钢筋腐蚀是钢筋混凝土（RC）结构耐久性下降的主要因素之一，尤其是在暴露于除冰盐或沿海/海洋环境中的情况下[1]。腐蚀发展到严重阶段时，维修成本往往非常高[2,3]，可能超过初始建设成本。更为严重的是，由于腐蚀导致的结构坍塌事件日益频繁[4]，造成了重大的人员伤亡和经济损失。为了减轻腐蚀的后果，及时维护对于降低长期成本和提高结构安全性至关重要。而及时维护策略依赖于对腐蚀状态的准确评估。
由于钢筋腐蚀是一个电化学过程，电化学测量方法被认为是评估腐蚀最准确和有效的技术之一[5,6]。电化学腐蚀监测技术可分为嵌入式传感器和外部传感器两类。嵌入式传感器通常采用与钢筋笼相同材料的微型电极[7],[8],[9]，这些电极作为工作电极进行测量。这类微型电极具有明确的极化区域，因此测量精度较高。然而，钢筋的腐蚀状态是动态变化的，并受到氯化物离子浓度和pH值等环境参数的强烈影响[10,11]，这意味着嵌入式传感器必须在混凝土浇筑过程中安装，以确保其与钢筋笼长期电化学兼容。这引发了关于嵌入式传感器可更换性及其在现有结构中应用可行性的问题。钢筋混凝土结构的设计寿命通常超过50年[1]，对于不可更换的嵌入式传感器来说是一个挑战。此外，嵌入式传感器仅在固定位置检测腐蚀情况，而钢筋混凝土结构的腐蚀分布存在显著的空间差异[12]。对于开裂的混凝土，侵蚀性物质会迅速通过裂缝渗透到钢筋中，引发局部腐蚀[9,13]。除非裂缝与嵌入式传感器直接接触，否则这些传感器无法实时检测到腐蚀的发生。
外部传感器具有移动性和可更换性的优势。其配置包括安装在表面的对电极、参比电极和可选的防护环电极，同时利用结构钢筋作为工作电极[14,15]。虽然这种配置可以通过钻孔与钢筋建立电气连接，但不可避免地会影响检测效率。由于结构钢筋与对电极之间的尺寸差异，在没有防护环电极的情况下测量时会导致电流分散，从而使钢筋的实际极化区域大于名义极化区域，从而高估腐蚀率[16]。防护环电极的设计旨在限制电流分散[17]，但在局部腐蚀情况下，使用防护环电极反而会导致实际极化区域小于名义极化区域，从而低估腐蚀率[16]。由于极化区域定义不明确，外部传感器在分析上比嵌入式传感器更具挑战性[18]。
已经开发了几种利用混凝土表面四电极阵列来估算钢筋腐蚀率的技术。这些方法被称为间接极化法，因为它们不需要与钢筋建立电气连接，也不需要钻孔[5]。测量方法可分为直流（DC）脉冲极化[19,20]和在多个频率下进行的交流（AC）扫描[4,[21],[22],[23],[24],[25],[26]。直流方法测量速度快，而交流方法（也称为间接阻抗谱法）能提供更全面的数据。然而，由于几何配置、混凝土电阻率以及钢筋-混凝土界面阻抗分布的共同影响，数据解释仍然具有挑战性[26]。Yu等人[22]使用最大阻抗与最小阻抗之间的差异作为腐蚀评估参数，发现钝化样品在低频区域的阻抗较高，而严重腐蚀的样品在整个频率范围内的阻抗相似，但他们未能建立通用的定量关系。Andrade等人[19]提出了一种包含多个电阻性和电容性组件的等效电路模型来描述间接阻抗响应，但他们的模型无法准确计算某些电阻性分量。他们的方法仅适用于高电阻率混凝土条件下的钢筋极化电阻。当使用单一元件建模时，由于电流分散，混凝土的阻抗表现出电感或电容特性而非电阻特性[21]。Andrade等人[19]提出的方法主要适用于高电阻率混凝土，因为较高的电阻率可以抑制电流分散。Alexander等人[21]从间接阻抗的低频极限值估算了极化电阻。然而，这种方法需要预先知道混凝土的串联或并联电阻值。尽管现有文献证明了间接阻抗测量在腐蚀评估中的可行性，但仍然缺乏稳健且普遍适用的数据解释方法。此外，四电极阵列是基于Wenner配置衍生而来的[22]，而Wenner配置最初是为测量混凝土电阻率设计的，因此需要进一步研究其他配置是否能在腐蚀监测中提供更高的灵敏度。
本研究提出了一种创新的综合系统，通过间接阻抗测量来评估钢筋混凝土结构的腐蚀率，包括数据分析理论、传感器优化和便携式测量仪器。我们的工作将为现有结构的在线监测或机器人检测腐蚀提供坚实的基础。首先，建立了用于分析间接阻抗数据的等效电路模型。接着优化了四电极传感器的几何配置，提高了对钢筋腐蚀的检测灵敏度。随后开发了便携式间接阻抗测量设备。最后，对钢筋混凝土试件进行了间接阻抗测量以评估腐蚀状态，并通过嵌入式传感器验证了腐蚀情况。本文的结构如下：第2节描述了原理和方法；第3节简要介绍了实验过程；第4节描述了传感器的优化过程和性能、等效电路模型的性能、仪器的测量性能以及钢筋混凝土结构的腐蚀评估结果；第5节总结了本研究。
