核電廠海工構(gòu)筑物氯鹽腐蝕耐久性監(jiān)測(cè)研究綜述
我國(guó)核電廠基本都是沿海而建,核電廠海工構(gòu)筑物,指圍護(hù)核電廠陸域的臨海護(hù)岸及在廠址海域中建造的取排水構(gòu)筑物,包括防波堤、導(dǎo)流堤、隔熱堤、暗涵、隧洞、取排水口構(gòu)筑物、取水泵房邊墻和側(cè)墻、渡槽、取排水渠道、重件碼頭、航道及臨時(shí)海工構(gòu)筑物等, 設(shè)計(jì)使用年限不宜少于 60 a。NB / T 25002—2011《 核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī) 定,海工構(gòu)筑物混凝土結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行防腐蝕耐久性 設(shè)計(jì),以保證在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的安全和正常使用, 結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)遵照 GB / T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和 JTJ 275—2019《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范 》 的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。
按照 GB / T 50476—2019,核電廠海工構(gòu)筑物地處近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境,環(huán)境類別處于Ⅲ-D 級(jí)以上, 腐蝕環(huán)境惡劣。由于長(zhǎng)期面臨強(qiáng)腐蝕性的海水環(huán)境,耐久性問(wèn)題嚴(yán)重,防腐蝕設(shè)計(jì)和維修面臨極大挑戰(zhàn)。大亞灣核電廠( 深圳市龍崗區(qū)大鵬灣畔) 的設(shè)計(jì)壽命為 40 a,于 1987 年開工建設(shè),1994 年投入運(yùn)行至今,由于長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境中,其泵房、廊道和隧道等海工構(gòu)筑物混凝土結(jié)構(gòu)已發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕問(wèn) 題。秦山核電廠(杭州灣) 已使用 15 年的泵房鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)銹蝕,國(guó)內(nèi)某核電廠運(yùn)營(yíng)不到 10 年 內(nèi)便發(fā)現(xiàn)其聯(lián)合泵房混凝土墻面出現(xiàn)裂縫、油漆破損、嵌縫材料脫落、堵洞材料和止水帶損壞等缺陷, 嚴(yán)重危及核電廠的正常運(yùn)行,造成的維修成本高達(dá)數(shù)百萬(wàn)。
針對(duì)前述核電廠海工構(gòu)筑物嚴(yán)峻的耐久性問(wèn) 題,目前提出從“ 防、控、治” 三方面采取措施:即增 加附加防腐蝕措施、實(shí)施定期檢測(cè)或耐久性監(jiān)測(cè),進(jìn) 行耐久性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè),并根據(jù)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn) 行防護(hù)治理。對(duì)防和治的措施已有充分研究,檢測(cè) 技術(shù)也趨于成熟,但對(duì)核電廠海工構(gòu)筑物的耐久性 監(jiān)測(cè)及壽命預(yù)測(cè),尚缺乏系統(tǒng)的研究和報(bào)道。本文 對(duì)核電廠海工構(gòu)筑物典型的耐久性問(wèn)題進(jìn)行概述, 對(duì)常見(jiàn)的耐久性監(jiān)測(cè)手段和基于監(jiān)測(cè)信息的壽命預(yù) 測(cè)方法進(jìn)行綜述,以期準(zhǔn)確把握當(dāng)前核電廠海工構(gòu) 筑物耐久性問(wèn)題和監(jiān)測(cè)方法的研究現(xiàn)狀,為核電廠 海工構(gòu)筑物耐久性預(yù)警診治提供方向。
一、核電廠海工構(gòu)筑物耐久性問(wèn)題概述
1.1 核電廠海工構(gòu)筑物的腐蝕類型和防腐措施
核電廠海工構(gòu)筑物常見(jiàn)的腐蝕類型包括混凝土碳化、海生物腐蝕和氯鹽腐蝕,不同腐蝕環(huán)境導(dǎo)致的耐久性問(wèn)題不同,對(duì)應(yīng)的防腐措施也不同。
碳化可導(dǎo)致海工構(gòu)筑物混凝土內(nèi)的 pH 值降低,嚴(yán)重時(shí)可引起鋼筋銹蝕,一般采用增加保護(hù)層厚 度和提高混凝土密實(shí)性作為防護(hù)措施。實(shí)際核電廠檢測(cè)中,因單純碳化引起的鋼筋銹蝕案例較為少見(jiàn), 但碳化與氯鹽侵蝕的耦合作用對(duì)鋼筋銹蝕的影響較 為明顯,且耦合機(jī)理復(fù)雜,銹蝕具有很大的隨機(jī)性。
海生物腐蝕屬于核電廠較嚴(yán)重和特殊的腐蝕, 海生物和其代謝產(chǎn)物會(huì)造成管道的堵塞,且代謝產(chǎn)生的酸會(huì)侵蝕混凝土表面,引起表面防腐蝕層的老化和破壞。目前主要采用涂層防護(hù)措施,即在混凝土表面涂覆硅烷或防腐涂料,以形成一層光滑的保 護(hù)膜,減少海生物的附著,防護(hù)效果明顯。
氯鹽腐蝕指環(huán)境中的氯離子通過(guò)滲透或擴(kuò)散作 用進(jìn)入混凝土內(nèi)部,到達(dá)鋼筋表面,累積達(dá)到臨界氯 離子濃度后,破壞鋼筋表面的鈍化膜并形成腐蝕電 池,導(dǎo)致鋼筋銹蝕。對(duì)潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的橋墩、承臺(tái)、碼頭、取排水構(gòu)筑物,氯鹽腐蝕較為嚴(yán)重。氯離子在破壞鋼筋鈍化膜的同時(shí),還可促進(jìn)鋼筋腐蝕的 電化學(xué)進(jìn)程,起到催化和導(dǎo)電的作用,且在腐蝕過(guò)程中氯離子并不減少。因此,氯鹽侵蝕環(huán)境下的鋼筋銹蝕比碳化引起的鋼筋銹蝕要快,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害也更大。氧含量、水分含量和溫度均會(huì)影響氯鹽腐蝕的速率,目前主要采用表面附加防腐涂層、附加陰極保護(hù)或使用不銹鋼鋼筋等防護(hù)措施。
我國(guó)的核電廠主要在沿海布局,氯鹽腐蝕在上述三種腐蝕類型中最為嚴(yán)重也最難控制,如果疏于防控,其導(dǎo)致的鋼筋銹蝕,混凝土開裂、分層和剝落,將對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性造成威脅,影響核電廠設(shè)計(jì)使用期內(nèi)的正常使用,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
1.2 核電廠海工構(gòu)筑物氯鹽腐蝕現(xiàn)狀
核電廠海工構(gòu)筑物混凝土內(nèi)部為毛細(xì)孔結(jié)構(gòu), 海水、海風(fēng)和霧氣中含有的氯離子極易沉積在構(gòu)筑物混凝土表面,并通過(guò)滲透和擴(kuò)散作用向混凝土內(nèi)部遷移,一旦鋼筋表面累積氯離子濃度超過(guò)了臨界值,就會(huì)破壞鋼筋表面的鈍化膜引起鋼筋銹蝕。海洋環(huán)境下鋼筋銹蝕產(chǎn)物的體積是鋼筋體積的 2. 9 ~ 3. 2 倍,極大地危害了與核安全相關(guān)的構(gòu)筑物的安全性和耐久性 。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn), 如 ACI 201. 2R—2016 、 GB / T 50476—2019 、JTJ 275—2019 等的相關(guān)規(guī) 定,核電廠海工構(gòu)筑物所處氯化物環(huán)境作用等級(jí)被 劃為Ⅲ-D 級(jí)以上,氯鹽侵蝕嚴(yán)峻。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐蝕耐久性設(shè)計(jì)時(shí),通過(guò)“內(nèi)增外防” 加強(qiáng)核電廠建設(shè) 的設(shè)計(jì)選材和前期防腐措施,以保證在設(shè)計(jì)使用年 限內(nèi)結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。規(guī)范對(duì)核電廠海工構(gòu)筑物的防腐設(shè)計(jì)和措施規(guī)定較為完善,但實(shí)際防護(hù)的有效性難以把握?，F(xiàn)存核電廠海工構(gòu)筑物在原設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)中對(duì)混凝土防腐的重要性和必要性考慮嚴(yán)重不足,防腐措施控制不夠嚴(yán)格,經(jīng)檢測(cè)發(fā) 現(xiàn)因氯鹽侵蝕導(dǎo)致的耐久性問(wèn)題嚴(yán)重,進(jìn)行氯鹽腐 蝕的控制和管理非常必要 。
傳統(tǒng)的腐蝕控制和管理以檢測(cè)鑒定加防護(hù)治理為主,通過(guò)對(duì)混凝土中氯化物含量的現(xiàn)場(chǎng)取樣、破碎磨粉、稀釋溶解后用 AgNO3 試劑滴定來(lái)確定,該技 術(shù)成熟、工作量大、操作繁雜,且對(duì)構(gòu)件有一定的破損,通常在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯外觀損傷或大修大檢時(shí)采用,無(wú)法做到耐久性損傷的提前預(yù)警和壽命預(yù)測(cè),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)后期的維護(hù)成本增加。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu) ( IAEA)和我國(guó)國(guó)家核安全局,均發(fā)布了對(duì)核電廠海工構(gòu)筑物開展老化管理和壽命評(píng)估的規(guī)定 ,由于核電廠海工構(gòu)筑物所處環(huán)境和結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性 (高溫 / 高濕 / 碳化 / 氯鹽 / 海生物代謝酸) ,腐蝕介質(zhì)多為耦合作用,導(dǎo)致基于腐蝕機(jī)理理論模型的 壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度不高。若能在結(jié)構(gòu)中預(yù)埋或后裝可靠的監(jiān)測(cè)傳感器,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析處理,實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警和壽命預(yù)測(cè),對(duì)保證核電廠老化管理和延壽運(yùn)行期間的正常運(yùn)行具有重要意義。
二、海工構(gòu)筑物氯離子濃度監(jiān)測(cè)方法
目前對(duì)氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)的研 究,分為兩個(gè)思路:監(jiān)測(cè)混凝土保護(hù)層范圍內(nèi)腐蝕介 質(zhì)含量的變化、監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋的銹蝕情況。對(duì) 腐蝕介質(zhì)含量變化的監(jiān)測(cè),以氯離子濃度為研究對(duì) 象,常見(jiàn)的有基于電化學(xué)方法和光纖光柵法設(shè)計(jì)的 監(jiān)測(cè)傳感器,通過(guò)在鋼筋附近埋入基于電化學(xué)原理 的 Ag / AgCl 電極型氯離子傳感器,或光纖光柵傳感 器,當(dāng)鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到規(guī)定的臨界氯離子 濃度閾值時(shí),系統(tǒng)判定鋼筋有銹蝕風(fēng)險(xiǎn)并預(yù)警維修, 本節(jié)對(duì)兩種監(jiān)測(cè)思路對(duì)應(yīng)的氯離子濃度傳感器研究 現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。
2. 1 基于電化學(xué)方法的氯離子監(jiān)測(cè)傳感器
通過(guò)埋入基于電化學(xué)原理的 Ag / AgCl 電極型 氯離子傳感器,實(shí)現(xiàn)氯離子濃度的監(jiān)測(cè)。Ag / AgCl 電極與周圍介質(zhì)之間存在下列化學(xué)平衡關(guān)系:
根據(jù) Nernst 公式,在任意溫度 T,上述化學(xué)反應(yīng) 達(dá)到平衡時(shí),電極電位 E 可由下式表達(dá):
式中: E 0 Ag + / Ag 為 Ag + / Ag 標(biāo)準(zhǔn)電位,取 0. 799 1 V;R 為理想氣體常數(shù),取 8. 314 5 J·mol - 1·K - 1 ;T 為電 極所處環(huán)境溫度,K;F 為法拉第常數(shù),取 96 485 C· mol - 1 ;Ks 為 AgCl 的溶度積;a Cl - 為環(huán)境介質(zhì)中氯離 子的濃度
根據(jù)式(2) ,Ag / AgCl 電極的電位值與測(cè)量體系 的氯離子濃度的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。傳感器使用前先 通過(guò)敏感電極對(duì)離子的 Nernst 響應(yīng)得到相應(yīng)電位, 反演出電位-離子濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,然后通過(guò)傳感 器實(shí)際的電位變化,間接計(jì)算待測(cè)介質(zhì)的離子濃度, 這種傳感器目前被廣泛應(yīng)用于藥品及工業(yè)分析、環(huán) 境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
很多學(xué)者對(duì) Ag / AgCl 電極應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu) 氯離子濃度監(jiān)測(cè)的可行性進(jìn)行了大量研究,并取得 了一定的研究成果。陶德彪等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), Ag / AgCl 電極在混凝土模擬孔溶液中對(duì)氯離子濃度 的響應(yīng)良好,響應(yīng)范圍廣、電位穩(wěn)定,通過(guò)將電極埋 入混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行氯離子滲透試驗(yàn),得到了混凝 土中總氯離子含量與電極電位之間的關(guān)系,探討了 Ag / AgCl 電極埋入混凝土結(jié)構(gòu)中監(jiān)測(cè)總氯離子濃度 的可能性。Miguel 等測(cè)試了 Ag / AgCl 電極在砂 漿中對(duì)氯離子濃度的敏感性,結(jié)果表明,電極在短期 內(nèi)對(duì)氯離子的響應(yīng)良好,但在氯離子含量較少的砂 漿中,其響應(yīng)效果隨時(shí)間的延長(zhǎng)降低。Jin 等 采 用埋入式 Ag / AgCl 電極監(jiān)測(cè)了不同類型混凝土中 游離氯離子含量的變化,通過(guò)容量法測(cè)定結(jié)合態(tài)總 氯離子含量,并對(duì)氯離子在不同類型混凝土中的擴(kuò) 散機(jī)理進(jìn)行了分析。Montemor 等 通過(guò)測(cè)量在 氯鹽溶液浸泡下氯離子向砂漿和混凝土中的擴(kuò)散與 遷移過(guò)程 中 不 同 深 度 處 的 氯 離 子 濃 度, 發(fā) 現(xiàn) Ag / AgCl 電極在砂漿和混凝土試件不同深度處的監(jiān)測(cè) 效果較為穩(wěn)定。Atkins 等采用修正方法考慮 溫度對(duì) Ag / AgCl 電極測(cè)量結(jié)果的影響,并通過(guò)試驗(yàn) 確定了相關(guān)修正參數(shù)的取值。
然而,AgCl 在高堿性環(huán)境下會(huì)部分或全部轉(zhuǎn)化 為 Ag2O,從而導(dǎo)致電極失效 ,通過(guò)模擬混凝土 孔溶液中電極的浸泡試驗(yàn)表明,混凝土孔溶液中的 高堿性環(huán)境會(huì)對(duì) Ag / AgCl 電極的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大 影響,經(jīng)過(guò) 1 年的浸泡期后,有效電極的存活率不足 50%。氯離子侵入混凝土結(jié)構(gòu)引起鋼筋銹蝕是一個(gè) 漫長(zhǎng)的過(guò)程,應(yīng)致力于改善 Ag / AgCl 電極在混凝土 中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性。張鶴等[ 28] 通過(guò)粉末燒 結(jié)成型工藝制作 Ag / AgCl 氯離子傳感器,并對(duì)其在 混凝土模擬孔溶液中的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能進(jìn)行了 研究,結(jié)果表明,粉末燒結(jié)成型工藝制備的 Ag / AgCl 傳感器在混凝土模擬孔溶液中耐久性好、性能穩(wěn)定。張 劍通 過(guò) 特 殊 的 制 備 工 藝 與 組 裝 方 式, 將 Ag / AgCl 探針、MnO2 參比電極制成全固態(tài)、可埋入 式的混凝土氯離子傳感器,用來(lái)有效抵御海水中其 他干擾離子和污染物對(duì)電極的侵害,實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)參 比電極使用壽命的目的。并通過(guò)研究在不同濃度和 不同化學(xué)成分的混凝土模擬孔溶液中傳感器的電位 響應(yīng)、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性,初步證明了其應(yīng)用于不同配 合比混凝土結(jié)構(gòu)原位監(jiān)測(cè)的可行性。雖然厚膜技術(shù) 可實(shí)現(xiàn)小型化、堅(jiān)固和穩(wěn)定的長(zhǎng)期傳感器制作,但其 成本相對(duì)較高。王翠翠 將全固態(tài)氯離子傳感器埋入不同氯鹽含量的混凝土中,并對(duì)其電化學(xué)性 能及在不同外界環(huán)境條件下的工作穩(wěn)定性進(jìn)行了研 究,結(jié)果表明,當(dāng)荷載增加到 60% 抗壓強(qiáng)度值及以 上時(shí),或結(jié)構(gòu)遭受 20 次以上凍融循環(huán)時(shí),氯離子傳 感器的工作性能逐漸失效。因此,基于電化學(xué)方法 的氯離子濃度監(jiān)測(cè),應(yīng)繼續(xù)針對(duì)傳感器的耐久性和 長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)。
2. 2 基于光纖光柵法的氯離子濃度監(jiān)測(cè)傳感器
采用光纖光柵法測(cè)試混凝土中的氯離子濃度, 是將分析化學(xué)中的 Fajans 沉淀滴定法與光纖傳感 技術(shù)相結(jié)合,在光纖傳感器端面安置熒光分子和硝 酸銀溶液,通過(guò)多孔膜或特殊化合物滲透氯離子,利 用分析化學(xué)中指示劑的顯色反應(yīng)或熒光物質(zhì)波長(zhǎng)的 漂移、顏色調(diào)制或強(qiáng)度調(diào)制,當(dāng)傳感器在設(shè)置的檢測(cè) 濃度閾值的光學(xué)信號(hào)有明顯改變時(shí),自動(dòng)報(bào)警。
近年來(lái)基于光纖光柵法用于混凝土中氯離子濃 度監(jiān)測(cè)的傳感器不斷被研發(fā)。唐福建 發(fā)明了一 種用于監(jiān)測(cè)混凝土中氯離子濃度的法珀腔式光纖傳 感器,基于法布里-珀羅干涉儀原理,通過(guò)監(jiān)測(cè)單元 陣列中不同埋設(shè)深度的傳感單元干涉光譜信號(hào)的變 化,間接監(jiān)測(cè)混凝土保護(hù)層沿深度方向的氯離子濃 度及擴(kuò)散情況,傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、強(qiáng)度 大、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),被推薦用于海洋環(huán)境下鋼筋混 凝土結(jié)構(gòu)氯離子濃度的監(jiān)測(cè)。
Wang 等研究了基于微流體的 LPFG(光纖光 柵)傳感器,當(dāng)傳感器周圍氯離子濃度到達(dá)閾值時(shí) 輸出信號(hào),但光纖在混凝土施工中易斷裂、傳感器不 具有可逆性,且無(wú)法監(jiān)測(cè)氯離子濃度的連續(xù)變化。蘇耿華 基于無(wú)芯光纖多模干涉儀的傳感原理,研 發(fā)了新型高靈敏度氯離子濃度監(jiān)測(cè)傳感器,利用無(wú) 芯光纖多模干涉儀對(duì)溫度及折射率的傳感特性,通 過(guò)在 Sagnac 干涉環(huán)內(nèi)級(jí)聯(lián)保偏光纖( PMF) 和光纖 光柵( LPFG) 結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和氯離子濃度的 雙參測(cè)量,通過(guò)加速腐蝕試驗(yàn),驗(yàn)證了無(wú)芯光纖多模 干涉儀對(duì)氯離子濃度高靈敏度傳感的可行性,但由 于混凝土凝固時(shí)不可預(yù)測(cè)的應(yīng)力、裂縫或滑動(dòng)等變 化,腐蝕試驗(yàn)第 11 天時(shí),被監(jiān)測(cè)峰的波長(zhǎng)發(fā)生了跳 變,未來(lái)尚需對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)封裝開展大量的試驗(yàn) 研究。
前述氯離子濃度監(jiān)測(cè)傳感器在實(shí)驗(yàn)室中效果尚 可,但由于實(shí)際環(huán)境中混凝土澆筑的不確定性,傳感 器成活率相對(duì)較低,監(jiān)測(cè)效果和輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、 穩(wěn)定性都有待驗(yàn)證。其中 Ag / AgCl 電極型氯離子 傳感器的電極壽命在 5 ~ 10 a,有些處于惡劣環(huán)境下的電極壽命只有 1 ~ 2 a ,光纖光柵氯離子傳感 器監(jiān)測(cè)的范圍通常比較窄,對(duì)混凝土中氯離子濃度 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的適用性有待提高 。Jin 試探性的利 用石墨烯 / 水 泥 復(fù) 合 材 料 的 電 導(dǎo) 率 變 化 來(lái) 監(jiān) 測(cè) 混 凝土中氯離 子 的 含 量,為 氯 離 子 濃 度 監(jiān) 測(cè) 提 供 了 新的研究 思 路,但 荷 載、溫 濕 度 變 化、碳 化 等 因 素 對(duì)監(jiān)測(cè)效 果 的 影 響 尚 未 考 慮?？?之,研 發(fā) 在 混 凝 土中長(zhǎng)期耐久、穩(wěn)定可靠、精確度高的氯離子濃度 監(jiān)測(cè)傳感器,仍是未來(lái)的研究方向。同時(shí),針對(duì)原 設(shè)計(jì)使用壽命 30 a 或 40 a 的既有核電廠海工構(gòu)筑 物延壽需求,研 發(fā) 后 裝 式 氯 離 子 濃 度 監(jiān) 測(cè) 傳 感 器 具有重要意義。
三、海工構(gòu)筑物鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法
前述氯離子濃度傳感器的監(jiān)測(cè)原理是,當(dāng)鋼筋 表面氯離子濃度達(dá)到規(guī)定的臨界閾值時(shí),監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 判定鋼筋有銹蝕風(fēng)險(xiǎn)并預(yù)警,這就要求臨界閾值是 一個(gè)確定性的值。然而,實(shí)際中不同環(huán)境條件不同 混凝土狀態(tài)下的臨界閾值不確定性非常大,即使氯 離子濃度的監(jiān)測(cè)是準(zhǔn)確可靠的,判斷鋼筋附近氯離 子濃度達(dá)到臨界閾值的時(shí)間也不一定可靠,即預(yù)警 時(shí)并不意味著鋼筋一定銹蝕。Glass 等給出了用 灰度表示的鋼筋初始銹蝕風(fēng)險(xiǎn)圖,見(jiàn)圖 1。由圖可 知,高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的臨界氯離子濃度閾值范圍很 寬,通過(guò)監(jiān)測(cè)氯離子濃度來(lái)確定鋼筋銹蝕的準(zhǔn)確率 較低。直接監(jiān)測(cè)混凝土中的鋼筋銹蝕,是一個(gè)更有 效的思路。
圖 1 鋼筋初銹風(fēng)險(xiǎn)
3. 1 基于宏電池電流法的梯形陽(yáng)極監(jiān)測(cè)傳感器
通過(guò)在保護(hù)層不同深度下預(yù)埋陽(yáng)極,并與陰極 形成宏電池,以宏電流的改變確定不同深度處陽(yáng)極 的腐蝕狀態(tài)和腐蝕時(shí)間,并以此來(lái)預(yù)測(cè)混凝土內(nèi)鋼 筋的初始銹蝕時(shí)間。針對(duì)新建和既有的混凝土結(jié) 構(gòu),由安裝時(shí)間和傳感器形式的不同,可分為預(yù)埋式 和后裝式梯形陽(yáng)極監(jiān)測(cè)傳感器。
1)預(yù)埋式梯形陽(yáng)極監(jiān)測(cè)傳感器。在混凝土結(jié) 構(gòu)保護(hù)層范圍內(nèi),按不同深度埋入多個(gè)脫鈍傳感器, 每個(gè)傳感器均勻分布于混凝土表面至鋼筋的保護(hù)層 范圍,利用一組脫鈍前鋒面到達(dá)多個(gè)不同深度傳感 器的時(shí)間,建立脫鈍發(fā)展進(jìn)程數(shù)學(xué)模型,通過(guò)外推計(jì)算得到鋼筋初始銹蝕時(shí)間。代表產(chǎn)品有: 德國(guó) SENSORTEC GMBH 公司推出的以亞琛工業(yè)大學(xué)土木 工程研究所研發(fā)的以 Anoden-Leiter-System 為雛形的 Sensortec 陽(yáng)極梯、丹麥 FORCE 公司推出的基于 Nagel-System 的 Corrowatch 預(yù) 埋 式 銹 蝕 監(jiān) 測(cè) 傳 感 器 、英國(guó) BAC 公司推出的 Corrosion Control Ltd 梯 形探頭。通過(guò)測(cè)量陽(yáng)極梯不同陽(yáng)極對(duì)陰極的開路 電位和短路電流、兩相鄰陽(yáng)極間的電阻率值以及混凝 土溫度,來(lái)表征陽(yáng)極銹蝕發(fā)展過(guò)程。預(yù)埋式陽(yáng)極梯被 廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的橋梁、港口和隧道工程,如丹麥 Sallingssund 跨海大橋、澳洲墨爾本港、廈門翔安海底 隧道、港珠澳大橋、蘇通大橋、湛江港、長(zhǎng)江隧道等。FORCE 公司指出,在安裝 Corrowatch 預(yù)埋式銹蝕監(jiān) 測(cè)傳感器的 14 后,所有傳感器仍然工作良好 。
2)后裝式梯形陽(yáng)極監(jiān)測(cè)傳感器。對(duì)于既有的 重要基礎(chǔ)設(shè)施,為了跟蹤混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性情況, 德國(guó)亞 琛 工 業(yè) 大 學(xué) 研 發(fā) 了 膨 脹 陽(yáng) 極 環(huán) ( Expansion Ring Anodes)監(jiān)測(cè)傳感器,監(jiān)測(cè)原理同 Sensortec 陽(yáng) 極梯。丹麥 FORCE 公司研發(fā)了 CorroRisk 后裝式銹 蝕監(jiān)測(cè)傳感器,將陽(yáng)極探頭后裝于混凝土保護(hù)層的 不同深度,監(jiān)測(cè)原理同 Corrowatch 預(yù)埋式銹蝕監(jiān)測(cè) 傳感器,同屬于 Nagel-System 系統(tǒng),用于既有混凝土 結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕的監(jiān)測(cè)(圖 2) 。膨脹陽(yáng)極環(huán)用于水下 時(shí),水可能會(huì)聚集在陽(yáng)極位置,故不適合在水下或水 表面的結(jié)構(gòu)中使用。膨脹陽(yáng)極環(huán)和 CorroRisk 后裝 式銹蝕監(jiān)測(cè)傳感器廣泛應(yīng)用于歐洲橋梁、港口和建 筑工程,如路德維希港拉索斯中心停車場(chǎng)、挪威國(guó)防 部海洋結(jié)構(gòu)研究所、丹麥的 Sallingssund 跨海大橋、 Hundigevej 公路橋、Humleh??jbadet S??nderborg 室內(nèi)游 泳池、Bernstoffslund 隧道、挪威的 S??rstraumen 跨海大 橋、克羅地亞的杜布羅夫尼克 Dubrovinik 大橋等。
無(wú)論是預(yù)埋式,還是后裝式梯形陽(yáng)極監(jiān)測(cè)傳感器,陽(yáng)極的高度均可根據(jù)工程需要進(jìn)行調(diào)整,混凝土 結(jié)構(gòu)在氯離子侵蝕作用下,鋼筋脫鈍前鋒面將會(huì)隨 著時(shí)間增長(zhǎng)從澆筑完成的結(jié)構(gòu)表面向著鋼筋埋置梯 度方向推進(jìn),依據(jù)到達(dá)不同深度傳感單元的脫鈍時(shí) 間建立脫鈍發(fā)展數(shù)學(xué)模型,繼而推斷鋼筋初始銹蝕 時(shí)間,原理如圖 2 所示。
圖 2 CorroRisk 后裝式鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)原理
3. 2 基于犧牲鋼筋替代材料腐蝕的監(jiān)測(cè)傳感器
基于犧牲鋼筋替代材料腐蝕的監(jiān)測(cè)傳感器,是 在所要監(jiān)測(cè)的鋼筋附近,采用相似替代材料加光纖 傳感器或成像探頭的形式研制,當(dāng)替代材料腐蝕時(shí), 傳感器輸出信號(hào)并預(yù)警鋼筋有腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
Wang發(fā)明了一種基于鋼盤腐蝕反射光的光 纖探頭傳感器,通過(guò)在探頭的另一端焊接一個(gè) 1 mm 厚的鋼盤,作為替代材料監(jiān)測(cè)腐蝕環(huán)境中鋼筋的銹 蝕,目前僅在鹽溶液中進(jìn)行過(guò)腐蝕試驗(yàn),探頭反射光 強(qiáng)度的變化與鋼盤的腐蝕程度相關(guān)性較好。Ramani 等提出了帶有犧牲金屬箔的成像探頭傳感器,將 光學(xué)探針和金屬箔內(nèi)表面封裝并埋置在混凝土中的 鋼筋附近,用金屬箔的腐蝕等效替代所監(jiān)測(cè)鋼筋的 腐蝕并提前預(yù)警。當(dāng)鋼筋周圍的氯離子濃度達(dá)到臨 界氯離子濃度閾值時(shí),金屬箔開始腐蝕,傳感器成像 探頭可以捕捉到金屬箔表面的腐蝕和未腐蝕區(qū)域, 如圖 3 所示。
圖 3 金屬箔探頭腐蝕成像圖(陰影為腐蝕區(qū)域)
由于此類傳感器的工作原理是替代材料的腐蝕,不會(huì)像電化學(xué)傳感器那樣受到溫度、濕度等復(fù)雜 環(huán)境的影響,對(duì)腐蝕信息的捕捉較為穩(wěn)定,未來(lái)可考 慮在核電廠海工構(gòu)筑物的腐蝕監(jiān)測(cè)中應(yīng)用,但需對(duì) 此類傳感器的可重復(fù)性和耐久性做進(jìn)一步研究。
四、結(jié)束語(yǔ)
1)核電廠海工構(gòu)筑物常見(jiàn)的耐久性腐蝕類型 包括混凝土的碳化、海生物腐蝕和氯鹽腐蝕,其中以 氯鹽腐蝕最為嚴(yán)重也最難控制。針對(duì)氯鹽腐蝕,核 電廠海工構(gòu)筑物可采用的耐久性監(jiān)測(cè)方式有兩種: 對(duì)混凝土內(nèi)氯離子濃度的監(jiān)測(cè)和對(duì)混凝土內(nèi)鋼筋銹 蝕的監(jiān)測(cè)。
2)由于混凝土實(shí)際澆筑的不確定性,對(duì)混凝土 內(nèi)氯離子濃度的監(jiān)測(cè)采用的傳感器成活率相對(duì)較 低,監(jiān)測(cè)效果和輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性有待驗(yàn) 證。研發(fā)混凝土中長(zhǎng)期耐久、穩(wěn)定可靠、精確度高的 氯離子濃度監(jiān)測(cè)傳感器,仍是未來(lái)的研究方向。
3)研發(fā)適用于國(guó)內(nèi)鋼筋材質(zhì)的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè) 傳感器,并考慮復(fù)雜環(huán)境作用對(duì)傳感器輸出信號(hào)的 影響,對(duì)其在核電領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有很高的價(jià)值。
五、夢(mèng)能科技
夢(mèng)能科技是一家致力于涂料的銷售、方案設(shè)計(jì)、涂裝施工為一體的科技公司，夢(mèng)能科技專長(zhǎng)于EMI行業(yè)、工業(yè)裝備制造、橋梁鋼結(jié)構(gòu)、石油石化、特種氣體行業(yè)、火電、風(fēng)電、水電能源行業(yè)等重防腐領(lǐng)域。夢(mèng)能科技為廣大用戶提供全方位的服務(wù)，包括在設(shè)計(jì)階段向您推薦合理的油漆配套方案，在合作當(dāng)中提供高質(zhì)量的產(chǎn)品和高水平的施工服務(wù)以及完善的現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)指導(dǎo)與優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)。
