混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其包括：溫度傳感器，用于測量混凝土內(nèi)部溫度；濕度傳感器，用于測量混凝土內(nèi)部濕度；全固態(tài)氯離子傳感器，用于測量混凝土中氯離子含量；全固態(tài)pH傳感器，用于測量混凝土內(nèi)部pH值；宏電池組傳感器，用于測量混凝土中鋼筋的銹蝕情況；四方型框架，用于將各傳感器連接成一個整體，起固定作用，防止在安裝或者混凝土澆筑過程中傳感器位置的變動。該監(jiān)測系統(tǒng)具有定位準(zhǔn)、測試全面、安裝靈活，且?guī)в凶怨╇娤到y(tǒng)，利用太陽能供電，不需定時更換電池，方便快捷。
【專利說明】
混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及混凝土耐久性監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種對混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋經(jīng)濟的發(fā)展帶動了海洋地區(qū)的建設(shè)，這種飛速發(fā)展離不開海港碼頭、海洋平臺、跨海通道等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，這些大型海洋基礎(chǔ)設(shè)施絕大部分是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其服役壽命大多要求在100年以上。但據(jù)我國建設(shè)部的調(diào)查表明:國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25?30年后即需大修，處于海洋等嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅15?20年。這并不滿足服役壽命的要求，況且海洋對于各種結(jié)構(gòu)材料來說是一個十分嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境，海洋環(huán)境下混凝土的防護及修復(fù)，重大混凝土工程的耐久性和服役壽命一直是國內(nèi)外混凝土科學(xué)界和工程界高度關(guān)注的問題，也是當(dāng)今困擾海洋開發(fā)的世界性難題?；炷疗茐牡闹饕驗殇摻钿P蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境下的物理化學(xué)作用等。其中，鋼筋腐蝕破壞被確認(rèn)為第一要害，而氯離子的侵蝕又是引起鋼筋腐蝕的首要因素，尤其是海洋環(huán)境以及除冰鹽環(huán)境條件下服役的混凝土結(jié)構(gòu)。氯離子進入混凝土中并到達鋼筋表面，當(dāng)它吸附于局部鈍化膜處時，可使該處的PH值迅速降低，破壞鋼筋表面鈍化膜。使這些部位露出了鐵基體，與尚完好的鈍化膜區(qū)域間構(gòu)成電位差。鐵基體作為陽極而受腐蝕，大面積的鈍化膜區(qū)作為陰極，導(dǎo)致鋼筋表面產(chǎn)生點蝕。由于大陰極對應(yīng)于小陽極，坑蝕發(fā)展十分迅速。氯離子不僅促成了鋼筋表面腐蝕電池的產(chǎn)生，由于其極強的極化作用，進一步加速電池作用的過程。并且在這個過程中氯離子只起到了 “搬運”Fe2+的作用，并不被“消耗”。也就是說，凡是進入混凝土中的氯離子，會周而復(fù)始地起破壞作用。另外，混凝土中的氯離子降低了陰、陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕過程。氯鹽對鋼筋腐蝕的強弱，與其達到鋼筋表面的濃度有關(guān)，通常情況下氯鹽對鋼筋銹蝕是起主導(dǎo)作用的。鋼筋銹蝕的發(fā)生使得鋼筋的截面積減小，導(dǎo)致構(gòu)件應(yīng)力集中。銹蝕產(chǎn)物的體積遠大于鋼筋的體積，鋼筋銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹使鋼筋與混凝土界面產(chǎn)生膨脹壓力，最終將導(dǎo)致混凝土保護層順筋開裂。所以，獲取混凝土內(nèi)部氯離子的分布規(guī)律對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性至關(guān)重要。文獻報道表明，混凝土內(nèi)部的溫度和含濕狀態(tài)對混凝土中氯離子的傳輸影響很大，PH值的大小也會影響鋼筋銹蝕的發(fā)展。并且混凝土內(nèi)部溫度、濕度與PH值不僅影響混凝土中氯離子的傳輸，還影響混凝土的強度，斷裂能等力學(xué)性能以及混凝土碳化等耐久性性能。同時，在不同深度安裝有宏電池組傳感器，用于監(jiān)測混凝土中不同深度處鋼筋銹蝕的發(fā)生，從而為混凝土耐久性參數(shù)提供更全面的反饋信息。因此單一的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)均無法全面反映混凝土內(nèi)部的真實情況。如何在混凝土達到服役壽命之前，給出預(yù)警信號以便采取有效的防護與修復(fù)措施，來提高混凝土的安全性并延長其使用壽命是現(xiàn)在亟待解決的問題。為此，實時在線長期監(jiān)測混凝土內(nèi)部的溫度、濕度、pH值、氯離子含量等重要參數(shù)，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞之前給出預(yù)警信號，這對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的科學(xué)維護、結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性評估具有重大意義。混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠為重大工程結(jié)構(gòu)的耐久性評估與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。因此，開發(fā)混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)意義重大。CN 104075756 A公開了一種混凝土結(jié)構(gòu)耐久性多元復(fù)合無線監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)點是該系統(tǒng)能夠無線監(jiān)測混凝土中的相關(guān)參數(shù)，缺點是傳感元件不能移動，監(jiān)測位置單一，且外部采集器需要長期更換電池。CN 101334353A公開了一種用于監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的多功能傳感器，該傳感器也能夠監(jiān)測混凝土中的相關(guān)參數(shù)，將各個傳感器集成為一體，但監(jiān)測點唯一，需要多個傳感器埋入到混凝土中監(jiān)測，并不能夠反映出真實數(shù)據(jù)，且集成時所用的金屬外殼為不銹鋼圓筒，成本較高。
[0003]相比現(xiàn)有技術(shù)中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性多元復(fù)合無線監(jiān)測系統(tǒng)，本實用新型提供的原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)定位準(zhǔn)、測試全面、安裝靈活，且?guī)в凶怨╇娤到y(tǒng)，即與外部連接一個太陽能供電板裝置，利用太陽能供電，不需定時更換電池，方便快捷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性多元復(fù)合無線監(jiān)測系統(tǒng)存在的諸多問題，本實用新型提供一種新型的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，方便研究混凝土內(nèi)部溫度、濕度、氯離子含量、pH值以及鋼筋銹蝕的變化規(guī)律，該系統(tǒng)定位準(zhǔn)、測試全面、安裝靈活，且?guī)в凶怨╇娤到y(tǒng)，利用太陽能供電，不需定時更換電池，方便快捷。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種新型的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其包括:
[0006]溫度傳感器，用于測量混凝土內(nèi)部溫度；
[0007]濕度傳感器，用于測量混凝土內(nèi)部濕度；
[0008]全固態(tài)氯離子傳感器，用于測量混凝土中氯離子含量；
[0009]全固態(tài)pH傳感器，用于測量混凝土的pH值；
[0010]宏電池組傳感器，用于測量混凝土中鋼筋的銹蝕情況；
[0011 ]四方型框架，用于將各傳感器連接成一個整體，起固定作用，防止在安裝或者混凝土澆筑過程中傳感器位置的變動。
[0012]所述全固態(tài)氯離子傳感器由全固態(tài)參比電極和全固態(tài)氯離子工作電極構(gòu)成。
[0013]所述全固態(tài)pH傳感器由全固態(tài)參比電極和全固態(tài)pH工作電極構(gòu)成。
[0014]全固態(tài)氯離子工作電極采用電解法制備而成。即金屬銀在通電的情況下進行電解，使得銀的表面生成一層氯化銀薄膜。制備方法如下:將銀絲(直徑:2mm、純度:99.999%)切成長度為2cm的銀棒，然后將銀棒的一端與銅導(dǎo)線焊接，焊接長度為0.5cm，焊接完成后，將待極化的銀棒用600#、800#、1000#的砂紙打磨拋光，然后，用丙酮對銀棒進行表面清洗，以除去表面的油污。隨后，將其放入濃度5%的硝酸溶液lmin，除去電極表面的氧化物，再將銀棒放入酒精中清洗，最后用蒸餾水對電極進行清洗。為防止銅導(dǎo)線與銀棒焊接處發(fā)生電偶腐蝕，用環(huán)氧樹脂將焊接部位進行密封，只露出待極化的銀棒，銀棒外露長度為1.5cm。通過電化學(xué)工作站的三電極體系進行電解，使得銀的表面生成一層氯化銀薄膜，將水泥凈漿填充在PVC管的底部，凈漿硬化后厚度為lcm。然后將0.5mol/LKC1溶液加熱到85°C，同時每1mL溶液加入Ig羧甲基羥乙基纖維素，冷卻至室溫后得到凝膠電解質(zhì)，并將其注入到PVC管內(nèi)，作為凝膠功能層。最后再用環(huán)氧樹脂對PVC管的另一端進行密封。
[0015]全固態(tài)pH工作電極采用高溫碳酸鹽氧化法制備而成。制備過程如下:截取長度為I cm左右的貴金屬銥絲(直徑:0.5mm、純度:99.99 % )，依次用無水乙醇、蒸餾水清洗。將銥絲放入裝有5g?1g的碳酸鋰或碳酸鈉的氧化鋁坩禍，置于700°C?900°C高溫爐中加熱，達到目標(biāo)溫度后恒溫Ih?3h，銥絲的表面會生成結(jié)構(gòu)致密的二氧化銥薄膜。然后讓制備的電極在爐中慢慢冷卻至室溫，取出銥絲，用稀鹽酸和去離子水清洗，并在80°C真空干燥箱中烘干2h。將氧化的銥絲端部與銅導(dǎo)線焊接，為防止發(fā)生電偶腐蝕，焊接處用環(huán)氧樹脂密封，且將制備的電極放在PVC管中，用環(huán)氧樹脂進行封裝，露出電極探頭約0.8cm。
[0016]全固態(tài)參比電極的具體制備方法為，將烘干的Μη02、炭黑、錳粉和雙酚A型環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑按照質(zhì)量比5:1:2:0.5進行混合。具體如下:首先將各種物質(zhì)混合，然后用高速攪拌機攪拌均勻，并繼續(xù)在研缽中研磨，研磨至粉體狀后，將混合物放入烘箱中烘干，為使得粉體間易于結(jié)合，烘干后再次研磨30min。隨后稱量一定量的混合物，將其放入自制的鋼模具中，通過萬能壓力試驗機壓制出MnO2電極。在壓制過程中，用電腦采集整個加載過程中所施加的力，達到目標(biāo)壓力值后持載5min，模具均勻受力，壓制出來的電極密實均勻。所壓制出來的電極直徑為12mm，厚度為12.5mm。脫模后，用焊錫將銅導(dǎo)線焊接在電極的表面，在焊接處涂一層環(huán)氧，一是防止發(fā)生電偶腐蝕，二是使得銅導(dǎo)線與電極結(jié)合的更結(jié)實，不易脫離。將做好的混凝土半透膜填充在PVC管一端，放在養(yǎng)護室養(yǎng)護三天后再填入制成的堿性凝膠體，將已與銅導(dǎo)線焊接好的MnO2電極放在堿性凝膠體的上部，最后用環(huán)氧樹脂進行密封處理，最終制成全固態(tài)參比電極。
[0017]其中，所述四方型框架由支架、側(cè)槽、接入接線盒的固定的不銹鋼棒、連接各傳感器的滑動的不銹鋼棒、連接導(dǎo)線、PVC管、接線盒、航空插頭以及螺絲構(gòu)成。
[0018]所述支架與側(cè)槽利用螺絲連接，各層上的連接傳感器的滑動的不銹鋼棒放有全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)參比電極、全固態(tài)pH工作電極、溫度傳感器、濕度傳感器以及宏電池組傳感器，對于各層來講，不銹鋼棒的端部留有螺紋孔，方便與螺絲固定，對于外側(cè)的支架，不銹鋼棒焊接在支架上，且不銹鋼棒上安裝接線盒，導(dǎo)線經(jīng)過空心的不銹鋼棒內(nèi)引線至接線盒中的航空插頭，防止了導(dǎo)線的破壞。
[0019]其中，所述四方型框架的支架是鏤空的腔體，呈門字型，其通過螺絲連接側(cè)槽。
[0020]其中，側(cè)槽上搭接不銹鋼棒，不銹鋼棒的端部通過螺絲連接。
[0021]其中，側(cè)槽上刻有刻度，方便不銹鋼棒的固定，連接各傳感器的滑動的不銹鋼棒滑動到指定位置后將螺絲擰緊，實現(xiàn)傳感器的定位。
[0022]其中，在不銹鋼棒上安置全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)參比電極、全固態(tài)pH工作電極、溫度傳感器、濕度傳感器以及宏電池組傳感器，移動位置后可監(jiān)測任意指定位置的耐久性參數(shù)。
[0023]其中，全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)pH工作電極、全固態(tài)參比電極都封裝在PVC管中，PVC管中灌入環(huán)氧，且PVC管在不銹鋼棒上，全固態(tài)氯離子工作電極的探頭用凝膠電解質(zhì)保護，全固態(tài)參比電極的封裝分為四層:一層即底層是混凝土半透膜層，二層為堿性凝膠層，三層即為壓制出的MnO2電極層，四層為導(dǎo)線引出處環(huán)氧樹脂密封層，封裝在PVC管中，避免在施工過程中由于受機械荷載對傳感器探頭造成破壞。
[0024]其中，宏電池組傳感器由陽極、陰極、尼龍隔圈以及導(dǎo)線組成，包括兩個陽極和兩個陰極，形成兩組宏電池組。
[0025]本實用新型還提供了上述混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的安裝方法，其包括:
[0026]將裝有各種傳感器的不銹鋼棒用螺絲安裝在帶有導(dǎo)槽的U型側(cè)槽上，其具體安裝位置要根據(jù)實際需求而定，其中U型側(cè)槽上帶有刻度，可以根據(jù)刻度進行精準(zhǔn)定位。然后，將裝有傳感器的側(cè)槽按等間距方式安裝在門字型支架，安裝節(jié)點用螺絲連接。各傳感器的導(dǎo)線通過U型側(cè)槽而引出，側(cè)槽內(nèi)導(dǎo)線內(nèi)置稍微長一些，以方便不銹鋼棒的滑動，引出的導(dǎo)線做成防水型航空插頭，航空插頭作為連接器置于接線盒中，接線盒是用玻璃纖維增強型絕緣聚乙烯制造而成的，能夠抵抗堿和氯化物的腐蝕，可防止水滲入導(dǎo)線包皮的內(nèi)部，對導(dǎo)線進行保護，保證水密性良好，用于插監(jiān)測插頭的插座，為了保證嵌入在混凝土中的接線盒能方便的開關(guān)蓋子，在其蓋子上面覆蓋了一層聚合物，作為接線盒的內(nèi)部蓋子。
[0027]本實用新型還提供了上述混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測的裝置系統(tǒng)的安裝使用方法，其可以為鉆孔嵌入安裝或者預(yù)埋式安裝。
[0028]本實用新型的有益效果:
[0029]多功能鋼筋混凝土腐蝕傳感器集全固態(tài)pH工作電極、全固態(tài)參比電極、全固態(tài)氯離子工作電極、溫度傳感器、濕度傳感器、宏電池組傳感器于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，不僅能現(xiàn)場無損地同時監(jiān)測混凝土中PH值、氯離子含量、溫度和濕度，并且可監(jiān)測混凝土中鋼筋狀態(tài)和腐蝕速度，是現(xiàn)場監(jiān)測鋼筋腐蝕和混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)的有力工具。
【附圖說明】
[0030]圖1混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測的裝置系統(tǒng)的立體圖；
[0031]圖2混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測的裝置系統(tǒng)的主視圖；
[0032]圖3混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測的裝置系統(tǒng)的左視圖；
[0033]圖4混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測的裝置系統(tǒng)的俯視圖；
[0034]圖5為氯離子工作電極封裝圖；
[0035]圖6為pH工作電極封裝圖。
[0036]圖7為參比電極的封裝圖。
[0037]圖8為不銹鋼棒上各傳感元件俯視圖；
[0038]圖9為不銹鋼棒上各傳感元件正視圖。
【具體實施方式】
[0039]本實用新型提供一種新型的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其包括:
[0040]溫度傳感器，用于測量混凝土內(nèi)部溫度；
[0041 ] 濕度傳感器，用于測量混凝土內(nèi)部濕度；
[0042]全固態(tài)氯離子傳感器，用于測量混凝土中氯離子含量；
[0043]全固態(tài)pH傳感器，用于測量混凝土的pH值；
[0044]宏電池組傳感器，用于測量混凝土中鋼筋的銹蝕情況；
[0045]四方型框架，用于將各傳感器連接成一個整體，起固定作用，防止在安裝或者混凝土澆筑過程中傳感器位置的變動。
[0046]所述全固態(tài)氯離子傳感器由全固態(tài)參比電極和全固態(tài)氯離子工作電極構(gòu)成。
[0047]所述全固態(tài)pH傳感器由全固態(tài)參比電極和全固態(tài)pH工作電極構(gòu)成。
[0048]全固態(tài)氯離子工作電極采用電解法制備而成。即金屬銀在通電的情況下進行電解，使得銀的表面生成一層氯化銀薄膜。制備方法如下:將銀絲(直徑:2mm、純度:99.999%)切成長度為2cm的銀棒，然后將銀棒的一端與銅導(dǎo)線焊接，焊接長度為0.5cm，焊接完成后，將待極化的銀棒用600#、800#、1000#的砂紙打磨拋光，然后，用丙酮對銀棒進行表面清洗，以除去表面的油污。隨后，將其放入濃度5%的硝酸溶液lmin，除去電極表面的氧化物，再將銀棒放入酒精中清洗，最后用蒸餾水對電極進行清洗。為防止銅導(dǎo)線與銀棒焊接處發(fā)生電偶腐蝕，用環(huán)氧樹脂將焊接部位進行密封，只露出待極化的銀棒，銀棒外露長度為1.5cm。通過電化學(xué)工作站的三電極體系進行電解，使得銀的表面生成一層氯化銀薄膜，將水泥凈漿定在PVC管的底部，凈漿硬化后厚度為lcm。然后將0.5mol/LKC1溶液加熱到85°C，同時每1mL溶液加入Ig羧甲基羥乙基纖維素，冷卻至室溫后得到凝膠電解質(zhì)，并將其注入到PVC管內(nèi)，作為凝膠功能層。最后再用環(huán)氧樹脂對PVC管的另一端進行密封。
[0049]全固態(tài)pH工作電極采用高溫碳酸鹽氧化法制備而成。制備過程如下:截取長度為I cm左右的貴金屬銥絲(直徑:0.5mm、純度:99.99 % )，依次用無水乙醇、蒸餾水清洗。將銥絲放入裝有5g?1g的碳酸鋰或碳酸鈉的氧化鋁坩禍，置于700°C?900°C高溫爐中加熱，達到目標(biāo)溫度后恒溫Ih?3h，銥絲的表面會生成結(jié)構(gòu)致密的二氧化銥薄膜。然后讓制備的電極在爐中慢慢冷卻至室溫，取出銥絲，用稀鹽酸和去離子水清洗，并在80°C真空干燥箱中烘干2h。將氧化的銥絲端部與銅導(dǎo)線焊接，為防止發(fā)生電偶腐蝕，焊接處用環(huán)氧樹脂密封，且將制備的電極放在PVC管中，用環(huán)氧樹脂進行封裝，露出電極探頭約0.8cm。
[0050]全固態(tài)參比電極的具體制備方法為，將烘干的Μη02、炭黑、錳粉和雙酚A型環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑按照質(zhì)量比5:1:2:0.5進行混合。具體如下:首先將各種物質(zhì)混合，然后用高速攪拌機攪拌均勻，并繼續(xù)在研缽中研磨，研磨至粉體狀后，將混合物放入烘箱中烘干，為使得粉體間易于結(jié)合，烘干后再次研磨30min。隨后稱量一定量的混合物，將其放入自制的鋼模具中，通過萬能壓力試驗機壓制出MnO2電極。在壓制過程中，用電腦采集整個加載過程中所施加的力，達到目標(biāo)壓力值后持載5min，模具均勻受力，壓制出來的電極密實均勻。所壓制出來的電極直徑為12mm，厚度為12.5mm。脫模后，用焊錫將銅導(dǎo)線焊接在電極的表面，在焊接處涂一層環(huán)氧樹脂，一是防止發(fā)生電偶腐蝕，二是使得銅導(dǎo)線與電極結(jié)合的更結(jié)實，不易脫離。將做好的混凝土半透膜填充在PVC管一端，放在養(yǎng)護室養(yǎng)護三天后再填入制成的堿性凝膠體，將已與銅導(dǎo)線焊接好的MnO2電極放在堿性凝膠體的上部，最后用環(huán)氧樹脂進行密封處理，最終制成全固態(tài)參比電極。
[0051]所述四方型框架由支架、側(cè)槽、接入接線盒的固定的不銹鋼棒、連接各傳感器的滑動的不銹鋼棒、連接導(dǎo)線、PVC管、接線盒、航空插頭以及螺絲構(gòu)成。
[0052]安裝傳感器的不銹鋼棒垂直于外側(cè)的支架，且可在U型側(cè)槽內(nèi)自由滑動，安裝接線盒的不銹鋼棒與寬方向的支架在一個平面內(nèi)，長方向的支架與寬方向的支架用螺絲連接，各個傳感器直接插入不銹鋼棒上的定位螺絲孔中，且各個傳感器所引出的導(dǎo)線經(jīng)過支架內(nèi)部后引入接線盒，接線盒中與外部設(shè)備連接的即為航空插頭。
[0053]所述支架與U型側(cè)槽利用螺絲連接，各層上的不銹鋼棒放有全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)參比電極、全固態(tài)PH工作電極、溫度傳感器、濕度傳感器以及宏電池組傳感器。對于各層來講，不銹鋼棒在U型側(cè)槽的導(dǎo)槽內(nèi)任意滑動，且端部留有螺紋孔，方便用螺絲固定，對于安裝接線盒時所在平面的支架，不銹鋼棒焊接在支架上，且不銹鋼棒上安裝接線盒，導(dǎo)線經(jīng)過空心的不銹鋼棒內(nèi)引線至接線盒內(nèi)的航空插頭，防止了導(dǎo)線的破壞。
[0054]所述四方形框架的支架是鏤空的腔體，呈門字型，其通過螺絲連接U型側(cè)槽。
[0055]U型側(cè)槽帶有導(dǎo)槽和刻度，便于不銹鋼棒在其內(nèi)部滑動和定位，不銹鋼棒的端部為螺紋孔，當(dāng)不銹鋼鋼棒滑動到目標(biāo)位置后，通過螺絲可以將其固定在U型側(cè)槽上。在不銹鋼棒上安置全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)PH工作電極、溫度傳感器、濕度傳感器、全固態(tài)參比電極以及宏電池組傳感器，移動位置后可監(jiān)測任意指定位置的耐久性參數(shù)。
[0056]側(cè)槽采用U型的AISI316型不銹鋼槽。
[0057]宏電池組傳感器為兩組宏電池組。
[0058]全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)pH工作電極、全固態(tài)參比電極都封裝在PVC管中，PVC管中灌入環(huán)氧，且PVC管在不銹鋼棒上，全固態(tài)氯離子工作電極的探頭用凝膠電解質(zhì)保護，全固態(tài)參比電極的封裝分為四層:一層即底層是混凝土半透膜層，二層為堿性凝膠層，三層即為壓制出的MnO2電極層，四層為導(dǎo)線引出處環(huán)氧樹脂密封層，封裝在PVC管中，避免在施工過程中由于受機械荷載對傳感器探頭造成破壞。
[0059]混凝土半透膜做法:按純硅酸鹽水泥:砂:水:細木肩為48:48:19.2:2.5比例混合均勻而成。
[0060]堿性凝膠做法:飽和氫氧化鈣與高吸水樹脂吸水劑SAP混合在一起攪拌充分而制成，飽和氫氧化1丐與高吸水樹脂吸水劑的配比為1:0.8?0.6。
[0061 ]濕度傳感器采用一種透氣不透水的剛性半透膜進行封裝。
[0062]全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)參比電極、全固態(tài)pH工作電極、溫度傳感器以及濕度傳感器要安裝在不銹鋼棒上的定位螺絲孔內(nèi)。
[0063]宏電池組傳感器由陽極、陰極、尼龍隔圈以及導(dǎo)線組成。
[0064]全固態(tài)氯離子傳感器與宏電池組傳感器相輔相成，互為校正，即氯離子傳感器通過電位的變化來反應(yīng)混凝土中氯離子含量，即電位與氯離子濃度對數(shù)呈線性關(guān)系來判斷鋼筋銹蝕的發(fā)生情況。宏電池組傳感器是全固態(tài)氯離子傳感器的補充，且宏電池組傳感器也通過電位，反映目標(biāo)位置處鋼筋的銹蝕情況。為了避免數(shù)據(jù)的離散型，每層采用兩組宏電池組傳感器。
[0065]所述原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還自帶自供電系統(tǒng)，即與外部連接一個太陽能供電板裝置，利用太陽能供電，不需定時更換電池，方便快捷。
[0066]本實用新型還提供了上述混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的安裝方法，其包括:
[0067]將門字型支架按分層形式鉆孔，將裝有傳感器的U型側(cè)槽按等間距安裝在門字型支架，安裝節(jié)點用螺絲連接，各傳感器的導(dǎo)線通過U型側(cè)槽而引出，側(cè)槽內(nèi)導(dǎo)線內(nèi)置長一些，以方便不銹鋼棒的滑動，導(dǎo)線定位好之后，在U型側(cè)槽內(nèi)澆筑環(huán)氧，對不銹鋼棒端部和導(dǎo)線進行密封保護。引出的導(dǎo)線做成防水型航空插頭，航空插頭有蓋，作用是采集系統(tǒng)在安裝之前可防止灰塵等的侵入。航空插頭作為連接器置于接線盒中，接線盒是用玻璃纖維增強型絕緣聚乙烯制造而成的，能夠抵抗堿和氯化物的腐蝕，可防止水滲入導(dǎo)線包皮的內(nèi)部，對導(dǎo)線進行保護，保證水密性良好，用于插監(jiān)測插頭的插座，為了保證嵌入在混凝土中的接線盒能方便的開關(guān)蓋子，在其蓋子上面覆蓋了一層聚合物，聚合物的厚度約4毫米。另外，接線盒內(nèi)安裝有STM32的數(shù)據(jù)采集板和GPRS DTU無線傳輸終端，數(shù)據(jù)采集板通過航空插頭的公頭與上述連接傳感器的航空插頭的母頭連接。采集系統(tǒng)在工作過程中可以根據(jù)設(shè)定的程序自動采集數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)用戶需求在辦公室發(fā)送指令，采集即時數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳送給用戶。其中數(shù)據(jù)采集板和無線傳輸終端的供電是通過太陽能供電系統(tǒng)供電的。
[0068]安裝接線盒時，使接線盒的上表面與保護它的聚合物的上表面相接，并將該聚合物輕輕壓在安裝盒上表面。
[0069]為使接線盒靠近所安裝傳感器的位置且方便施工后采集數(shù)據(jù)，減少導(dǎo)線的長度，將接線盒安裝在門字型支架的中間位置，其連接方式是用通過不銹鋼固定在門字型支架上，使得接線盒的開口端與門字型支架在一個平面上，方面拆模時開口端與外界相通，以便數(shù)據(jù)采集。
[0070]自供電系統(tǒng)是太陽能供電板裝置。因為野外一般沒有電可用，供電板自帶一個蓄電池，蓄電池蓄電量可以保證連續(xù)陰天一周情況下采集系統(tǒng)的供電。
[0071]所述四方型框架可以包括一個不銹鋼棒或者多個不銹鋼棒，不銹鋼棒分布在不同層上，每層的不銹鋼棒都包括全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)參比電極、全固態(tài)PH工作電極、溫度傳感器、濕度傳感器以及宏電池組傳感器。
[0072]每層不銹鋼棒上，兩組宏電池組與四根導(dǎo)線相連，2根與陽極相連，2根與陰極相連，全固態(tài)氯離子工作電極與I根導(dǎo)線相連，全固態(tài)參比電極與I根導(dǎo)線相連，全固態(tài)PH工作電極與I根導(dǎo)線相連，溫度傳感器與2根導(dǎo)線相連，濕度傳感器與2根導(dǎo)線相連，共11根導(dǎo)線，導(dǎo)線從側(cè)槽引出后集成一束電纜，該電纜有屏蔽線，可以屏蔽電磁信號對內(nèi)部導(dǎo)線中弱電的干擾，連接位置用熱縮管封閉，防止導(dǎo)線連接處銹蝕，起到防腐作用。
[0073]混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)輸送到電腦終端，監(jiān)測不同深度和不同部位的耐久性參數(shù)。采集系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)理論設(shè)置各參數(shù)的預(yù)警值，當(dāng)達到預(yù)警值時，系統(tǒng)自動發(fā)出預(yù)警信號到用戶客戶端。
[0074]本實用新型是對混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測的裝置系統(tǒng)，外部設(shè)備為數(shù)據(jù)采集發(fā)射終端，通過GPRS無線傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)出，導(dǎo)入電腦終端，簡化了現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)，節(jié)約時間，節(jié)省了大量的人力和物力。
[0075]本實用新型還提供了上述混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測的裝置系統(tǒng)的安裝使用方法，其可以為鉆孔嵌入安裝或者預(yù)埋式安裝。
[0076]所述鉆孔嵌入安裝具體為在待監(jiān)測的結(jié)構(gòu)體監(jiān)測部位鉆特定尺寸孔洞，將帶有傳感元件的四方型框架嵌入其內(nèi)，監(jiān)測器安裝在結(jié)構(gòu)體表面，供現(xiàn)場監(jiān)測、主控室監(jiān)測或數(shù)據(jù)無線傳輸監(jiān)測。
[0077]所述預(yù)埋式安裝具體為在澆注混凝土前將帶有傳感元件的四方型框架固定在混凝土模板上，將傳感器導(dǎo)線經(jīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部引至接線盒，可選擇現(xiàn)場監(jiān)測，主控室監(jiān)測或無線傳輸網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等測量方案。
[0078]以下采用實施例來詳細說明本實用新型的實施方式，借此對本實用新型如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。
[0079]圖1至圖4所示，本實用新型提供一種混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測的裝置系統(tǒng)，溫度傳感器I，用于測量混凝土內(nèi)部溫度;濕度傳感器2，用于測量混凝土內(nèi)部濕度;全固態(tài)氯離子傳感器，用于測量混凝土中氯離子含量;全固態(tài)PH傳感器，用于測量混凝土的pH值;宏電池組傳感器，用于測量混凝土中鋼筋的銹蝕情況；四方型框架，用于將各支架連接成一個整體，起固定作用，防止在安裝或者混凝土澆筑過程中傳感器位置的變動。所述四方型框架由支架3、側(cè)槽4、接入接線盒的固定不銹鋼棒5、連接各傳感器的滑動的不銹鋼棒6、連接導(dǎo)線、PVC管7、接線盒8、航空插頭以及螺絲10構(gòu)成。所述全固態(tài)氯離子傳感器由全固態(tài)參比電極11和全固態(tài)氯離子工作電極12構(gòu)成。所述全固態(tài)pH傳感器由全固態(tài)參比電極11和全固態(tài)pH工作電極13構(gòu)成。U型側(cè)槽4上帶有導(dǎo)槽和刻度，方便不銹鋼棒位置的定位和固定，不銹鋼棒6滑動到指定位置后將螺絲擰緊，實現(xiàn)傳感器的定位。
[0080]宏電池組傳感器由陽極23、陰極25、尼龍隔圈24以及導(dǎo)線組成。
[0081 ]圖5給出了全固態(tài)氯離子工作電極的整體封裝結(jié)構(gòu)，全固態(tài)氯離子工作電極26通過PVC管7進行封裝，且通過凝膠電解質(zhì)27進行保護，在尾端用環(huán)氧樹脂15包裹，尾端連有導(dǎo)線17，另一端用水泥凈漿16填充。
[0082]制備方法為將銀絲(直徑:2mm、純度:99.999% )切成長度為2cm的銀棒，然后將銀棒的一端與銅導(dǎo)線焊接，焊接長度為0.5cm，焊接完成后，將待極化的銀棒用600#、800#、1000#的砂紙打磨拋光，然后，用丙酮對銀棒進行表面清洗，以除去表面的油污。隨后，將其放入濃度5%的硝酸溶液lmin，除去電極表面的氧化物，再將銀棒放入酒精中清洗，最后用蒸餾水對電極進行清洗。為防止銅導(dǎo)線與銀棒焊接處發(fā)生電偶腐蝕，用環(huán)氧樹脂將焊接部位進行密封，只露出待極化的銀棒，銀棒外露長度為1.5cm。通過電化學(xué)工作站的三電極體系進行電解，使得銀的表面生成一層氯化銀薄膜，將水泥凈漿定在PVC管的底部，凈漿硬化后厚度為I cm。然后將0.5mo I /LKCI溶液加熱到85 °C，同時每I OmL溶液加入I g羧甲基羥乙基纖維素，冷卻至室溫后得到凝膠電解質(zhì)27，并將其注入到PVC管內(nèi)，作為凝膠功能層。最后再用環(huán)氧樹脂對PVC管的另一端進行密封。
[0083]圖6給出了全固態(tài)pH工作電極的整體封裝結(jié)構(gòu)，pH工作電極28尾端通過PVC管7進行封裝，頭部露出工作探頭，在尾端用環(huán)氧樹脂15包裹，尾端連有導(dǎo)線17。
[0084]全固態(tài)pH工作電極采用高溫碳酸鹽氧化法制備而成。制備過程如下:截取長度為I cm左右的貴金屬銥絲(直徑:0.5mm、純度:99.99 % )，依次用無水乙醇、蒸餾水清洗。將銥絲放入裝有5g?1g的碳酸鋰或碳酸鈉的氧化鋁坩禍，置于700°C?900°C高溫爐中加熱，達到目標(biāo)溫度后恒溫Ih?3h，銥絲的表面會生成結(jié)構(gòu)致密的二氧化銥薄膜。然后讓制備的電極在爐中慢慢冷卻至室溫，取出銥絲，用稀鹽酸和去離子水清洗，并在80°C真空干燥箱中烘干2h。將氧化的銥絲端部與銅導(dǎo)線焊接，為防止發(fā)生電偶腐蝕，焊接處用環(huán)氧樹脂密封，且將制備的電極放在PVC管中，用環(huán)氧樹脂進行封裝，露出電極的頭部約0.8cm。
[0085]如圖7所示，全固態(tài)參比電極的封裝分為四層:一層即底層是混凝土半透膜層18，二層為堿性凝膠層19，三層即為壓制出的MnO2電極層20，四層為導(dǎo)線引出處環(huán)氧密封層21，由導(dǎo)線17引出，封裝在PVC管7中。
[0086]全固態(tài)參比電極的具體制備方法為，將烘干的Μη02、炭黑、錳粉和雙酚A型環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑按照質(zhì)量比5:1:2:0.5進行混合。具體如下:首先將各種物質(zhì)混合，然后用高速攪拌機攪拌均勻，并繼續(xù)在研缽中研磨，研磨至粉體狀后，將混合物放入烘箱中烘干，為使得粉體間易于結(jié)合，烘干后再次研磨30min。隨后稱量一定量的混合物，將其放入自制的鋼模具中，通過萬能壓力試驗機壓制出MnO2電極。在壓制過程中，用電腦采集整個加載過程中所施加的力，達到目標(biāo)壓力值后持載5min，模具均勻受力，壓制出來的電極密實均勻。所壓制出來的電極直徑為12mm，厚度為12.5mm。脫模后，用焊錫將銅導(dǎo)線焊接在電極的表面，在焊接處涂一層環(huán)氧，一是防止發(fā)生電偶腐蝕，二是使得銅導(dǎo)線與電極結(jié)合的更結(jié)實，不易脫離。將做好的混凝土半透膜填充在PVC管一端，放在養(yǎng)護室養(yǎng)護三天后再填入制成的堿性凝膠體，將已與銅導(dǎo)線焊接好的MnO2電極放在堿性凝膠體的上部，最后用環(huán)氧樹脂進行密封處理，最終制成全固態(tài)參比電極。
[0087]圖8、圖9分別是不銹鋼棒上傳感元件的俯視圖和正視圖。安裝各傳感元件時，全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)參比電極、全固態(tài)工作電極、溫度傳感器以及濕度傳感器是通過定位螺絲孔29連接，為方便傳感器的安裝，在不銹鋼棒的側(cè)面鉆預(yù)留孔30，方便傳感器的固定。且安裝宏電池組傳感器時采用了變截面不銹鋼棒，變截面處設(shè)有尼龍隔圈24，且在變截面處較小直徑不銹鋼棒與外側(cè)的較大直徑不銹鋼棒之間填充環(huán)氧樹脂15，一是起到與不銹鋼絕緣的作用，二是起到固定不銹鋼棒的作用。環(huán)氧樹脂的外圍即為宏電池組傳感器，其陽極23與陰極25之間用尼龍隔圈24隔開。不銹鋼棒的端部是帶有螺紋的，方便與螺絲連接。傳感器的安裝需露出其工作端，使得工作端直接與混凝土接觸。
[0088]所有上述的首要實施這一知識產(chǎn)權(quán)，并沒有設(shè)定限制其他形式的實施這種新產(chǎn)品和或新方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員將利用這一重要信息，上述內(nèi)容修改，以實現(xiàn)類似的執(zhí)行情況。但是，所有修改或改造基于本實用新型新產(chǎn)品屬于保留的權(quán)利。
[0089]以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非是對本實用新型作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本實用新型技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本實用新型技術(shù)方案的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括: 溫度傳感器，用于測量混凝土內(nèi)部溫度； 濕度傳感器，用于測量混凝土內(nèi)部濕度； 全固態(tài)氯離子傳感器，用于測量混凝土中氯離子含量； 全固態(tài)pH傳感器，用于測量混凝土的pH值； 宏電池組傳感器，用于測量混凝土中鋼筋的銹蝕情況； 四方型框架，用于將各傳感器連接成一個整體，起固定作用，防止在安裝或者混凝土澆筑過程中傳感器位置的變動。2.如權(quán)利要求1所述的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述四方型框架由支架、側(cè)槽、接入接線盒的固定的不銹鋼棒、連接各傳感器的滑動的不銹鋼棒、連接導(dǎo)線、PVC管、接線盒、航空插頭以及螺絲構(gòu)成。3.如權(quán)利要求1或2所述的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述四方形框架的支架是鏤空的腔體，呈門字型，其通過螺絲連接側(cè)槽。4.如權(quán)利要求1或2所述的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述全固態(tài)氯離子傳感器由全固態(tài)參比電極和全固態(tài)氯離子工作電極構(gòu)成。5.如權(quán)利要求1或2所述的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述全固態(tài)pH傳感器由全固態(tài)參比電極和全固態(tài)pH工作電極構(gòu)成。6.如權(quán)利要求1或2所述的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:在不銹鋼棒上安置全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)PH工作電極、溫度傳感器、濕度傳感器、全固態(tài)參比電極以及宏電池組傳感器，移動位置后可監(jiān)測任意指定位置的耐久性參數(shù)。7.如權(quán)利要求1或2所述的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:全固態(tài)氯離子工作電極、全固態(tài)pH工作電極、全固態(tài)參比電極都封裝在PVC管中，PVC管中灌入環(huán)氧，且PVC管在不銹鋼棒上，氯離子工作電極的探頭用凝膠電解質(zhì)保護，參比電極的封裝分為四層，一層即底層是混凝土半透膜層，二層為堿性凝膠層，三層即為壓制出的MnO2電極層，四層為導(dǎo)線引出處環(huán)氧密封層，封裝在PVC管中，避免在施工過程中由于受機械荷載對傳感器探頭造成破壞。8.如權(quán)利要求1或2所述的混凝土內(nèi)部微環(huán)境參數(shù)原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:還自帶自供電系統(tǒng)，即與外部連接一個太陽能供電板裝置，利用太陽能供電。
【文檔編號】G01N33/38GK205538970SQ201620296577
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】趙鐵軍, 曹承偉, 杜振興, 王鵬剛, 金祖權(quán), 張鵬
【申請人】青島理工大學(xué)