混凝土受氯鹽侵蝕過程的實時監(jiān)測技術(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程的實時監(jiān)測技術(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，提出一種通過埋入氯離子傳感器對混凝土受氯鹽侵蝕過程進(jìn)行實時監(jiān)測的新思路。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：TU76113文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：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)計要求而過早破壞，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)計各種氯鹽的侵入是

6、引起鋼筋銹蝕的最主要原因[31。混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕的可能性與銹蝕速率會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、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混凝土進(jìn)行現(xiàn)場取樣，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、操作過程繁雜

7、、屬于破損型測試，在一些重大工程中無法應(yīng)用。因此，如果在混凝土中預(yù)埋一種長效性的氯離子傳感器將可實現(xiàn)收稿日期：2009—0828基金項目：高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目f20070213036)；國家自然科學(xué)基金資助項目(50878068)作者簡介：高小建(1976一)，男，陜西白水人，副教授，e—mail：xjgao2002@yahooeomen對混凝土受氯鹽侵蝕過程的實時、在線監(jiān)測，這將是混凝土耐久性領(lǐng)域中的一個新的研究方向。根

8、據(jù)國內(nèi)外最新研究資料和理論分析，可能實現(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，在滴定終點處Cl一與Ag摩爾數(shù)一樣，AgC1沉淀物呈乳白色。超過滴定終點時，過量鯫吸附~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)即可實現(xiàn)混凝土內(nèi)部Cl一濃度的測量。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)波長的漂移、顏色調(diào)制或是強(qiáng)度調(diào)制，設(shè)置檢測濃度的閾值點。在閾值點光學(xué)信號將有明顯的改變，從而提供報警指示。此方法的優(yōu)點是操作簡便，檢測迅速。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程的實時監(jiān)測技術(shù)43測試研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在Cl一離子含量超過04％的砂漿中。電極的輸出值可在較長時間(至少45個月)內(nèi)保持穩(wěn)定，但在Cl一離子含量較低的砂漿件中，其測量值隨著時間延長有所降低，這可能與水泥水化物對少量氯離子的化學(xué)固化作用有關(guān)。Montemo在實驗室將Ag／AgC1電極埋入砂漿和混凝土試件中不同深度處，測量在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、遷移過程。通過測試砂漿件中不同深度處Ag／AgC1電極相對于飽和甘汞參比電極的相對電位隨時間變化規(guī)律從而換算出不同浸泡時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)，在整個實驗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受碳化、硫酸鹽侵蝕等也會改變混凝土中堿度和離子組成，而在這些情況下Ag／AgCl~極是否還會保持長期穩(wěn)定性。目前還

12、沒有研究報道。012001008006冀004u002O234深度／cm圖3不同浸泡時間后砂漿件中氯離子濃度分布32參比電極的選擇Ag／AgC1電極是通過電位值的變化來反映出氯離子濃度的變化，因此在測試中需要一個穩(wěn)定可靠的參比電極。目前，幾乎所有實驗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。但由于甘汞電極和銅電極等都需要電解質(zhì)溶液，它們在低溫或凍融環(huán)境條件下的工作性能無法保證，在實際混凝土工程中無法大規(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)報道。33外界因素影響與電極封裝技術(shù)針對Ag／AgC1電極應(yīng)用于實際混凝土結(jié)構(gòu)時，外界環(huán)境因素對測試結(jié)果的影響情況，溫度對氯離子測試結(jié)果的影響可通過數(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、來自海水中的溴離子等，這些離子可能會與銀離子結(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Ag／AgC1電極電位值的影響規(guī)律IJ2(圖4)。由此可見：很少量溴離子的存在就會導(dǎo)致電極測試電位的降低，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，因而可對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。最新研究表明Il1，通過在電極表面包裹一層納米級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，而尺寸較大的溴離子等陰離子則無法通過，就可消除其他離子對氯離子濃度測試結(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，薄層的長期耐久性問題也沒有研究報道，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AAgcl電位值的影響4結(jié)論