CN112179961A - 一种钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，包括：氯离子浓度监测装置和电化学除氯装置，其中，氯离子浓度监测装置用于监测混凝土内部氯离子浓度，电化学除氯装置根据氯离子浓度监测装置监测到的氯离子浓度进行出氯，并将混凝土内部氯离子浓度控制在给定浓度范围内。本发明能够实时监测混凝土内部的氯离子浓度，并通过自动除氯的装置将氯离子浓度控制在给定浓度范围内。本发明具有结构简单、除氯性能好、可反复使用、成本少以及耗能小的特点。

Description

一种钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置
技术领域
本发明涉及电化学修复技术的装置，具体涉及一种钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置。
背景技术
钢筋混凝土是当代建筑、桥梁、水利等各种工程上应用最为广泛的材料，大量工程实践表明，氯化物环境下的钢筋腐蚀是导致混凝土结构过早破坏的首要原因，钢筋腐蚀造成了巨大的经济损失。氯离子入侵导致钢筋腐蚀，钢筋混凝土结构耐久性能劣化，因此移除混凝土中的氯离子可以在很大程度上缓解钢筋的锈蚀问题。
现有的电化学除氯装置中的电解质溶液多为单一的碱性电解质溶液，存在除氯效率低且除氯不够彻底等缺点，除氯效果仍需进一步提升。表面活性剂具有强烈的吸附效应等特性，相关学者研究了有机添加剂对电化学除氯效率的影响，发现有机添加剂具有提高电化学除率效率的作用。
现有的电化学除氯装置都是用于氯离子侵蚀混凝土之后的补救措施中，不能实时监测混凝土中氯离子浓度，也无法具体得知混凝土内的氯离子浓度在何时会开始破坏钢筋混凝土结构，混凝土的各种性能会受到不可避免的影响。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，采用该装置进行化学除氯成本低、简单易操作且除氯效果好，便于实时监测混凝土内部不同位置的氯离子浓度。
技术方案：本发明的一种钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，包括：氯离子浓度监测装置和电化学除氯装置，其中，氯离子浓度监测装置用于监测混凝土内部氯离子浓度，电化学除氯装置根据氯离子浓度监测装置监测到的氯离子浓度进行出氯，并将混凝土内部氯离子浓度控制在给定浓度范围内。
优选的，氯离子浓度监测装置包括嵌入式氯离子探针和氯离子浓度传感器，嵌入式氯离子探针设置在混凝土内部，用于测量混凝土内部的氯离子浓度值；嵌入式氯离子探针的引出线与氯离子浓度传感器电连接，氯离子浓度传感器将测得的氯离子浓度转换为相对应的电压信号传输给电化学除氯装置。
优选的，嵌入式氯离子探针为多个，并埋设于混凝土内部不同深度，用于测量混凝土不同深度的氯离子浓度。
优选的，嵌入式氯离子探针的制备方法为：将银丝置于0.1mol/L的HCl溶液中并以0.1mA/cm2恒电流阳极氧化12h，焊接导线，采用环氧树脂密封，露出4mmAg/AgCl尖端，即得氯离子探针。
优选的，电化学除氯装置包括环形柱体容器、埋置于混凝土内部的钢筋、恒定直流电源以及控制器，环形柱体容器包括环绕钢筋混凝土外周的钛网、外壳、设置在钛网和外壳之间的电解液、电解液进液口以及电解液出液口，恒定直流电源的正极与钛网电连接，恒定直流电源的负极通过控制器与钢筋的引出端电连接。
优选的，控制器内设有控制开关，控制器根据接收到的氯离子浓度监测装置的信号进行控制控制开关的断开与闭合，进而控制电化学除氯装置的关闭或开启；若氯离子浓度没有达到规定的会对混凝土的结构、性能造成破坏的最低浓度即临界氯离子浓度，控制器会保持控制开关为断开状态，电化学除氯装置停止工作；若混凝土中氯离子浓度大于等于规定的临界氯离子浓度，控制器控制控制开关闭合，电化学除氯装置开始工作。
优选的，钢筋长度的延伸方向为混凝土的轴心线方向，以保证与轴心线具有相同距离的位置可以达到均匀除氯的效果。
优选的，电解质溶液为加入了阴、阳离子表面活性剂的0.1mol/L的NaBO3溶液，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠III，阳离子表面活性剂为三水合四丁基氟化铵II，为电化学除氯提供碱性环境。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：采用钛网作为电极网，导电性能强，电流发散均匀，除氯时间长，可长期反复使用，节约成本；使用直流恒定电源，保证电流参数的精准输出；在混凝土内部的不同深度设置多个氯离子探针，便于监测混凝土内部不同位置的氯离子浓度值；使用控制器将氯离子浓度监测装置和电化学除氯装置相连接，可实现电化学除氯装置的自动开启与关闭，尽可能地节约能源，降低成本；选用NaBO3溶液作为电解质溶液，可在除氯过程中保持较高的碱度，提高除氯效率；在电解质溶液中加入阴、阳离子表面活性剂，可有效地提高脱盐效率，除氯效果好。且本发明具有结构简单、除氯效率高、可反复使用以及耗能小的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为控制器的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，仅是本发明专利的优选实施方式，而不能以此来限制本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明专利的保护范围。
如图1所示，本发明的一种钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，包括氯离子浓度监测装置和电化学除氯装置，其中，氯离子浓度监测装置包括嵌入式氯离子探针1和氯离子浓度传感器2，嵌入式氯离子探针1为多个，并埋设于混凝土7内部不同深度，用于测量混凝土内部不同深度的氯离子浓度值，嵌入式氯离子探针1的引出线与氯离子浓度传感器2电连接；电化学除氯装置包括环形柱体容器3、埋置于混凝土内部的钢筋4、恒定直流电源5以及控制器6，环形柱体容器包括环绕钢筋混凝土外周的钛网31、外壳32、设置在钛网和外壳之间的电解液33、电解液进液口34以及电解液出液口35，恒定直流电源5的正极与钛网31电连接，恒定直流电源5的负极通过控制器6与钢筋4的引出端电连接；氯离子浓度传感器2的输出端与控制器6电连接。
控制器6内设有控制开关，控制器6根据接收到的氯离子浓度传感器2的信号进行控制控制开关的断开与闭合，进而控制电化学除氯装置的关闭或开启；若氯离子浓度没有达到规定的会对混凝土的结构、性能造成破坏的最低浓度即临界氯离子浓度，控制器会保持控制开关为断开状态，电化学除氯装置停止工作；若混凝土中氯离子浓度大于等于规定的临界氯离子浓度，控制器控制控制开关闭合，电化学除氯装置开始工作。
嵌入式氯离子探针1的制备方法如下：
将银丝(0.5mm×1.5cm,纯度99.9％)置于0.1mol/L的HCl溶液中并以0.1mA/cm2恒电流阳极氧化12h，焊接导线，采用环氧树脂密封，露出4mmAg/AgCl尖端，即得嵌入式氯离子探针1。
钛网31以工业纯钛为基材，并在表面覆盖一层贵金属及其他金属氧化物薄膜的金属电极，作为阳极不易溶解，可以重复使用，且不污染混凝土表面，长期使用时经济性良好。
混凝土为圆柱状，钛网31的端面为圆环状，混凝土和钛网31的轴心线共线，且均沿竖直方向延伸。钢筋4的延伸方向为所述混凝土的轴心线方向，这样可以保证与轴心线具有相同距离的位置可以达到均匀除氯的效果。
所述电解质溶液为加入了阴、阳离子表面活性剂的0.1mol/L的NaBO3溶液，为电化学除氯提供碱性环境。
所述电化学除氯装置的基本工作原理为以下电化学反应：
所述钢筋为阴极，反应方程式为：
2H2O+O2+4e-→4OH-
2H2O+2e-→2OH-+H2↑
所述钛网为阳极，反应方程式为：
4OH-→2H2O+O2↑+4e-
2Cl-→Cl2↑+2e-
H2O+Cl2→HCl+HClO
所述氯离子探针对氯离子浓度的测定机理可用下面的电化学平衡方程描述：
Figure BDA0002684461590000041
Cl- free表示自由氯离子。
控制器还包括微控制器CPU、小信号放大电路、A/D转换电路和监控电路；所述氯离子浓度传感器与所述控制器连接，用于向所述控制器反馈浓度数据；所述控制器与控制开关连接，用于控制控制开关的断开与闭合，进而控制所述电化学除氯装置的关闭或开启。
所述微控制器CPU采用8位CMOS微处理器芯片AT89C51；所述小信号放大电路采用LM324集成运算放大器；所述A/D转换电路采用Texas仪器公司的T LC542A/D转换器；所述监控电路采用Xicor公司的X25045集成芯片。
所述控制器的工作原理如图2所示，氯离子浓度传感器向控制器输出与氯离子浓度相对应的电压信号，此电压经过放大电路放大后，传输到A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号传输到微控制器CPU，微控制器CPU对采集到的数据进行处理，进而控制控制开关的断开与闭合。监控电路具有电压监控功能，可保护系统使之免受电压变化的影响，起到保护电路的作用。
控制器6与恒定直流电源5的负极、钢筋4、氯离子浓度传感器2连接，整个装置开始运行后，嵌入式氯离子探针1持续测量混凝土中的氯离子浓度，氯离子浓度传感器2显示测得的氯离子浓度，并向控制器6输出与氯离子浓度相对应的电压信号，此电压经过放大电路放大后，传输到A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号传输到CPU，CPU对采集到的数据进行处理，进而控制控制开关的断开与闭合。若氯离子浓度没有达到规定的会对混凝土的结构、性能造成破坏的最低浓度即临界氯离子浓度，控制器会保持电源电路为断开状态。一旦混凝土中氯离子浓度大于等于规定的临界氯离子浓度，控制器控制电源电路闭合，电化学除氯装置开始工作。若混凝土中氯离子浓度低于临界氯离子浓度，控制器控制电源电路断开，电化学除氯装置停止工作。施加的电流密度为1-3A/m2，每间隔两天更换一次电解液。
本发明能够实时监测混凝土内部的氯离子浓度，并通过自动除氯的装置将氯离子浓度控制在给定浓度范围内。本发明的钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置结构简单，稳定性好，经济性强，除氯效率高，可长期重复使用，最大程度保证电化学除氯的效果。

Claims (8)

1.一种钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，其特征在于，包括：氯离子浓度监测装置和电化学除氯装置，其中，氯离子浓度监测装置用于监测混凝土内部氯离子浓度，电化学除氯装置根据氯离子浓度监测装置监测到的氯离子浓度进行除氯，并将混凝土内部氯离子浓度控制在给定浓度范围内。
2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，其特征在于，氯离子浓度监测装置包括嵌入式氯离子探针和氯离子浓度传感器，嵌入式氯离子探针设置在混凝土内部，用于测量混凝土内部的氯离子浓度值；嵌入式氯离子探针的引出线与氯离子浓度传感器电连接，氯离子浓度传感器将测得的氯离子浓度转换为相对应的电压信号传输给电化学除氯装置。
3.根据权利要求2所述的钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，其特征在于，嵌入式氯离子探针为多个，并埋设于混凝土内部不同深度，用于测量混凝土不同深度的氯离子浓度。
4.根据权利要求2或3所述的钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，其特征在于，嵌入式氯离子探针的制备方法为：将银丝置于0.1mol/L的HCl溶液中并以0.1mA/cm2恒电流阳极氧化12h，焊接导线，采用环氧树脂密封，露出4mmAg/AgCl尖端，即得氯离子探针。
5.根据权利要求1所述的钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，其特征在于，电化学除氯装置包括环形柱体容器、埋置于混凝土内部的钢筋、恒定直流电源以及控制器，环形柱体容器包括环绕钢筋混凝土外周的钛网、外壳、设置在钛网和外壳之间的电解液、电解液进液口以及电解液出液口，恒定直流电源的正极与钛网电连接，恒定直流电源的负极通过控制器与钢筋的引出端电连接。
6.根据权利要求5所述的钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，其特征在于，控制器内设有控制开关，控制器根据接收到的氯离子浓度监测装置的信号进行控制控制开关的断开与闭合，进而控制电化学除氯装置的关闭或开启；若氯离子浓度没有达到规定的会对混凝土的结构、性能造成破坏的最低浓度即临界氯离子浓度，控制器会保持控制开关为断开状态，电化学除氯装置停止工作；若混凝土中氯离子浓度大于等于规定的临界氯离子浓度，控制器控制控制开关闭合，电化学除氯装置开始工作。
7.根据权利要求5所述的钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，其特征在于，钢筋长度的延伸方向为混凝土的轴心线方向。
8.根据权利要求5所述的钢筋混凝土内部氯离子浓度监测及自动除氯的装置，其特征在于，电解质溶液为加入了阴、阳离子表面活性剂的0.1mol/L的NaBO3溶液。
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