CN104931409A - 多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，其特征在于主机由人机界面操作模块、数据采集处理存储模块、温度、湿度、二氧化碳测感模块及电源模块构成，复合型信号采集装置是将多个同型号半电池电极等间距设计在一个圆盘形箱体内形成相互补偿回路进而实现非破损锈蚀定量检测，该仪器综合运用法拉第定律、线性极化法、电位法用以测量锈蚀平均截面损失率、锈蚀电流密度及锈坑位置、范围、程度，从而实现绘制锈蚀平均截面损失率图和锈坑位置、范围、程度分布图，同时测量混凝土结构所处环境温度、湿度、二氧化碳浓度，从多个角度对混凝土结构锈蚀状况及锈蚀趋势作科学定量判断，本发明可为混凝土结构的安全性和耐久性量化评估提供重要依据。

Description

多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，具体涉及一种多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪。

背景技术

混凝土结构钢筋锈蚀是影响在役混凝土结构剩余使用寿命的一个重要指标。随着我国基础设施迅猛发展，近年来因钢筋锈蚀导致混凝土结构的垮塌断裂时有发生。国家“十三五”计划用8万亿元撬动科技创新，在工程质量及检测的相关领域投入巨额资金用于基础设施的检测、维修维护、检测认证服务、技术转移、科研等相关行业发展。目前，传统的检测仪器都有着一定的不足或使用限制，研究混凝土结构的耐久性检测仪器及方法已成为业界的关注热点。对于新建基础设施，要进行耐久性设计、维护、运营状况要有定期的评价，近年来评价要求越来越高，逐步朝着量化的方向发展。尤其是沿海地区的大型海港、码头、厂房、民房等既有建筑结构更需要进行定期量化检查，定量检测混凝土结构中的钢筋锈蚀状态，对其剩余使用寿命及运营状况进行科学量化评价，可及早发现混凝土结构中的钢筋锈蚀程度，及时采取维护和加固措施，以减少由此引起的危害。

无损量化评价钢筋混凝土结构的锈蚀状况，是当今世界各国都非常重视的问题，混凝土中钢筋锈蚀状态的无损检测，目前国内外常用的检测方法有分析法、物理法和电化学方法，基本上都是定性或粗略定量检测方法。混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程，电化学方法是检测钢筋锈蚀程度的有力手段。实际检测中，电化学检测方法的发展速度最快应用也最广泛，作为一种无损检测方法，具有测试速度快、灵敏度高、可连续测量等优点，且可通过测量钢筋锈蚀状态、锈蚀电流密度、锈蚀平均截面损失率，有效预测其剩余使用寿命，因此电化学检测方法的发展速度最快应用也最广泛。本仪器的研制基于混凝土中钢筋锈蚀的电化学反应过程，即当钢筋锈蚀表面形成阳极或阴极区，在这些区域产生电流、电位差，通过测量混凝土中钢筋的电化学参数——锈蚀电流密度的变化，借助法拉第定律、线性极化原理推断锈蚀平均截面损失率和锈坑位置、范围、程度、分布情况，根据相关的规程和标准，给出更为科学全面的钢筋锈蚀程度量化评定。

经过现有技术的检索发现，中国专利号200810024647.2、200810039180、2012101136599、2012201642083、2012103781278、2012205130760、200520110540.1，专利一、二皆属于土木工程技术领域的预埋式钢筋锈蚀监测装置，前者可以粗略地估测钢筋的锈蚀状态，后者可较为准确检测钢筋锈蚀程度，但这两种方法的共同缺点是对未埋入此检测装置的在役混凝土结构不适用；专利三、四和专利五、六分别为两个同一内容的专利，该四份专利实现了对混凝土中钢筋锈蚀程度的量化检测，而且其测试方法能够较准确的检测钢筋的锈蚀程度，但是这四份专利中的方法在实际测量时仍需要微量破开混凝土露出待测钢筋与检测设备的一极相连，仍对混凝土造成一定的影响，为量化评价钢筋锈蚀程度带来了一定的困难；专利五、六中提到的电阻率法检测有一定缺点：如当混凝土水灰比很小或混凝土处于干燥状态时，混凝土内部电解液及孔溶液极少，难以使离子产生流动，因而阻止电流通过的能力就强，混凝土的电阻率就高，而钢筋锈蚀的必要条件之一是必须要有电解液传输离子形成阴阳极回路，才能形成微电池，有可能出现钢筋已锈蚀但电阻率仍然很高的情况，因此混凝土电阻率只能对混凝土中钢筋锈蚀程度作比较粗略的定量判断；专利七中直接将锈蚀电流密度视为锈蚀率来看是不完善的，因为还需根据法拉第定律经过较为复杂的换算才能将锈蚀电流密度转换为钢筋的损失量，且专利七提及的仪器不具有检测锈蚀平均截面损失率和判定混凝土中锈坑位置、范围、程度的功能。

发明内容

本发明解决的技术问题是用一台仪器实现对混凝土结构钢筋锈蚀程度的多种技术参数的纯无损定量测量，并提供比较直观的检测数据、锈蚀平均截面损失率曲线图和锈坑位置、范围、程度平面分布图，为综合评价混凝土结构钢筋的锈蚀程度提供了更加科学的依据。本仪器综合运用了法拉第定律、线性极化法、电位法来检测混凝土中钢筋锈蚀的参数，从而根据相关的评判标准来量化评定钢筋锈蚀程度。

本发明的目的是提供一种多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，其主要由主机系统、电缆和复合型信号采集装置，主机由人机界面操作模块、数据采集处理存储模块、温度、湿度、二氧化碳浓度测感模块及电源模块构成，复合型信号采集装置将多个“铜+硫酸铜饱和溶液”形成的半电池电极等间距设计在一个圆盘形箱体内形成相互补偿回路实现完全非破损锈蚀定量快速检测。该仪器综合运用法拉第原理、线性极化法、电位法用以测量锈蚀平均截面损失率、锈蚀电流密度以及锈坑位置、范围、程度，从而实现绘制锈蚀平均截面损失率图和锈坑位置、范围、程度分布图，同时测量混凝土结构所处环境温度、湿度、二氧化碳浓度。仪器配有电位差、电阻率测量模块，从多个角度对混凝土结构锈蚀状况及未来锈蚀趋势作科学定量判断。本发明与现有技术相比具有明显优势，应用先进的电子信息技术、计算机网络技术和电化学的综合测量方法，确定并完成了仪器的系统设计和研制以及检验报告出具，通过实验室和实际工程现场测量使用证明，实现了混凝土结构中锈蚀平均截面损失率、锈蚀电流密度大小及锈坑位置、范围、程度快速量化判定。以前锈蚀检测需破坏混凝土结构和使用多台仪器才能实现定性测量，使用本仪器，只需用一台仪器即可实现钢筋混凝土结构完全非破损快速锈蚀定量检测，并能够提供多种量化评估混凝土结构技术参数：如锈蚀平均截面损失率曲线图、锈坑位置、范围、程度平面分布图、二氧化碳浓度值。本发明可为在役混凝土结构的安全性和耐久性评估提供重要科学依据。

所述复合型信号采集装置将多个“铜+硫酸铜饱和溶液”形成的半电池电极等间距设计在一个圆盘形箱体内形成相互补偿回路实现完全非破损锈蚀定量快速检测。

所述该仪器检测系统设计了自动统计分析的功能，实现了对混凝土中锈坑位置、范围、程度及其分布规律判定，从而可为后期的维修加固处理提供重要依据。

所述主机系统由人机界面操作显示模块、数据采集处理储存模块、温度、湿度、二氧化碳浓度测感模块及电源电路组成，完全实现非破损锈蚀定量快速检测及测量环境的数据采集并统计分析保存至主机系统。

所述数据采集处理储存模块由单片机、A/D转换器及总线驱动器构成，A/D转换器将信号采集装置采集到的模拟信号转换成数字信号，经单片机处理后传输至触控屏显示模块实现即时判读与分析。

所述二氧化碳浓度测感模块采用二氧化碳测量传感器和感应电路组成，可精确地测出待测混凝土结构构件所处环境中的二氧化碳浓度，为后期量化评估混凝土结构剩余使用寿命提供重要参考依据。

所述温度、湿度测感模块采用温度、湿度测量传感器和数据传输电路组成，能精确地测出待测混凝土构件所处环境中的温度、湿度，为后期对混凝土结构维护和保养提供科学数据。

所述电源模块由电池及为此仪器设计的电源处理电路组成，电池为本仪器提供能源，本仪器采用锂电池，电源处理电路将电压降至单片机正常工作所需的电压。

多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪操作方便，易于维护，与国内普通产品相比，仪器的稳定性、可靠度、便捷性都有较大的提升；可靠度方面，本产品与国外同类产品相比，不仅达到了欧美同类产品的技术水平，而且功能上也有创新，增加了两种快速定量判定混凝土中锈坑位置、范围、程度的功能，产品性能上完全达到美国同类产品同类水平，同时功能上另有创新。

附图说明

图1，本发明结构示意图。

如附图1所示，多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，该设备主要由主机1，连接电缆2、3，信号采集装置把手4，信号采集装置红色、黑色插孔5、6，传感器7，传感器8，信号采集装置9组成。

图1说明：

主机1：主要由人机界面操作模块、数据采集处理存储模块、温度、湿度、二氧化碳浓度测感模块及电源模块构成。测量时，主机两个输入端口分别与信号采集装置对应接口相连接，主机接收到电信号后，再对电信号进行计算处理，最终得出待测钢筋的锈蚀电流密度、锈蚀平均截面损失率和锈坑位置、范围、程度平面分布图；

连接电缆2、3：连接主机和信号采集装置；

信号采集装置把手4：方便移动信号采集装置；

信号采集装置红色、黑色插孔5、6：保护信号采集装置、连接主机；

传感器7：进行数据采集，配合传感器8测量电位差及微电池电流密度；

传感器8：由多个相同“铜+硫酸铜饱和溶液”形成的半电池电极串接而成具有相互补偿回路的传感器，所起作用测量补偿电位值，配合传感器7测量微电池电流密度；

复合型信号采集装置9：实现纯无损锈蚀定量检测，检测时克服混凝土中由于钢筋垂直交叉给检测带来的干扰。

具体实施方式

如附图1所示，多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，该仪器主要是对锈蚀电流密度、锈蚀平均截面损失率、混凝土结构所处环境的二氧化碳浓度、温度、湿度进行测量以及判定锈坑位置、范围、程度分布规律。为了使仪器检测钢筋诱蚀程度更加可靠，实际测量时，需满足如下要求：所测混凝土构件必须充分湿润，混凝土处于干燥状态时需向混凝土表面喷水后约0.5小时再进行检测，混凝土含水率控制在7％～12％，此时锈蚀电流密度、电位差更加稳定，所测锈蚀电流密度、电位差、锈蚀平均截面损失率检测更精确。

该仪器综合运用了法拉第定律、线性极化法、电位法来测量锈蚀电流密度、锈蚀平均截面损失率、锈坑位置范围程度，在本仪器设计过程中，锈蚀平均截面损失率的测量是在测定锈蚀电流密度和已知混凝土结构服役时间的基础上通过法拉第定律得出，锈蚀电流密度是根据著名的Stern-Geary公式采用线性极化方法得出。

根据法拉第定律，当钢筋锈蚀电流密度为1μA/cm²，其理论对应的年锈蚀速率为一定值，则钢筋锈蚀T年后的平均锈蚀深度可按下式计算

P(T)＝α×i_corr×T    (1)

式中：P(T)为钢筋锈蚀T年后的平均锈蚀深度，单位cm；α为一常数；i_corr为钢筋锈蚀电流密度，单位μA/cm²：

$i_{\mathrm{corr}}=\mathrm{\κ}\frac{B}{R_p}---\left(2\right)$

式中：B为Tafel常数

κ为复合型信号采集装置与混凝土表面接触面积的倒数

R_p为充分湿润后的混凝土中钢筋锈蚀极化电阻

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

式中：ΔE为极化过程中锈蚀电位的变化量

ΔI为充分湿润后的混凝土与辅助电极间的变化量

则钢筋锈蚀T年后的锈蚀平均截面损失率为ρ_s按式(4)计算

${\mathrm{\ρ}}_S=\frac{s_0-s_1}{s_0}=\frac{2P\left(T\right)}{D}-{\left(\frac{P\left(T\right)}{D}\right)}^2=1-{(1-\frac{P\left(T\right)}{D})}^2---\left(4\right)$

${\mathrm{\ρ}}_0=\frac{m_0-m_1}{m_0}=\frac{{\mathrm{\σ\ν}}_0-{\mathrm{\σ\ν}}_1}{{\mathrm{\σ\ν}}_0}=\frac{{\mathrm{\σls}}_0-{\mathrm{\σls}}_1}{{\mathrm{\σls}}_0}=\frac{s_0-s_1}{s_0}={\mathrm{\ρ}}_s---\left(5\right)$

m₀＝σν₀＝σls₀，m₁＝σν₁＝σls₁，    (₆)

由(1)、(4)式得 $P\left(T\right)=D(1-\sqrt{1-{\mathrm{\ρ}}_S})---\left(7\right)$

式中：s₁为平均锈蚀深度为P(T)时的钢筋截面积，cm²；s₀为原始钢筋截面积，cm²；

D为钢筋的原始直径，cm；m₀、m₁分别为钢筋锈蚀前、后的质量，kg；

σ为钢筋密度；l为钢筋长度。

由(5)可知锈蚀平均截面损失率ρ_s与锈蚀平均质量损失率ρ₀是等价的。

由(7)式分析可知当ρ_s越大时P(T)也就越大，钢筋直径D为定值。而P(T)＝α×i_corr×T当P(T)越大，钢筋锈蚀电流密度i_corr越大，时间T为定值。

实际工程中，混凝土结构中钢筋锈蚀一般为非均匀锈蚀，该仪器锈蚀平均截面损失率的测算是基于法拉第定律，但极化电阻的测算用的是线性极化法测量，而线性极化法测量主要基于均匀锈蚀研发的，因此在实际检测混凝土构件时，应选取合适测量点数，这样不仅保证测量到的精度而且还有利于判定混凝土中锈坑的位置范围程度。

表1钢筋锈蚀性状评判结论

锈蚀平均截面损失率	钢筋锈蚀程度
		＜0	钢筋状态完好
0％～1％	钢筋微锈，锈斑或局部锈蚀
		1％～2％	钢筋表层锈蚀清晰
2％～3％	钢筋表层锈蚀非常清晰，击打锈蚀钢筋有微量铁锈跌落
		3％～4％	钢筋全面锈蚀，轻击锈蚀钢筋有少量铁锈跌落
＞5％	钢筋严重锈蚀，触碰锈蚀钢筋表层有明显铁锈脱落

1、测量区域选取

在测量前，选择待测区域和测量点数非常重要。待测区域和测量点数要从是否具有代表性和可操作性考虑，应综合考虑待测构件的大小和待测结构(构件)相关信息，比如锈蚀前钢筋直径、服役天数、碳化深度，这些数据对后期进一步量化评估待测混凝土构件剩余使用寿命和实时承载能力非常重要。前期资料收集充分及正确与否对实现量化评估及保证测量精度非常必要。

2、使用环境

在实际检测时，若要保证精确测量，必须满足前文所述条件，在极端恶劣的温度和湿度条件下不宜使用。所测混凝土结构应处于温度0～40℃，相对湿度在＜90％以内，待检区表面若附着游离态的水或处于饱和、过饱和状态或雨天测量，测量误差相对增大。

3、待测构件表面的处理

检测过程中待测混凝土表面，特别是测区的周围混凝土表面的沥青、绝缘材料、涂料、污迹、油迹、泥土、导线等应去除干净，其表面平整。可采用砂纸或钢摩刷在混凝土表面上打磨，同时将打磨掉的粉尘杂物彻底除净。被测表面应无任何电气绝缘或不透水材料，尽量避开检测绝缘、透水性不好混凝土表面，实际测量过程中如遇到表面不平整混凝土可在复合型信号采集装置与混凝土表面接触的位置垫一块充分湿润的海绵，该海绵厚约0.5cm，仪器中已备，即可保证待测混凝土构件与复合型信号采集装置接触充分，必须清除干净待测混凝土表面附着物。复合型信号采集装置上的每一个传感器和混凝土表面之间必须形成离子通道。在平放传感器之前，可将信号采集装置上的每一个传感器用纯净水浸湿以减小电阻。推荐使用纯净水，结冰的条件下使用酒精，以免污染传感器。

4、仪器与待测构件连接

由于测量信号非常小，为毫伏级，为了避免测量过程中钢筋的垂直交叉以及因为材料的高电阻率会沿着混凝土逐渐变小给测量结果造成干扰或产生较大误差。通过大量的实验研究和理论分析研制了复合型信号采集装置，无需凿开混凝土保护层即可测量，只需把导线两端分别连接仪器和复合型信号采集装置相应红色、黑色插孔放于平滑混凝土表面即可实现纯无损锈蚀定量检测。

5、多个待测区域或构件的测试与数据保存

当对许多待测区域或某一批构件进行测试时，首先对待测区域或构件进行编号，编号为01-99，应按顺序进行检测。对于编号后的待检区域或构件，进行检测部位的划分，以X-Y轴座标为划分单元，每一个单元建议的间距是10cm～50cm，较小较窄构件可根据可操作性自行决定测量间距，各个划分单元的交点就是测试点。每一点测量完毕后可选择保存该点数据进入下一点测量或选择重新测量。

6、锈坑位置范围程度判定

对所测试的构件的测试结果进行简单统计，点击自动统计分析功能，仪器会自动统计分析，显示锈坑位置、范围、程度及分布的起点和终点，同时显示锈蚀平均截面损失率和总测量点数。对待测区域或构件进行及时统计分析有助于提早发现混凝土中锈坑位置、范围、程度，从而在为后期的维修加固处理提供重要依据。

以上结合附图描述了本发明的一种实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型只要其创新设计理念和本发明相近或相似均属于本发明的保护范围。

另需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行主机、信号采集装置、传感器的变形扩展及调配。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合和选配，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，其特征在于，复合型信号采集装置是将多个“铜+硫酸铜饱和溶液”形成的半电池电极等间距设计在一个圆盘形箱体内形成相互补偿回路实现完全非破损锈蚀定量快速检测，主机由人机界面操作模块、数据采集处理存储模块、温度、湿度、二氧化碳测感模块及电源模块构成，该仪器综合运用法拉第定律、线性极化法、电位法用以测量锈蚀平均截面损失率、锈蚀电流密度及锈坑位置、范围、程度，从而实现绘制锈蚀平均截面损失率图和锈坑位置、范围、程度分布图，同时测量混凝土结构所处环境温度、湿度、二氧化碳浓度，从多个角度对混凝土结构锈蚀状况及未来锈蚀趋势作科学定量判断。

2.根据权利要求1所述的多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，其特征在于复合型信号采集装置是将多个“铜+硫酸铜饱和溶液”形成的半电池电极等间距设计在一个圆盘形箱体内形成相互补偿回路实现完全非破损锈蚀定量快速检测。

3.根据权利要求1所述的多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，其特征在于该仪器设计了检测数据自动统计分析功能，实现了对混凝土中锈坑位置、范围、程度及其分布规律判定，从而可为所测混凝土结构构件后期的维修加固处理提供重要依据。

4.根据权利要求1所述的多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，其特征在于主机系统由人机界面操作显示模块、数据采集处理储存模块、温度、湿度、二氧化碳浓度测感模块及电源电路组成，实现全非破损锈蚀定量快速检测及测量环境的数据采集并统计分析保存至主机系统。

5.根据权利要求1所述的多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，其特征在于数据采集处理储存模块由单片机、A/D转换器及总线驱动器构成，A/D转换器将信号采集装置采集到的模拟信号转换成数字信号，经单片机处理后传输至触控屏显示模块实现即时判读与分析。

6.根据权利要求1所述的多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，其特征在于二氧化碳浓度测感模块采用二氧化碳测量传感器和感应电路组成，可精确地测出待测混凝土构件所处环境中的二氧化碳浓度，为后期量化评估混凝土结构剩余使用寿命提供重要参考依据。

7.根据权利要求1所述的多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，其特征在于温度、湿度测感模块采用温度、湿度测量传感器和数据传输电路组成，能精确地测出待测混凝土构件所处环境中的温度、湿度，为后期对混凝土结构维护和保养提供科学数据。

8.根据权利要求1所述的多功能混凝土结构钢筋锈蚀率检测仪，其特征在于电源模块由电池及为此仪器设计的电源处理电路组成，电池为本仪器提供能源，电源处理电路将电压降至单片机正常工作所需的电压。