混凝土耐久性在线监测（Ⅱ）：含水量变化————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：混凝土耐久性在线监测（Ⅱ）：含水量变化-建筑论文混凝土耐久性在线监测（Ⅱ）：含水量变化路新瀛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：研发了可预埋混凝土含水量变化监测探头，并对海洋环境中、位于潮差区和浪溅区的混凝土表层含水量变化进行了长期在线监测，结果发现：所研发的混凝土含水量变化监测探头不仅可实现全范围精确测量，而且能长时间稳定工作；数据显示：潮差区的混凝土表层一直处于饱水状态，需重点关注冻融循环的侵蚀；而浪溅区的混凝土表层则遭受强的干湿循环；两分区中的混凝土含水量变化均不与大气湿度变化直接相关，故不宜用大气湿度变化来预估混凝土的劣化过程。
关键词：混凝土；含水量；监测前言混凝土的劣化多需要水的参与，因此，及时监测混凝土中的含水量及其变化，即可跟踪其中可能发生的劣化过程。
由于混凝土本身是个复杂的多相材料，其中的孔溶液也是一个多组分电解质溶液，故从本质上讲，监测混凝土中的含水量或其变化是十分困难的。
因此，人们通常用混凝土中的“相对湿度”来间接考察混凝土中含水量的变化。
尽管用来监测大气相对湿度的传感器众多，如电容、电感式、电阻或半导体类或超声探头、光纤传感器等[1-7 ]，但可直接预埋入新拌混凝土中且能进行长期监测的探头几乎没有，这是因为：（1）新拌混凝土中多颗粒体、多胶体和多离子，且湿度为10 0%，故多数电测类传感器在埋入后，一旦加电即烧损或旋即失效；（2）因测量相对湿度时需要一个测量室（空腔）以满足水-汽平衡，故从测量原理上讲，所有的相对湿度传感器均不能直接接触被测混凝土；（3）中子、微波、光纤、TDR、FDR等测量设备昂贵，成本高，目前尚不适用于大型混凝土结构的多点在线监测，因此须另辟蹊径。
Viggo Jensen[8-9]为长期监测硬化混凝土中的相对湿度，曾设计了一种如图1所示的相对湿度传感器，它由一根带两个孔的塑料管（Φ20×250mm）和两段Φ12×45mm的拉敏（Ramin）木棒构成，而每段木棒即是一个传感器，汽相平衡在塑料管开孔处形成。
在传感器安装到实际结构上去之前，需事先建立木棒含水量与空气相对湿度间的关系曲线，以及含水量与木棒电导率的关系。
然后，在硬化混凝土上钻孔，置入传感器，之后在塑料管孔附近用环氧密封，只允许塑料孔与混凝土和木棒连通。
将置入混凝土一定时间后的木棒取出密封，之后通过监测木棒的电导大小即可推定混凝土中的相对湿度。
ViggoJense所设计的拉敏木棒传感器特别适用于80%～95%RH范围的测量，而这恰恰是许多商用传感器测不准的区域；他利用所设计的传感器开展了长达7年多的实体结构监测，结果表明，该传感器具有良好的长期稳定性。
实际上，所谓混凝土中的“相对湿度”在概念上讲是不准确的，因为人们实际测量的是人为设置的混凝土内某体积空腔中的水汽相对含量；它间接上与空腔内露表面混凝土一定深度内中的含水量（主要是可蒸发水）相关，且只有在混凝土中的水分与空腔内水汽达到平衡才宜测量准确，故从本质上讲，它无法实时反映混凝土内部的含水量或其变化。
正因如此，ViggoJensen所设计的相对湿度传感器才需要1h～12h的预稳测量时间；另外，由于他仍是按测量“相对湿度”的思路去设计的（即仍需要测量空腔），故该传感器只可用于硬化混凝土，而不能用于湿的新拌混凝土；还有，因其所用的拉敏木棒长为45mm，故所测数值是该长度范围内的相对湿度平均值，未能实现微区测量。
我们认为，对于一个确定的混凝土构件，监测其中的含水量变化有时要比准确知道其中的实际含水量更重要，这就为混凝土耐久性监测新技术的开发提供了新思路。
1 可埋入式混凝土含水量变化监测探头为了实现适时测量混凝土中的含水量变化，我们在Viggo Jensen拉敏木棒传感器技术基础上改用软木，重新设计了一种传感器[10]，其结构示意图如图2所示，其中白色部分为软木，其尺寸大小可根据被测构件大小或测量要求而变，如：可用Φ（3～50）×（3～50）mm的圆棒；软木中置入一耐蚀金属电极对，材料可选Pt、Au、Cu、Ti合金、不锈钢等，其直径可变为0.1mm～5mm，长度和电极对间距宜根据软木棒长度和封装要求而定；传感器中可埋或不埋温度传感器，种类可选用Pt电阻型；可用环氧或其他粘结剂将软木探头封于耐蚀保护壳中。
利用事先建立的含水量-阻抗曲线或计算方法，通过测量软木中电极对间的阻抗变化即可实时监测与传感器直接接触的混凝土中的含水量变化。
经检测，我们所设计的混凝土含水量变化在线监测传感器不仅能直接埋入新拌混凝土中，与被测湿混凝土直接接触，而且可实现长期稳定工作。
2 监测结果与分析在青岛海湾大桥潮差区和浪溅区的两个混凝土暴露构件中，离混凝土表面5mm处分别埋设了两个如图2所示的混凝土含水量变化监测传感器，其中软木尺寸为Φ6×3mm，电极对为镀金电极，尺寸为Φ0.15×2.5mm，电极间距为2 .5 m m ，传感器外壳为厚2 . 5 m m 的Φ25×40mm的PP塑料管。
埋设前事先测定完全干燥和完全润湿状态下的软木阻抗；监测时，按线性差值直接计算传感器中的含水量。
而配套监测设备的采样周期1ms，监测周期为5min。
图3是潮差区C35混凝土构件中，不同监测时长下的混凝土含水量变化监测数据，其中Paint-01是高程为-0.1m表面涂层下方5mm处的混凝土含水量变化，Control-02是相同标高和深度下，无涂层相同混凝土的含水量变化。
由图3a可以看出，带涂层混凝土的表层含水量基本处于99.8%左右；不带涂层的混凝土受半日潮涨落影响，其表层含水量约在97.5%～98.5%间变化，且与涨潮、落潮时间相对应。
由所测数值可知，无论带与不带涂层，潮差区C35混凝土的表层基本处于饱水状态；表面涂层因能隔断内外水分迁移，从而造成内部水分在涂层下的混凝土表层富集。
因潮差区带与不带涂层混凝土的表层均处于饱水状态，故其遭受冻融循环破坏的几率显著。
从图3a也可以看出，所设计的传感器相应速度快且准确，完全能满足原位监测的苛刻要求。
由图3b~图3d可以看出，涂层下的混凝土表层含水量变化受季节变化影响较少，几乎长期维持在99.3%～99.8%之间，结冰期略低，仲夏期略高；不带涂层的混凝土表层含水量则随季节不同略有波动，但多在94.5%～99.5%之间变化，随季节的变化规律与前者相同。
图4是浪溅区C40混凝土构件中，不同监测时长下的混凝土含水量变化监测数据，其中Paint-03是高程为+2.16m表面涂层下方5mm处的混凝土含水量变化，Control-04是相同标高和深度下，无涂层相同混凝土中的含水量变化。
由图4a～图4c可以看出，无论是一天内、还是数月内，带与不带涂层的混凝土表层含水量波动范围均较大，且呈随机变化规律（显然与浪花飞溅在传感器处的概率有关），涂层的隔水作用不明显，可能是其中出现了允许水分自由出入的肉眼不可见裂缝所致。
与图3监测结果不同，浪溅区的混凝土表层含水量的变化与季节变化无明显相关性。
据统计分析可知，带与不带涂层的C40混凝土表层平均含水率在夏季分别约为42%和36%左右，在冬季分别约为57%和52%左右（2013年短时集中于72%左右）；因此，浪溅区混凝土应重点考虑干湿循环的破坏作用。
图5是与图3d、图4相同时间段内的大气温湿度变化曲线，将三者进行对比可知，前述潮差区、浪溅区中无论带与不带涂层的混凝土表层含水量变化均与大气相对湿度变化无直接相关性，因此，不宜用大气相对湿度变化来代替混凝土中的含水量变化以对混凝土的劣化进行模拟计算。
结论利用所设计的可预埋混凝土含水量变化监测探头，通过长时间原位监测，得到如下初步结论：（1）本文所提出的可预埋混凝土含水量变化监测探头，可全范围实时监测混凝土中的含水量变化，在接近饱水状态下，能长时间稳定工作，且测量精度高，响应速度快；（2）潮差区C 3 5 混凝土表层含水量长时间处于94.5%～99.8%之间，即基本处于饱水状态，需重点考虑混凝土的冻融循环破坏；（3）浪溅区C40混凝土表层含水量随机波动，长期累积变化平均值在35%～75%之间，故应重点考虑混凝土的干湿循环破坏；（4）潮差区和浪溅区混凝土的表层含水量变化均与大气湿度变化不相关，不宜用大气湿度变化来估算混凝土的劣化过程。
致谢：在原位监测系统的研发过程中，得到了王向东工程师的大力帮助；在暴露实验站的建设、运营和维护过程中，得到了业主、施工单位及许多朋友的大力支持和帮助，在此一并致谢。
参考文献：[1] 李英干,范金鹏编著.湿度测量[M].北京: 气象出版社.1990.[2] 罗秉铎、刘重光编著. 微波测湿技术[M].北京:电子工业出版社，1990.[3] 杨志, 刘亚川,张淑娥.基于微波差分技术的湿度测量方法[J]. 华北电力大学学报. 2005(1):[4] 张、陈勇、巩娟，现代湿度测量方法评述[J]. 计量技术. 2006,4:1-4+34.[5] 屠东升. 长周期光纤光栅传感特性研究及其在湿度测量中的应用[D]. 北京: 清华大学硕士论文, 2006.[6] 周奇, 岑国平, 敦晓, 朱维光, 范. FDR技术在黄土路基水分测定中的应用[J]. 公路. 2011, 5:142-147.[7] Manoel, VAZ C.HopmansJ. W. Simultaneous measurement ofsoil penetration resistance and water content with a combinedpenetrometer-TDR moisture probe [J], Soil Science Society ofAmerica Journal, 2001, 65(1):4-12.[8] Viggo Jensen. Relative humidity measured by wooden stick method in concrete structures: Long term measurements and reduction of humidity by surface treatment.SP 212-39,6th Int. Conf. on Durability of Concrete[C], ACI/CANMET, Thessaloniki, Greece,2003。