CN107167270B - 后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置，属于监测设备技术领域。本发明包括螺纹钢筋、底座和至少两组传感单元，传感单元包括圆环柱、设置在圆环柱外表面的电阻应变计、设置在圆环柱外的厚壁支撑，厚壁支撑底部设有用于支撑圆环柱的承台，传感单元还包括绝缘导线，电阻应变计与绝缘导线连接，若干传感单元依次连接并通过绝缘导线与应变采集仪连接，最底层传感单元的厚壁支撑的承台底部还连接有底座，螺纹钢筋设置在若干依次连接的传感单元的圆环柱内并与底座连接。本发明测试结果精度更高，可靠性更强，信息量大，可直接实现钢筋锈蚀应力的连续测试，实现了对普通混凝土结构中钢筋起锈及锈蚀过程的长期、实时在线监控。

Description

后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置

技术领域

本发明涉及后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置，属于监测设备技术领域。

背景技术

当今社会，钢筋混凝土已成为世界上应用最广泛的建筑结构形式，但其耐久性问题也愈发引起国内外专家学者的关注。钢筋锈蚀严重影响混凝土耐久性能，是导致混凝土破坏的首发原因。导致混凝土中的钢筋锈蚀的原因主要有氯离子的侵入和混凝土的碳化。当混凝土结构中的发生钢筋锈蚀时，将导致混凝土中钢筋的有效截面减小，进而导致钢筋力学性能下降、锈蚀的钢筋将与混凝土之间产生锈胀力，从而引起混凝土保护层开裂剥落。钢筋混凝土的破坏程度、破坏进程和修复后的效果仅靠外观观察是远远不能满足的。此外，混凝土中如果钢筋锈蚀出现破坏再进行修补，会导致工作量加大、造价高和效益差等问题。目前，急需一种测试精度高、可靠性高的认知混凝土内部纲筋锈蚀状态的监测仪器，既可定性又定量分析钢筋的锈蚀时间、锈蚀程度、混凝土锈胀开裂过程，为预测钢筋混凝土服役寿命提供理论基础。

发明内容

本发明提出了一种后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置，该监测装置制作简单、测试可靠，成本低廉，便于投入量产。

本发明是采用以下的技术方案实现的：后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置包括螺纹钢筋、底座和至少两组传感单元，传感单元包括圆环柱、设置在圆环柱外表面的电阻应变计、设置在圆环柱外的厚壁支撑，厚壁支撑底部设有用于支撑圆环柱的承台，传感单元还包括绝缘导线，电阻应变计与绝缘导线连接，若干传感单元依次连接并通过绝缘导线与应变采集仪连接，最底层传感单元的厚壁支撑承台底部连接有底座，螺纹钢筋设置在若干依次连接的传感单元的圆环柱内并与底座连接。

进一步地，所述厚壁支撑的内侧沿其高度方向设有凹槽，与电阻应变计连接的绝缘导线沿凹槽引出。

进一步地，厚壁支撑为一体成型结构。

进一步地，所述厚壁支撑采用PVC管。

进一步地，所述电阻应变计通过胶基端子与绝缘导线连接。

进一步地，所述电阻应变计采用箔式电阻应变计。

进一步地，所述电阻应变计的长度大于等于不锈钢圆环柱周长的1/3。

进一步地，所述厚壁支撑与圆环柱之间的空隙处用防水密封胶密封。

进一步地，所述螺纹钢筋与圆环柱之间浇筑混凝土。

进一步地，所述螺纹钢筋为圆形碳钢棒。

制作过程：在圆环柱的外表面粘结箔式电阻应变计，箔式电阻应变计通过胶基端子连接绝缘导线，然后将粘贴好的圆环柱装入带凹槽的厚壁支撑内，厚壁支撑与圆环柱空隙处用防水密封胶密封形成传感单元，将五组装备好的传感单元的厚壁支撑用粘结剂依次拼接并安放在底座上，中间插入螺纹钢筋，贯穿整个检测装置，顶部预留保护砂浆，拼接好后螺纹钢筋四周浇筑与建筑施工同配比混凝土。

当内部螺纹钢筋发生锈后，会产生膨胀应力，挤压不锈钢圆环柱，通过应变采集仪测试钢筋锈蚀膨胀后其应变情况并依据不锈钢圆环柱性能参数获得膨胀应力，通过理论反推获得混凝土中钢筋锈蚀所产生的膨胀应力以及应力发展情况，(1)应变起始点即为氯离子渗透到圆环柱对应深度的时间，也是该深度钢筋起锈点；(2)应力突变点即为钢筋锈蚀导致混凝土开裂时间。随着服役时间的推移，钢筋锈蚀下沿，不同深度的应变将依次发生变化，由电阻应变计距外边缘距离与变形起始、突变发生时间拟合函数关系式，可以得到混凝土不同保护层深度钢筋起锈及锈蚀导致混凝土开裂的时间，进而预测混凝土保护层中腐蚀离子渗透及钢筋锈蚀发展状况。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述的后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置，制作简单，易加工制作成型，完成单个制品周期短，成本低廉，便于投入量产，安装方便，测试可靠；本检测装置除用于工程实体监测，还可用于实验室混凝土中钢筋锈蚀机理研究；

(2)本发明所述的后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置，可在建筑结构服役过程中取孔后置安装，这样避免了预埋传感器在施工过程中受到损害；

(3)本发明所述的后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置，可直接测试钢筋锈蚀导致的变形起始，应变演变过程以及应变突变点，测试结果精度更高，可靠性更强，信息量大，并可直接实现钢筋锈蚀应力的连续测试，实现了对普通混凝土结构中钢筋起锈及锈蚀过程的长期、实时在线监控。

附图说明

图1是实施例一的结构示意图。

图2是厚壁支撑的结构示意图。

图3是圆环柱的结构示意图。

图4是圆环柱与厚壁支撑组装的结构示意图。

图5是监测装置在混凝土中的安装图。

图6是实施例二中圆环柱的应力分析示意图。

图7是实施例二中采用恒电压法下应变采集仪采集到的应变与时间的结果图。

图8是实施例二中采用恒电压法下应变采集仪采集到的应力与时间的结果图。

图中：1、厚壁支撑；2、螺旋钢筋；3、箔式电阻应变计；4、应变采集仪；5、凹槽；6、绝缘导线；7、胶基端子；8、承台。

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，下面结合附图和具体实例，对本发明提出的后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述的后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置，如图2、图3、图4或图5所示，包括螺纹钢筋、底座和4～7组依次连接的传感单元，传感单元包括圆环柱、设置在圆环柱外表面的电阻应变计、设置在圆环柱外的厚壁支撑1、厚壁支撑1底部设有用于支撑圆环柱的承台8，传感单元还包括绝缘导线6，厚壁支撑1内侧沿高度方向设有凹槽5，电阻应变计通过胶基端子7与绝缘导线6连接，绝缘导线6沿厚壁支撑1的凹槽5引出并与应变采集仪4连接，最底层传感单元的厚壁支撑1的承台8的底部连接有底座，螺纹钢筋设置在若干上下依次连接的传感单元的圆环柱内并与底座连接。应变采集仪4用于显示圆环柱的应变和应力。

圆环柱采用不锈钢，电阻应变计选用零漂，蠕变很小的箔式电阻应变计3，选用长度为圆环柱周长的一半左右，厚壁支撑1采用PVC管，绝缘导线6采用内阻低、服役寿命能达到100年的特氟龙导线，螺旋钢筋2可根据工程实际施工选用同种钢筋，检测装置高度为40mm～70mm,支撑间距为3mm。

在圆环柱的外表面通过粘结剂粘结箔式电阻应变计3，箔式电阻应变计3通过胶基端子7连接绝缘导线6，然后将粘贴好的圆环柱装入带凹槽5的厚壁支撑1内，厚壁支撑1与圆环柱空隙处用防水密封胶密封形成传感单元，将五组装备好的传感单元的厚壁支撑1用粘结剂依次拼接并安放在底座上，中间插入螺纹钢筋，贯穿整个检测装置，顶部预留保护砂浆，螺纹钢筋与圆环柱之间浇筑混凝土，检测装置内部混凝土与施工混凝土同配比，保证装置内外钢筋所处环境一致。厚壁支撑1的组数根据螺纹钢筋保护层确定，其高度为螺纹钢筋长度加保护砂浆层厚度。

实施例一：

如图1至图5所示，厚壁支撑1的内半径为42mm，高为7mm，壁厚为4mm，圆环柱采用304不锈钢，其外半径为40mm，高为7mm，壁厚为4mm，承台8半径为36mm，高为3mm，壁厚为10mm，箔式电阻应变计3长度为55mm，宽度为4.5mm，箔式电阻应变计3两片尾部相连，两片为一组于测量不锈钢圆环柱应变值，端部粘结胶基端子7，并连接绝缘导线6。将不锈钢圆环柱放于承台8上，圆环柱的底部与承台8的表面用粘结剂粘结，不锈钢圆环柱与厚壁支撑1的间隙用防水密封胶进行密封，一是防止混凝土浇筑时混凝土流入间隙之中，二是避免外部PVC管对电阻应变计产生内压力，减少试验误差。五组传感单元用粘结剂自下而上依次拼接，最下层厚壁支撑1底部粘结有底座，五个绝缘导线6自上而下依次编号，沿凹槽5引出，用于监测的螺纹钢筋选用直径10mm的圆形碳钢棒并固定于底座中央，其长度依据监测装置高度设置为37-67mm，顶部留有3mm，用于铺设保护砂浆。圆形碳钢棒四周浇筑与建筑施工同比的混凝土，使圆形碳钢棒所处的混凝土环境为钢筋混凝土结构中钢筋所处的真实环境，养护28d后将底座去除并将检测装置抛光打磨再安装到混凝土中。该监测装置安装时，先将待安装的部位取孔至监测装置的高度，然后在取孔处灌入高强微膨胀砂浆，在高强微膨胀砂浆处于流动状态时塞入监测装置，待高强微膨胀砂浆凝固后即可安装成功。该检测装置可通过对混凝土构件钻孔芯后装入，以防止预埋于混凝土对其损害。

当螺纹钢筋发生锈蚀，锈斑膨胀使螺纹钢筋产生膨胀应力并传递至不锈钢圆环柱并导致其膨胀，该时间点即为螺纹钢筋初锈时间t₁；当螺纹钢筋锈胀达到一定程度后将导致混凝土开裂，此时变形区域将稳定，该点即为螺纹钢筋锈胀导致混凝土开裂点，记录时间T₁。钢筋开始发生锈蚀时，最外侧电阻应变计的应变发生变化，随着时间的推移，钢筋锈蚀下沿，其余电阻应变计应变依次发生变化，分别记录每组电阻应变计的变形起始、突变发生时间值。由氯离子渗透深度x与应变起始点时间t、应力突变点时间T拟合其函数，得到氯离子渗透深度x与变形起始、突变发生时间函数关系式，进而预测钢筋混凝土中钢筋锈蚀的时间状况及其服役寿命。

实施例二：

不锈钢圆环柱的内半径为40mm、壁厚为4mm、高为50mm，抗拉强度≥520MPa，螺纹钢筋直径为10mm或14mm，其它结构同实施例一所述，螺纹钢筋四周浇筑砂浆，砂浆采用海水拌合C50混凝土，养护28d后去掉底座，采用外加电源的恒电压法使螺纹钢筋加速锈蚀，电压30V，电流量程范围0～5A，螺纹钢筋为正极，不锈钢圆环柱为负极，用铜导线与稳压直流电源相连的方法，加快混凝土中的螺纹钢筋锈蚀，采用应变采集仪4采集实时应变值，其结果如图7所示。

利用电加速方式使螺纹钢筋加速锈蚀，当锈斑积累到一定程度后会对砂浆产生膨胀应力，使砂浆发生膨胀变形，砂浆一旦发生变形，螺纹钢筋锈蚀产生的膨胀应力就会通过砂浆作用在砂浆外侧的不锈钢圆环柱，使其产生环向的膨胀应变。根据这一原理就可以通过测试圆环柱外侧的环向应变可以推出钢筋锈蚀对圆环柱产生的膨胀应力。其推到过程如下：

假设不锈钢圆环柱的内径为d，圆环柱壁厚为a，高为b，不锈钢圆环柱的弹性模量为E，其受到的径向截面的应变为ε。

以不锈钢圆环柱为研究对象，对其进行受力分析如图6所示，不锈钢圆环柱由于钢筋锈蚀的原因会受到均匀的膨胀应力p，使其均匀膨胀，故在包含圆环柱轴线的任一径向截面上，作用有相同的法向拉力F'。为求该拉力，可假想地用一直径平面将圆环柱截分为二，并研究留下的半环如图6c的平衡。半径上的内压力沿y方向的和力为：

其作用线与y轴重合。

由对称关系可知，图6c两侧截面上的拉力F'相等。于是由平衡方程：

ΣF_y＝0，

由于圆环柱的壁厚远小于内直径，故可近似地认为径向截面的正应力均匀分布当a-b≤2b/20时，这中近似足够精确的。于是可得径向截面的正应力为：

因为σ＝ε·E，故可得到不锈钢圆环柱所受的膨胀应力为：

式中：p为圆环柱收受到的膨胀应力，单位为MPa；

d为圆环柱内径，本实施例中为80mm；

a为圆环柱壁厚，本实施例中为4mm；

b为圆环柱高度，本实施例中为7mm；

E为圆环柱弹性模量，本实施例中为206GPa；

ε为圆环柱外侧产生的应变，单位微应变με。

其应力结果如图8所示。

当然，上述内容仅为本发明的具体实施方式，不能被认为用于限定对本发明的保护范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的涵盖范围内。

Claims (2)

1.一种后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置，其特征在于：包括螺纹钢筋、底座和5组传感单元，传感单元包括圆环柱、设置在圆环柱外表面的电阻应变计、设置在圆环柱外的厚壁支撑(1)，厚壁支撑(1)底部设有用于支撑圆环柱的承台(8)，传感单元还包括绝缘导线(6)，电阻应变计通过胶基端子(7)与绝缘导线(6)连接，若干传感单元自上而下依次连接并通过绝缘导线(6)与应变采集仪(4)连接，最底层传感单元的厚壁支撑(1)承台(8)底部连接有底座，螺纹钢筋设置在若干自上而下依次连接的传感单元的圆环柱内并与底座连接，顶部预留保护砂浆；

所述厚壁支撑(1)的内侧沿其高度方向设有凹槽(5)，与电阻应变计连接的绝缘导线(6)沿凹槽(5)引出；

所述厚壁支撑(1)与圆环柱之间的空隙处用防水密封胶密封；

所述厚壁支撑(1)的高度为螺纹钢筋长度加保护砂浆层厚度；

所述厚壁支撑(1)采用PVC管；

所述螺纹钢筋与圆环柱之间浇筑混凝土，所述混凝土与施工混凝土同配比；

所述监测装置的高度为40mm～70mm，支撑间距为3mm；

所述电阻应变计采用零漂的箔式电阻应变计(3)，所述电阻应变计的长度大于等于不锈钢圆环柱周长的1/3；

所述监测装置安装时，先将待安装的部位取孔至所述监测装置的高度，然后在取孔处灌入高强度微膨胀砂浆，并在高强度微膨胀砂浆处于流动装态时塞入所述监测装置；

所述厚壁支撑(1)的内半径为42mm，高为7mm，壁厚为4mm，圆环柱采用304不锈钢，所述圆环柱的外半径为40mm，高为7mm，壁厚为4mm，承台(8)半径为36mm，高为3mm，壁厚为10mm，箔式电阻应变计(3)长度为55mm，宽度为4.5mm，所述箔式电阻应变计(3)两片尾部相连，两片为一组用于测量所述圆环柱的应变值，所述圆环柱的底部与所述承台(8)的表面用粘结剂粘结；5组传感单元用粘结剂自下而上依次拼接，最下层厚壁支撑(1)底部粘结所述底座，五个绝缘导线(6)自上而下依次编号；所述螺纹钢筋采用直径为10mm或14mm的圆形碳钢棒并固定于底座中央，圆形碳钢棒的长度设置为37-67mm，顶部留有3mm，用于铺设保护砂浆。

2.根据权利要求1所述的后置式混凝土中钢筋锈胀应力监测装置，其特征在于：所述厚壁支撑为一体成型结构。

Images