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

鋼筋腐蝕監測技術是通過將監測傳感器在混凝土澆筑時埋入混凝土內部，實時、無損地掌握鋼筋腐蝕狀態，保證結構物耐久性和服役安全性的關鍵技術。新近頒布實施的《水運工程結構耐久性設計標準》 （JTS 153-2015） 中明確提出：“設計使用壽命50 a以上的鋼筋混凝土結構物，對重要構件易發生腐蝕的部位宜安裝可監測鋼筋腐蝕狀態的監測裝置”[2]。可見，耐久性監測技術在我國鋼筋混凝土結構建設中將得到更加廣泛的應用。

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

1 電化學傳感器研究開發現狀

1.1 基于宏觀電偶電池原理的監測傳感器

基于宏觀電偶電池監測技術，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。最為著名的是上世紀80年代末，由德國亞琛工業大學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構的導線組成[3]。陽極梯兩側的豎桿由不銹鋼制成，并與鋼筋段絕緣，導線安裝在豎桿中孔內并由樹脂固定，然后傾斜地安裝于監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，當鋼筋段發生腐蝕后，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，從而鋼筋的腐蝕風險也越大。基于同樣原理的耐久性監測系統還有丹麥FORCE公司的CorroWatch環狀陽極監測傳感器。它由環狀鈦金屬陰極和均勻分布在環上的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用時間最長、應用量最大的兩種傳感器，在國內外的許多大型工程中得以應用。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用。宋曉冰等[6]基于宏觀電池原理研究開發了一套鋼筋腐蝕監測傳感器，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氧樹脂進行填封。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測傳感器。不過，目前尚未查閱到這兩種傳感器在相關的工程中應用。

圖1 宏觀電偶電池監測傳感器

基于宏觀電偶電池原理的鋼筋腐蝕監測傳感器是監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，且測量的參數有限。為此，很多學者開始研究能直接測量鋼筋腐蝕速率且參量參數較多的多功能鋼筋腐蝕監測傳感器。

1.2 基于三電極體系的監測傳感器

通過構建三電極體系 （鋼筋陽極、參比電極和輔助電極） 來直接監測鋼筋腐蝕速率的多參數傳感器的研究較多[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],應用最多的是由美國VTI公司開發出的ECI型埋入式耐久性監測傳感器[8]。傳感器采用內置三電極體系，監測鋼筋的腐蝕速率和腐蝕電位。另外，傳感器內還設置了氯離子探針和混凝土電阻率探針，可對混凝土內部的氯離子濃度和混凝土電阻率進行實時監測。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測傳感器，可以監測鋼筋的腐蝕速率、腐蝕電位、混凝土中的氯離子濃度和混凝土電阻率。Kumar等[10]研制了可以監測鋼筋腐蝕速率、氯離子濃度和混凝土電阻率的監測傳感器。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測傳感器，監測鋼筋的腐蝕速率、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，可以實時監測鋼筋的腐蝕速率、腐蝕電位、氯離子濃度和pH值等參數多功能傳感器，并在港珠澳大橋、珠海高欄港等工程中得以應用。林昌健等[5,13]研制了可以監測鋼筋腐蝕速率、腐蝕電位、氯離子濃度和pH值的多功能傳感器，并在甬江隧道進行了示范工程應用。歐進萍等[14]研制開發了由參比電極、工作電極、輔助電極以及兩個與所監測鋼筋同材質的等同電極組成的鋼筋腐蝕監測傳感器。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行了示范工程應用。Lu和Ba等[16,17]研制了兩種可以監測鋼筋腐蝕的監測傳感器，一種為塔形，由4根尺寸不同的陽極環和1個Ti/MMO陰極網組成，通過與參比電極配套使用，監測不同保護層厚度陽極環的腐蝕速率和腐蝕電位，監測鋼筋的腐蝕狀態，預測鋼筋發生腐蝕的時間。此外，他們還開發了由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測傳感器。

2 電化學傳感器應用中面臨的問題

2.1 傳感器使用壽命

鋼筋混凝土結構的使用壽命較長，可達幾十年甚至上百年，這就要求預埋式鋼筋腐蝕監測電化學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測傳感器要短一些。目前，雖然采取固態電解質代替液態電解質，提高了參比電極的使用壽命，但仍無法達到與混凝土結構同壽命。如何延長監測傳感器的使用壽命，實現鋼筋腐蝕狀態的全壽命周期監測，尚需要做進一步的深入研究。

2.2 監測數據的解析

在混凝土結構中預埋傳感器的目的就是通過傳感器測得的數據來判斷、預測鋼筋的腐蝕狀態，因此，如何對測得的數據進行準確和合理的解析，從而準確判斷鋼筋的腐蝕狀態至關重要。混凝土是個非常復雜的腐蝕系統，結構物所處的環境 （溫度、濕度） 和腐蝕區域差異 （大氣區、浪賤區、水變區和水下區、泥下區）、外部荷載不同 （應力大小、拉應力、壓應力）、鋼筋材質和表面狀態的差異等，都會影響傳感器的監測結果，給監測數據的解析帶來巨大困難。

2.2.1 外部環境影響 混凝土結構處于不同的地域，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測結果的影響，發現溫度變化會不同程度地影響傳感器鋼筋腐蝕的監測結果，如圖2所示。與溫度相似，環境濕度的變化也會對電化學傳感器的監測結果產生影響，如圖3所示。除溫、濕度外，鋼筋混凝土結構所處不同的腐蝕區域也會對監測的結果產生重大影響，圖4為某碼頭同一混凝土構件大氣區和浪濺區陽極梯傳感器的埋入1 a時的監測結果，可以看出：不同腐蝕區域，監測結果差異很大。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果，從而影響氯離子濃度和pH值的監測結果。因此，必須深入地研究外部環境的變化和不同腐蝕區域給傳感器的監測結果帶來的影響，對監測結果進行修正，從而準確地判斷鋼筋的腐蝕狀態。

圖2 溫度對鋼筋腐蝕監測結果的影響[18]

圖3濕度對鋼筋腐蝕監測結果的影響

圖4不同腐蝕區域對陽極梯傳感器監測結果的影響

2.2.2 鋼筋的影響 鋼筋的材質和結構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、結構相對固定，而不同混凝土結構所用的鋼筋的材質、結構不盡相同。不僅如此，目前成熟的、國內應用較多的傳感器都是由國外進口，傳感器所用的鋼筋的材質和結構與國內的鋼筋存在差異，導致傳感器監測的結果不能真實反映鋼筋實際的腐蝕狀態。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） 所用的鋼筋與國內普通Q235鋼的差異，結果表明：在鋼筋的點蝕臨界氯離子濃度和點蝕后的腐蝕速率上，兩種監測傳感器所用的鋼筋陽極與國內Q235鋼存在差異。因此，如何利用傳感器的監測結果準確反映和判斷不同材質和結構的鋼筋的腐蝕狀態，需要進行進一步深入研究。

2.2.3 應力的影響 鋼筋混凝土結構在服役過程中均會受不同程度的應力作用，應力作用會誘發鋼筋發生點蝕，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力大小與實際鋼筋的并不一致，應力的差異導致傳感器的監測結果無法準確反映實際鋼筋的腐蝕狀態。

3 展望

近些年，鋼筋腐蝕監測電化學傳感器在國內的許多海港碼頭和橋梁得到應用，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，隨著相關標準規范的出臺，將會繼續在鋼筋腐蝕監測中發揮更加重要的作用，為了使鋼筋腐蝕監測技術能更加準確地反映鋼筋的腐蝕狀況，為混凝土結構的耐久性壽命預測評估提供更真實的數據，需要從以下三個方面做進一步的深入研究：

（1） 傳感器的壽命延長技術研究，使傳感器的使用壽命達到與混凝土結構同壽命，實現鋼筋腐蝕的全壽命周期監測；

（2） 傳感器的數據分析和處理研究，研究各種因素對電化學監測傳感器監測結果的影響，從而準確地判斷鋼筋的腐蝕狀態；

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