CN111678858B - 基于ppp-botda的钢筋腐蚀监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于PPP‑BOTDA技术的钢筋混凝土结构钢筋腐蚀监测装置方法，用来解决目前测试技术空间分辨率以及应变测量精度不足的问题。钢筋混凝土结构在长期使用过程中，混凝土的碳化以及氯离子的入侵都会加快钢筋的腐蚀，降低结构的承载能力。为确保钢筋混凝土结构长期安全有效的运行，有必要对钢筋腐蚀情况进行监控。本发明提出的装置及方法：首先将光纤缠绕于钢筋上，埋进混凝土中；光纤传感器两端与传输电缆相连；传输电缆接于基于PPP‑BOTDA技术的光纳仪上，通过电脑可监测光纤产生的应变；基于测得的应变计算腐蚀层的厚度与体积，用于衡量钢筋‑混凝土界面的腐蚀程度。

Description

基于PPP-BOTDA的钢筋腐蚀监测装置及方法
技术领域
本发明属于钢筋混凝土监测技术，具体涉及一种基于PPP-BOTDA的钢筋腐蚀监测装置及方法。
背景技术
在结构工程领域中，钢筋混凝土结构已经得到了广泛的应用。随着时间的推移，越来越多的钢筋混凝土结构面临着老化的问题，对公众的安全和生活质量提出了巨大的挑战。钢筋混凝土结构通过在混凝土中嵌入钢筋有效解决了混凝土本身抗拉承载力不足的问题。钢筋的腐蚀会危及结构的长期耐久性。尽管钢筋嵌入混凝土中时，钢筋表面会形成一层保护膜，但在长期使用的过程中，氯离子的入侵以及混凝土的碳化都会加速钢筋的腐蚀，降低钢筋的承载能力。因此有必要对钢筋混凝土结构的钢筋腐蚀程度进行监测。
目前，已经开发了一些钢筋腐蚀评估技术，例如超声波法、冲击回弹法以及声发射法等。这些无损检测方法依赖于钢筋的腐蚀程度，难以监测钢筋严重腐蚀早期的情况。当钢筋严重腐蚀时，结构承载能力已经严重退化。此外，现有的检测方法难以准确定位钢筋腐蚀位置，给后续处理带来了极大的不便。因此需要提出一种有效可靠的监测技术，实现对钢筋腐蚀全过程的精确定位与监测，确保结构长期安全性能。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于PPP-BOTDA的钢筋腐蚀监测装置及方法。
技术方案：本发明的一种基于PPP-BOTDA的钢筋腐蚀监测装置，包括待测试件、光纤传感器和光纳仪；待测试件浸泡于浓度为3.5wt％的氯化钠溶液，氯化钠溶液中设置有碳棒和饱和甘汞电极；所述光纤传感器设置于待测试件，且光线传感器的两端均通过传输电缆与光纳仪相连，光纳仪监测各光纤传感器2的应变，所述饱和甘汞电极为参比电极，碳棒与电源负极相连，待测试件中的钢筋与电源正极相连。
进一步的，所述待测试件包括钢筋，钢筋外周裹有混凝土且钢筋的两端端部伸出混凝土，露出的钢筋上均覆有环氧树脂保护层；钢筋的其中一端焊有铜丝1-3；所述光纤传感器均匀缠绕于待测试件的表面。钢筋通过钢丝与电源正极相连；施加电流后离子可在钢筋与碳棒之间传输形成电路，加速腐蚀。
进一步的，所述光纤传感器采用电信级光纤，光纤传感器的外周依次覆有丙烯酸涂层以及聚合物缓冲层。
进一步的，所述光纳仪为基于PPP-BOTDA技术的光纳仪。
本发明还公开一种基于PPP-BOTDA的钢筋腐蚀监测装置的监测方法，依次包括以下步骤：
步骤1：制备钢筋混凝土待测试件，钢筋两端露出混凝土，露出的钢筋上覆有环氧树脂保护层，与空气隔离；
步骤2：对钢筋混凝土待测试件进行加速腐蚀试验
采用标准的三电极系统测量开路电位，饱和甘汞电极为参比电极，碳棒与电源负极相连，钢筋与电源正极相连；为稳定离子的传输，试验过程中钢筋混凝土待测试件浸泡在浓度为3.5wt％的氯化钠溶液中；
步骤3：记录加速腐蚀试验数据，根据试验数据计算钢筋腐蚀层厚度及体积，计算方法如下：
(3.1)对待测试件分别取2A/cm2、5A/cm2、10A/cm2以及100A/cm2持续64h进行四次加速腐蚀试验(可对同一待测试件进行四次试验，也可以对不同待测试件进行四次试验)，其目的是建立一个基于钢筋腐蚀层厚度及体积的钢筋腐蚀评估体系；
(3.2)根据法拉第定律，通过加速腐蚀试验中的电流测得钢筋的质量损失：
Figure BDA0002484393910000021
式中，W为铁的原子质量，n为离子电荷，F为法拉第常数，I为电腐蚀电流；
I＝2πr0·i·l
其中i为腐蚀电流密度，r0为钢筋腐蚀前的半径，l是受腐蚀的钢筋长度，t为施加电流持续的时间；
(3.3)随着钢筋腐蚀的进行，钢筋半径从rn-1减小至rn，然后将步骤(1)所得钢筋的质量损失Vm代入公式(2)；
Figure BDA0002484393910000031
式中，rn-1为钢筋腐蚀进行至n-1阶段的半径，rn为钢筋腐蚀进行至n阶段的半径，Vm为钢筋的质量损失，ρ为钢筋密度；
由此可得：
Figure BDA0002484393910000032
随着腐蚀的进行，腐蚀的产物铁锈将在钢筋-混凝土界面聚集，此时钢筋的半径rc为
rc＝r0(1+εt) (4)
其中εt为光纤传感器测得钢筋膨胀应变；
(3.4)计算得到钢筋腐蚀层的厚度和体积：
T＝rc-rn (5)
Figure BDA0002484393910000033
式中，T为钢筋腐蚀层的厚度，V为钢筋腐蚀层的体积；
步骤4：评估钢筋腐蚀状态
根据建筑结构检测技术标准可知，钢筋锈蚀速率分为5个阶段，分别为：钝化状态、低锈蚀速率状态、中等锈蚀速率状态、高锈蚀速率状态以及极高锈蚀速率状态；且这五种阶段的锈蚀电流密度i依次对应为：小于0.2A/cm2、0.2-0.5A/cm2、0.5-1.0A/cm2、1.0-10A/cm2以及大于10A/cm2；
依据步骤(3)获取不同锈蚀速率状态下钢筋腐蚀层的厚度T及体积V，进而对钢筋混凝土结构钢筋锈蚀状况进行分级评估。
有益效果：本发明建立了全新的基于钢筋腐蚀层厚度及体积的钢筋腐蚀评估体系，通过本发明实现钢筋腐蚀情况的实时监控。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明的如图1所示，本发明的一种基于PPP-BOTDA技术钢筋混凝土结构钢筋腐蚀监测装置，包括钢筋混凝土试件1、光纤传感器2、传输电缆3、光纳仪4、碳棒5、饱和甘汞电极6。
所述钢筋混凝土试件1所用钢筋表面缠绕有均匀布置的光纤传感器2；光纤传感器2两端分别接有一根传输电缆3；所述传输电缆3另一端接于光纳仪4上，通过计算机设备可以监控钢筋的膨胀应变。
所述钢筋混凝土试件所用钢筋长为180mm，混凝土长为140mm，两端各超出混凝土覆盖范围20mm，在距钢筋两头60mm范围内的钢筋表面覆有环氧树脂保护层，隔绝外界环境的干扰。
所述光纤传感器2为电信级，光纤外覆有丙烯酸涂层和聚合物缓冲层。为确保强度以及监测精度需要，光纤传感器间隔10mm均匀缠绕于钢筋上。
所述光纳仪4是基于PPP-BOTDA技术的，其技术原理为：所述光纳仪是基于PPP-BOTDA技术的，其技术原理为：先从光纤左端注入长脉冲光，一段时间后从左端注入短脉冲光，右端注入探测光。探测光与短脉冲光相互作用产生布里渊散射信号，提高空间分辨率。通过布里渊频移VvB可测得温度VT及应变Vε的变化：
VvB＝CεVε+CTVT (1)
式中Cε、CT分别为应变和温度的敏感系数。
本发明的一种基于PPP-BOTDA技术的钢筋混凝土结构钢筋锈蚀监测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：制备钢筋混凝土试件，钢筋两端露出混凝土约20mm并覆有环氧树脂保护层，与空气隔离。
步骤2：对钢筋混凝土试件进行加速腐蚀试验。采用标准的三电极系统测量开路电位，饱和甘汞电极为参比电极，石磨棒与电源负极相连，钢筋与电源正极相连。为了稳定离子的传输，试验过程中钢筋混凝土试件浸泡在浓度为3.5wt％的氯化钠溶液中。
步骤3：记录加速腐蚀试验数据，根据试验数据计算钢筋腐蚀层厚度及体积，计算方法如下：
(3.1)对待测试件分别取2A/cm2、5A/cm2、10A/cm2以及100A/cm2持续64h进行四次加速腐蚀试验(可对同一待测试件进行四次试验，也可以对不同待测试件进行四次试验)，其目的是建立一个基于钢筋腐蚀层厚度及体积的钢筋腐蚀评估体系；
(3.2)根据法拉第定律，通过加速腐蚀试验中的电流测得钢筋的质量损失：
Figure BDA0002484393910000051
式中，W为铁的原子质量，n为离子电荷，F为法拉第常数，I为电腐蚀电流；
I＝2πr0·i·l
其中i为腐蚀电流密度，r0为钢筋腐蚀前的半径，l是受腐蚀的钢筋长度，t为施加电流持续的时间；
(3.3)随着钢筋腐蚀的进行，钢筋半径从rn-1减小至rn，然后将步骤(1)所得钢筋的质量损失Vm代入公式(2)；
Figure BDA0002484393910000052
式中，rn-1为钢筋腐蚀进行至n-1阶段的半径，rn为钢筋腐蚀进行至n阶段的半径，Vm为钢筋的质量损失，ρ为钢筋密度；
由此可得：
Figure BDA0002484393910000053
随着腐蚀的进行，腐蚀的产物铁锈将在钢筋-混凝土界面聚集，此时钢筋的半径rc为
rc＝r0(1+εt) (4)
其中εt为光纤传感器测得钢筋膨胀应变；
(3.4)计算得到钢筋腐蚀层的厚度和体积：
T＝rc-rn (5)
Figure BDA0002484393910000061
式中，T为钢筋腐蚀层的厚度，V为钢筋腐蚀层的体积；
步骤4：评估钢筋腐蚀状态
根据建筑结构检测技术标准可知，钢筋锈蚀速率分为5个阶段，分别为：钝化状态、低锈蚀速率状态、中等锈蚀速率状态、高锈蚀速率状态以及极高锈蚀速率状态；且这五种阶段的锈蚀电流密度i依次对应为：小于0.2A/cm2、0.2-0.5A/cm2、0.5-1.0A/cm2、1.0-10A/cm2以及大于10A/cm2；
依据步骤(3)获取不同锈蚀速率状态下钢筋腐蚀层的厚度T及体积V，进而对钢筋混凝土结构钢筋锈蚀状况进行分级评估。
由此可见，本发明的可精确有效的监测钢筋的腐蚀情况，并对钢筋腐蚀情况进行分级评估，具有实际应用价值；此外，PPP-BOTDA技术的采用可以准确监控光纤变形位置，对钢筋腐蚀的定位具有十分重要的意义。

Claims (1)

1.一种基于PPP-BOTDA的钢筋腐蚀监测装置的监测方法，其特征在于：监测方法使用的钢筋腐蚀监测装置包括待测试件(1)、光纤传感器(2)、传输电缆(3)和光纳仪(4)；待测试件浸泡于浓度为3.5wt％的氯化钠溶液，氯化钠溶液中设置有碳棒(5)和饱和甘汞电极(6)；所述光纤传感器设置于待测试件，且光纤传感器(2)的两端均通过传输电缆(3)与光纳仪(4)相连，光纳仪(4)监测各光纤传感器(2)的应变，所述饱和甘汞电极(6)为参比电极，碳棒(5)与电源负极相连，待测试件中的钢筋(1-1)与电源正极相连；
所述待测试件包括钢筋(1-1)，钢筋外周裹有混凝土且钢筋的两端端部伸出混凝土，露出的钢筋上均覆有环氧树脂保护层(1-2)；钢筋(1-1)的其中一端焊有铜丝(1-3)并通过铜丝(1-3)与电源正极相连；所述光纤传感器(2)均匀缠绕于待测试件的表面；
所述光纤传感器(2)采用电信级光纤，光纤传感器(2)的外周从里向外依次覆有丙烯酸涂层以及聚合物缓冲层；
所述光纳仪为基于PPP-BOTDA技术的光纳仪(4)；
其中，监测方法依次包括以下步骤：
步骤1：制备钢筋混凝土待测试件，钢筋两端露出混凝土，露出的钢筋上覆有环氧树脂保护层，与空气隔离；
步骤2：对钢筋混凝土待测试件进行加速腐蚀试验
采用标准的三电极系统测量开路电位，饱和甘汞电极为参比电极，碳棒与电源负极相连，钢筋与电源正极相连；为稳定离子的传输，试验过程中钢筋混凝土待测试件浸泡在浓度为3.5wt％的氯化钠溶液中；
步骤3：记录加速腐蚀试验数据，根据试验数据计算钢筋腐蚀层厚度及体积，计算方法如下：
(3.1)对待测试件分别取2A/cm2、5A/cm2、10A/cm2以及100A/cm2持续64h进行四次加速腐蚀试验，
(3.2)根据法拉第定律，通过加速腐蚀试验中的电流测得钢筋的质量损失：
Figure FDA0003881951100000011
式中，W为铁的原子质量，n为离子电荷，F为法拉第常数，I为电腐蚀电流；
I＝2πr0*i*l
其中i为腐蚀电流密度，r0为钢筋腐蚀前的半径，l是受腐蚀的钢筋长度，t为施加电流持续的时间；
(3.3)随着钢筋腐蚀的进行，钢筋半径从rn-1减小至rn，然后将公式 (1)所得钢筋的质量损失Vm代入公式(2)；
Figure FDA0003881951100000021
式中，rn-1为钢筋腐蚀进行至n-1阶段的半径，rn为钢筋腐蚀进行至n阶段的半径，Vm为钢筋的质量损失，ρ为钢筋密度；
由此可得：
Figure FDA0003881951100000022
随着腐蚀的进行，腐蚀的产物铁锈将在钢筋-混凝土界面聚集，此时钢筋的半径rc为
rc＝r0(1+εt) (4)
其中εt为光纤传感器测得钢筋膨胀应变；
(3.4)计算得到钢筋腐蚀层的厚度和体积：
T＝rc-rn
Figure FDA0003881951100000023
式中，T为钢筋腐蚀层的厚度，V为钢筋腐蚀层的体积；
步骤4：评估钢筋腐蚀状态
根据建筑结构检测技术标准，钢筋锈蚀速率分为5个阶段，分别为：钝化状态、低锈蚀速率状态、中等锈蚀速率状态、高锈蚀速率状态以及极高锈蚀速率状态；且这五种阶段的锈蚀电流密度i依次对应为：小于0.2A/cm2、0.2-0.5A/cm2、0.5-1.0A/cm2、1.0-10A/cm2以及大于10A/cm2；
根据步骤(3)获取不同锈蚀速率状态下钢筋腐蚀层的厚度T及体积V，进而对钢筋混凝土结构钢筋锈蚀状况进行分级评估。
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