钢筋腐蚀传感器与制备方法及其钢筋腐蚀的检测方法

摘要

钢筋腐蚀传感器与制备方法及其钢筋腐蚀的检测方法，涉及一种传感器。提供一种结构简单、成本较低的钢筋腐蚀传感器及其制备方法和一种在不损伤混凝土表面的前提下，能准确、无损地检测出具体腐蚀环境下危险锋面距离钢筋的距离的钢筋腐蚀的检测方法。设有基体和引出导线，基体在竖向上呈螺旋层状分布并设有纵向开口。将钢筋棒去螺纹，切口得基体；在基体的不同高度处打孔；将引出导线与孔连接，密封得钢筋腐蚀传感器。在混凝土构件的不同部位分别布设传感器，在混凝土构件的使用期内，定期用低电阻测试仪对不同位置处的钢筋腐蚀传感器进行数据采集，定期测量，记录，对被测钢筋的腐蚀状态进行判断，得混凝土的环境腐蚀情况。

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其是涉及一种钢筋腐蚀传感器与制备方法及其钢筋腐蚀的检测方法。

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。实际工程中常采取的对策是：采用一套有效的监测手段，在钢筋腐蚀尚未开始之前，及早预测混凝土中腐蚀环境情况，预测腐蚀因素到达钢筋位置的时间，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。

但是迄今为止，大部分方法是间接的测试方法，都有不少缺陷。根据现行方法测试取得的结果，并不能准确地判断钢筋的腐蚀状态。

公开号为CN1438478的发明专利申请提供一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法，直接对腐蚀发生的载体——钢筋进行实时测量，传感器由若干根长度不等的钢筋棒、与钢筋棒相同数量和长度的不锈钢棒、基座和导线组成，钢筋棒及不锈钢棒成阶梯形并排固定在传感器基座的固定槽内，导线从固定槽中心的穿线孔引出并编号，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。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，准确确定引起钢筋腐蚀的氯离子临界浓度锋面深度。

公开号为CN1900691的发明专利申请提供一种测试和分析材料耐腐蚀性能和腐蚀速度的仪器，尤其是一种通过测量腐蚀体系的极化电阻、塔菲尔斜率等参数实现混凝土中钢筋腐蚀监测的装置，包括电荷脉冲极化模块、监测探头、传感器、调制解调器、腐蚀监测软件、GSM通讯模块、CPU控制模块和电源模块；其中电源模块、电荷脉冲极化模块、CPU控制模块构成下位机，PC机和腐蚀监测软件构成上位机；监测探头和传感器经导线与下位机的电解池电缆插座连接，下位机的数据输出端连接数据通讯端口，数据通讯可选择有线通讯或无线通讯模式；监测探头和传感器及下位机为1-15组，本发明结构原理简单，使用操作方便，监测数据可靠，省电省力，广泛用于海域、地下及建筑物场合的钢筋腐蚀监测。

公开号为CN1945278的发明专利申请提供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。

公开号为CN101042328的发明专利申请提供一种长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器，属于结构工程领域和光纤传感技术领域。本发明是利用贴着钢筋的位置平直地放置一根长周期光纤光栅，定期由光谱仪观察长周期光纤光栅的透射谱变化，以此判断光栅是否发生了弯曲，并推断钢筋腐蚀的程度与速率。本发明通过对埋入的长周期光纤光栅的透射谱监测，可以实现在不损伤混凝土表面的前提下，对任何环境下钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀情况进行长期监测，准确确定引起钢筋腐蚀的程度及速率，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。

公告号为CN200952998的实用新型专利提供一种测试和分析材料耐腐蚀性能和腐蚀速度的仪器，尤其是一种通过测量腐蚀体系的极化电阻、塔菲尔斜率等参数实现混凝土中钢筋腐蚀监测的装置，包括电荷脉冲极化模块、监测探头、传感器、调制解调器、腐蚀监测软件、GSM通讯模块、CPU控制模块和电源模块；其中电源模块、电荷脉冲极化模块、CPU控制模块构成下位机，PC机和腐蚀监测软件构成上位机；监测探头和传感器经导线与下位机的电解池电缆插座连接，下位机的数据输出端连接数据通讯端口，数据通讯可选择有线通讯或无线通讯模式；监测探头和传感器及下位机为1-15组，本实用新型结构原理简单，使用操作方便，监测数据可靠，省电省力，广泛用于海域、地下及建筑物场合的钢筋腐蚀监测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有钢筋腐蚀检测方法中的不足，提供一种结构简单、成本较低的钢筋腐蚀传感器及其制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种在不损伤混凝土表面的前提下，能准确、无损地检测出具体腐蚀环境下危险锋面距离钢筋的距离的钢筋腐蚀的检测方法。

本发明所述的钢筋腐蚀传感器设有基体和引出导线，基体在竖向上呈螺旋层状分布并设有纵向开口，基体上设有导线引出孔，导线引出孔与引出导线连接。

基体横截面为圆环形、三角环形、椭圆环形等形，

基体的每层厚度最好为2mm，层间距离最好为2mm，基体的竖向长度最好为20～50mm，基体的层数最好为4～10。基体在纵向上的纵向开口夹角可设为25°。

对于基体横截面为圆环形的钢筋腐蚀传感器，其横截面外直径可根据钢筋截面直径大小进行调节，一般工程用钢筋外直径大多在16～40mm范围内，因此，在选用钢筋材料时尽量取传感器基体外径与构件中钢筋直径大小一致为宜，内直径比外直径小2mm。

本发明所述的钢筋腐蚀传感器的制备方法包括以下步骤：

1)将钢筋棒去螺纹，再对其进行切口制作，制成层状结构的基体；

2)在基体的不同高度处设导线引出孔；

3)将引出导线与步骤2)所制备的导线引出孔连接，再密封处理，得钢筋腐蚀传感器。

所述的钢筋棒最好选用与工程所用钢筋材质相同的钢筋棒，优选螺纹钢筋。引出导线与步骤2)所制备的导线引出孔的连接最好在基体连接端面和侧面进行焊接；所述的密封处理可采用环氧树脂密封处理。

所述的钢筋棒最好选用现场取样的钢筋，在现场制作完成；也可以采用同施工所用同类型的钢筋，在场外制作完成。

本发明所述的钢筋腐蚀的检测方法，包括以下步骤：

1)在混凝土构件的不同部位(如桥梁柱的深水区、溅浪区、干燥区)分别布设钢筋腐蚀传感器，在每个区域同时布置至少1个点。

2)在混凝土构件的使用期内，定期用低电阻测试仪对不同位置处的钢筋腐蚀传感器(结构中主要受力部位的钢筋腐蚀传感器)进行数据采集，定期测量，并做好记录，对被测钢筋的腐蚀状态进行判断，近而得到混凝土的环境腐蚀情况。

本发明所制备的钢筋腐蚀传感器的结构简单、成本较低。由于测量时不必把试样取出，也不必清除腐蚀产物，在不损伤混凝土表面的前提下，可在生产过程中直接、连续地监测设备某一部位的腐蚀速度，能准确、无损地检测出具体腐蚀环境下危险锋面距离钢筋的距离，具有灵敏、快速、方便等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的基体的立体结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4本发明实施例的加工示意图。

图5为本发明实施例在混凝土结构中的位置示意图。

图6为本发明实施例的测试原理示意图。

在图1～6中，1.为混凝土；2.为钢筋；3.为钢筋腐蚀传感器基体(即为工程用钢筋制作而成)；4.为引出导线；5.为腐蚀介质入侵锋面；7.为低电阻测试仪。

具体实施方式

参见图1～3，本发明所述的钢筋腐蚀传感器设有基体3和引出导线4(共设4根引出导线41～44)，基体横截面为圆环形，基体3在竖向上呈螺旋层状分布。基体3的每层厚度为2mm，层间距离为2mm，基体的竖向长度为20～50mm，基体的层数为4～10。其横截面外径可根据钢筋截面直径大小进行调节，一般工程用钢筋外直径大多在16～40mm范围内，因此，在选用钢筋材料时尽量取传感器基体外直径与构件中钢筋直径大小一致为宜，内直径比外直径小2mm。在基体3上设有导线引出孔31，基体3的纵向开口夹角为25°。

制备时参见图4，首先，将工程中实际用的二级钢筋以及三级钢筋作为钢筋腐蚀传感器加工原材料，将钢筋按照上面给出的钢筋腐蚀传感器设计图片制作加工。在制作时，先将钢筋外部的螺纹去掉，使钢筋成为外直径为20mm，内直径为18mm的圆筒状管，再将该圆筒状管切成如图2所示的钢筋腐蚀传感器基体3，最后在预先设计的位置处钻导线引出孔31，经No.400的水磨砂纸打磨后，依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗，自然干，且尽量少与空气接触。须用包保存起来，以防止与空气中氧气接触，发生氧化。

其次，在钢筋腐蚀传感器基体3不同位置处与铜导线4(共设4根引出导线41～44)用锡丝焊在一起，尽量将导线与钢筋腐蚀传感器基体连结紧密，防止由于连结不紧密造成的接触电阻增大等问题。

再次，将接焊处用环氧树脂5密封，密封时应全面覆盖焊缝处，并将部分导线密封，制备成为埋置于混凝土中并用于测试的钢筋腐蚀传感器。

最后，将制作好的钢筋腐蚀传感器存放于干燥处。

以下给出钢筋腐蚀的检测方法。

本发明是利用钢筋腐蚀传感器试样的横截面积因腐蚀而减少所引起的电阻变化。如果腐蚀大体上是均匀的，电阻的变化就与腐蚀的增量成比例。从每次电阻的变化值可以计算出经过一段时间之后的总腐蚀量，因而也可以计算出腐蚀速率。具体作法是精确测量钢筋腐蚀传感器腐蚀前的电阻R₀和腐蚀后的电阻R_t，然后根据腐蚀前后电阻的变化值ΔR由下式推算出腐蚀量W：

ΔR/R₀＝(R_t-R₀)/R₀＝(W₀-W_t)/W₀    (1)

可得：

$\frac{\mathrm{\Delta R}}{R_0}=\frac{R_t-R_0}{R_0}=\frac{S_0-S_t}{S_0}=\frac{W_0-W_t}{W_0}---\left(2\right)$

其中，ΔR，R₀，S₀，W₀分别为金属试样的电阻变化量、原始电阻值、原始截面积和原始重量，R_t，S_t，W_t分别为金属试样在腐蚀过程中某一测定时间t的电阻值、截面积和重量。

对于基体横截面为矩形的钢筋腐蚀传感器(假设为均匀腐蚀)有：

$\frac{\mathrm{\Delta R}}{R_0}=\frac{R_t-R_0}{R_0}=\frac{\rho \frac{L}{(a-h)(b-h)}-\rho \frac{L}{\mathrm{ab}}}{\rho \frac{L}{\mathrm{ab}}}=\frac{\mathrm{ab}}{(a-h)(a-h)}-1---\left(3\right)$

其中，a为矩形的长边，b为矩形的短边；h为假设均匀腐蚀的厚度，ρ为电阻率。

由式(3)可推导出腐蚀深度h为：

$h=\frac{(a+b)-\sqrt{{(a+b)}^2-4\mathrm{ab}(1-\frac{1}{1+\frac{\mathrm{\Delta R}}{R_0}})}}{2}---\left(4\right)$

式中：a为矩形的长边，b为矩形的短边，ΔR为腐蚀前后电阻变化值；R₀为腐蚀后的电阻值。这样就可以根据上面的公式继续推导出下面的一些参数：

1)截面面积的减少：

$\mathrm{\Delta S}=\frac{S_0·\mathrm{\Delta R}}{R_0}---\left(5\right)$

2)腐蚀质量：

M_c＝ΔS·ρ₀·L＝[ab-(a-h)(b-h)]·ρ₀·L    (6)

此处ρ₀为铁的密度。

3)平均腐蚀速率：

V_c＝M/t＝[ab-(a-h)(b-h)]·ρ₀·L/t   (7)

检测方法及过程如下(参见图5和6)。

1)钢筋腐蚀传感器安装就位

在图5和6中，各标号为1.混凝土；2.钢筋；3.钢筋腐蚀传感器基体(即为工程用钢筋制作而成)；4.引出导线；5.腐蚀介质入侵锋面；7.为低电阻测试仪。

本发明可以通过在结构的不同部位(如桥梁柱的深水区、溅浪区、干燥区)分别布置钢筋腐蚀传感器，在每个区域同时布置多个点，并通过定期对传感器进行数据采集，可以准确确定引起钢筋腐蚀的腐蚀环境情况。其准确性包含两重含义：一为不考虑环境腐蚀因素的具体性(即腐蚀发生的原因)，二为对侵蚀物质危险锋面5入侵深度的判断方法是准确的、可行的。由于本发明是直接针对腐蚀发生的载体-钢筋进行测量，测量的对象是与混凝土1中的钢筋2同材质制作而成的钢筋腐蚀传感器基体3，通过特定的检测方法，对被测钢筋的腐蚀状态进行判断，近而得到混凝土1的环境腐蚀情况，这种方法可以保证准确性的第一重含义。而由于保护层厚度是在浇注混凝土时事先固定的，通过检测开始腐蚀的传感器层，可以准确地判断危险锋面5的深度。因此这种方法也可以保证准确性的第二重含义。

在混凝土构件模板支好后，混凝土浇注前，将钢筋腐蚀传感器放在与混凝土保护层垫块平行的位置上(即传感器环中心与钢筋轴线垂直)。并保证传感器的底部环中心表面与保护层的表面平行，同时钢筋腐蚀传感器的底部环表面距离混凝土表面不大于5mm。在浇注过程中应注意保护好钢筋腐蚀传感器，以防止把钢筋腐蚀传感器压坏，也可以把钢筋腐蚀传感器埋入水泥沙浆中制作成为混凝土垫块类型。同样方法制作一个外置于混凝土构件外，以考虑温度的影响。浇注混凝土，养护拆模后，应整理导线，并用塑料袋将导线包好。

2)检测过程

在构件的使用期内，定期用低电阻测试仪7对不同位置处的钢筋腐蚀传感器(结构中主要受力部位的钢筋腐蚀传感器)进行定期测量，并作好记录。当钢筋未受到侵蚀介质的影响时，不同位置处钢筋腐蚀传感器引出导线4之间的钢筋腐蚀尚未发生，电阻变化主要受温度的影响(可以通过外置传感器混凝土试块来解决)；一旦电阻变化很大，说明该传感器导线之间的钢筋腐蚀已经发生，并参考其他导线之间的电阻变化，从而判断出环境腐蚀介质的入侵锋面5已经到达该位置。随着时间的推移，腐蚀介质入侵锋面5会不断深入，受到腐蚀影响的传感器引出导线4之间的钢筋数量逐渐增加。距离混凝土表面最近的传感器层受到影响，随后的传感器层也开始受到影响。参见图4，引出导线41与42之间的电阻变化最大，最长久。随后引出导线42与43也开始发生较大变化，最后引出导线43与44之间的电阻也发生变化。将低电阻测量仪7的两个电极接入到不同导线，通过不同导线之间的电阻测量，可以获得不同位置处由于环境因素造成传感器腐蚀的电阻变化图。对传感器进行定期的检测就可以预测到由于腐蚀环境因素的影响，钢筋开始发生腐蚀的时间以及腐蚀程度。借此可以判断出入侵腐蚀介质锋面距离构件钢筋的距离，同时可以推断出构件钢筋开始腐蚀的时间，以确定最佳的维修处理时间。