钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀长期监测传感器

摘要

本发明涉及一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀长期监测传感器，可用于直接对腐蚀发生的载体——钢筋进行实时测量。传感器由若干长度相等的电极棒、基座、导线和牺牲阳极组成，电极棒成阶梯形固定在传感器基座的固定槽内，导线通过弹簧片分别与电极棒的阴阳极连接。施工时将检测传感器埋入混凝土，在结构的使用期内，定期对传感器进行数据采集，当发现某电极棒内的钢筋发生腐蚀后，通过阴极保护装置对钢筋进行防腐保护。本发明可以在不损伤混凝土表面的前提下，通过对埋入混凝土内部不同深度的钢筋的检测，准确方便地确定腐蚀介质入侵锋面距离构件钢筋的距离。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀长期监测传感器，可对含氯环境下钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀情况进行长期检测而不损伤混凝土表面，应用于结构工程领域中钢筋混凝土结构的耐久性检测和评估。

背景技术

钢筋混凝土中的钢筋腐蚀是影响结构耐久性的主要影响因素之一。与混凝土保护层碳化引起的钢筋腐蚀相比，氯离子入侵引起的钢筋腐蚀速度更快(大约是碳化引起的钢筋腐蚀速度的10倍)、造成的损失更大，已引起工程界和学术界的广泛关注。

目前工程中对混凝土搅拌物或添加剂中的氯离子浓度控制普遍较严，因此，混凝土中的氯离子腐蚀大多是由于氯离子从外界入侵，并在钢筋表面积累，达到一定的浓度后造成的。能引起钢筋开始腐蚀的氯离子最低浓度称为临界浓度。

由于氯离子入侵造成的钢筋腐蚀速度快，而且腐蚀一旦发生，很难采取有效措施予以根除。因此，实际工程中应该采取的对策是：采用一套有效的监测手段，在钢筋腐蚀尚未开始之前，及早发现可能引起钢筋腐蚀的隐患，并采取相应的措施进行有针对性的防范。与发现钢筋腐蚀后再处理的方法相比，此对策将起到事半功倍的效果，与钢筋开始腐蚀后再运行防腐处理相比，经济消耗小，防腐效果更佳。

为达到以上目的，专利号为ZL 03 1 15903.6的中国发明专利提供了一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的传感器及检测方法，其特征包括：选取与工程所用钢筋材质相同的钢筋棒和与钢筋棒相同直径、相同长度的不锈钢棒，按照从长到短的顺序，将钢筋棒和不锈钢棒成阶梯状并排插在传感器基座的固定槽内，并由导线连出，制成传感器。浇注混凝土之前，将传感器的基座固定在混凝土构件中的钢筋上。在结构的使用期内，定期用电位电流仪测量并排布置的钢筋棒和不锈钢棒之间的宏电池腐蚀电流和电位差，对传感器进行定期监测。

这项发明中的传感器具有以下缺点：

1.阴阳极之间距离较大，使得在电流回路中混凝土电阻较大，对监测结果产生负面影响。

2.阴阳极面积相同。由于一般的腐蚀都具有大阴极小阳极的特点，相同的阴阳极面积不符合实际情况。

3.传感器中的钢筋腐蚀后，由于腐蚀产物比腐蚀的钢材占据更大的体积，膨胀作用对混凝土保护层有破坏作用，增加测试部位混凝土的渗透性，对监测结果产生较大的影响。

4.无固定装置，在浇注混凝土时传感器定位比较困难。

5.体积较大，不易在钢筋网中插空定位(特别是在钢筋布置较密时)。

6.钢筋和不锈钢棒的侧面需要密封处理，工序复杂且容易在施工时遭到损坏，影响监测结果。

为避免以上缺点，需要对上述现有传感器作进一步的改进，以满足工程实际的需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀长期监测传感器，能够直观而准确地判断钢筋的腐蚀状态，可以在不损伤混凝土表面的前提下，准确地检测出具体工作环境下危险锋面距离钢筋距离。

为实现这一目的，本发明提供的传感器在已有发明专利(专利号：ZL 03 115903.6)基础上进行了改进和创新。传感器由若干长度相等的电极棒、基座、导线和牺牲阳极组成，电极棒成阶梯形固定在传感器基座的固定槽内，导线通过弹簧片分别与电极棒的阴阳极连接。施工时将检测传感器埋入混凝土，在结构的使用期内，定期对传感器进行数据采集，当发现某电极棒内的钢筋发生腐蚀后，通过阴极保护装置对钢筋进行防腐保护。

本发明的具体内容如下：

传感器由若干根长度相等的钢筋棒(长度根据混凝土保护层厚度确定)、与钢筋棒相同数量和长度的不锈钢管(内径比钢筋棒外径大2mm)、阶梯状基座、牺牲阳极和导线组成。

阶梯状基座的每个阶梯中央开有一个固定槽，每个固定槽中插入一根电极棒并由设置在固定槽内壁的单板弹簧片压紧。

电极棒由作为阳极的钢筋棒和作为阴极的不锈钢管构成，不锈钢管套在钢筋棒外侧，钢筋棒和不锈钢管之间灌注环氧树脂以保证绝缘，钢筋棒一端设有的突起接头插入固定槽底面中央圆柱形槽内，并由槽内设置的环行弹簧片实现连接和固定。所述单板弹簧片和环行弹簧片分别由埋设在基座内的导线连接至基座侧面的缆线接口。

阶梯状基座的两端各设置一根定位棒，每根定位棒的两端各固定一个牺牲阳极，牺牲阳极通过埋设在定位棒内的导线连通到缆线接口，与缆线接口连接的外部导线连接到混凝土表面的室外插座上。阶梯状基座通过定位棒固定在混凝土构件中的结构主钢筋上。

所述定位棒的底面与最低电极棒的顶面在相同平面上，钢筋棒的暴露表面与浇注的混凝土表面平行，并且最高钢筋棒的工作面距离混凝土表面不大于5mm。

所述牺牲阳极的材料为锌块，锌块外包裹pH值为7左右的改性砂浆以保证锌块的活性。

测量时将电位电流仪的两个电极通过室外插座分别连接到同一电极棒的钢筋棒和不锈钢管，测量钢筋棒和不锈钢管之间的宏电池腐蚀电流和电位差。若电位差很小，与之对应的宏电流也很小，说明危险锋面未达到被测钢筋棒的被测端面深度。反之，则说明此钢筋表面已受到危险锋面的影响。

当发现某深度的电极棒发生钢筋腐蚀后，在室外插座处将牺牲阳极和该电极棒上的钢筋棒通过跳线短路，形成对该腐蚀钢筋的阴极保护，可防止其继续腐蚀破坏混凝土保护层。

本发明的传感器可以多点分布，对建筑物进行有效监护。

与现有技术相比，本发明具有以下明显的优点：

1.阴阳极之间的距离短，电流回路中的混凝土电阻小，对测试结果的影响小；

2.阴阳极面积比较大，更加复合实际情况，测试电流更加敏感；

3.阴极保护装置对已锈蚀钢筋产生保护作用，防止由于腐蚀产物膨胀造成的外层混凝土早期破坏。

4.定位装置使传感器与钢筋之间固定简便，且可以保证传感器电极与结构主钢筋之间的相对位置。

5.由于采用了阴极套阳极的构造措施，使传感器体积有效减小，方便了现场定位。

6.所有连线接头均在工程塑料内部，且有环氧树脂保护，保证了路线接头等容易损坏处的可靠性和耐久性。

7.电极与支座之间连接简单，电接触可靠，操作方便。

本发明检测传感器结构简单，加工方便，采用的钢筋就地取材，或选取与工程所用钢筋材质相同的钢筋，测试环境与实际构件环境相同，钢筋棒与不锈钢棒之间的宏电池腐蚀测量简单且直观、准确，很容易判断钢筋的腐蚀状态，可以在不损伤混凝土表面的前提下，准确方便地确定腐蚀介质入侵锋面距离构件钢筋的距离。

附图说明

图1为本发明的传感器轴侧图。

图1中，1为牺牲阳极，2为传感器的定位棒，3为结构主钢筋，4为钢筋棒(阳极)，5为不锈钢管(阴极)，6为阶梯状基座。

图2为传感器剖面结构示意图。

图2中，2为定位棒；3为结构主钢筋，4为钢筋棒，5为不锈钢管，6为阶梯状基座，7为钢筋棒的突起接头，8为环形弹簧片，9为环氧树脂，10为导线，11为单板弹簧片，12为缆线接口，13为环氧树脂注射孔，15为室外插座，16为外部导线。

图3为电极棒结构示意图。

图3中，4为钢筋棒，5为不锈钢管，7为突起接头，9为环氧树脂。

图4为测试原理示意图。

图4中，3为结构主钢筋，6为阶梯状基座，14为混凝土，15为室外插座，16为外部导线，17为侵蚀介质入侵的危险锋面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

本发明采用的传感器结构如图1、图2所示，包括阶梯状基座6、插于阶梯状基座6固定槽内的电极棒、以及与从电极棒引出的导线10相连的缆线接口12。

电极棒由作为阳极的钢筋棒4和作为阴极的不锈钢管5构成。选取与工程所用钢筋材质相同的钢筋，用车床加工成某一直径的钢筋棒4作为阳极，钢筋棒4的长度由结构钢筋的保护层厚度决定(如30mm的保护层厚度，则钢筋棒的长度为30-5+10＝35mm)。同时制作与钢筋棒4相同长度的不锈钢管5作为阴极，不锈钢管的内径为钢筋棒的直径加2mm。将不锈钢管5套在钢筋棒4外侧，在钢筋棒4和不锈钢管5之间灌注环氧树脂9，定位后保证钢筋棒4和不锈钢管5之间绝缘。在钢筋棒4的一端加工出7mm高的突起接头7(如图3所示)，突起接头7插入固定槽底面中央圆柱形槽内，并由槽内设置的环行弹簧片8实现连接和固定。

阶梯状基座6由工程塑料制成，阶梯状基座6的每个阶梯中央开有一个直径比不锈钢管外径大4mm的固定槽，固定槽深15mm，固定槽内壁设置单板弹簧片11。当电极棒插入固定槽后，单板弹簧片11与电极棒之间由于弹性而紧密接触。在固定槽的底面中央另开8mm直径，深9mm的圆柱形槽，槽内设环行弹簧片8，当电极棒插入固定槽后，突起接头7插入环行弹簧片8，并与之紧密接触，完成连接和固定。单板弹簧片11和环行弹簧片8分别由埋设在基座内的导线10连接至基座侧面的缆线接口12(AUI接口)。当电极棒就位后，利用注射器将环氧树脂由注射孔13注射入电极棒和基座之间的孔隙，同时将空气排出，完成密封处理。

阶梯状基座6的两端各设置一根定位棒2，定位棒2由工程塑料制作。定位棒2的底面与最低电极棒的顶面在相同平面上。在浇注混凝土之前，将阶梯状基座6通过定位棒2固定在混凝土构件中的结构主钢筋3上。定位时，按照图1所示位置将定位棒2用铁丝捆绑在结构主钢筋3上，可以保证最低电极棒的顶面正好与结构主钢筋3的表面平齐。当发现最低钢筋棒发生腐蚀时，说明结构主钢筋3也已发生腐蚀。在固定的过程中，应保证电极棒与结构主钢筋之间不能短路；钢筋棒4的暴露表面与混凝土表面平行；并且保证最外侧(最高)钢筋棒工作面距离混凝土表面不大于5mm。

在每根定位棒2的两端各固定一个牺牲阳极1，两根定位棒2上的四个牺牲阳极1构成阴极保护装置。牺牲阳极1的材料为锌块，为保证锌块的活性，锌块外面包裹改性砂浆，改性砂浆的pH值应控制在7左右。牺牲阳极1上焊接导线，导线埋设在定位棒2内，连通到缆线接口12。

缆线接口12为16线并口接口，可最多同时连接六个电极棒和四个牺牲阳极。当缆线接口12与外部导线16连接后，用环氧树脂将缆线接口12密封。外部导线16的另一端连接到混凝土表面的室外插座15上。

检测仪器为市场上购买的电位电流仪，测量时将电位电流仪的两个电极通过室外插座15分别连接到同一电极棒的钢筋棒4和不锈钢管5，测量内容为钢筋棒4和不锈钢管5之间的宏电池腐蚀电流和电位差。依据电偶腐蚀原理，当钢筋处于钝态时，钢筋棒4和不锈钢管5之间的电位差很小，与之对应的宏电流也很小。如出现这种情况，说明危险锋面17未达到被测钢筋棒的被测端面深度(图4)。反之，如果过一段时间再次测量时发现宏电池腐蚀电流和电位差发生了突然增加，则说明此钢筋表面已受到危险锋面17的影响，危险锋面17已经发展到此测试钢筋表面深度。

当发现某深度的电极棒发生钢筋腐蚀后，在室外插座15处将牺牲阳极1和该电极棒上的钢筋棒4通过跳线短路，形成对该腐蚀钢筋的阴极保护，防止其继续腐蚀破坏混凝土保护层。

对传感器进行定期监测，可以发现随着时间的推移，受到危险锋面17影响的钢筋表面数量逐渐增多，深度逐渐加深。

可以用结构主钢筋3的保护层厚度减去危险锋面发展深度，得到危险锋面距离结构主钢筋3表面的距离，并判断危险锋面逼近构件钢筋的速度，近而制定合理的维修对策，在结构主钢筋3未开始腐蚀之前，及时采取阴极保护、电化学除氯等方法防止结构主钢筋开始腐蚀。

本发明的传感器可以分别布置在构件的不同部位(如桥梁柱的深水区、溅浪区、干燥区)，并可在每个区域同时布置多个点，对建筑物进行有效监护。