CN109856205B - 一种监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器，该传感器中塑料短管上等间距的设置有多个环形的凹槽，凹槽的深度和宽度均相同，塑料短管被相邻的凹槽间隔形成多个凸起部分；多个腻子型遇水膨胀环分别套装在各个凹槽上；每个凸起部分上均开设有小孔，Cl^‑探针分别安装在各个小孔中；多根铜电缆设置在塑料短管中，每根铜电缆一端与Cl^‑探针相连，另一端延伸至塑料短管外的出口位置；环氧树脂密封材料填充在塑料短管内部，通过环氧树脂密封材料对铜电缆进行密封，并对Cl^‑探针进行固定。本发明体积小、探针数量可调、对结构破坏小，尤其适用于服役多年的既有混凝土结构，为其耐久性评估、剩余使用寿命预测及提前防护提供必要的数据支撑。

Description

一种监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土结构物腐蚀和防护技术领域，尤其涉及一种监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器。

背景技术

氯离子的侵入往往引起钢筋钝化膜的破坏、钢筋的锈蚀膨胀，致使混凝土保护层产生裂缝，最终导致混凝土结构耐久性下降，严重威胁混凝土结构的服役安全性。因此，在设计海工混凝土的配合比及服役寿命时，必须考虑氯离子侵入的影响。目前，研究人员往往成型大量试块，通过实验室模拟服役环境、加速实验或直接现场暴露的方法，获取不同时间氯离子浓度分布数据、建立相关的时变模型，进而预测特定混凝土的服役寿命，这种方法往往存在测试时间不足的缺陷。监测实体结构保护层内的氯离子浓度分布，可以弥补实验室测试时间短的不足，完善混凝土实体结构的耐久性评估及剩余寿命预测，对于保证混凝土结构的耐久性和服役安全性具有重大的实际意义。

氯离子浓度分布的传统测试方法主要为钻芯分析法与钻粉分析法：前者对芯样切片、敲碎、磨粉、溶解、滴定分析，后者直接钻取不同深度的粉体、溶解、滴定分析。以上两种分析方法往往要耗费研究人员的大量精力，钻芯分析法破坏性较大、通过后期处理可消除骨料影响，钻粉分析法属于微破坏型但受骨料影响大，此外两种方法均无法实现实时监测。

由于氯离子侵入引起钢筋的腐蚀属于电化学腐蚀，而电化学监测方法具有原位、无损、快速等优点，因此大量研究团队着手开发具有监测混凝土中氯离子浓度的传感器。譬如，厦门大学林昌健等人发明了一种可对氯离子浓度实时监测的多功能传感器，中交四航工程研究院有限公司汤雁冰等人发明了一种用于混凝土结构耐久性实时监测传感器也可检测氯离子浓度的实时变化，另外中交四航工程研究院有限公司汤雁冰等人还发明了一种用于监测混凝土保护层中氯离子浓度深度分布的传感器。这些传感器可实时监测混凝土保护层中的氯离子浓度，为耐久性评估和剩余寿命预测提供有效的数据支撑。

然而，目前公开的传感器多适用于新建混凝土结构，且传感器的长期可靠性不足，往往混凝土结构尚且完好，传感器由于自身原因无法输出正常的数据。因此本发明公开的一种监测既有混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器，并公开了该传感器的组装与使用方法。通过微损手段在既有混凝土结构的待测位置钻一小孔，按照使用方法将传感器塞入该孔内，传感器上的多个腻子型遇水膨胀环会吸取水膨胀，并将多个Cl^-探针隔离在不同的测试空间中，待各个空间中氯离子浓度重新平衡后，便可以使用万用表依次测量各个Cl^-探针与共用MnO₂参比电极的电位差，并换算出既有混凝土结构对应深度的氯离子浓度。本发明专利体积小、探针数量可调、对结构破坏小，尤其适用于服役多年的既有混凝土结构，为其耐久性评估、剩余使用寿命预测及提前防护提供必要的数据支撑。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器，该传感器包括：塑料短管、腻子型遇水膨胀环、Cl^-探针、环氧树脂密封材料和铜电缆；其中：

塑料短管上等间距的设置有多个环形的凹槽，凹槽的深度和宽度均相同，塑料短管被相邻的凹槽间隔形成多个凸起部分，塑料短管上凹槽和凸起部分依次间隔交替排列；多个腻子型遇水膨胀环分别套装在各个凹槽上；每个凸起部分上均开设有小孔，Cl^-探针分别安装在各个小孔中；多根铜电缆设置在塑料短管中，每根铜电缆一端与Cl^-探针相连，另一端延伸至塑料短管外的出口位置；环氧树脂密封材料填充在塑料短管内部，通过环氧树脂密封材料对铜电缆进行密封，并对Cl^-探针进行固定。

进一步地，本发明的塑料短管为高硬度、耐碱性的PVC管、尼龙管或亚力克管，加工后，塑料短管的内径8～10mm，外径12～14mm。

进一步地，本发明的塑料短管上均匀分布着3～10个凹槽，凹槽外径10～12mm，凹槽部分宽度5～10mm，凸起部分宽度10～20mm，小孔位于凸起部分中心，仅贯穿管壁的一侧，多个小孔朝向一致，小孔直径4～6mm。

进一步地，本发明的腻子型遇水膨胀环的膨胀率为200％～300％，内径10～12mm，外径为16～20mm，厚度5～10mm。

进一步地，本发明的该传感器中的Cl^-探针的制作方法为：将直径为3～5mm、长为5～8mm的纯Ag棒与铜电缆的铜丝焊接后对焊接处进行密封，以防止电偶腐蚀，Ag棒经打磨、除油、除表面氧化物并清洗后放入电解池中，银棒作为阳极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，以1mA/cm²的电流密度在0.1mol/L的HCl溶液中阳极极化24小时制得Cl^-探针，将制备好的电极放入避光的干燥器中老化，老化一周后，测试Cl^-探针在不同浓度NaCl溶液相对与饱和甘汞电极的电位，回归出每个Cl^-探针工作曲线。

进一步地，本发明的该传感器的具体装配方法如下：

(1)将多个腻子型遇水膨胀环依次串到塑料短管上，用胶结剂固定在塑料短管的凹槽部位；

(2)依次将连接Cl^-探针的铜电缆，穿过塑料短管的小孔，并从塑料短管的出口端引出，依次标记对应标Cl^-探针的铜电缆序号；

(3)利用胶结剂，依次将Cl^-探针固定在小孔上，密闭小孔多余的空隙，保证Cl^-探针露出塑料短管，但探针外沿低于腻子型遇水膨胀环的外沿；

(4)利用透明胶带暂时封闭塑料短管的底端，从顶端注入低粘度、含定量固化剂的环氧树脂，排除塑料短管中的空气，待环氧树脂凝固后去除底端密封材料。

本发明提供一种监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器的操作方法，具体的操作步骤为：

(1)选取既有混凝土结构的待测位置，由上往下倾斜钻孔，开孔直径为20mm，倾斜角度相对与结构面呈30～45°，依据倾斜角度确定待测深度，计算具体的开孔深度；

(2)利用大号洗耳球、试管刷清理孔洞中的粉体；

(3)向孔洞中注满预先配置好的的水泥浆，选择低标号OPC水泥，水灰比为1.0～2.0；

(4)将传感器缓慢放置到孔底，挤出多余的水泥浆体，Cl^-探针朝向外侧，腻子型遇水膨胀环吸取水泥浆中的部分水发生体积膨胀，与孔壁紧密接触，进而固定传感器、并将多个Cl^-探针分隔离在不同的测试空间中，此外结合具体的倾斜角度换算出每个Cl^-探针距离暴露面的实际距离；

(5)在传感器附近10cm以内，同样向下倾斜钻一孔洞，倾斜度不限，注入水泥浆后埋入MnO₂参比电极；

(6)利用沥青或高标号砂浆密封洞口，将传感器与MnO₂参比电极的电缆线标号，施加包裹防水带作为保护措施；

(7)2～3个月后，Cl^-探针所在隔离空间中氯离子重新达到平衡，此时使用万用表依次测量每个Cl^-探针与MnO₂参比电极的电位差，并换算出既有混凝土结构对应深度的氯离子浓度。

本发明产生的有益效果是：本发明的监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器，(1)相比于其他预埋式传感器，本发明可以监测既有混凝土建筑物中的氯离子浓度；(2)本发明结构紧凑、体积小，对既有混凝土建筑物的破坏较小，属于微破坏型；(3)利用多个吸水膨胀的腻子型膨胀环，将多个Cl^-探针隔离成独立的测试空间，进而实现测试保护层深度的氯离子浓度的功能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明所述传感器的塑料短管；

图2为本发明所述传感器的塑料短管与膨胀环的装配体；

图3为本发明所述传感器的的塑料短管、膨胀环与Cl^-探针的装配体；

图4为本发明所涉传感器的整体图示；

图5为Cl^-探针在不同浓度NaCl溶液中相对SCE的电位以及拟合曲线；

图6为实施例1中涉及的四探头传感器；

图7为实施例2中四探头传感器的早期监测数据。

图中：1、塑料短管，2、凹槽，3、凸起部分，4、小孔，5、腻子型遇水膨胀环，6、Cl^-探针，7、环氧树脂密封材料，8铜电缆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图3所示，本发明实施例的一种可监测混凝土保护层不同深度氯离子浓度的传感器，主要包括塑料短管1、Cl^-探针6、腻子型遇水膨胀环5、环氧树脂密封材料7和铜电缆8。取满足尺寸与材质要求的塑料短管，利用数控铣床从底端开始每间隔一定距离，开一定深度及宽度的凹槽2，并在每个凸起部分3开一小孔4。将腻子型遇水膨胀环5固定在塑料短管1的凹槽2位置；将Cl^-探针6安装在塑料短管的小孔4中；使连接Cl^-探针6的铜电缆8的另外一段统一延伸到塑料短管出口并对应标号；利用环氧树脂密封材料7填充在塑料短管中心，密封铜电缆、固定Cl^-探针。

塑料短管的材质为具有一定硬度、良好耐性性的PVC管、尼龙管或亚力克管，经加工后塑料短管的内径8～10mm，外径12～14mm。塑料短管上均匀分布着3～10个凹槽，凹槽外径10～12mm，凹槽部分宽度5～10mm，凸起部分宽度10～20mm，小孔位于凸起部分中心，仅穿破塑料管壁的一侧，多个小孔朝向一致，小孔直径4～6mm。腻子型遇水膨胀环的膨胀率为200％～300％，内径10～12mm，外径为16～20mm，厚度5～10mm。

Cl^-探针的制作方法为，将直径为3～5mm、长为5～8mm的纯Ag棒与铜电缆的铜丝焊接后对焊接处进行密封，以防止电偶腐蚀，Ag棒经打磨、除油、除表面氧化物并清洗后放入电解池中，银棒作为阳极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，以1mA/cm²的电流密度在0.1mol/L的HCl溶液中阳极极化24小时制得Cl^-探针，将制备好的电极放入避光的干燥器中老化，老化一周后，测试Cl^-探针在不同浓度NaCl溶液相对与饱和甘汞电极的电位，回归出每个Cl^-探针工作曲线。

该传感器的制造方法包括以下步骤：

(1)将多个腻子型遇水膨胀环5依次串到塑料短管1上，用速干胶或其他胶结剂固定在塑料短管的凹槽2部位；

(2)依次将连接Cl^-探针6的铜电缆8，穿过塑料短管的小孔4，并从塑料短管1的出口端引出，依次标记对应标Cl^-探针的电缆序号；

(3)利用热熔胶或其他粘度较大的胶结剂，依次快速的将多个Cl^-探针固定在小孔上，密闭小孔多余空隙，保证Cl^-探针露出塑料短管，但外侧低于腻子型遇水膨胀环的外径；

(4)利用透明胶带或其他材料暂时封闭塑料短管的底端，从顶端注入适量的低粘度的环氧树脂7含定量固化剂，尽量排除塑料短管中的空气，待环氧树脂凝固后去除底端密封材料。

该传感器在既有混凝土建筑物的使用方法为：

(1)确定既有混凝土结构的待测位置，由上往下倾斜钻孔，开孔直径建议选择20mm，倾斜角度推荐θ＝30～45°(相对与结构面)，依据倾斜角度依据待测深度，确定具体的开孔深度；

(2)利用大号洗耳球、毛刷或其他设备清理孔洞中的粉体；

(3)向孔洞中注满预先配置好的的水泥浆，水泥建议选择低标号OPC水泥，水灰比推荐为1.0～2.0；

(4)将传感器缓慢放置到孔洞中，挤出多余的水泥浆体，Cl^-探针朝向外侧，腻子型遇水膨胀环会吸取水泥浆中的部分水膨胀，进而固定传感器、并将多个Cl^-探针分割成不同的测试空间，结合具体的倾斜角度θ可以换上出每个Cl^-探针具体暴露面的实际距离D_n，计算公式如下；

D_n＝[L-(n-1)·(L_t+L_o)-0.5·L_o]·sinθ (1)

式中：L-保护层开孔深度，θ-保护层开孔倾斜角度(相对与结构面)，n-第几个探针(由里至外)，L_t-塑料短管凸起部分宽度，L_o-塑料短管凹槽宽度。

(5)在传感器附近10cm以内，同样向下倾斜钻一孔洞，倾斜度不限，注入水泥浆后埋入MnO₂参比电极；

(6)利用沥青或高标号砂浆密封洞口，将传感器与MnO₂参比电极的电缆线标号，并施加包裹防水带等保护措施；

(7)2～3个月后，既有混凝土结构的氯离子重新在孔洞内平衡，此时可以使用万用表依次测量每个Cl^-探针与同一MnO₂参比电极的电位差，对比各Cl^-探针的工作曲线即可换算出既有混凝土结构对应深度的氯离子浓度。

显然，上述实例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，譬如可以其他膨胀措施分割Cl^-探针、或更换由粉体Ag、AgCl颗粒压制成型的Cl^-探针，这里无法对所有的实施方式予以穷举。由于本发明的核心为加工可靠度高的Cl^-探针、将多个Cl^-探针集成封装到一个塑料短管上、并利用膨胀措施将多个Cl^-探针逐一隔离，进而实现对既有混凝土结构不同深度氯离子浓度的测试。因此凡是属于本发明技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

实施例1

加工生产了一种可监测混凝土保护层不同深度氯离子浓度的传感器，具体的材质、参数及装配过程如下：

选取长度为150mm尼龙管，内径8mm，外径12mm，利用数控铣床从底端开始每间隔20mm，开深度为1mm及宽度为10的凹槽，凹槽数量为4个，并在每个凸起中心部分开一直径为5mm的小孔。选取四个膨胀率为300％的腻子型遇水膨胀环，内径10mm，外径为18mm，厚度10mm；依次将四个腻子型遇水膨胀环依次串到塑料短管上，用速干胶将其固定在塑料短管的凹槽部位。

选取直径为4mm、长为6mm的棒状纯Ag与铜电缆的铜丝焊接后对焊接处进行密封，Ag棒经220、500、2000目的砂纸依次打磨去除表面氧化物、硝酸溶液浸泡除油、清洗后放入电解池中，银棒作为阳极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，以1mA/cm²的电流密度在0.1mol/L的HCl溶液中阳极极化24小时制得Cl^-探针，将制备好的电极放入避光的干燥器中老化，老化一周后，测试Cl^-探针在不同浓度NaCl溶液相对与饱和甘汞电极的电位，回归出每个Cl^-探针工作曲线。图5展示了某Cl^-探针在不同浓度NaCl溶液相对与饱和甘汞电极的电位，以及对应的拟合曲线，拟合度为0.996。

利用热熔胶依次将多个Cl^-探针固定在小孔孔壁上，密闭小孔多余的空隙；安装时应确保Cl^-探针外沿露出塑料短管，但外侧应低于腻子型遇水膨胀环的外沿。使连接Cl^-探针的铜电缆的另外一端统一延伸到塑料短管出口并逐一标号。利用透明胶带暂时封闭塑料短管的底端，从顶端注入适量的低粘度的环氧树脂(含定量固化剂)，排除塑料短管中的空气，待环氧树脂凝固后去除底端密封材料，最终形成可同时测四个深度氯离子浓度的传感器，如图6所示。

实施例2

在青岛市某滨海混凝土建筑的浪溅区安装该传感器，具体步骤为：

(1)在该海上混凝土结构的待测位置，由上往下倾斜钻孔，开孔直径为20mm，倾斜角度推荐30°(相对与结构面)，开孔深度160mm，垂直深度为80mm；

(2)利用大号洗耳球配合试管刷将清理孔洞中的粉体；

(3)向孔洞中注满预先配置好的水泥浆，水泥选择325OPC水泥，水灰比为1.5；

(4)将传感器缓慢放置到孔洞中直至洞底，挤出多余的水泥浆体，Cl^-探针朝向外侧，腻子型遇水膨胀环会吸取水泥浆中的部分水而体积膨胀，与孔壁紧密接触，进而固定传感器、并将多个Cl^-探针分割成不同的测试空间。由公式(1)可以计算出四个Cl^-探针距离外表面的垂直距离：75mm、60mm、45mm、30mm。

(5)在传感器附近10cm处，同样向下倾斜钻一孔洞，注入水泥浆后埋入MnO₂参比电极；

(6)利用沥青密封洞口，将传感器与MnO₂参比电极的电缆线标号，包裹防水带进一步保护电缆线；

(7)图7显示约2个月后，氯离子在对应的深度的隔离空间内重新平衡；此后便可以实时监测混凝土结构对应深度的氯离子浓度，为其耐久性评估、剩余使用寿命预测及提前防护提供必要的数据支撑。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器，其特征在于，该传感器包括：塑料短管(1)、腻子型遇水膨胀环(5)、Cl^-探针(6)、环氧树脂密封材料(7)和铜电缆(8)；其中：

塑料短管(1)上等间距的设置有多个环形的凹槽(2)，凹槽(2)的深度和宽度均相同，塑料短管(1)被相邻的凹槽(2)间隔形成多个凸起部分(3)，塑料短管(1)上凹槽(2)和凸起部分(3)依次间隔交替排列；多个腻子型遇水膨胀环(5)分别套装在各个凹槽(2)上；每个凸起部分(3)上均开设有小孔(4)，Cl^-探针(6)分别安装在各个小孔(4)中；多根铜电缆(8)设置在塑料短管(1)中，每根铜电缆(8)一端与Cl^-探针(6)相连，另一端延伸至塑料短管(1)外的出口位置；环氧树脂密封材料(7)填充在塑料短管(1)内部，通过环氧树脂密封材料(7)对铜电缆(8)进行密封，并对Cl^-探针(6)进行固定；

塑料短管(1)上均匀分布着3～10个凹槽(2)，凹槽(2)外径10～12mm，凹槽(2)部分宽度5～10mm，凸起部分(3)宽度10～20mm，小孔(4)位于凸起部分(3)中心，仅贯穿管壁的一侧，多个小孔朝向一致，小孔(4)直径4～6mm；

该传感器的操作步骤为：

(1)选取既有混凝土结构的待测位置，由上往下倾斜钻孔，开孔直径为20mm，倾斜角度相对于结构面呈30～45°，依据倾斜角度确定待测深度，计算具体的开孔深度；

(2)利用大号洗耳球、试管刷清理孔洞中的粉体；

(3)向孔洞中注满预先配置好的的水泥浆，选择低标号OPC水泥，水灰比为1.0～2.0；

(4)将传感器缓慢放置到孔底，挤出多余的水泥浆体，Cl^-探针朝向外侧，腻子型遇水膨胀环吸取水泥浆中的部分水发生体积膨胀，与孔壁紧密接触，进而固定传感器、并将多个Cl^-探针分隔离在不同的测试空间中，此外结合具体的倾斜角度换算出每个Cl^-探针距离暴露面的实际距离；

(5)在传感器附近10cm以内，同样向下倾斜钻一孔洞，倾斜度不限，注入水泥浆后埋入MnO₂参比电极；

(6)利用沥青或高标号砂浆密封洞口，将传感器与MnO₂参比电极的电缆线标号，施加包裹防水带作为保护措施；

(7)2～3个月后，Cl^-探针所在隔离空间中氯离子重新达到平衡，此时使用万用表依次测量每个Cl^-探针与MnO₂参比电极的电位差，并换算出既有混凝土结构对应深度的氯离子浓度。

2.根据权利要求1所述的监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器，其特征在于，塑料短管(1)为高硬度、耐碱性的PVC管、尼龙管或亚力克管，加工后，塑料短管(1)的内径8～10mm，外径12～14mm。

3.根据权利要求1所述的监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器，其特征在于，腻子型遇水膨胀环(5)的膨胀率为200％～300％，内径10～12mm，外径为16～20mm，厚度5～10mm。

4.根据权利要求1所述的监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器，其特征在于，该传感器中的Cl^-探针(6)的制作方法为：将直径为3～5mm、长为5～8mm的纯Ag棒与铜电缆的铜丝焊接后对焊接处进行密封，以防止电偶腐蚀，Ag棒经打磨、除油、除表面氧化物并清洗后放入电解池中，银棒作为阳极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，以1mA/cm²的电流密度在0.1mol/L的HCl溶液中阳极极化24小时制得Cl^-探针(6)，将制备好的电极放入避光的干燥器中老化，老化一周后，测试Cl^-探针(6)在不同浓度NaCl溶液相对于饱和甘汞电极的电位，回归出每个Cl^-探针(6)工作曲线。

5.根据权利要求1所述的监测混凝土结构不同深度氯离子浓度的传感器，其特征在于，该传感器的具体装配方法如下：

(1)将多个腻子型遇水膨胀环依次串到塑料短管上，用胶结剂固定在塑料短管的凹槽部位；

(2)依次将连接Cl^-探针的铜电缆，穿过塑料短管的小孔，并从塑料短管的出口端引出，依次标记对应标Cl^-探针的铜电缆序号；

(3)利用胶结剂，依次将Cl^-探针固定在小孔上，密闭小孔多余的空隙，保证Cl^-探针露出塑料短管，但探针外沿低于腻子型遇水膨胀环的外沿；

(4)利用透明胶带暂时封闭塑料短管的底端，从顶端注入低粘度、含定量固化剂的环氧树脂，排除塑料短管中的空气，待环氧树脂凝固后去除底端密封材料。

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