钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性下降，致使结构物破坏的最主要原因[1]。为了保证结构物的耐久性健康状态，必须实时掌握钢筋的腐蚀状况。当结构物耐久性不足时，及时采取必要的维修措施，提高结构物的耐久性，保证结构的服役安全性。

钢筋腐蚀监测技术是通过将监测传感器在混凝土浇筑时埋入混凝土内部，实时、无损地掌握钢筋腐蚀状态，保证结构物耐久性和服役安全性的关键技术。新近颁布实施的《水运工程结构耐久性设计标准》 （JTS 153-2015） 中明确提出：“设计使用寿命50 a以上的钢筋混凝土结构物，对重要构件易发生腐蚀的部位宜安装可监测钢筋腐蚀状态的监测装置”[2]。可见，耐久性监测技术在我国钢筋混凝土结构建设中将得到更加广泛的应用。

目前，市售成熟的、并在许多工程中得到广泛应用的钢筋腐蚀监测传感器是基于电化学原理的监测技术 （电化学传感器）。本文主要回顾了钢筋腐蚀监测电化学传感器的研究现状，重点分析了市售成熟的电化学传感器在实际工程应用中存在和需要解决的问题，为采用电化学传感器更加准确的反映钢筋的腐蚀状况提供参考。

1 电化学传感器研究开发现状

1.1 基于宏观电偶电池原理的监测传感器

基于宏观电偶电池监测技术，一般由间距相等的多根钢筋阳极 （钢筋阳极在混凝土保护层中由表面到最外层钢筋均匀布置） 和惰性阴极组成，通过测量钢筋阳极和惰性阴极之间的电偶腐蚀电位和腐蚀电位 （相对惰性阴极） 的变化来定性地判断钢筋的腐蚀状态。最为著名的是上世纪80年代末，由德国亚琛工业大学土木工程研究所研制的阳极梯 （Ladder Anode）。它由埋入混凝土的一组钢筋段传感器、一个阴极、一个钢筋连接和引出结构的导线组成[3]。阳极梯两侧的竖杆由不锈钢制成，并与钢筋段绝缘，导线安装在竖杆中孔内并由树脂固定，然后倾斜地安装于监测部位的混凝土保护层中，使每一钢筋段与混凝土表面保持不同的距离 （见图1a）。由于阴极为具有很高正电位的基本不腐蚀的金属，当钢筋段发生腐蚀后，钢筋段和阴极形成闭合回路后形成宏观电偶电池。电偶电池的电位差越大，则电偶电流越大，从而钢筋的腐蚀风险也越大。基于同样原理的耐久性监测系统还有丹麦FORCE公司的CorroWatch环状阳极监测传感器。它由环状钛金属阴极和均匀分布在环上的4个不同高度的钢筋阳极组成[4],如图1b所示。这两种传感器也是目前应用时间最长、应用量最大的两种传感器，在国内外的许多大型工程中得以应用。除此之外，还有加拿大ROCKTEST公司研制的Senscore传感器[5],如图1c所示，因研制时间不长，该传感器并未在工程中得到广泛应用。宋晓冰等[6]基于宏观电池原理研究开发了一套钢筋腐蚀监测传感器，传感器由阶梯状的底座和6根分别安装于阶梯中央的电极棒组成，电极棒由阳极钢筋棒和阴极不锈钢管组成，不锈钢管套在钢筋棒的外层，钢筋棒与不锈钢钢筋之间用环氧树脂进行填封。周志东等[7]研制了由高度不同的4组电偶对组成的钢筋腐蚀监测传感器。不过，目前尚未查阅到这两种传感器在相关的工程中应用。

图1 宏观电偶电池监测传感器

基于宏观电偶电池原理的钢筋腐蚀监测传感器是监测阳极和惰性阴极之间的电偶腐蚀电流，并不是直接测量钢筋的腐蚀速率，且测量的参数有限。为此，很多学者开始研究能直接测量钢筋腐蚀速率且参量参数较多的多功能钢筋腐蚀监测传感器。

1.2 基于三电极体系的监测传感器

通过构建三电极体系 （钢筋阳极、参比电极和辅助电极） 来直接监测钢筋腐蚀速率的多参数传感器的研究较多[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],应用最多的是由美国VTI公司开发出的ECI型埋入式耐久性监测传感器[8]。传感器采用内置三电极体系，监测钢筋的腐蚀速率和腐蚀电位。另外，传感器内还设置了氯离子探针和混凝土电阻率探针，可对混凝土内部的氯离子浓度和混凝土电阻率进行实时监测。Duffó等[9]研制了由钢筋阳极、参比电极、惰性阴极 （2个）、氯离子探针组成的钢筋腐蚀监测传感器，可以监测钢筋的腐蚀速率、腐蚀电位、混凝土中的氯离子浓度和混凝土电阻率。Kumar等[10]研制了可以监测钢筋腐蚀速率、氯离子浓度和混凝土电阻率的监测传感器。Yu等[11]研制了参比电极、氯离子探针、pH值探针、混凝土电阻率探针和阵列阳极组成的钢筋腐蚀监测传感器，监测钢筋的腐蚀速率、混凝土电阻率、pH值和氯离子浓度。汤雁冰等[12]研究开发了包含钢筋阳极、辅助阴极、参比电极、氯离子探针和pH值探针的多功能传感器，可以实时监测钢筋的腐蚀速率、腐蚀电位、氯离子浓度和pH值等参数多功能传感器，并在港珠澳大桥、珠海高栏港等工程中得以应用。林昌健等[5,13]研制了可以监测钢筋腐蚀速率、腐蚀电位、氯离子浓度和pH值的多功能传感器，并在甬江隧道进行了示范工程应用。欧进萍等[14]研制开发了由参比电极、工作电极、辅助电极以及两个与所监测钢筋同材质的等同电极组成的钢筋腐蚀监测传感器。Xu等[15]研制了由4个工作电极、4个参比电极和2个辅助阳极组成的钢筋腐蚀监测传感器，可以测量钢筋腐蚀速率和腐蚀电位，并间接估算混凝土中的氯离子浓度，在杭州湾跨海大桥进行了示范工程应用。Lu和Ba等[16,17]研制了两种可以监测钢筋腐蚀的监测传感器，一种为塔形，由4根尺寸不同的阳极环和1个Ti/MMO阴极网组成，通过与参比电极配套使用，监测不同保护层厚度阳极环的腐蚀速率和腐蚀电位，监测钢筋的腐蚀状态，预测钢筋发生腐蚀的时间。此外，他们还开发了由6根阳极、1根阴极、1个参比电极和3根氯离子探针组成的钢筋腐蚀监测传感器。

2 电化学传感器应用中面临的问题

2.1 传感器使用寿命

钢筋混凝土结构的使用寿命较长，可达几十年甚至上百年，这就要求预埋式钢筋腐蚀监测电化学传感器具有较长的使用寿命。截至目前，传感器的最长服役年限不到30 a （阳极梯传感器），且未查阅到后期的跟踪研究报道，传感器能否正常运行不得而知。另外，对含有参比电极的监测传感器，受参比电极寿命的影响，其寿命较基于宏观电池原理类的监测传感器要短一些。目前，虽然采取固态电解质代替液态电解质，提高了参比电极的使用寿命，但仍无法达到与混凝土结构同寿命。如何延长监测传感器的使用寿命，实现钢筋腐蚀状态的全寿命周期监测，尚需要做进一步的深入研究。

2.2 监测数据的解析

在混凝土结构中预埋传感器的目的就是通过传感器测得的数据来判断、预测钢筋的腐蚀状态，因此，如何对测得的数据进行准确和合理的解析，从而准确判断钢筋的腐蚀状态至关重要。混凝土是个非常复杂的腐蚀系统，结构物所处的环境 （温度、湿度） 和腐蚀区域差异 （大气区、浪贱区、水变区和水下区、泥下区）、外部荷载不同 （应力大小、拉应力、压应力）、钢筋材质和表面状态的差异等，都会影响传感器的监测结果，给监测数据的解析带来巨大困难。

2.2.1 外部环境影响 混凝土结构处于不同的地域，其周围的温度和湿度不尽相同，汤雁冰等[18]和何谋杰等[19]研究了温度变化对传感器监测结果的影响，发现温度变化会不同程度地影响传感器钢筋腐蚀的监测结果，如图2所示。与温度相似，环境湿度的变化也会对电化学传感器的监测结果产生影响，如图3所示。除温、湿度外，钢筋混凝土结构所处不同的腐蚀区域也会对监测的结果产生重大影响，图4为某码头同一混凝土构件大气区和浪溅区阳极梯传感器的埋入1 a时的监测结果，可以看出：不同腐蚀区域，监测结果差异很大。即使是同一传感器，不同的钢筋阳极之间测差距也较大。此外，对于可以监测混凝土浓度和pH值的传感器，其测量的原理都是基于能斯特方程，通过测量氯离子探针和pH值探针的电极电位来推算氯离子浓度和pH值，温度[19]和湿度的变化同样会影响氯离子探针和pH值探针电极电位的测量结果，从而影响氯离子浓度和pH值的监测结果。因此，必须深入地研究外部环境的变化和不同腐蚀区域给传感器的监测结果带来的影响，对监测结果进行修正，从而准确地判断钢筋的腐蚀状态。

图2 温度对钢筋腐蚀监测结果的影响[18]

图3湿度对钢筋腐蚀监测结果的影响

图4不同腐蚀区域对阳极梯传感器监测结果的影响

2.2.2 钢筋的影响 钢筋的材质和结构是影响钢筋腐蚀行为的重要因素。传感器中所用的钢筋阳极的材质、结构相对固定，而不同混凝土结构所用的钢筋的材质、结构不尽相同。不仅如此，目前成熟的、国内应用较多的传感器都是由国外进口，传感器所用的钢筋的材质和结构与国内的钢筋存在差异，导致传感器监测的结果不能真实反映钢筋实际的腐蚀状态。汤雁冰等[20]研究了在混凝土模拟孔液中国外传感器 （阳极梯和ECI-2） 所用的钢筋与国内普通Q235钢的差异，结果表明：在钢筋的点蚀临界氯离子浓度和点蚀后的腐蚀速率上，两种监测传感器所用的钢筋阳极与国内Q235钢存在差异。因此，如何利用传感器的监测结果准确反映和判断不同材质和结构的钢筋的腐蚀状态，需要进行进一步深入研究。

2.2.3 应力的影响 钢筋混凝土结构在服役过程中均会受不同程度的应力作用，应力作用会诱发钢筋发生点蚀，加速钢筋的腐蚀速率[21]。而传感器的尺寸较小，传感器中的钢筋阳极受到的应力大小与实际钢筋的并不一致，应力的差异导致传感器的监测结果无法准确反映实际钢筋的腐蚀状态。

3 展望

近些年，钢筋腐蚀监测电化学传感器在国内的许多海港码头和桥梁得到应用，如湛江港、珠海高栏港等码头，港珠澳大桥、杭州湾跨海大桥等，随着相关标准规范的出台，将会继续在钢筋腐蚀监测中发挥更加重要的作用，为了使钢筋腐蚀监测技术能更加准确地反映钢筋的腐蚀状况，为混凝土结构的耐久性寿命预测评估提供更真实的数据，需要从以下三个方面做进一步的深入研究：

（1） 传感器的寿命延长技术研究，使传感器的使用寿命达到与混凝土结构同寿命，实现钢筋腐蚀的全寿命周期监测；

（2） 传感器的数据分析和处理研究，研究各种因素对电化学监测传感器监测结果的影响，从而准确地判断钢筋的腐蚀状态；

（3） 新型监测技术的研究，研究开发精度更高、寿命更长、受外界环境和钢筋材质影响较小的钢筋腐蚀监测技术，如基于光纤传感技术的钢筋腐蚀监测技术。