CN104729982B - 混凝土内钢筋锈蚀风险原位监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种混凝土内钢筋锈蚀风险原位监测方法，包括步骤：1）根据平面应力状态应力集中原理，将所述锈蚀监测传感元件施加预应力后形成平面应力状态；2）封装所述锈蚀监测传感元件三个侧面，预留的一个侧面作为腐蚀监测面；3）将上述锈蚀监测传感元件等间距布置于一矩形钢框架内，混凝土浇筑前将该框架与混凝土浇筑外表面形成一定角度布置于待监测钢筋锈蚀的区域，锈蚀监测面朝向保护层一侧，通过薄片截面不同高度处连续应变测量实现锈蚀监测。本方法实现不同深度处氯离子临界浓度锋面的监测，并预测钢筋初始锈蚀时间，根据监测数据对结果进行更新，与钢筋同深度的锈蚀监测传感元件可以直接监测钢筋最终的初始锈蚀时间、锈蚀速率和锈蚀程度。

Description

混凝土内钢筋锈蚀风险原位监测方法

技术领域

本发明属于土木工程结构健康监测和钢筋混凝土结构耐久性评估技术，应用于钢筋混凝土结构的腐蚀监测与耐久性评定。

背景技术

钢筋初始锈蚀时间的监测与预测是混凝土耐久性评估的难点问题，海蚀环境下氯离子侵蚀是导致混凝土内钢筋发生锈蚀的主要诱因，目前钢筋锈蚀监测主要分为物理和电化学两种手段，目的是表征钢筋或混凝土的电化学状态、物理状态及周围环境中的各类腐蚀诱导因素等。其中主要使用的方法有：（1）电化学监测方法：由于混凝土中钢筋腐蚀是一个电化学过程，电化学测量是反映其本质过程的重要手段，目前已有的电化学监测手段可简单分为测量电流、电压及电阻三大类。目前以电流为研究对象的电化学监测方法难以避免混凝土中随机性的杂散电流的干扰。以电压为研究对象的监测方法较难实现在线原位检测，其通常需对钢筋施加扰动，导致其所测数据与真实情况存在偏差。电阻测量的手段往往容易受到混凝土中湿度、离子浓度等因素的影响，波动较大。综合各项电化学指标的综合分析系统虽已提出，但对大量关联性较差数据的分析尚处于初期阶段。（2）物理监测方法，主要通过测定钢筋引起电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来反映钢筋腐蚀情况，主要方法有电阻探针法，X光照相法、涡流探测法、射线法、红外线热像法、声发射探测法等。物理方法的优点是操作方便，易于现场的原位测试，受环境的影响较小。它的缺点是物理方法测定钢筋锈蚀状况时容易受到混凝土中其他损伤因素的干扰，如微裂缝等，且建立物理测定指标和钢筋锈蚀量之间的对应关系比较困难，所以物理检测的方法对钢筋的锈蚀程度一般只能提供定性的结论，而难以提供定量的分析。（3）锈蚀影响因素监测方法，现有方法主要集中在氯离子浓度、pH值监测等方向，当其用于嵌入式在线监测时往往难以避免自身长期耐久性问题，当化学物质反映殆尽或被混凝土剥落会导致传感器失效；另外，影响参数与电阻率测试等电化学方法存在同样的问题在于其测量数据只能评估钢筋锈蚀的可能性，而不能定量判断钢筋的具体腐蚀情况。

现有技术存在的问题：目前钢筋混凝土耐久性监测主要任务之一是解决钢筋初始锈蚀时间、锈蚀程度的预测问题。现有方法难以在不同深度上实现从时间序列上的定量分析与预测，采用单一指标或单一深度的数据进行分析会导致监测结果可靠性不足；同时，氯离子临界浓度锋面的移动与钢筋发生初始锈蚀直接相关，但现有的氯离子传感器由于制备工艺与使用材料限制，难以在混凝土环境中实现长时间原位监测，临界浓度锋面位置难以通过数值直接表征，钢筋发生锈蚀后锈蚀速率、锈蚀程度难以预测及定量分析。

发明内容

本发明的目的是解决在不破坏混凝土内钢筋表面微环境条件下实现混凝土内氯离子临界浓度锋面及钢筋初始锈蚀时间的定量预测与更新，实现钢筋锈蚀速率、锈蚀程度定量监测。通过使用切割并粘贴应变传感器的钢筋薄片作为传感元件构造梯型体系，实现不同深度处传感元件锈蚀情况在时间序列上的定量分析，判断混凝土保护层距表面不同深度处临界氯离子浓度锋面发展情况，从而实现对混凝土内钢筋初始锈蚀风险的监测与预测，实现钢筋混凝土结构从服役到钢筋初始锈蚀、锈蚀发展的全过程监测。

为了实现本发明的目的，提出以下技术方案：

一种混凝土内钢筋锈蚀风险原位监测方法，对结构钢筋的初始锈蚀时间进行预测及监测，所述方法包括步骤：

1）根据平面应力状态应力集中原理，将所述锈蚀监测传感元件2施加预应力后形成平面应力状态；

2）封装所述锈蚀监测传感元件2三个侧面，预留的一个侧面作为腐蚀监测面4；

3）混凝土浇筑前在需要监测钢筋锈蚀的部位布置多个所述锈蚀监测传感元件2，锈蚀监测面朝向保护层一侧，一旦氯离子在锈蚀监测面聚集达到临界浓度，钢筋薄片发生锈蚀，则平面应力状态下引起应力集中，通过薄片截面不同高度处连续应变测量实现锈蚀监测。

在步骤3，将多个锈蚀监测传感元件2等间距连续布置，并形成距混凝土保护层深度逐个递增的梯型结构，将该梯型结构布置在保护层内距混凝土表面不同深度处，连续监测不同深度处临界氯离子浓度锋面发展情况。

在步骤3，采用梯型框架3将多个锈蚀监测传感元件2布置成梯型结构，所述梯型框架3固定传感器位置并为锈蚀监测传感元件2提供预拉应力；混凝土浇筑前将梯型框架3和其上同步施加预拉应力的锈蚀监测传感元件2布置在待监测钢筋锈蚀部位，在锈蚀监测传感元件2不同高度处连续应变测量实现锈蚀监测。

在步骤3，根据相邻的锈蚀监测传感元件2依次发生锈蚀而形成的时间序列，利用空间插值与统计回归方法，从所述波动的时间序列中找出演变模式，建立数学模型，对氯离子临界浓度锋面位置与钢筋初始锈蚀时间发展趋势做出定量估计，预测钢筋所在深度处钢筋发生初始锈蚀时间；根据相邻后一个锈蚀监测传感元件2监测结果对钢筋初始锈蚀时间预测进行不断更新，依次根据不同深度处锈蚀监测传感元件2的结果进行钢筋初始锈蚀时间的预测及更新；同时根据与钢筋同深度处的锈蚀监测传感元件2状态的时间序列分析中得出锈蚀情况的预测，判断钢筋的初始锈蚀时间；单一深度的时间序列数值与不同深度处时间序列数值相互验证、更新，提高系统预测结果的可靠性。

所述锈蚀监测传感元件2采取与混凝土结构中纵向受力钢筋相同材质制成，其中部为钢筋薄片10，中部钢筋薄片10截面上不同高度处布置分布式连续应变测点11；中部钢筋薄片10用聚酯材料进行封装其三个表面，保留一个端面作为锈蚀监测面4；中部钢筋薄片10与聚酯材料层之间添加防腐层；通过所述梯型框架3两端的螺栓对钢筋进行预应力加载并锚固，中部钢筋薄片10形成平面应力状态。

所述梯型框架3埋设前需进行防腐处理，防止外框架发生腐蚀；中部钢筋薄片10与左右横梁接触部位需做绝缘处理，避免发生电偶腐蚀。

所述连续应变测点11采用高空间分辨率分布式光纤，通过高性能胶水粘贴在中部钢筋薄片10的截面不同高度处，通过传输光纤与相应解调仪连接。

在所述中部钢筋薄片10粘贴分布式光纤时，预留靠近加载螺栓的一段光纤不与钢丝薄片粘贴，使之不与薄片一起变形，用于监测温度并进行温度补偿。

本方法不易受混凝土中温湿度、各种离子、Ph值、杂散电流的影响，并且通过不同深度间的相互验证与更新提高预测与监测结果的可靠性。

本方法设计简单可靠，既能够从时间序列的角度实现不同深度的锈蚀情况进行预测，又能从不同深度传感器的数据进行综合分析与验证，特别对与钢筋同深度位置处的传感元件可直接监测钢筋初始锈蚀时间和锈蚀速率、锈蚀程度，既可以通过初期的监测结果进行钢筋初始锈蚀时间的预测，也可以针对与钢筋同深度出传感器监测钢筋锈蚀发展，提高监测的效率与可靠性。埋设于距混凝土表面不同深度处，实现混凝土内不同深度处钢筋锈蚀程度及氯离子临近浓度锋面位置的监测，同时实现箍筋与纵筋，或不同深度处纵筋锈蚀状态的预测与监测。适用于海蚀环境浪溅区、潮差区钢筋混凝土结构钢筋锈蚀风险预测、锈蚀程度监测及其评定，如处于浸没区、潮差区、浪溅区跨海桥梁钢筋混凝土桥墩，处于大气区的跨海桥梁上部混凝土结构，海工、港工的钢筋混凝土码头等。本混凝土内钢筋锈蚀风险原位监测方法设计原理清晰、结构设计精巧合理。与现有钢筋锈蚀监测方法相比，既可以避免电化学方法受杂散电流等引起的电流波动及湿度、离子浓度等造成的电阻变化，又能通过自身监测结果进行验证与更新，显著提高钢筋锈蚀监测的可靠性，较好的解决了钢筋锈蚀风险预测与监测问题。

附图说明

图1是梯型监测装置布置示意图；

图2是梯型监测装置俯视图；

图3a和图3b是锈蚀监测元件两面视图；

图4是锈蚀监测元件截面图。

1- 主体结构钢筋、2-锈蚀监测传感元件、3-梯型框架、4-锈蚀监测面、5-混凝土保护层表面、6-氯离子侵蚀方向、7-分布式应变监测系统、8-聚酯材料、9-防腐层、10-钢筋薄片、11-分布式连续应变测点。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的布置示意图如图1、2所示，梯型框架3将锈蚀监测传感元件2布置成等间距，距混凝土保护层深度逐个递增的结构。钢筋锈蚀监测元件结构如图3a、图3b和图4所示，其中中部钢筋薄片10采取与混凝土结构中纵向受力钢筋相同材质，中部钢筋薄片10截面上不同高度处布置分布式连续应变测点11（图3a和图3b所示），连续应变测点11采用高空间分辨率分布式光纤，通过高性能胶水粘贴在钢筋薄片截面不同高度处，通过传输光纤与相应解调仪连接，预留靠近加载螺母的一段光纤不与钢丝薄片粘贴（不与薄片一起变形），用于监测温度并进行温度补偿，用聚酯材料进行封装其三个表面，仅保留一个端面作为锈蚀监测面4（如图4所示），通过两端螺栓对钢筋进行预应力加载并锚固，通过连续应变测点监测实际加载应力，中部钢筋薄片10形成平面应力状态。混凝土浇筑前将梯型框架3及其上同步施加预拉应力的锈蚀监测传感元件2布置在待监测钢筋锈蚀部位，锈蚀监测面朝向保护层一侧。随着结构服役时间增加，侵蚀氯离子达最先到P1的腐蚀监测面，一旦氯离子在P1锈蚀监测面累积并达到临界浓度，P1锈蚀监测面发生局部锈蚀，钢筋薄片局部锈蚀区域形成应力集中，局部应变发生突变，靠近该位置的高空间分辨率分布式光纤与该区域共同变形，因此应变信号发生突变，即可监测得到该深度处达到氯离子临界浓度的时间，根据P1的深度与结构钢筋深度关系，由根据理论计算预测结构钢筋的初始锈蚀时间。随着氯离子的迁移，P2的锈蚀监测面在随后某一时刻发生应变突变，据此可进一步预测的钢筋初锈时间，将预测结果与P1结果进行验证与更新，提高预测可靠性。以此类推，P3-P6依次进行对钢筋初锈时间进行预测与更新，直至与钢筋埋设在同深度的P7，其结果验证此前的预测，进一步提高系统的可靠性与准确性。同时，P7还可在初始锈蚀后对钢筋锈蚀程度进行实时在线监测，据此实现钢筋锈蚀风险评估。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种混凝土内钢筋锈蚀风险原位监测方法，对钢筋混凝土结构内钢筋的初始锈蚀时间进行预测、更新及监测，其特征是所述方法包括步骤 ：

1)根据平面应力状态应力集中原理，将锈蚀监测传感元件（2）施加预应力后形成平面应力状态；

2)封装所述锈蚀监测传感元件（2）三个侧面，预留的一个侧面作为腐蚀监测面（4）；

3)将上述锈蚀监测传感元件（2）等间距布置于一矩形钢框架内，混凝土浇筑前将该框架与混凝土浇筑表面形成一定角度布置于待监测钢筋锈蚀的区域，锈蚀监测面朝向保护层一侧，随着服役时间增加，一旦氯离子进入混凝土首先在距离混凝土表面最近锈蚀监测面聚集达到临界浓度，钢筋薄片锈蚀监测面（4）发生锈蚀，则平面应力状态下引起应力集中，通过薄片截面不同高度处连续应变测量实现锈蚀监测，随着服役时间增加，处于不同深度的锈蚀监测面依次监测到氯离子临界浓度锋面，通过理论计算可以通过前期数据对真实钢筋的锈蚀风险进行预测，并根据后续锈蚀监测面数据对钢筋锈蚀风险进行更新，最终可根据与钢筋同深度的锈蚀监测面监测结果判断钢筋初始锈蚀时间；

在步骤 3)，将多个锈蚀监测传感元件（2）等间距连续布置，并形成距混凝土保护层深度逐个递增的梯型结构，将该梯型结构布置在保护层内距混凝土表面不同深度处，连续监测不同深度处临界氯离子浓度锋面发展情况;

在步骤 3)， 采用梯型框架（3）将多个锈蚀监测传感元件（2）布置成梯型结构，所述梯型框架（3）固定传感器位置并为锈蚀监测传感元件（2）提供预拉应力 ；混凝土浇筑前将梯型框架（3）和其上同步施加预拉应力的锈蚀监测传感元件（2）布置在待监测钢筋锈蚀部位，在锈蚀监测传感元件（2）截面不同高度处连续应变测量实现锈蚀监测;

在步骤 3)， 根据相邻的锈蚀监测传感元件（2）依次发生锈蚀而形成的时间序列，利用空间插值与统计回归方法，从波动的时间序列中找出演变模式，建立数学模型，对氯离子临界浓度锋面位置与钢筋初始锈蚀时间发展趋势做出定量估计，预测钢筋所在深度处钢筋发生初始锈蚀时间；根据相邻后一个锈蚀监测传感元件（2）监测结果对钢筋初始锈蚀时间预测进行不断更新，依次根据不同深度处锈蚀监测传感元件（2）的结果进行钢筋初始锈蚀时间的预测及更新 ；同时根据与钢筋同深度处的锈蚀监测传感元件（2）状态的时间序列分析中得出锈蚀情况的预测，判断钢筋的初始锈蚀时间；单一深度的时间序列数值与不同深度处时间序列数值相互验证、更新，提高系统预测结果的可靠性。

2.根据权利要求 1所述混凝土内钢筋锈蚀风险原位监测方法，其特征是，所述锈蚀监测传感元件（2）采取与混凝土结构中纵向受力钢筋相同材质制成，其中部为矩形钢筋薄片（10），中部钢筋薄片（10）截面上不同高度处布置分布式连续应变测点（11）；中部钢筋薄片（10）用聚酯材料进行封装其三个表面，保留一个端面作为锈蚀监测面（4）；中部钢筋薄片（10）与聚酯材料层之间添加防腐层 ；通过所述梯型框架（3）两端的螺栓对钢筋进行预应力加载并锚固，中部钢筋薄片（10）形成平面应力状态。

3.根据权利要求 2 所述混凝土内钢筋锈蚀风险原位监测方法，其特征是，所述梯型框架（3）埋设前需进行防腐处理，防止外框架发生腐蚀；中部钢筋薄片（10）与左右横梁接触部位需做绝缘处理，避免发生电偶腐蚀。

4.根据权利要求 2 所述混凝土内钢筋锈蚀风险原位监测方法，其特征是，所述连续应变测点（11）采用高空间分辨率分布式光纤，通过高性能胶水粘贴在中部钢筋薄片（10）的截面不同高度处，通过传输光纤与相应解调仪连接。

5.根据权利要求 4所述混凝土内钢筋锈蚀风险原位监测方法，其特征是，在所述中部钢筋薄片（10）粘贴分布式光纤时，预留靠近加载螺栓的一段光纤不与钢丝薄片粘贴，使之不与薄片一起变形，用于监测温度并进行温度补偿。