CN101299018B - 全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器及其制备方法。它包括3个石墨束流环、3个全固态参比电极、2个传感器固定支架、3套束流环保护壳体以及3套全固态参比电极封装及导线出线用PVC管。本发明利用有限元分析了混凝土固体电介质中电位线分布特性，同时采用自主研发的长寿命、全固态参比电极实现电化学方法监测腐蚀过程中对工作电极面积的控制，最终设计出结构合理、能够适合实际工程应用的全固态束流式腐蚀传感器。在传感器设计过程中采用“即插即用”的设计理念，能够满足快速施工需要，大大简化了传感器的布设过程。

Description

全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及一种土木工程中用的传感器技术，具体涉及一种土木工程结构健康监测用钢筋腐蚀监测传感器。

(二)背景技术

过去的研究表明钢筋锈蚀是造成钢混结构损伤以及失效的原因之一，全世界对腐蚀结构的维护维修以及更换构件投入了大量的费用，在土木工程中钢筋锈蚀的监测是结构健康监测以及全寿命设计的重要组成部分。

在混凝土环境下，由于混凝土的多孔性，水分与氧气可以沿着孔隙和裂纹迁移，这恰好是低碳钢和高强度合金钢等钢材腐蚀的必要条件。在大多数情形下没有发生腐蚀的原因是这些孔隙中由于水泥的水化过程形成了高浓度的钙、钠和钾的氢氧化物，从而保持了PH值在12-13之间，这一高碱度环境是钢材钝化，形成致密的γ型氧化铁防止了钢材的快速腐蚀。然而当Cl^-(来自除冰盐或者海水)经过混凝土表面在钢筋表面进行聚集或者由于CO₂(来自大气，也是造成全球气候变暖的重要因素之一)的作用使孔溶液PH值降低的情况下，钝化膜遭到破坏，混凝土对钢筋的保护作用失效，在O₂以及H₂O充足的情况下钢筋截面积减小或者出现蚀点。

土木工程中绝大多数(除了部分高温氧化反应外)钢材的锈蚀过程都是电化学过程，所以电化学方法成为监测结构中钢材锈蚀的最本质的方法。近些年来国内外的科研工作者采用电化学方法对腐蚀科学问题进行了大量的研究，通过稳态及暂态电化学方法的研究，不但能够获得诸如腐蚀电流密度、腐蚀速率这样的基本参数，还能够得知揭示腐蚀电化学过程的更详细的信息，如极化电阻、双电层电容、扩散过程、点蚀的发生过程等等。这些参数的测量能够为腐蚀监测提供更加可靠的依据。

电化学方法是揭示腐蚀科学问题的最本质的方法，然而过去采用电化学方法研究腐蚀问题绝大部分处于实验室状态下进行的，如何将电化学方法应用于实际工程成为近几年国内外研究的热点。毫无疑问电化学方法从原理上讲是成熟和可靠的，针对具体工程如何架构传感器及采集系统，为电化学方法搭建应用平台是实际工程要解决的具体技术问题，这也是与机遇并存的挑战。

对于实际工程而言，电化学方法中工作电极WE的面积很难确定，这样根据腐蚀电流所确定的腐蚀速率就会存在比较大的偏差，这个问题一直成为电化学方法在现场应用的严重障碍。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在土木工程结构健康监测中具有长寿命、性能稳定的全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器及其制备方法。

本发明的产品结构为：它包括3个束流环、3个参比电极、2个传感器固定支架、3套束流环保护壳体以及3套参比电极封装及导线出线用PVC管，其中3个参比电极分别放置于PVC管内，3个安装了保护壳体的石墨束流环分别置于PVC管上的卡槽内，传感器的两端分别安装固定支架。

本发明的产品还包括这样一些结构特征：

1、所述的参比电极采用Ag/AgCl/KClsat体系，由从参比电极的轴心向外依次为纯度为99.99％的Ag、AgCl层、三组分多孔层以及水泥浆层构成；

2、所述的参比电极为如MnO₂固态参比电极或液态参比电极；

3、所述的束流环为石墨束流环；

4、所述的束流环为不锈钢材料。

本发明的制备方法为：采用分段加工、后组装方式：

1)、束流环的制备及导线焊接

采用模具压制成型，在压制成型后的束流环侧壁钻制直径为1mm的孔，然后用Cu粉将导线紧密的压在所开孔内，将导线与束流环连接处进行密封，然后将热塑管套在导线与束流环连接端的导线处，加热后使热塑管紧密的压在导线外部，热塑管与束流环间连接处再次密封；

2)、束流环PVC外套的加工

采用三片分离方式加工PVC外套，首先加工侧挡片6片，其中3片在环壁上钻直径为束流环密封后导线根部尺寸的孔，然后加工束流环外壁护套3个；

3)、传感器两侧支架的加工

沿与支架轴线呈30°角的方向在支架侧壁上开直径为3mm的孔，孔深为15mm，然后在外壁按照侧壁开孔的位置，在支架的中间位置开3mm的孔，深度达到与侧壁上的孔连通为止；

4)、参比电极封装及出线用PVC管加工

每套3套PVC管上分别按距离束流环卡槽左端面10mm处开直径为2mm的孔、距离束流环卡槽右端面10mm处开直径为2mm的孔以及紧靠束流环卡槽右端面开直径为2mm的孔；

5)、传感器的组装

首先将步骤2中加工的PVC外套及侧挡片用氯仿粘结在束流环的外侧，束流环上的导线在侧挡片出线后，再次将侧挡片的出线口处密封；

其次将步骤4中加工的PVC管的各段分别与步骤3中加工的支架用氯仿连接，并且保证PVC管轴线与支架外壁所开的孔对中；

再次在将3个全固态参比电极分别放入步骤4中加工的PVC管的相应部分内部，然后将导线从PVC管经支架引出，最后将封装好的束流环卡入PVC管的卡槽，并用氯仿将PVC管连接牢固；

6)、壳体缝隙密封

采用AB胶将连接处的空隙密封，并将束流环的出线以及固态参比电极的出线进行编号。

本发明的制备方法还有这样一些技术特征：

1、所述的在外壁开孔时使孔有60°角的倾斜，每套全固态束流式腐蚀传感器设置有2个支架。

本发明采用辅助电极两侧的2个束流环所施加的电场将施加在钢筋表面的电位线束缚在一定区域内，这个区域就是工作电极的面积。本发明的基本原理是根据有限元分析了混凝土固体电介质中电位线分布特性(见图3)，同时采用自主研发的长寿命、全固态参比电极实现电化学方法监测腐蚀过程中对工作电极面积的控制，最终设计出结构合理、能够适合实际工程应用的全固态束流式腐蚀传感器。

根据混合电位理论，腐蚀金属电极的动力学方程式：

$\mathrm{\ΔI}=I_{\mathrm{Corr}}[\exp \frac{2.3\mathrm{\ΔE}}{b_a}-\exp \frac{-2.3\mathrm{\ΔE}}{b_c}]---\left(1\right)$

式中；ΔI为外加电流；I_cor为腐蚀电流；ΔE：极化电位；b_a为阳极塔菲尔常数；b_c为阴极塔菲尔常数。

在线性极区(也称微极化区)，ΔE很小，腐蚀电极的动力学方程式(1)可简化为：

$\frac{\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{\ΔI}}=\frac{b_a\·b_c}{2.3(b_a+b_c)}\·\frac{1}{I_{\mathrm{Corr}}}---\left(2\right)$

因b_a、b_c是常数，所以ΔE很小时极化曲线呈线性关系，其斜率称为极化阻力用R_p表示，则：

$R_p=\frac{\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{\ΔI}}---\left(3\right)$

ΔE是给定的，ΔI是电流表测得的，由此得到R_p。

代回到式(2)得：

$I_{\mathrm{corr}}=\frac{b_a\·b_c}{2.3(b_a+b_c)}\·\frac{1}{R_p}---\left(4\right)$

其中

$B=\frac{b_a\·b_c}{2.3(b_a+b_c)},$

则：

$I_{\mathrm{corr}}=\frac{B}{R_p}---\left(5\right)$

由腐蚀电流I_corr与被测金属电极的电化学当量计算出腐蚀速度：

V＝K×A×I_corr/(S×n×D)，单位(mm/a)    (6)

式中：K为常数其值为0.00327；A为金属原子量，单位(g)；I_corr为测得的腐蚀电流密度(mA)；n为得失的电子数；D为被测金属的密度(g/cm³)；S为工作电极面积(cm²)。

可采用弱极化方法测量B值。首先在线性极化区进行两次极化，如图10极化电位为ΔE₁₊和ΔE_1-，得到该极化电位下的阳极极化电流和阴极极化电流I₊和I_-，求出极化电阻R_p，随后在弱极化区施加极化电位ΔE₂₊和ΔE，测得该极化电位下的极化电流I_a和I_c。采用如下计算公式，可测得实时的I_corr值。

R_p＝2|ΔE1|/(|i₊|+|i_-|)          (7)

a＝R_p×SQR(|I_a|×|I_c|)/|ΔE₂|    (8)

B＝|ΔE₂|/(2SQR(6(a-1)))         (9)

本发明解决了实际工程电化学方法监测钢筋锈蚀中工作电极WE的面积难以确定的问题。本发明利用有限元分析了混凝土固体电介质中电位线分布特性，同时采用长寿命、全固态参比电极实现电化学方法监测腐蚀过程中对工作电极面积的控制，最终设计出结构合理、能够适合实际工程应用，并具有长寿命、性能稳定优点的全固态束流式腐蚀传感器，在传感器设计过程中采用“即插即用”的设计理念，能够满足快速施工需要，大大简化了传感器的布设过程。所搭建的腐蚀传感器能够为大多数电化学方法(如电化学阻抗谱EIS、稳态方法、暂态方法)提供应用平台采用该传感器及其配套的腐蚀监测采集系统能够实现对混凝土中钢筋锈蚀的在线监测，为结构的健康监测及全寿命设计提供有力的科学依据，最终实现对混凝土中钢筋锈蚀状态的全面监测。

(四)附图说明

图1是传感器制备流程图；

图2是束流环尺寸图；

图3是束流环侧挡片尺寸图；

图4是束流环外壁护套尺寸图；

图5是传感器两侧支架尺寸图；

图6是分段加工的参比电极封装以及出线用PVC管尺寸图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

1.束流环的制备及导线焊接

本实施例中束流环采用石墨束流环，束流环的具体尺寸见图2，采用模具压制成型。在压制成型后的束流环侧壁钻制直径为1mm的孔，然后用Cu粉将导线紧密的压在所开孔内，保证良好的导电性。另外考虑到导线的密封问题，首先采用AB胶将导线与束流环连接处进行密封，然后将热塑管套在导线与束流环连接端的导线处，加热后使热塑管紧密的压在导线外部，热塑管与石墨间连接处再次采用AB胶密封，这样以确保导线不漏电。每套全固态束流式腐蚀传感器共需束流环3个。

2.束流环PVC外套的加工

束流环PVC外套的具体尺寸见图3及图4。采用三片分离方式加工PVC外套，首先加工尺寸如图3的侧挡片6片，其中3片在环壁上钻直径为束流环密封后导线根部尺寸的孔，以使束流环上的导线能够通过。然后加工尺寸如图4的束流环外壁护套3个。每套全固态束流式腐蚀传感器共需侧挡片6片(其中3片在侧壁开孔)以及束流环外套3个。

3.传感器两侧支架的加工

结合图5，为了使导线免受外力的损伤，必须使导线经由支架的内部出线，沿与支架轴线呈30°角的方向在支架侧壁上开直径为3mm的孔，孔深为15mm，然后在外壁按照侧壁开孔的位置，在支架的中间位置开3mm的孔，深度达到与侧壁上的孔连通为止。为了使导线容易穿过，在外壁开孔时使孔有一定角度的倾斜。每套全固态束流式腐蚀传感器共需支架2个。

4.参比电极封装及出线用PVC管加工

结合图6，为了封装全固态参比电极的方便，采用分段加工、后组装方式。每套全固态束流式腐蚀传感器共需3套如图6的PVC管，其中每套中间两段分别按距离束流环卡槽左端面10mm处开直径为2mm的孔、距离束流环卡槽右端面10mm处开直径为2mm的孔以及紧靠束流环卡槽右端面开直径为2mm的孔。所开的孔是为参比电极与混凝土电解质连通。

5.传感器的组装

首先将步骤2中加工的PVC外套及侧挡片用氯仿粘结在束流环的外侧，束流环上的导线在侧挡片出线后，采用AB胶再次将侧挡片的出线口处密封。

其次将步骤4中加工的PVC管的(a)段及(d)段分别与步骤3中加工的支架用氯仿连接，并且保证PVC管轴线与支架外壁所开的孔对中。

再次在将3个全固态参比电极分别放入步骤4中加工的PVC管的内部，然后将导线从PVC管经支架引出，最后将封装好的束流环卡入PVC管的卡槽，并用氯仿将PVC管连接牢固。

6.壳体缝隙密封

组装完成厚的传感器壳体连接处会存在一定的空隙，采用AB胶将连接处的空隙密封，并将束流环的出线以及固态参比电极的出线进行编号，以便于工程应用中连接导线。

配套的采集系统能够通过所设计的全固态束流式腐蚀传感器中三个参比电极对腐蚀测量过程中辅助电极所施加的电位分布进行约束，从而使工作电极的面积固定。本传感器所确定的钢筋工作电极面积为65mm×π×D钢筋直径。

Claims (7)

1.一种全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器，其特征在于它包括3个束流环、3个参比电极、2个传感器固定支架、3套束流环保护壳体以及3套参比电极封装及导线出线用PVC管，其中3个参比电极分别放置于PVC管内，3个安装了保护壳体的束流环分别置于PVC管上的卡槽内，传感器的两端分别安装固定支架。

2.根据权利要求1所述的全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器，其特征在于所述的参比电极采用Ag/AgCl/KClsat体系，由从参比电极的轴心向外依次为纯度为99.99％的Ag、AgCl层、三组分多孔层以及水泥浆层构成。

3.根据权利要求1所述的全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器，其特征在于所述的参比电极为MnO₂固态参比电极或液态参比电极。

4.根据权利要求1所述的全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器，其特征在于所述的束流环为石墨束流环。

5.根据权利要求1所述的全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器，其特征在于所述的束流环为不锈钢材料束流环。

6.一种全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器的制备方法，其特征在于：采用分段加工、后组装方式：

1)、束流环的制备及导线焊接

采用模具压制成型，在压制成型后的束流环侧壁钻制直径为1mm的孔，然后用Cu粉将导线紧密的压在所开孔内，将导线与束流环连接处进行密封，然后将热塑管套在导线与束流环连接端的导线处，加热后使热塑管紧密的压在导线外部，热塑管与束流环间连接处再次密封；

2)、束流环PVC外套的加工

采用三片分离方式加工PVC外套，首先加工侧挡片6片，其中3片在环壁上钻直径为束流环密封后导线根部尺寸的孔，然后加工束流环外壁护套3个；

3)、传感器两侧支架的加工

沿与支架轴线呈30°角的方向在支架侧壁上开直径为3mm的孔，孔深为15mm，然后在外壁按照侧壁开孔的位置，在支架的中间位置开3mm的孔，深度达到与侧壁上的孔连通为止；

4)、参比电极封装及出线用PVC管加工

每套3套PVC管上分别按距离束流环卡槽左端面10mm处开直径为2mm的孔、距离束流环卡槽右端面10mm处开直径为2mm的孔以及紧靠束流环卡槽右端面开直径为2mm的孔；

5)、传感器的组装

首先将步骤2中加工的PVC外套及侧挡片用氯仿粘结在束流环的外侧，束流环上的导线在侧挡片出线后，再次将侧挡片的出线口处密封；

其次将步骤4中加工的PVC管的各段分别与步骤3中加工的支架用氯仿连接，并且保证PVC管轴线与支架外壁所开的孔对中；

再次在将3个全固态参比电极分别放入步骤4中加工的PVC管的相应部分内部，然后将导线从PVC管经支架引出，最后将封装好的束流环卡入PVC管的卡槽，并用氯仿将PVC管连接牢固；

6)、壳体缝隙密封

采用AB胶将连接处的空隙密封，并将束流环的出线以及固态参比电极的出线进行编号。

7.根据权利要求6所述的全固态束流式钢筋锈蚀监测传感器的制备方法，其特征在于所述的在外壁开孔时使孔60°角的倾斜，每套全固态束流式腐蚀传感器设置有2个支架。

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