專利名稱：鋼筋腐蝕傳感器與制備方法及其鋼筋腐蝕的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是涉及一種鋼筋腐蝕傳感器與制備方法及其鋼筋腐蝕的檢 測方法。
背景技術(shù)：
鋼筋混凝土中的鋼筋腐蝕是影響結(jié)構(gòu)耐久性的主要影響因素之一。實際工程中常采取的 對策是采用一套有效的監(jiān)測手段，在鋼筋腐蝕尚未開始之前，及早預(yù)測混凝土中腐蝕環(huán)境 情況，預(yù)測腐蝕因素到達鋼筋位置的時間，并采取相應(yīng)的措施進行有針對性的防范。與發(fā)現(xiàn) 鋼筋腐蝕后再處理的方法相比，此對策將起到事半功倍的效果，與鋼筋開始腐蝕后再運行防 腐處理相比，經(jīng)濟消耗小，防腐效果更佳。但是迄今為止，大部分方法是間接的測試方法，都有不少缺陷。根據(jù)現(xiàn)行方法測試取得 的結(jié)果，并不能準(zhǔn)確地判斷鋼筋的腐蝕狀態(tài)。公開號為CN1438478的發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋腐蝕的檢測方法， 直接對腐蝕發(fā)生的載體——鋼筋進行實時測量，傳感器由若干根長度不等的鋼筋棒、與鋼筋 棒相同數(shù)量和長度的不銹鋼棒、基座和導(dǎo)線組成，鋼筋棒及不銹鋼棒成階梯形并排固定在傳 感器基座的固定槽內(nèi)，導(dǎo)線從固定槽中心的穿線孔引出并編號，施工時將檢測傳感器埋入混 凝土，在結(jié)構(gòu)的使用期內(nèi)，定期對傳感器進行數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明可以在不損傷混凝土表面的 前提下，通過對埋入混凝土內(nèi)部不同深度的鋼筋的檢測，準(zhǔn)確確定引起鋼筋腐蝕的氯離子臨 界濃度鋒面深度。公開號為CN1900691的發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N測試和分析材料耐腐蝕性能和腐蝕速度的 儀器，尤其是一種通過測量腐蝕體系的極化電阻、塔菲爾斜率等參數(shù)實現(xiàn)混凝土中鋼筋腐蝕 監(jiān)測的裝置，包括電荷脈沖極化模塊、監(jiān)測探頭、傳感器、調(diào)制解調(diào)器、腐蝕監(jiān)測軟件、GSM 通訊模塊、CPU控制模塊和電源模塊；其中電源模塊、電荷脈沖極化模塊、CPU控制模塊構(gòu) 成下位機，PC機和腐蝕監(jiān)測軟件構(gòu)成上位機；監(jiān)測探頭和傳感器經(jīng)導(dǎo)線與下位機的電解池電 纜插座連接，下位機的數(shù)據(jù)輸出端連接數(shù)據(jù)通訊端口，數(shù)據(jù)通訊可選擇有線通訊或無線通訊 模式；監(jiān)測探頭和傳感器及下位機為l-15組，本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理簡單，使用操作方便，監(jiān)測數(shù) 據(jù)可靠，省電省力，廣泛用于海域、地下及建筑物場合的鋼筋腐蝕監(jiān)測。公開號為CN1945278的發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋腐蝕長期監(jiān)測傳感 器，可用于直接對腐蝕發(fā)生的載體——鋼筋進行實時測量。傳感器由若干長度相等的電極棒、 基座、導(dǎo)線和犧牲陽極組成，電極棒成階梯形固定在傳感器基座的固定槽內(nèi)，導(dǎo)線通過彈簧 片分別與電極棒的陰陽極連接。施工時將檢測傳感器埋入混凝土，在結(jié)構(gòu)的使用期內(nèi)，定期 對傳感器進行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某電極棒內(nèi)的鋼筋發(fā)生腐蝕后，通過陰極保護裝置對鋼筋進 行防腐保護。本發(fā)明可以在不損傷混凝土表面的前提下，通過對埋入混凝土內(nèi)部不同深度的 鋼筋的檢測，準(zhǔn)確方便地確定腐蝕介質(zhì)入侵鋒面距離構(gòu)件鋼筋的距離。公開號為CN101042328的發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N長周期光纖光柵的鋼筋腐蝕監(jiān)測方法 及其傳感器，屬于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是利用貼著鋼筋的位置平直地 放置一根長周期光纖光柵，定期由光譜儀觀察長周期光纖光柵的透射譜變化，以此判斷光柵 是否發(fā)生了彎曲，并推斷鋼筋腐蝕的程度與速率。本發(fā)明通過對埋入的長周期光纖光柵的透 射譜監(jiān)測，可以實現(xiàn)在不損傷混凝土表面的前提下，對任何環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋 腐蝕情況進行長期監(jiān)測，準(zhǔn)確確定引起鋼筋腐蝕的程度及速率，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域中鋼筋 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性檢測和評估。公告號為CN200952998的實用新型專利提供一種測試和分析材料耐腐蝕性能和腐蝕速度 的儀器，尤其是一種通過測量腐蝕體系的極化電阻、塔菲爾斜率等參數(shù)實現(xiàn)混凝土中鋼筋腐 蝕監(jiān)測的裝置，包括電荷脈沖極化模塊、監(jiān)測探頭、傳感器、調(diào)制解調(diào)器、腐蝕監(jiān)測軟件、 GSM通訊模塊、CPU控制模塊和電源模塊；其中電源模塊、電荷脈沖極化模塊、CPU控制 模塊構(gòu)成下位機，PC機和腐蝕監(jiān)測軟件構(gòu)成上位機；監(jiān)測探頭和傳感器經(jīng)導(dǎo)線與下位機的電 解池電纜插座連接，下位機的數(shù)據(jù)輸出端連接數(shù)據(jù)通訊端口，數(shù)據(jù)通訊可選擇有線通訊或無 線通訊模式；監(jiān)測探頭和傳感器及下位機為1-15組，本實用新型結(jié)構(gòu)原理簡單，使用操作方 便，監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠，省電省力，廣泛用于海域、地下及建筑物場合的鋼筋腐蝕監(jiān)測。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有鋼筋腐蝕檢測方法中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本較低 的鋼筋腐蝕傳感器及其制備方法。本發(fā)明的另一目的在于提供一種在不損傷混凝土表面的前提下，能準(zhǔn)確、無損地檢測出 具體腐蝕環(huán)境下危險鋒面距離鋼筋的距離的鋼筋腐蝕的檢測方法。本發(fā)明所述的鋼筋腐蝕傳感器設(shè)有基體和引出導(dǎo)線，基體在豎向上呈螺旋層狀分布并設(shè) 有縱向開口，基體上設(shè)有導(dǎo)線引出孔，導(dǎo)線引出孔與引出導(dǎo)線連接。基體橫截面為圓環(huán)形、三角環(huán)形、橢圓環(huán)形等形，基體的每層厚度最好為2mm，層間距離最好為2mm，基體的豎向長度最好為20 50mm， 基體的層數(shù)最好為4 10。基體在縱向上的縱向開口夾角可設(shè)為25。。對于基體橫截面為圓環(huán)形的鋼筋腐蝕傳感器，其橫截面外直徑可根據(jù)鋼筋截面直徑大小 進行調(diào)節(jié)， 一般工程用鋼筋外直徑大多在16 40mm范圍內(nèi)，因此，在選用鋼筋材料時盡量 取傳感器基體外徑與構(gòu)件中鋼筋直徑大小一致為宜，內(nèi)直徑比外直徑小2mm。本發(fā)明所述的鋼筋腐蝕傳感器的制備方法包括以下步驟1) 將鋼筋棒去螺紋，再對其進行切口制作，制成層狀結(jié)構(gòu)的基體；2) 在基體的不同高度處設(shè)導(dǎo)線引出孔；3) 將引出導(dǎo)線與步驟2)所制備的導(dǎo)線引出孔連接，再密封處理，得鋼筋腐蝕傳感器。 所述的鋼筋棒最好選用與工程所用鋼筋材質(zhì)相同的鋼筋棒，優(yōu)選螺紋鋼筋。引出導(dǎo)線與步驟2)所制備的導(dǎo)線引出孔的連接最好在基體連接端面和側(cè)面進行焊接；所述的密封處理 可采用環(huán)氧樹脂密封處理。所述的鋼筋棒最好選用現(xiàn)場取樣的鋼筋，在現(xiàn)場制作完成；也可以采用同施工所用同類 型的鋼筋，在場外制作完成。本發(fā)明所述的鋼筋腐蝕的檢測方法，包括以下步驟1) 在混凝土構(gòu)件的不同部位(如橋梁柱的深水區(qū)、濺浪區(qū)、干燥區(qū))分別布設(shè)鋼筋腐蝕傳 感器，在每個區(qū)域同時布置至少l個點。2) 在混凝土構(gòu)件的使用期內(nèi)，定期用低電阻測試儀對不同位置處的鋼筋腐蝕傳感器(結(jié) 構(gòu)中主要受力部位的鋼筋腐蝕傳感器)進行數(shù)據(jù)采集，定期測量，并做好記錄，對被測鋼筋 的腐蝕狀態(tài)進行判斷，近而得到混凝土的環(huán)境腐蝕情況。本發(fā)明所制備的鋼筋腐蝕傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。由于測量時不必把試樣取出， 也不必清除腐蝕產(chǎn)物，在不損傷混凝土表面的前提下，可在生產(chǎn)過程中直接、連續(xù)地監(jiān)測設(shè) 備某一部位的腐蝕速度，能準(zhǔn)確、無損地檢測出具體腐蝕環(huán)境下危險鋒面距離鋼筋的距離， 具有靈敏、快速、方便等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的基體的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2的俯視圖。圖4本發(fā)明實施例的加工示意圖。圖5為本發(fā)明實施例在混凝土結(jié)構(gòu)中的位置示意圖。圖6為本發(fā)明實施例的測試原理示意圖。
在圖1 6屮，1.為混凝土； 2.為鋼筋；3.為鋼筋腐蝕傳感器基體(即為工程用鋼筋制 作而成)；4.為引出導(dǎo)線；5.為腐蝕介質(zhì)入侵鋒面；7.為低電阻測試儀。
具體實施例方式
參見圖1 3，本發(fā)明所述的鋼筋腐蝕傳感器設(shè)有基體3和引出導(dǎo)線4 (共設(shè)4根引出導(dǎo) 線41 44),基體橫截面為圓環(huán)形，基體3在豎向上呈螺旋層狀分布?；w3的每層厚度為 2mm，層間距離為2mm，基體的豎向長度為20 50mm，基體的層數(shù)為4 10。其橫截面外 徑可根據(jù)鋼筋截面直徑大小進行調(diào)節(jié)， 一般工程用鋼筋外直徑大多在16 40mm范圍內(nèi)，因 此，在選用鋼筋材料時盡量取傳感器基體外直徑與構(gòu)件中鋼筋直徑大小一致為宜，內(nèi)直徑比 外直徑小2mm。在基體3上設(shè)有導(dǎo)線引出孔31，基體3的縱向開口夾角為25° 。
制備時參見圖4，首先，將工程中實際用的二級鋼筋以及三級鋼筋作為鋼筋腐蝕傳感器 加工原材料，將鋼筋按照上面給出的鋼筋腐蝕傳感器設(shè)計圖片制作加工。在制作時，先將鋼 筋外部的螺紋去掉，使鋼筋成為外直徑為20mm，內(nèi)直徑為18mm的圓筒狀管，再將該圓筒 狀管切成如圖2所示的鋼筋腐蝕傳感器基體3，最后在預(yù)先設(shè)計的位置處鉆導(dǎo)線引出孔31， 經(jīng)No.400的水磨砂紙打磨后，依次用丙酮、乙醇和去離子水清洗，自然干，且盡量少與空氣 接觸。須用包保存起來，以防止與空氣中氣接觸，發(fā)生氧化。
其次，在鋼筋腐蝕傳感器基體3不同位置處與銅導(dǎo)線4 (共設(shè)4根引出導(dǎo)線41 44)用 錫絲焊在一起，盡量將導(dǎo)線與鋼筋腐蝕傳感器基體連結(jié)緊密，防止由于連結(jié)不緊密造成的接 觸電阻增大等問題。
再次，將接焊處用環(huán)氧樹脂5密封，密封時應(yīng)全面覆蓋焊縫處，并將部分導(dǎo)線密封，制 備成為埋置于混凝土中并用于測試的鋼筋腐蝕傳感器。 最后，將制作好的鋼筋腐蝕傳感器存放于干燥處。 以下給出鋼筋腐蝕的檢測方法。
本發(fā)明是利用鋼筋腐蝕傳感器試樣的橫截面積因腐蝕而減少所引起的電阻變化。如果腐 蝕大體上是均勻的，電阻的變化就與腐蝕的增量成比例。從每次電阻的變化值可以計算出經(jīng) 過一段時間之后的總腐蝕量，因而也可以計算出腐蝕速率。具體作法是精確測量鋼筋腐蝕傳 感器腐蝕前的電阻Ro和腐蝕后的電阻Rt，然后根據(jù)腐蝕前后電阻的變化值A(chǔ)i 由下式推算出 腐蝕量W:<formula>formula see original document page 6</formula> (1)
可得<formula>formula see original document page 7</formula>其中，Ai , &，P^分別為金屬試樣的電阻變化量、原始電阻值、原始截面積和原始重j 『,分別為金屬試樣在腐蝕過程中某一測定時間t的電阻值、截面積和重量。 對于基體橫截面為矩形的鋼筋腐蝕傳感器(假設(shè)為均勻腐蝕)有
<formula>formula see original document page 7</formula>
(3)
其中，a為矩形的長邊，6為矩形的短邊；A為假設(shè)均勻腐蝕的厚度，^為電阻率。 由式(3)可推導(dǎo)出腐蝕深度/2為
<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
式中"為矩形的長邊，6為矩形的短邊，Ai 為腐蝕前后電阻變化值；i^為腐蝕后的電阻值c 這樣就可以根據(jù)上面的公式繼續(xù)推導(dǎo)出下面的一些參數(shù) 1)截面面積的減少
2)腐蝕質(zhì)量
<formula>formula see original document page 7</formula>
此處p。為鐵的密度。
3)平均腐蝕速率
(7) 檢測方法及過程如下(參見圖5和6)。
1)鋼筋腐蝕傳感器安裝就位
在圖5和6中，各標(biāo)號為l.混凝土； 2.鋼筋；3.鋼筋腐蝕傳感器基體(即為工程用鋼筋制
作而成)；4.引出導(dǎo)線；5.腐蝕介質(zhì)入侵鋒面；7.為低電阻測試儀。
本發(fā)明可以通過在結(jié)構(gòu)的不同部位(如橋梁柱的深水區(qū)、濺浪區(qū)、干燥區(qū))分別布置鋼筋腐蝕傳感器，在每個區(qū)域同時布置多個點，并通過定期對傳感器進行數(shù)據(jù)采集，可以準(zhǔn)確確 定引起鋼筋腐蝕的腐蝕環(huán)境情況。其準(zhǔn)確性包含兩重含義 一為不考慮環(huán)境腐蝕因素的具體 性(即腐蝕發(fā)生的原因)，二為對侵蝕物質(zhì)危險鋒面5入侵深度的判斷方法是準(zhǔn)確的、可行的。 由于本發(fā)明是直接針對腐蝕發(fā)生的載體一鋼筋進行測量，測量的對象是與混凝土 1中的鋼筋 2同材質(zhì)制作而成的鋼筋腐蝕傳感器基體3，通過特定的檢測方法，對被測鋼筋的腐蝕狀態(tài)進 行判斷，近而得到混凝土 1的環(huán)境腐蝕情況，這種方法可以保證準(zhǔn)確性的第一重含義。而由 于保護層厚度是在澆注混凝土?xí)r事先固定的，通過檢測開始腐蝕的傳感器層，可以準(zhǔn)確地判 斷危險鋒面5的深度。因此這種方法也可以保證準(zhǔn)確性的第二重含義。
在混凝土構(gòu)件模板支好后，混凝土澆注前，將鋼筋腐蝕傳感器放在與混凝土保護層墊塊 平行的位置上(即傳感器環(huán)中心與鋼筋軸線垂直)。并保證傳感器的底部環(huán)中心表面與保護層
的表面平行，同時鋼筋腐蝕傳感器的底部環(huán)表面距離混凝土表面不大于5mm。在澆注過程中 應(yīng)注意保護好鋼筋腐蝕傳感器，以防止把鋼筋腐蝕傳感器壓壞，也可以把鋼筋腐蝕傳感器埋 入水泥沙漿中制作成為混凝土墊塊類型。同樣方法制作一個外置于混凝土構(gòu)件外，以考慮溫 度的影響。澆注混凝土，養(yǎng)護拆模后，應(yīng)整理導(dǎo)線，并用塑料袋將導(dǎo)線包好。 2)檢測過程
在構(gòu)件的使用期內(nèi)，定期用低電阻測試儀7對不同位置處的鋼筋腐蝕傳感器(結(jié)構(gòu)中主 要受力部位的鋼筋腐蝕傳感器)進行定期測量，并作好記錄。當(dāng)鋼筋未受到侵蝕介質(zhì)的影響 時，不同位置處鋼筋腐蝕傳感器引出導(dǎo)線4之間的鋼筋腐蝕尚未發(fā)生，電阻變化主要受溫度 的影響(可以通過外置傳感器混凝土試塊來解決)； 一旦電阻變化很大，說明該傳感器導(dǎo)線之 間的鋼筋腐蝕已經(jīng)發(fā)生，并參考其他導(dǎo)線之間的電阻變化，從而判斷出環(huán)境腐蝕介質(zhì)的入侵 鋒面5已經(jīng)到達該位置。隨著時間的推移，腐蝕介質(zhì)入侵鋒面5會不斷深入，受到腐蝕影響 的傳感器引出導(dǎo)線4之間的鋼筋數(shù)量逐漸增加。距離混凝土表面最近的傳感器層受到影響， 隨后的傳感器層也開始受到影響。參見圖4，引出導(dǎo)線41與42之間的電阻變化最大，最長 久。隨后引出導(dǎo)線42與43也開始發(fā)生較大變化，最后引出導(dǎo)線43與44之間的電阻也發(fā)生 變化。將低電阻測量儀7的兩個電極接入到不同導(dǎo)線，通過不同導(dǎo)線之間的電阻測量，可以 獲得不同位置處由于環(huán)境因素造成傳感器腐蝕的電阻變化圖。對傳感器進行定期的檢測就可 以預(yù)測到由于腐蝕環(huán)境因素的影響，鋼筋開始發(fā)生腐蝕的時間以及腐蝕程度。借此可以判斷 出入侵腐蝕介質(zhì)鋒面距離構(gòu)件鋼筋的距離，同時可以推斷出構(gòu)件鋼筋開始腐蝕的時間，以確 定最佳的維修處理時間。
權(quán)利要求
1.鋼筋腐蝕傳感器，其特征在于設(shè)有基體和引出導(dǎo)線，基體在豎向上呈螺旋層狀分布并設(shè)有縱向開口，基體上設(shè)有導(dǎo)線引出孔，導(dǎo)線引出孔與引出導(dǎo)線連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的鋼筋腐蝕傳感器，其特征在于基體橫截面為圓環(huán)形、三角環(huán)形或 橢圓環(huán)形。
3. 如權(quán)利要求1所述的鋼筋腐蝕傳感器，其特征在于基體的每層厚度為2mm，層間距 離為2mm，基體的豎向長度為20 50mm。
4. 如權(quán)利要求1所述的鋼筋腐蝕傳感器，其特征在于基體的層數(shù)為4 10。
5. 如權(quán)利要求1所述的鋼筋腐蝕傳感器，其特征在于基體在縱向上的縱向開口夾角為 25° 。
6. 如權(quán)利要求2所述的鋼筋腐蝕傳感器，其特征在于對于基體橫截面為圓環(huán)形的鋼筋腐 蝕傳感器的外直徑為16 40mm，內(nèi)直徑比外直徑小2mm。
7. 如權(quán)利要求1所述的鋼筋腐蝕傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟1) 將鋼筋棒去螺紋，再對其進行切口制作，制成層狀結(jié)構(gòu)的基體；2) 在基體的不同高度處設(shè)導(dǎo)線引出孔；3) 將引出導(dǎo)線與步驟2)所制備的導(dǎo)線引出孔連接，再密封處理，得鋼筋腐蝕傳感器。
8. 如權(quán)利要求7所述的鋼筋腐蝕傳感器的制備方法，其特征在于所述的鋼筋棒選用與工 程所用鋼筋材質(zhì)相同的鋼筋棒，引出導(dǎo)線與導(dǎo)線引出孔的連接在基體連接端面和側(cè)面進行焊 接；所述的密封處理采用環(huán)氧樹脂密封處理。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的鋼筋腐蝕傳感器的制備方法，其特征在于所述的鋼筋棒選用 現(xiàn)場取樣的鋼筋，在現(xiàn)場制作完成；或采用同施工所用同類型的鋼筋，在場外制作完成。
10. 鋼筋腐蝕的檢測方法，其特征在于包括以下步驟1) 在混凝土構(gòu)件的不同部位分別布設(shè)鋼筋腐蝕傳感器，在每個區(qū)域同時布置至少1個點；2) 在混凝土構(gòu)件的使用期內(nèi)，定期用低電阻測試儀對不同位置處的鋼筋腐蝕傳感器進行 數(shù)據(jù)采集，定期測量，并作好記錄，對被測鋼筋的腐蝕狀態(tài)進行判斷，近而得到混凝土的環(huán) 境腐蝕情況。
全文摘要
鋼筋腐蝕傳感器與制備方法及其鋼筋腐蝕的檢測方法，涉及一種傳感器。提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的鋼筋腐蝕傳感器及其制備方法和一種在不損傷混凝土表面的前提下，能準(zhǔn)確、無損地檢測出具體腐蝕環(huán)境下危險鋒面距離鋼筋的距離的鋼筋腐蝕的檢測方法。設(shè)有基體和引出導(dǎo)線，基體在豎向上呈螺旋層狀分布并設(shè)有縱向開口。將鋼筋棒去螺紋，切口得基體；在基體的不同高度處打孔；將引出導(dǎo)線與孔連接，密封得鋼筋腐蝕傳感器。在混凝土構(gòu)件的不同部位分別布設(shè)傳感器，在混凝土構(gòu)件的使用期內(nèi)，定期用低電阻測試儀對不同位置處的鋼筋腐蝕傳感器進行數(shù)據(jù)采集，定期測量，記錄，對被測鋼筋的腐蝕狀態(tài)進行判斷，得混凝土的環(huán)境腐蝕情況。
文檔編號G01N17/04GK101216412SQ200710144120
公開日2008年7月9日 申請日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月26日
發(fā)明者旭 吳, 石建光 申請人:廈門大學(xué)