CN101008620B - 钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法，属结构工程领域。该方法包括：(a)将工程同材质的两钢筋棒(1)靠紧并固定，应变光纤光栅(2)粘贴顶面(4)，用应变光纤(3)连出，另放置一根自由状态的温度补偿光纤光栅(6)，用温度补偿光纤(7)连出，封装并在外壳预先打孔；(b)将其浇注在混凝土中，应变光纤(3)与温度补偿光纤(7)均与光谱仪相连；(c)定期监测，测量光栅波长移动量及速率，从而推断钢筋腐蚀程度与速率。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。

Description

钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法

技术领域

本发明涉及一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法，可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。目前其研究手段中比较成熟的非破损检测方法主要集中在半电位法、混凝土电阻法等通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋的腐蚀程度或速度的化学检测法等，其工作量大，检测结果还容易受到外界因素影响，对难以到达的结构表面(如大跨桥梁、海港码头的梁板底面等)无法检测，因此其适用可靠性较差，另外受外界干扰大，且难以直接反应钢筋腐蚀情况。

由于光纤轻便简洁，精度高，抗电磁干扰，特别适合于隐蔽部位以及人无法看到和接触到的危险区域的腐蚀监测，形状灵活，可埋置于任何部位，进行内部结构的多点监控，获取全面可靠的腐蚀数据，这些优点可以弥补电化学和其他腐蚀监检测方法上的不足。现在的光纤监测主要是腐蚀环境参数的监测，而环境监测对于钢筋腐蚀状态的判断来说，实际是一种间接的测试方法，其缺陷是：1)引起钢筋腐蚀的环境参数很多，如钢筋表面湿度，O₂、CO₂、Cl^-浓度及pH值等，这些因素相互影响，和钢筋腐蚀不能建立单一的数学关系，必须综合监测这些参数的变化，建立专家系统，才能比较合理地判断钢筋锈蚀情况，这种方法属于间接监测钢筋腐蚀。2)这些参数的光纤腐蚀传感技术，其信号响应慢，响应范围窄，耐久性差等，在混凝土结构中运用还存在许多实际问题，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。

发明内容：

本发明的目的在于针对现行检测方法中的不足，提供一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法，在不损伤混凝土表面的前提下，能准确、无损地检测出具体工作环境下钢筋腐蚀状态。

下面论述光纤光栅传感原理。根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤布喇格光栅中传输时，产生模式耦合，满足布喇格条件的波长的光被反射，于是有：由于光栅的纤芯折射率具有对紫外激光光强很敏感的性质，即具有光折变性质，因此，其波长移动就反映了外界的物理扰动。布拉格(Bragg)光纤光栅传感器的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而使符合布拉格条件的反射光波长发生移动，通过监测光纤光栅布拉格波长的移动情况，即可获得待测物理量的变化情况。

布拉格光栅传感的基本原理是：布拉格的反射谱在中心波长λ_B处为峰值，λ_B由光栅格周期Λ和导模的有效折射率n决定，即有

λ_B＝2nΛ

当宽光谱光源照射光纤时，由于光栅的作用，满足布拉格条件的波长光将被反射，因此在中心波长处的一个窄带光谱部分将被反射回来。反射信号的带宽与几个参数有关，特别与光栅长度有关，在多参数传感器应用中，典型的光栅反射带宽是0.05～0.3nm。

本发明的方法具体包括如下内容：

1、传感器的制作：传感器由两根长度相等的钢筋棒、不锈钢基座、光栅、光纤及外壳组成，选取与工程所用钢筋材质相同的两根钢筋棒，将两钢筋棒靠紧并固定在不锈钢基座上，光纤光栅粘贴在两根钢筋棒顶面，并与光纤连接，光纤外套热缩管，另外，在不锈钢基座上，离开钢筋棒一定距离在放置一根自由状态的光纤光栅，与光纤连接，光纤同样外套热缩管，两段光纤均从不锈钢基座穿出与光谱仪相连，用渗透性好的弹性物填充两根钢筋棒周围与不锈钢基座之间，再在外面包裹水泥砂浆，再在最外层加上金属外壳，外壳上预先打许多小孔，于是传感器制作完成，对引出光纤进行编号后，钢筋腐蚀传感器制作完毕。传感器最好是现场取样钢筋，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。

2、传感器就位：浇注混凝土之前，将传感器直接固定在构件钢筋上，在固定的过程中，应尽量保证钢筋棒表面水平。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。

3、测试：在构件的使用期内，定期检测光谱仪的波长变化，并作好记录。当钢筋未受到侵蚀介质的影响，腐蚀尚未发生时，波长不移动；一旦腐蚀开始，随着时间的推移，波长逐步漂移，漂移大，证明腐蚀程度大，漂移快证明腐蚀速率快。借此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。

由于应变、温度变化对光栅产生的扰动将导致布拉格光栅波长的位移，波长随应变和温度的位移为：

Δλ_B＝K₁ε+K₂ΔT

式中，Δλ_B为中心波长位移量，K₁为应变敏感系数，K₂为温度敏感系数，ε是光栅轴向应变，ΔT是温度变化量。K₁值可以通过测量获得，通过测量多个点，线性回归得到。

由于应变对中心波长λB的影响是由弹光效应和布拉格栅格周期的改变引起的，而温度对λB的影响则是由于热光效应和热膨胀效应的缘故。而应变和温度不仅分别引起光栅波长的变化，而且存在交叉影响，正因为如此，在本发明中单独放置一根自由状态的光栅来测量温度所引起的λ_B变化。

假设粘贴在钢筋棒上的光栅的波长位移要受应变及温度的双重影响，其值为Δλ_B1＝K₁ε+K₂ΔT，而自由状态下的光栅波长位移只受温度的影响，其值为Δλ_B2＝K₂ΔT，由于两根光栅所处环境温度相同，故K₂值相等，所以光栅波长的最终位移为Δλ_B＝Δλ_B1-Δλ_B2＝K₁ε，则根据几何关系，有

               

所以               

D为钢筋直径，ΔD即光栅应变量就是钢筋的直径应变量，由于钢筋长度未变，因此可直接反映钢筋的体积膨胀，再转换为质量，即腐蚀量。光栅应变的速率也同样转换为腐蚀速率。应变敏感系数K₁的确定方法：在制作此传感器的同时，另外再做N组与传感器条件完全相同的试件，保证钢筋棒长度相同，浇注的水泥砂浆等级厚度相同，但在这N组试件中不放置光栅、光纤，在定期监测光栅漂移量的同时，每次在这N组中取1组破损直接检测钢筋棒的腐蚀量，这些钢筋棒的腐蚀可替代传感器中钢筋棒的腐蚀状态，这样通过N组测量，可得到N组不同状态的测量数据，再线性回归得到K₁值，N组取值为5-8。

从以上公式也可看出，温度的变化同样使光栅产生应变，故在传感器中还需放置一根处于自由状态的布拉格光栅，以测得由现场温度所引起的波长漂移，扣除此漂移量才是由于钢筋腐蚀体积膨胀所引起的波长位移。

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)分别布置检测传感器，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，可以准确地确定钢筋腐蚀程度及速率。其准确性包含两重含义：一为钢筋腐蚀程度及速率确实是在具体检测环境下的钢筋腐蚀程度及速率，二为钢筋腐蚀程度及速率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，测量的对象是事先埋至于混凝土内部不同的钢筋(现场取样得到)，通过特定的检测手段，对被测钢筋的腐蚀状态进行判断，近而得到钢筋腐蚀程度及速率，这种方法可以保证准确性的第一重含义。而由于在传感器外壳也设置了许多小孔，且包裹被测钢筋水泥砂浆与现场混凝土是同一标号的，可以保证传感器内部腐蚀环境与现场混凝土内部测试的钢筋相同，因此这种方法也可以保证准确性的第二重含义。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，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，准确方便地确定钢筋腐蚀程度及速率。

附图说明：

图1为本发明的传感器结构截面示意图。

图2为传感器立体结构示意图。

图中标号名称：1、钢筋棒，2、应变光纤光栅，3、应变连接光纤，4、环氧树脂胶，5、不锈钢基座，6、温度补偿光纤光栅，7、温度补偿连接光纤。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明采用的传感器结构如图1、图2所示。

选取与工程所用钢筋材质相同的两根钢筋1，长约8cm，在紧靠面稍微磨平，同时制作不锈钢基座5，不锈钢基座两头厚度略高，钢筋棒1如图放置，然后填充渗透性好的弹性填充物在钢筋棒1周围，但预留钢筋顶部起固定钢筋棒位置的作用，然后利用环氧树脂4粘贴应变光纤光栅2在两根钢筋棒1顶部，只粘贴两个点，并用应变光纤3引出，应变光纤3外套上热缩管，应变光纤3从不锈钢基座5底端穿出，并进行编号，最后全部填充渗透性好的弹性填充物，再在外面浇注水泥砂浆，套上金属外壳。钢筋腐蚀传感器制作完毕。另外，在离开钢筋棒1一定距离再放置一根自由状态的温度补偿光纤光栅6，通过温度补偿光纤7用同样方式引出。

传感器安装位置及测试原理如图2所示。在施工过程中，当对混凝土构件内的钢筋绑扎完毕后，将传感器的不锈钢基座5用铁丝固定在构件中的钢筋上，注意传感器尽量水平，同时记录检测部位处结构钢筋所在位置。

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。

检测仪器为光谱仪，测量时将光谱仪与光纤相连，测得初始状态的中心波长，定期记录测量数据，波长开始移动则证明腐蚀开始，波长的移动量及速率直接反映钢筋腐蚀程度及速率。

Δλ_B1为测得应变光纤光栅2的中心波长位移量，Δλ_B2为测得的温度补偿光纤光栅6的中心波长位移量，D为钢筋直径，ΔD即光栅应变量就是钢筋的直径应变量，由于钢筋长度未变，因此可直接反映钢筋的体积膨胀，再转换为质量，即腐蚀量。光栅应变的速率也同样转换为腐蚀速率。

K₁为应变敏感系数，其确定方法：在制作此传感器的同时，另外再做6组与传感器条件完全相同的试件，保证钢筋棒长度相同，浇注的水泥砂浆等级厚度相同，但在这6个试件中不放置光栅、光纤，在定期监测光栅漂移量的同时，每次在这6组中取1组破损直接检测钢筋棒的腐蚀量，这些钢筋棒的腐蚀可替代传感器中钢筋棒的腐蚀状态，这样通过6次测量，可得到6个不同状态的测量数据，再线性回归得到K1值。

对传感器进行定期监测，可以发现随着时间的推移，程度逐渐加深。

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)分别布置以上检测器，而在每个区域同时布置多个点，对建筑物进行有效监护。

Claims (1)

1.一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)、传感器的制作：选取与工程所用钢筋材质相同的两根钢筋棒(1)，将两钢筋棒(1)靠紧并固定在不锈钢基座(5)上，应变光纤光栅(2)粘贴在两根钢筋棒(1)顶面(4)，并与应变光纤(3)连接，应变光纤(3)外套热缩管，另外，在不锈钢基座上，离开钢筋棒(1)一定距离再放置一根自由状态的温度补偿光纤光栅(6)，与温度补偿光纤(7)连接，温度补偿光纤(7)同样外套热缩管，应变光纤(3)与温度补偿光纤(7)均从不锈钢基座(5)穿出，用渗透性好的弹性物填充两根钢筋棒(1)周围与不锈钢基座(5)之间，再在外面包裹水泥砂浆，再在最外层加上金属外壳，外壳上预先打许多小孔，于是传感器制作完成；

(b)、传感器就位：浇注混凝土之前，将传感器的不锈钢基座(5)固定在混凝土构件中的钢筋上，并保证钢筋传感器表面水平，然后浇注混凝土；

(c)、测试：将应变光纤(3)、温度补偿光纤(7)穿出并与光谱仪相连，对传感器进行定期监测，测量光栅波长移动量及速率，从而推断钢筋腐蚀程度与速率，公式为：

其中Δλ_B1为测得应变光纤光栅(2)的中心波长位移量，Δλ_B2为测得的温度补偿光纤光栅(6)的中心波长位移量，D为钢筋直径，ΔD为钢筋的直径应变量，K₁为应变敏感系数，其确定方法：在制作此传感器的同时，另外再做N组与传感器条件完全相同的试件，保证钢筋棒长度相同，浇注的水泥砂浆等级厚度相同，但在这N组试件中不放置光栅、光纤，在定期监测光栅漂移量的同时，每次在这N组中取1组破损直接检测钢筋棒的腐蚀量，这些钢筋棒的腐蚀可替代传感器中钢筋棒的腐蚀状态，这样通过N组测量，可得到N组不同状态的测量数据，再线性回归得到K₁值，N组取值为5-8。

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