應(yīng)用于實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，外界環(huán)境因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響情況，溫度對(duì)氯離子測(cè)試結(jié)果的影響可通過(guò)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行參數(shù)修正因此在氯離子傳感器中需要附加一個(gè)微型的溫度

15、傳感元件?；炷量紫度芤褐谐寺入x子、氫氧根外還存在多種陰離子，如硫酸鹽離子、碳酸根離子、來(lái)自海水中的溴離子等，這些離子可能會(huì)與銀離子結(jié)合影響電極的電位值。Atkins等研究了不同濃度氯鹽溶液中引入一定量溴離子對(duì)Ag／AgC1電極電位值的影響規(guī)律IJ2(圖4)。由此可見(jiàn)：很少量溴離子的存在就會(huì)導(dǎo)致電極測(cè)試電位的降低，從而使根據(jù)電位推算出的氯離子濃度值偏大。如果假設(shè)溴離子和氯離子在混凝土中遷移速率相同，則混凝土孔溶液中的溴／氯比與海水中相

16、同，因而可對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。最新研究表明Il1，通過(guò)在電極表面包裹一層納米級(jí)孔的特殊聚合物膜層進(jìn)行表面封裝，此薄層根據(jù)各離子半徑可選擇性地讓氯離子自由通過(guò)，而尺寸較大的溴離子等陰離子則無(wú)法通過(guò)，就可消除其他離子對(duì)氯離子濃度測(cè)試結(jié)果的影響。目前，這種薄膜材料的孔徑控制和成型技術(shù)難度還較大，薄層的長(zhǎng)期耐久性問(wèn)題也沒(méi)有研究報(bào)道，需進(jìn)一步深入研究。o016Br：~度／(mo~L)圖4NaCI溶液中引入不同量溴離子對(duì)AAgcl電位值的影響4結(jié)論