混凝土耐久性在线监测(l):混凝土电阻变化

路新瀛1 郭保林2 邵新鹏3 姜言泉3

（1．清华大学土木工程系北京100084;2．大连理工大学建设工程学部大连116024;3．山东高速集团有限公司济南250098）

摘要：利用预埋针式探头，通过监测不同深度下的混凝土电阻变化，来监测外部侵蚀介质向混凝土中的渗入情况，从而为结构的及时维修提供科学技术手段。监测结果表明：湿润环境下，如潮差区、浪溅区下部及混凝土内部深处，混凝土电阻随季节变换而呈周期性变化，显示出较强的温度依赖特性；相对干燥环境中，如浪溅区上部和大气区中的表层混凝土，混凝土电阻与温度依赖性较湿润区稍弱；混凝土表面有机涂层对混凝土电阻，特别是表层混凝土电阻影响较大，且在不同分区中的作用略有差异，其共同特点是阻碍混凝土中水分向外散失，对表层混凝土的质量提高十分有利；混凝土表面皮肤效应影响深度约为1倍最大骨料粒径。

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关键词 ：混凝土；电阻；监测

前言

混凝土结构劣化是个不可抗拒的自然现象。在结构建成后，适时的监测和及时维修是保证混凝土结构维持长期耐久的唯一手段。无论室内的混凝土耐久性研究多么深入，所建立的耐久性预测模型多么复杂，都无法取代原位监测技术及其对实际结构耐久性保障的贡献。因此，积极发展混凝土耐久性原位监测技术是极其重要的。

混凝土的劣化反应均需水的参与，而混凝土中的水分变化会直接影响其电阻变化。因此，通过监测混凝土电阻变化即可间接推测混凝土内部变化。对于固定的监测部位和相对稳定的环境，如海上大桥的下部结构、桥面铺装层等，通过监测混凝土电阻变化即可知道外界海水或除冰盐是否向混凝土内部进行了渗入。如果能够控制外部腐蚀介质不渗至第一层钢筋，即可保证表层混凝土的质量，从而保证混凝土的长期耐久。McCarter等人憎对表层混凝土的电阻监测进行了系统研究，且相关工作仍在进行中。

有关混凝土电阻（或电阻率）测量技术的文献众多，Lataste已对此进行了较为详尽的综述，在此不再赘述。唯一需要提醒读者注意的是，本文所述的混凝土电阻变化监测主要是自混凝土表面向内不同深度下的电阻监测，与混凝土表面电阻的Wenner探针法不同，后者不适于混凝土的长期耐久性监测，本质上也不适于钢筋腐蚀判定。 下面即结合青岛海湾大桥的部分耐久性监测工作对混凝土电阻变化监测技术的原理与实践进行扼要介绍。

1测量原理

通常情况下，含水量较低的混凝土近乎绝缘体，随着外界水分的不断渗入，它由近乎绝缘体向半导体或离子导体转变，当混凝土饱水时，若其中还夹杂足够盐分，则混凝土会变为电的良导体。

如图l(a)所示，混凝土表面无裂缝时，若其所处环境相对稳定，如水下区的跨海大桥下部结构，可通过监测其保护层的电阻变化来监测外部海水向内部的渗入情况。

如图I(b)所示，混凝土表面有裂缝时，又可分为三种情况，即：(1)裂缝内部—直处于干燥状态，则裂缝两侧间的电阻呈无穷大，表现为断路状态；(2)裂缝中充满水或电解质溶液时，则该处的电阻非常低，表现为近乎短路状态；(3)而当裂缝暴露于一定湿度的外部环境时，裂缝处的电阻受外界环境湿度和温度影响，若裂缝内难以结露，则电阻较大；反之，则电阻较小，即与裂缝的宽窄、深浅、形状有密切关系。

因此，对于混凝土，无论有无裂缝，均可根据其电阻变化来监测外部介质向混凝土中的渗入深度和渗入进程，前提是需要设计出结构合理、满足监测要求的传感器，并能科学地进行布设。

2可预埋监测探头及配套监测系统

对于在役结构，目前只有德国膨胀环一种可钻孔、后安装的监测混凝土电阻变化的传感器。对于新建结构，可预埋的用于测混凝土电阻变化的探头则有多种，但多与德国阳极梯原理相同，即监测不同深度下两两电极间的电阻变化。

需要说明的是，无论是欧洲的阳极梯、圆盘电极，还是加拿大的梳状电极，均是针对钢筋腐蚀监测开发的，尽管它们也可用于外部介质的渗人过程监测，但直到现在为止也未加以重视或强调，因为，这需要重新设计电极。

为此，设计出了一种可直接埋人混凝土中来监测其保护层电阻变化的监测探头，如图2所示。该传感器由处于φlOOmm圆周上、不同高度的8对φ6mm等高黄铜电极组成。成对电极的暴露测量部分长Imm，其余表面用绝缘材料密封；测量电极对在混凝土中的埋深因被监测构件保护层厚度（或监测深度范围）不同而有差异。

混凝土的电阻测量方式按测量信号分为直流或交流电阻测量方式。需要注意的是，采用直流脉冲信号与正弦交流信号在测量技术上是不同的，根据数据采集的制式不同，即使采用高频的直流脉冲信号，多数情况下也当归于直流测量一类。因为，一般地讲，正弦交流信号通常对电极极化较小，可忽略电极表面电阻变化及其对电极／混凝土界面电阻的影响；若采用长期的单向直流脉冲，将会对电极产生累积极化，若电极材料选择不当，则严重影响测量结果的真实性；即使采用双向直流脉冲，由于极化的不可逆性，也将对测量结果产生不良影响。因此，电极的选材极为重要，土木工程中常用的不锈钢即不适于本文所述的测量场所。

3暴露构件与环境

文献[曾简要介绍了青岛海湾大桥所建立的基于在线监测技术的新一代混凝土暴露实验站及混凝土耐久性在线监测系统，详细介绍了暴露构件的混凝土配合比、尺寸、表面涂层构成、及其中的传感器布设和构件所处的腐蚀环境分区等相关信息，在此不再重复，仅在下文数据分析中进行简要介绍。

下面仅对不同分区中，有无表面涂层条件下、不同强度等级混凝土的电阻长期变化规律进行介绍。

4混凝土电阻监测结果与分析

4.1潮差区C35混凝土的电阻变化

图3~图5是潮差区中不同高程和不同深度下，C35混凝土的电阻随时间变化的典型曲线。对应电极对01—08（图示后缀、下同）的埋深依次为2mm、7mm、12mm、17mm、22mm、42mm、67mm、90mm。

由此可以看出：

(1)混凝土电阻随时间呈类似正弦波形或波浪型变化，周期为一年，10月~3月为波峰，4月~9月为波谷；电阻通常在1—2月份达到最大，在8月中旬左右达到最低，显然，这与气温变化有关；

(2)无论混凝土表面有无涂层防护，埋深22mm以下的混凝土电阻相差不大，且变化规律相同，也就是说，混凝土的皮肤效应影响厚度大约为1倍最大骨料尺寸(25mm)；

(3)带涂层构件的表层混凝土（小于lOmm）电阻大多远大于相同深度下的无涂层混凝土电阻，前者有时是后者的2—8倍，说明早期涂层防护可显著提高表层混凝土的质量；

(4)带涂层混凝土中的第1对电极处（埋深2mm）混凝土电阻均高于以下埋深的电阻，而不带涂层混凝土的情形则相反，这说明，涂层可有效阻挡海水向混凝土中的渗入，而不带涂层的表层吸水现象容易让混凝土表层饱和，有利于海水的进一步渗入。

4.2浪溅区C40混凝土的电阻变化

图6和图7是浪溅区不同高程和不同深度下、C40混凝土的电阻随时间变化规律。对应电极对01—08的埋深依次为2mm、5mm、8mm、14mm、26mm、42mm、60mm、76mm。

由此可以看出：

(1)带涂层混凝土中埋深大于14mm处的混凝土电阻（图6a、图7a）、不带涂层的浪溅区的下部混凝土（图6b）或上部混凝土的最深处电阻随时间仍基本呈正弦状变化，即含水量相对较大的区域仍随气温变化而变化；

(2)对照图6a和图6b中表层混凝土的电阻大小即可看出，涂层仍然可提高表层混凝土的质量；

(3)对比图7a和图7b相同深度下的电阻值大小可知，涂层有阻碍混凝土内部水分向外散失的作用；

(4)由图6b和图7b可以看出，小于26mm埋深的数值波动大，说明混凝土的皮肤效应依然存在，影响深度仍可按1倍最大骨料计；

(5)结合图6和图7数据可以推知，尽管有无涂层时相同混凝土下的电阻值相差不大，但不带涂层的保护层混凝土，其内外水分交换相对容易，易受干湿循环的影响。

4.3大气区C50混凝土的电阻变化

图8是高程为6.Om的大气区中、C50混凝土的电阻随时间变化曲线。对应电极对01—08的埋深依次为0.5mm、3.5mm、6mm、12mm、24mm、40mm、60mm、75mm。

由此可以看出：

(1)带与不带涂层c50混凝土中相同深度下的混凝土电阻值大体相近，数据波动均较大；

(2)埋深大于24mm的带与不带涂层混凝土的电阻随时间变化仍呈近似正弦状变化，这再次说明，含水相较多的混凝土内部深处，仍会受到环境气温影响；

(3)从图8的数据波动较大即可推知，对于低渗透性的混凝土，因其内部初始含水较低，加上水分向外散失困难，故涂层的表面保护作用已显得不如在中等强度混凝土中显著。

4.4大气温湿度变化

图9是相同监测时间内的大气温、湿度变化曲线。可以看出，大气湿度在400/0~ 70%之间变化，无明显周期性；温度在-5℃—35℃之间变化，有明显周期性，即io月～4月呈现波谷状，而4月—io月为波峰状，与前面的混凝土电阻变化呈负相关关系。这与文献[3]所述规律相同。

这再次提醒人们，即使是同一混凝土构件，它在实际变温环境下的劣化行为也绝不与其在室内恒温下的劣化规律相同，因此，由短期的室内实验来预测实际结构的劣化行为是相对危险的，应将前期预测与随后的原位监测紧密结合才好。

结论

通过长期原位监测，得出以下初步结论：

(1)湿润条件下的混凝土电阻随气温变化而呈负相关的周期性变化；

(2)混凝土表面有机涂层可有效阻挡混凝土内外的水分交换，显著提高表层混凝土的电阻，从而提高混凝土的质量；

(3)从混凝土不同深度下的电阻数据可以看出，混凝土表面存在皮肤效应影响区域，其深度范围为1倍最大骨料粒径。