一种钢筋混凝土埋入式腐蚀传感器

摘要

一种钢筋混凝土埋入式腐蚀传感器，涉及一种传感器。提供一种钢筋混凝土埋入式腐蚀传感器。设有4对腐蚀电偶、空心棒、基座和连接导线，腐蚀电偶由阳极和阴极组成，腐蚀电偶固定在空心棒上，空心棒固定在基座，导线先经空心棒的穿线孔再从基座的凹槽引出，空心棒和基座用环氧树脂包埋封填。体积小，对混凝土结构影响小；结构简单牢固，不会在混凝土浇筑的时候被冲垮；加工方便，性价比高；取材容易；在浇筑混凝土前安装在混凝土内，可对钢筋混凝土结构从早期开始进行长期监测，且监测的环境与钢筋的混凝土环境相同；可根据需要或者具体实验测试决定且调节阴阳极之间的面积比和距离。可根据需要在预监测点和重要断面安装，安装操作方便。

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混凝土埋入式腐蚀传感器。

背景技术

在各类大型工程结构中，如地面建筑工程、桥梁工程、基础工程、隧道工程、水坝、地铁、矿井等，混凝土中钢筋的腐蚀所带来的危害是目前全世界范围都非常关注的重大问题。混凝土材料自身的劣化和钢筋腐蚀共同影响混凝土结构的耐久性，使整个工程的安全性与可靠性受到威胁，其中钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的最重要因素。因此，发展钢筋腐蚀实时监检测技术、提高混凝土内钢筋锈蚀程度与腐蚀速度检测的准确性和工作效率，对评估结构耐久性、及时采取合理的加固措施，减少由于腐蚀所造成的巨大损失，避免可能发生的安全事故，有着重要的意义。

钢筋腐蚀主要发生的是电化学反应，即在钢筋表面不同电位区段形成阳极和阴极，并且阳极部位的钢筋表面处于活化状态，可以自由释放电子，在阴极部位的钢筋表面存在足够的水和氧。但是即便阴极有充足的氧气和水，也会因为在高碱环境下产生的钝化膜抵制铁离子的释放，阻止阳极反应，进而避免电化学反应的发生。因此，混凝土高碱性和钝化膜的破坏也将导致钢筋发生腐蚀，如混凝土碳化、酸雨等都会降低混凝土的碱性程度。钢筋腐蚀的过程和所处环境很复杂，还有很多其他的影响因素，如氯离子浓度、水灰比、周围环境气候等。在海洋条件下，氯化物是钢筋腐蚀的主要影响因素，在很大程度上加速钢筋电化学腐蚀的进程。

近几年来，各国专家学者针对钢筋混凝土腐蚀破坏的机理和影响因素，设计并研发了各类基于电化学原理的腐蚀探针和传感器，更加准确地监/检测和评估钢筋混凝土结构，如自然电位法、宏观电流法和测氯离子的电子探针等。但目前大多成熟的电化学检测技术方法仍只局限在实验室环境，能用于现场的成套设备较少；加上电化学检测仪器笨重且价格昂贵，在恶劣的现场环境操作困难；有些检测方法甚至要破坏混凝土结构来采样分析。

已有的基于电化学原理的埋入式腐蚀传感器主要有德国的梯形阳极传感器、丹麦的多探针腐蚀测试系统，还有国内上海交通大学自制的传感器(见中国专利CN03115903.6).其中德国的梯形阳极传感器主要由固定于不锈钢平行框架上的一组钢筋梯、一个温度传感器、一根涂有氧化铂的钛棒和互连的引出导线组成，其中温度传感器放在平行框内部.丹麦的多探针腐蚀测试系统由4根阳极及共用环形阴极组成，4个阳极在竖直方向上具有不同高度.上海交通大学的腐蚀传感器是由6组阴、阳极固定在工程塑料基座上，其中相邻阳极工作面的高差为5.6mm.这3种腐蚀传感器共同点是：安装的时候，平行放置在钢筋面上，浇筑混凝土后，各个阳极面与混凝土表面保持平行，当氯离子和水分等渗透到某一高度的阳极表面时，混凝土的钝化作用急剧下降，相应的宏电流增加，电位也发生改变.但是这3种传感器都没有考虑到混凝土中钢筋腐蚀最重要的一个因素：阳极和阴极之间的面积比，相对距离都对钢筋腐蚀速度和测试结果有着很大的影响.如果传感器中不同探头的面积比发生变化，探头之间的距离发生了变化，特别是在高电阻的钢筋混凝土下，各个传感器的探头所测得的腐蚀电流相互之间就没有可比性.德国梯形阳极传感器的阴极离阳极有着不同的距离；丹麦的多探针腐蚀测试系统阴阳极距离不一样，采用贵金属网作为阴极，面积比也不确定；上海交大的传感器阴阳极距离一样，但面积比不一致.但这3种传感器都将不同高度的阳极探头腐蚀电流进行比对，判断危险面的位置，却忽略了距离与面积比对宏观电流的影响，使得测试结果没有可比性.因此针对目前埋入式腐蚀传感器存在的问题，本发明提出了另一种钢筋混凝土埋入式腐蚀传感器.

发明内容

本发明的目的在于针对现有的外埋入式电化学腐蚀传感器的不足，克服阳极与阴极面积比以及距离对测试结果的影响，提供一种钢筋混凝土埋入式腐蚀传感器。

本发明设有4对腐蚀电偶、空心棒、基座和连接导线，4对腐蚀电偶由4对阳极和阴极组成，4对腐蚀电偶旋转固定在空心棒上，空心棒旋转固定在基座，连接导线先经过空心棒的穿线孔，再从设于基座上的凹槽引出，空心棒和基座用环氧树脂包埋封填。

所述空心棒可采用聚甲醛(POM)棒，基座可采用聚甲醛基座。

所述阳极可采用钢筋片阳极，钢筋片阳极可采用碳钢筋片阳极。

所述阴极可采用不锈钢阴极或贵金属阴极，不锈钢阴极可采用316L不锈钢阴极。

使用时，在混凝土浇筑前选择预埋点，将本发明固定在钢筋网上。在工程使用期内，定期采集数据，分析比对，来确定危险锋面与钢筋的距离，同时也通过数据判断钢筋周围混凝土环境。整个监测系统除本发明以外，还包括参比电极和数据采集器(也可以由电位电流测量仪替代)，其中参比电极和电位电流测量仪均可从市场采购。

与现有的腐蚀传感器相比，本发明具有以下突出优点：

①体积小，对混凝土结构影响小；

②结构简单，且牢固，不会在混凝土浇筑的时候被冲垮；

③加工方便，性价比高；

④取材容易，可使用现场钢筋或者根据需要改装材料，比如可用一些贵金属替代316L不锈钢充当阴极，也可用更容易腐蚀的碳钢代替阳极；

⑤腐蚀传感器是在浇筑混凝土前安装在混凝土内部中，可对钢筋混凝土结构从早期开始进行长期监测，且监测的环境与钢筋的混凝土环境是相同的；

⑥可以根据需要或者具体实验测试，决定且调节钢筋片与不锈钢片之间的面积比和距离，保证4个阳极和阴极对有相同的面积比和距离，因此电偶对条件一致，具有可比性，使得测试结果更加准确可靠；

⑦可根据需要在预监测点和重要断面安装，安装操作方便；

⑧可结合参比电极一起使用，还可以在传感器内部结构加入温度传感器等，更好地监测混凝土内部环境；

⑨仪器测试方法简单准确，不需破坏钢筋混凝土结构，可直接用电流电位仪器测量，得到宏观电流值和电位值，可以判断出氯离子和水分等渗透的深度，准确判断钢筋的腐蚀状态，推断出离混凝土钢筋开始腐蚀的时间；

⑩当然也可通过比较贵重的仪器，对腐蚀传感器中的三电极体系进行线性极化测试，交流阻抗测试等等，来更加全面的了解混凝土结构内部信息。

本发明属于钢筋混凝土支护结构现场腐蚀监/检测技术，可对长期暴露在恶劣环境下的钢筋混凝土结构中的钢筋进行长期的现场跟踪监测，可以提供材料及结构性能随时间变化的完整信息，对评估混凝土结构耐久性及时采取合理的加固措施有着重要的意义。

在混凝土浇筑前选择预埋点安装传感器，通过监测钢筋周围的混凝土环境，提前判断出危险锋面(由氯离子，水分，氧气等随时间渗透形成的)与钢筋的距离，为后续的维护工作提供准确可靠的依据。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为本发明实施例的侧视结构组成示意图。

图3为本发明实施例的俯视结构组成示意图。

图4为本发明实施例的现场钢筋加工片(阳极)的结构示意图。

图5为本发明实施例的316L不锈钢片(阴极)的结构示意图。

图6为本发明实施例的聚甲醛空心棒(A＝15，20，25，30mm)的结构示意图。

图7为图6的侧视结构示意图。

图8为本发明实施例的聚甲醛基座的结构示意图。

图9为图8的侧视结构示意图。

图中的标记为：1阳极，2阴极，3空心棒，4底座，5环氧树脂封填层，6八芯导线。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1～3所示，本发明设有4个钢筋片阳极1、4个316L不锈钢片阴极2、4根聚甲醛空心棒3、1个聚甲醛底座5和1根八芯导线6。由钢筋片充当阳极，316L不锈钢片充当阴极，组成4对不同高度的电偶对，每对电偶对有对应的导线6连接，钢筋片阳极1和不锈钢片阴极2在水平方向均保持平行，在竖直方向上固定相差12mm。4个钢筋片阳极1在竖直方向上相差5mm。整个传感器的连接，如钢筋片阳极1与聚甲醛空心棒3、不锈钢片阴极2与聚甲醛空心棒3都是利用螺纹的旋转来固定；八芯导线6与钢筋片阳极1、不锈钢片阴极2焊接；最后再用环氧树脂包埋封填聚甲醛空心棒3、聚甲醛底座5的凹槽剩余的缝隙和不锈钢片阴极2下表面与八芯导线6接触的部位。

制作时，选取与现场工程所使用的钢筋，加工成如图4所示的形状尺寸的钢筋片阳极1，由三部分组成，阳极部分半径为10mm，厚度为3mm，中间部分螺纹长8mm，直径为6mm，剩下部分为直径3.5mm，长为5mm，沿着中心线打一小孔，孔直径为3mm，深8mm左右，将直径为3.5mm，长为5mm的这一部分，锉掉一半，形成半管状，以便于后面将导线插入孔内，焊接。

再取316L不锈钢加工成厚度为4mm，外直径为25mm，内螺纹直径为12mm的不锈钢片阴极2(参见图5)。

按图6和7所示的形状尺寸加工聚甲醛空心棒3，上下部分均加工成螺纹，中间部分A分别为15mm，20mm，25mm，30mm，并且在A部分转孔，孔直径4mm，以便于后面导线从此次穿出，与不锈钢片阴极焊接。

按图8和9所示的形状尺寸加工聚甲醛底座4，在中间刨槽，槽深10mm，宽10mm，在侧边留孔，孔直径为6mm，八芯导线从该孔穿入.

用八芯带屏蔽的导线穿入聚甲醛底座预留的孔(直径为6mm)中，再将前端20cm左右的导线去掉塑料和屏蔽保护层，分成4组分别沿着基座槽(槽深为10mm，宽为10mm)从孔洞(直径为4mm)穿出，再沿着聚甲醛空心棒引出，其中一根线沿着聚甲醛空心棒穿出，一根线从聚甲醛空心棒中间的侧孔(直径为3mm)穿出。将316L不锈钢片阴极沿着聚甲醛空心棒外螺纹悬入聚甲醛空心棒中，与从聚甲醛空心棒侧孔中穿出的导线连接，再将另外一条导线，穿入钢筋片阳极预留的孔内(深为8mm，直径为3mm)，用锡焊固定住，旋入聚甲醛空心棒内螺纹中，分别记录连接不锈钢片阴极和钢筋片阳极的导线颜色，最后将聚甲醛空心棒旋入聚甲醛底座固定住，用环氧树脂封填传感器中的孔洞、槽和不锈钢片阴极下表面与聚甲醛空心棒的接触缝隙，防止导线，导线与钢筋片阳极，不锈钢片阴极接触点被破坏，待环氧树脂固化后可使用。

传感器的安装与测试：

在混凝土浇筑前选择预埋点，将腐蚀传感器固定在钢筋网上，安装的时候应注意传感器上的钢筋片阳极、不锈钢片阴极与现场的钢筋或者铁丝接触，并保持传感器与混凝土表面保持平行，可结合参比电极一起使用。将导线引入事先准备好的导线箱，待混凝土凝固后，用电位电流测试仪器定期采集数据，得到4个不同高度的腐蚀电偶电流值，与钢筋片阳极的电位值，长期测试后分析比对数据，来确定危险锋面与钢筋的距离。

随着时间的推移，当氯离子、水分和二氧化碳等介质的不断侵入或混凝土逐渐碳化，钢筋混凝土高碱性下降，第一高度的钢筋片阳极首先发生脱钝，在充足的水分氧气，逐渐开始腐蚀，腐蚀电位也发生了明显的变化，与相对应的不锈钢片阴极之间产生的宏观电流值也增大，此时可以知道传感器钢筋片阳极收到危险锋面的影响，即危险锋面到达了传感器的位置；由于各电极埋置于距离凝土表面不同的距离，且平行于混凝土表面，因此随着时间的推移，另外3个高度的钢筋片阳极也开始腐蚀，电位值突变，记录长期的数据，分析比对，可明显看出4个高度的电流值和电位值产生了层次明显的梯度关系与骤变现象，此时可以判断出氯离子和水分等渗透的深度，推断出离混凝土钢筋开始腐蚀的时间，为后续的维护工作提供准确可靠的依据。