CN110836631B - 混凝土中钢筋检测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的混凝土中钢筋检测装置及其方法，提供一种基于静电场电容原理的低成本、高精度无损检测装置和方法，对混凝土中的钢筋实施针对性多项检测，以期获取包括钢筋位置、尺寸和锈蚀量的准确与便捷检测结果，实现提高建筑工程验收和既有钢筋混凝土结构的检测、加固与鉴定的工作效率。检测装置包括有电极板、直流电源和数据采集处理装置。所述的数据采集处理装置包括有，电容计，其角频率设定为10KHz；显示模块，以显示电容传感器检测后得到的数值；操作模块，用于人工实际操作输入特定工程信息以设定参数；处理模块，用于将电容计测得数值和其他相关数值进行数据分析统计；数据连接线插口，用于连接所述的电极板。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于混凝土结构中针对钢筋进行无损检测的装置及其方法，属于建筑施工领域。
背景技术
目前在商用民用建筑、铁路公路等轨道交通工程建设中，混凝土施工均采用钢筋混凝土结构。为保证施工质量与后续长期使用安全，需要对混凝土中钢筋进行多项专项检测工作，这是保证钢筋混凝土结构安全的首要前提。
依据我国最新版《建筑工程施工质量验收系列标准》，混凝土结构中钢筋的检测事项中包括位置、尺寸等参数是否与设计图中的一致、锈蚀程度与状态是否在标准值范围之内等。特别是钢筋锈蚀情况，通常是发生在混凝土结构内部，对于建筑物使用寿命和承载能力评估比较困难。而且，钢筋锈蚀会直接导致建筑物倒塌，其危害极其严重。对已损害的建筑物进行修复时，也需要获得相应准确的钢筋锈蚀数据。如果在钢筋发生锈蚀的早期能及时地发现、进行早期的修补措施则将极大地降低成本、减少经济损失。
现有技术中针对基础建设安全性与施工验收阶段中的混凝土中钢筋检测，主要采取超声波法、电磁感应法、地质雷达和层析成像等技术。电磁感应法是较为常见的检测方法，能够相对准确的测出钢筋的位置和深度，但是由于对环境要求较高、易受材料成分的影响，容易差生误差。地质雷达法主要用于混凝土的分层检测，也能够测出混凝土中钢筋的位置，但是地质雷达操作起来相对比较复杂，而且设备较贵。层析成像技术也常用于评估混凝土，但是由于设备昂贵，且操作、数据处理麻烦，限制了其在实际工程中的应用。
有鉴于此，特提出本专利申请。
发明内容
本发明所述的混凝土中钢筋检测装置及其方法，在于解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于静电场电容原理的低成本、高精度无损检测装置和方法，对混凝土中的钢筋实施针对性多项检测，以期获取包括钢筋位置、尺寸和锈蚀量的准确与便捷检测结果，实现提高建筑工程验收和既有钢筋混凝土结构的检测、加固与鉴定的工作效率。
为实现上述设计目的，所述的混凝土中钢筋检测装置主要包括有电极板、直流电源和数据采集处理装置。其中，
所述的电极板包括铜电极、聚甲基丙烯酸甲酯和含水率测试装置，两个铜电极放置于同一水平高度和同一水平面上；
所述的数据采集处理装置包括有，电容计，其角频率设定为10KHz；显示模块，以显示电容传感器检测后得到的数值；操作模块，用于人工实际操作输入特定工程信息以设定参数；处理模块，用于将电容计测得数值和其他相关数值进行数据分析统计；数据连接线插口，用于连接所述的电极板。
在应用上述检测装置的基础上，本申请同时实现了一种新的检测方法：
根据电容值波动情况和电容值数据判定钢筋状态，计算公式如下，
其中，C是电容传感器两极板之间的电容量，以法拉为单位；
A是两极板之间的有效面积，单位为平方米；
εr是极板之间材料的相对介电常数；
ε是真空中的绝对介电常数，取值为8.854×10-12Fm-1；
d是极板之间的间隔距离，以米为单位；
电极板之间电容量的变化趋势，表征出混凝土中钢筋位置、尺寸和锈蚀量的不同；
基于静电场电容原理，该方法包括有以下实施步骤，
1)标定
标定是指依据电容值数据建立与钢筋状态的表征映射；所述的标定过程包括电容值与钢筋直径的标定、电容值与钢筋保护层厚度的标定、电容值与钢筋锈蚀状态的标定；
2)实测获取数据
2.1将电极板与数据采集处理装置进行连接并开启；
2.2对钢筋混凝土结构进行实际检测；
将电极板放置于混凝土一侧，操作所述数据采集处理装置中的操作模块，输入必要工程信息，将电极板沿混凝土一侧向另一侧匀速扫描，得到不同位置的电容值；
3)数据处理与分析
3.1沿电极板移动方向将测试目标进行刻度标注；
3.2建立二维坐标系，X轴为电极板移动方向的刻度，Y轴为电容计实测得出的电容值；
检测钢筋位置，修正后的电容值与钢筋直径的关系表达式为，C′＝aB2+bB+c(1)；
检测钢筋保护层的厚度关系表达式为，C′＝eD2+fD+g(2)；
检测钢筋锈蚀量与修正后的电容值的关系为，C′＝K0*△M(3)；
上述公式中，C′为修正后的电容值，B为钢筋的直径，D为钢筋的保护层厚度，a、b、c、e、f、g为拟合后得到的数值；K0为不同钢筋混凝土状态下的系数，△M为待测钢筋混凝土中钢筋的锈蚀量。
进一步地，所述的标定过程包括以下步骤：
1.1电容值与钢筋直径的标定
1.1.1将不同直径的钢筋放入同一批、保护层厚度相同的混凝土中，将混凝土养护28天；
1.1.2待混凝土养护完成后，将待测钢筋混凝土放入烘箱中，使钢筋混凝土保持含水率为0；
1.1.3取出含水率为0待测钢筋混凝土，使用检测装置将电极板11沿混凝土一侧向另一侧匀速地进行扫描，测得不同钢筋直径对应的电容值，建立电容值与钢筋直径的一一对应关系；
1.1.4使用数据采集处理装置，将上步得到的电容值带入公式(1)中对钢筋直径进行检测；表征修正后的电容值与钢筋直径关系的公式(1)为，C′＝aB2+bB+c；
1.2电容值与钢筋保护层厚度的标定
1.2.1将直径相同钢筋放入同一批不同保护层厚度的混凝土中，将混凝土养护28天；
1.2.2待混凝土完成养护后，将待测钢筋混凝土放入烘箱中，使钢筋混凝土保持含水率为0；
1.2.3取出待测钢筋混凝土，将传感器组装完毕，极板沿混凝土中钢筋一侧向另一侧匀速扫描，测得不同钢筋保护层厚度对应的电容值，建立电容值与钢筋保护层厚度的一一对应关系；
1.2.4使用数据采集处理装置得到的电容值带入公式(2)中，对钢筋保护层厚度进行检测；表征修正后的电容值与钢筋保护层厚度关系的公式(2)为，C′＝eD2+fD+g；
1.3电容值与钢筋锈蚀状态的标定
1.3.1将直径相同的钢筋放入同一批保护层厚度相同的混凝土中，将混凝土养护28天；
1.3.2待混凝土完成养护后，通过电化学试验进行钢筋锈蚀，通过控制通电时间，使钢筋产生不同程度的锈蚀量；
1.3.3待电化学试验完成后，将待测钢筋混凝土放入烘箱中，使钢筋混凝土保持含水率为0；
1.3.4取出待测钢筋混凝土，将传感器组装完毕，极板沿混凝土中钢筋一侧向另一侧匀速扫描，测得不同钢筋锈蚀状态对应的电容值；
1.3.5将锈蚀钢筋从混凝土中取出，在锈蚀钢筋表面喷洒酸性除锈溶液，将铁锈除去；
1.3.6除锈后的钢筋进行称重，与初始钢筋质量进行比较，获得钢筋锈蚀量，建立电容值与钢筋锈蚀量的一一对应关系；
1.3.7将数据采集处理装置得到的电容值与钢筋锈蚀量带入公式(3)中进行钢筋锈蚀量的定量检测；表征修正后的电容值与钢筋锈蚀状态关系的公式(3)为，C′＝K0*△M。。
如上所述，本申请混凝土中钢筋检测装置及其方法具有的优点是：
1、采用静电场电容原理，能够快速、准确地检测出混凝土中钢筋位置、尺寸和锈蚀量等多项数据，实现了一种无损检测手段，能够较大地提高工程验收与检测鉴定工作的效率与准确性。
2、通过电容传感器进行检测与数据修正，结果更为准确和便捷、且电容传感器不受材料差异的影响，有效地避免误差。
附图说明
现结合以下附图进一步地说明本申请。
图1为本申请所述检测装置的示意图；
图2为数据采集处理装置的示意图；
图3为所述极板的侧向剖面示意图；
图4为所述极板的正向剖面示意图；
图5为检测数据分析图；
图6为检测钢筋位置的示意图；
图7为检测钢筋直径的示意图；
图8为钢筋锈蚀量与电容值的关系图。
在以上图中具有，1-显示模块；2-极板连接线插口；3-滑动小车连接线；4-操作模块；5-指示灯；6-挂钩；7-电脑连接线插口；8-电源充电线插口；9-开关按钮；10-钢筋；11-电极板；12-极板与数据采集处理装置连接线；13-数据采集处理装置；14-混凝土；15-铜电极；16-聚甲基丙烯酸甲酯；17-塑料外壳；18-塑料填充物。
具体实施方式
实施例1，下面结合附图对本申请实施例详细地描述。
如图1至图4所示，本申请是基于静电场电容原理，所述的混凝土中钢筋检测装置主要包括有，电极板11、直流电源、数据采集处理装置13、电极板与数据采集处理装置的连接线12。
其中，所述电极板11包括铜电极15、聚甲基丙烯酸甲酯16和含水率测试装置。
铜电极15(如图4所示)以用于产生激励电压和感应电压，铜电极之间的间距可为0.5cm，两块铜电极15放置于同一水平高度和同一水平面，电极板11的尺寸为7.5cm×4cm×0.1mm。
封装铜电极15可采用聚甲基丙烯酸甲酯16，保证电极板11处于绝缘状态。
塑料外壳17对封装好的聚甲基丙烯酸甲酯16进一步的封装，从而对铜电极15进行有效保护。聚甲基丙烯酸甲酯16的尺寸为8.5cm×8.7cm×2mm。
塑料外壳17为立方体结构，铜电极15紧贴外壳17一侧内壁以便于进行检测。
检测原理是根据电容值的波动情况以及电容值的大小判定钢筋的状态。
并联电容传感器的电容值可通过以下公式计算：
其中，C是电容传感器两极板之间的电容量，以法拉(F)为单位；
A是两极板之间的(有效)面积，单位为平方米；
εr是极板之间材料的相对介电常数；
ε是真空中的绝对介电常数(8.854×10-12Fm-1)；
d是极板之间的间隔距离，以米为单位。
由于电极板11之间的距离与电极板11的有效面积保持不变，铜电极15之间的检测物质发生变化，即铜极板15之间的介电常数(εr)发生变化，致使电极板之间的电容量(C)发生变化。
电极板11之间混凝土中钢筋位置、尺寸以及钢筋锈蚀量的不同，都会导致电极板之间的介电常数(εr)发生变化，通过这个原理检测混凝土中钢筋的状态。
直流电源，向电极板11提供稳定的1.0V恒定电压，以使得上述电极板11产生激励电压。
所述的数据采集处理装置13包括有，如图2所示：
电容计，用于检测电极板11之间的电容值，其角频率设定为10KHz；
显示模块1以用于完后人机交互操作，显示模块1与电容计相连以显示电容传感器检测后得到的数值，数值可通过数字显示、曲线显示和柱状显示；
操作模块4，用于人工实际操作输入某些特定的工程信息，从而能够设定参数、切换显示方式和设置明暗度等；
处理模块，用于将电容计测得数值和其他相关数值进行数据分析统计；
数据连接线插口2，连接数据采集处理装置13和电极板11；
指示灯5，常亮表示设备正常，保证设备正常工作；
挂钩6，用于检测时方便携带；
电脑连接线插口7，用于与电脑进行连接，以方便将数据导入电脑进行保存以及数据进一步的分析与处理；
电源充电线插口10，用于数据采集处理装置进行充电，保证正常工作，为电极提供电压。
在应用上述检测装置的基础上，本申请还实现了下述混凝土中钢筋检测方法。
检测方法是基于静电场电容原理，包括有以下实施步骤：
1)标定
标定是指依据电容值数据建立与钢筋状态的表征映射。所述的标定包括，电容值与钢筋直径的标定、电容值与钢筋保护层厚度的标定、电容值与钢筋锈蚀状态的标定等。具体地，
1.1电容值与钢筋直径的标定
1.1.1将不同直径的钢筋放入同一批、保护层厚度相同的混凝土中，将混凝土养护28天；
1.1.2待混凝土养护完成后，将待测钢筋混凝土放入烘箱中，使钢筋混凝土保持含水率为0；
1.1.3取出含水率为0待测钢筋混凝土，使用检测装置将电极板11沿混凝土一侧向另一侧匀速地进行扫描，测得不同钢筋直径对应的电容值，建立电容值与钢筋直径的一一对应关系；
1.1.4使用数据采集处理装置，将上步得到的电容值带入公式(1)中对钢筋直径进行检测；
表征修正后的电容值与钢筋直径的公式(1)为：C′＝aB2+bB+c。
1.2电容值与钢筋保护层厚度的标定
1.2.1将直径相同钢筋放入同一批不同保护层厚度的混凝土中，将混凝土养护28天；
1.2.2待混凝土完成养护后，将待测钢筋混凝土放入烘箱中，使钢筋混凝土保持含水率为0；
1.2.3取出待测钢筋混凝土，将传感器组装完毕，极板沿混凝土中钢筋一侧向另一侧匀速扫描，测得不同钢筋保护层厚度对应的电容值，建立电容值与钢筋保护层厚度的一一对应关系；
1.2.4使用数据采集处理装置得到的电容值带入公式(2)中，对钢筋保护层厚度进行检测；
表征修正后的电容值与钢筋保护层厚度关系的公式(2)为：C′＝eD2+fD+g。
以上两个公式中，C′为修正后的电容值，B为钢筋的直径，D为钢筋的保护层厚度，a、b、c、e、f、g为拟合后得到的数值；
1.3电容值与钢筋锈蚀状态的标定
1.3.1将直径相同的钢筋放入同一批保护层厚度相同的混凝土中，将混凝土养护28天；
1.3.2待混凝土完成养护后，通过电化学试验进行钢筋锈蚀，通过控制通电时间，使钢筋产生不同程度的锈蚀量；
1.3.3待电化学试验完成后，将待测钢筋混凝土放入烘箱中，使钢筋混凝土保持含水率为0。
1.3.4取出待测钢筋混凝土，将传感器组装完毕，极板沿混凝土中钢筋一侧向另一侧匀速扫描，测得不同钢筋锈蚀状态对应的电容值；
1.3.5将锈蚀钢筋从混凝土中取出，在锈蚀钢筋表面喷洒酸性除锈溶液，将铁锈除去；
1.3.6除锈后的钢筋进行称重，与初始钢筋质量进行比较，获得钢筋锈蚀量，建立电容值与钢筋锈蚀量的一一对应关系；
1.3.7将数据采集处理装置得到的电容值与钢筋锈蚀量带入公式(3)中进行钢筋锈蚀量的定量检测；
表征修正后的电容值与钢筋锈蚀状态关系的公式(3)为：C′＝K0*△M。其中，K0为不同钢筋混凝土状态下的系数，△M为待测钢筋混凝土中钢筋的锈蚀量。
2)实测获取数据
2.1将电极板与数据采集处理装置进行连接并开启，数据采集处理装置中指示灯一直处于常亮状态，表明设备正常；
2.2对钢筋混凝土结构进行实际检测
将电极板放置于混凝土一侧，操作所述数据采集处理装置中的操作模块，输入必要工程信息，将电极板沿混凝土一侧向另一侧匀速扫描，得到不同位置的电容值，极板之间的电容量可表示为：
式中，C为电极板之间的电容量，a为电极板的长度，b为电极板的宽度，d为电极板之间的间距，K0为不同种类的钢筋混凝土的系数，εx为电极板之间的相对介电常数；在其他参数不变的情况下，电极板之间相对介电常数的变化，将直接影响电容量的变化。
3)数据处理与分析
3.1沿电极板移动方向将测试目标进行刻度标注；
3.2建立二维坐标系，X轴为电极板移动方向的刻度，Y轴为电容计实测得出的电容值；
检测钢筋位置，通过电容值的波动情况，可判定钢筋在混凝土中的位置，修正后的电容值与钢筋直径的关系表达式为：C′＝aB2+bB+c(1)；
将电极板放置于钢筋混凝土表面，将电极板沿钢筋混凝土表面一侧向另一侧匀速扫描，以2.5mm为步长，测得钢筋混凝土的含水率和每个位置的电容值；
数据采集处理装置通过含水率与电容值的关系式，获得修正后的每个位置的电容值，如图6所示的表明电容传感器能够检测钢筋的位置关系。
检测钢筋保护层的厚度，关系表达式为：C′＝eD2+fD+g(2)；
上述2个公式中，C′为修正后的电容值，B为钢筋的直径，D为钢筋的保护层厚度，a、b、c、e、f、g为拟合后得到的数值；
检测钢筋的直径
将电极板放置于钢筋混凝土表面，将电极板11沿相同钢筋保护层厚度、不同钢筋直径的钢筋混凝土表面一侧向另一侧匀速扫描，将每一次测得电容最大值与含水率进行修正，比较相同钢筋保护层厚度在不同钢筋直径下的电容值的关系；
钢筋直径与修正后的电容值的关系式为：C′＝aB2+bB+c，其中，C′为修正后的电容值，B为钢筋的直径，a、b、c为拟合后得到的数值，如图7所示表明电容传感能够检测钢筋的直径关系。
检测钢筋锈蚀量与电容值的关系
将电极板沿相同钢筋保护层厚度、相同钢筋直径的钢筋混凝土表面，沿其一侧向另一侧匀速扫描，将每一次测得电容值与含水率进行修正，比较钢筋锈蚀量与电容值的关系，如图8所示。
修正后的电容值与钢筋锈蚀状态的关系表达式为：C′＝K0*△M(3)；
其中，C′为修正后的电容值，K0为不同钢筋混凝土状态下的系数，△M为待测钢筋混凝土中钢筋的锈蚀量。
如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，均仍属于本申请技术方案的权利范围。
Claims (2)
1.一种混凝土中钢筋检测装置的检测方法，其特征在于：使用的混凝土中钢筋检测装置包括电极板、直流电源和数据采集处理装置；
所述的电极板包括铜电极、聚甲基丙烯酸甲酯和含水率测试装置，两个铜电极放置于同一水平高度和同一水平面上；
所述的数据采集处理装置包括有，电容计，其角频率设定为10KHz；显示模块，以显示电容传感器检测后得到的数值；操作模块，用于人工实际操作输入特定工程信息以设定参数；处理模块，用于将电容计测得数值和其他相关数值进行数据分析统计；数据连接线插口，用于连接所述的电极板；
根据电容值波动情况和电容值数据判定钢筋状态，计算公式如下，
其中，C是电容传感器两极板之间的电容量，以法拉为单位；
A是两极板之间的有效面积，单位为平方米；
εr是极板之间材料的相对介电常数；
ε是真空中的绝对介电常数，取值为8.854×10-12Fm-1；
d是极板之间的间隔距离，以米为单位；
电极板之间电容量的变化趋势，表征出混凝土中钢筋位置、尺寸和锈蚀量的不同；
基于静电场电容原理，该方法包括有以下实施步骤，
1)标定
标定是指依据电容值数据建立与钢筋状态的表征映射；所述的标定过程包括电容值与钢筋直径的标定、电容值与钢筋保护层厚度的标定、电容值与钢筋锈蚀状态的标定；
2)实测获取数据
2.1将电极板与数据采集处理装置进行连接并开启；
2.2对钢筋混凝土结构进行实际检测；
将电极板放置于混凝土一侧，操作所述数据采集处理装置中的操作模块，输入必要工程信息，将电极板沿混凝土一侧向另一侧匀速扫描，得到不同位置的电容值；
3)数据处理与分析
3.1沿电极板移动方向将测试目标进行刻度标注；
3.2建立二维坐标系，X轴为电极板移动方向的刻度，Y轴为电容计实测得出的电容值；
检测钢筋位置，修正后的电容值与钢筋直径的关系表达式为，C′＝aB2+bB+c(1)；
检测钢筋保护层的厚度关系表达式为，C′＝eD2+fD+g(2)；
检测钢筋锈蚀量与修正后的电容值的关系为，C′＝K0*△M(3)；
上述公式中，C′为修正后的电容值，B为钢筋的直径，D为钢筋的保护层厚度，a、b、c、e、f、g为拟合后得到的数值；K0为不同钢筋混凝土状态下的系数，△M为待测钢筋混凝土中钢筋的锈蚀量。
2.根据权利要求1所述的混凝土中钢筋检测装置的检测方法，其特征在于：所述的标定过程包括以下步骤，
1.1电容值与钢筋直径的标定
1.1.1将不同直径的钢筋放入同一批、保护层厚度相同的混凝土中，将混凝土养护28天；
1.1.2待混凝土养护完成后，将待测钢筋混凝土放入烘箱中，使钢筋混凝土保持含水率为0；
1.1.3取出含水率为0待测钢筋混凝土，使用检测装置将电极板(11)沿混凝土一侧向另一侧匀速地进行扫描，测得不同钢筋直径对应的电容值，建立电容值与钢筋直径的一一对应关系；
1.1.4使用数据采集处理装置，将上步得到的电容值带入公式(1)中对钢筋直径进行检测；表征修正后的电容值与钢筋直径关系的公式(1)为，C′＝aB2+bB+c；
1.2电容值与钢筋保护层厚度的标定
1.2.1将直径相同钢筋放入同一批不同保护层厚度的混凝土中，将混凝土养护28天；
1.2.2待混凝土完成养护后，将待测钢筋混凝土放入烘箱中，使钢筋混凝土保持含水率为0；
1.2.3取出待测钢筋混凝土，将传感器组装完毕，极板沿混凝土中钢筋一侧向另一侧匀速扫描，测得不同钢筋保护层厚度对应的电容值，建立电容值与钢筋保护层厚度的一一对应关系；
1.2.4使用数据采集处理装置得到的电容值带入公式(2)中，对钢筋保护层厚度进行检测；表征修正后的电容值与钢筋保护层厚度关系的公式(2)为，C′＝eD2+fD+g；
1.3电容值与钢筋锈蚀状态的标定
1.3.1将直径相同的钢筋放入同一批保护层厚度相同的混凝土中，将混凝土养护28天；
1.3.2待混凝土完成养护后，通过电化学试验进行钢筋锈蚀，通过控制通电时间，使钢筋产生不同程度的锈蚀量；
1.3.3待电化学试验完成后，将待测钢筋混凝土放入烘箱中，使钢筋混凝土保持含水率为0；
1.3.4取出待测钢筋混凝土，将传感器组装完毕，极板沿混凝土中钢筋一侧向另一侧匀速扫描，测得不同钢筋锈蚀状态对应的电容值；
1.3.5将锈蚀钢筋从混凝土中取出，在锈蚀钢筋表面喷洒酸性除锈溶液，将铁锈除去；
1.3.6除锈后的钢筋进行称重，与初始钢筋质量进行比较，获得钢筋锈蚀量，建立电容值与钢筋锈蚀量的一一对应关系；
1.3.7将数据采集处理装置得到的电容值与钢筋锈蚀量带入公式(3)中进行钢筋锈蚀量的定量检测；表征修正后的电容值与钢筋锈蚀状态关系的公式(3)为，C′＝K0*△M。
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