CN115808452A - 用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木工程材料领域，公开了用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器，包括传感器本体，传感器本体嵌入混凝土结构中或附着在混凝土结构中的钢筋上，传感器本体通过外接电极、导线与外界的快速检测设备连接，其包括离子选择性膜、地质聚合物保护层、传感器载体，传感器载体的上表面张贴有离子选择性膜和地质聚合物保护层，且地质聚合物保护层包裹在离子选择性膜外，所述离子选择性膜之下固定有外接电极。本发明通过外接快速检测设备可定量监测钢筋表面的氯离子浓度大小。本发明还提供用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器的使用方法，其有益效果如上述所述。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程材料技术领域，具体涉及用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器。本发明还涉及用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器的使用方法。
背景技术
钢筋的腐蚀是导致混凝土结构承载力和耐久性降低的主要原因之一。钢筋混凝土构件在海洋环境服役过程中，海水中的氯离子(Cl-)通过混凝土孔隙渗透并在钢筋表面累积，当预埋钢筋表面的氯化物水平达到临界水平时，在溶解氧、氯离子和海水的综合作用下，钢筋易发生锈蚀生成铁锈并剥落。过度腐蚀会导致混凝土-钢界面的内应力不均，导致混凝土开裂和分层，降低结构的承载能力。
当下有几种常见的无损检测技术通过不同的传感技术来测量钢筋混凝土结构中的氯化物浓度，如电阻率、光纤和Ag/AgCl传感器测量氯化物浓度。然而，当这些传感器嵌入混凝土时，设备的精度会受到混凝土碱性环境下的影响。实验结果表明，电阻率传感器容易受到OH-，湿度和温度的影响；光纤传感器表现出由温度变化和机械变形引起的测量误差；Ag/AgCl传感器的性能受到OH-、温度和溴化物的存在的影响。
综上所述，传统的无损检测技术在极端环境下展现出低敏感性、高不确定性，难以应用于具有机械损伤与化学侵蚀的钢筋混凝土结构。
发明内容
针对现有技术中的技术问题，本发明提供用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器，包括传感器本体，所述传感器本体嵌入混凝土结构中或附着在混凝土结构中的钢筋上，所述传感器本体包括离子选择性膜、地质聚合物保护层和传感器载体，所述传感器载体的上表面张贴有离子选择性膜和地质聚合物保护层，且所述地质聚合物保护层包裹在离子选择性膜外，所述离子选择性膜之下固定有外接电极，所述外接电极通过导线与外界的快速检测设备的接入口连接。
优选的，所述离子选择性膜为石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜的尺寸为18mm*24mm*0.5mm。
优选的，所述石墨烯薄膜中含有一个4mm×18mm的主动传感区域。
优选的，所述地质聚合物保护层的厚度为2mm，所述地质聚合物保护层由F类粉煤灰和硅酸钾溶液组成，所述硅酸钾溶液与粉煤灰的质量比值为0.55。
优选的，所述硅酸钾溶液由二氧化硅、氧化钾和水组成，其中二氧化硅含量26.6％，氧化钾含量30.7％，水含量42.7％。
优选的，所述传感器载体采用普通硅酸盐水泥和细砂合成的砂浆制作而成。
优选的，所述快速检测设备包括电化学阻抗谱分析仪以及与电化学阻抗谱分析仪直接连接的电脑设备，所述电化学阻抗谱分析仪通过导线与外接电极连接，所述电脑设备可根据电化学阻抗谱分析仪输出频率的变化获得对应的阻抗实部与虚部，并同步生成Nyquist图。
有益效果：
1、本发明通过地质聚合物保护层的设置，能够保护离子选择性膜不受外界影响的同时允许氯离子穿透，结合将包括离子选择性膜、地质聚合物保护层和传感器载体的传感器本体嵌入混凝土结构中或附着在钢筋混凝土结构中的钢筋上的设置，能够通过外接快速检测设备定量监测混凝土结构内部或钢筋表面的氯离子浓度大小，同时在强碱性条件下依然具有高检测精度，结合拟合公式能够定量描述不同PH条件下电阻抗随氯离子浓度的变化。在实际工程中，工程技术人员可通过测试混凝土结构中的PH，结合传感器测得的阻抗数据来量化氯离子浓度的大小；本发明具有低成本、灵敏度高以及抵抗碱度、温度和湿度干扰强的特点。
2、本发明通过设置石墨烯薄膜主动传感区域，有效过滤杂质离子，允许氯离子单向渗透，能够主动监测沉淀在传感区域中的氯离子浓度，该传感器监测结果灵敏度高，稳定性强。
3、本发明通过设置F类粉煤灰和硅酸钾溶液制成的地质聚合物保护层，能够有效降低石墨烯薄膜在工程应用中受冻融、强碱提高抗酸攻击、冻融和抗热方面性能。
本发明还提供用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器的使用方法，包括以下步骤：
S1、浇筑传感器载体，使其在室温下固化，其固化时间不小于28d；
S2、在传感器载体的上表面张贴离子选择性膜及涂抹地质聚合物保护层，同时在离子选择性膜张贴时固定外接电极；
S3、将传感器本体嵌入混凝土结构中或附着在混凝土结构中的钢筋上；
S4、在实际工程中测试时，将外接电极通过导线与快速检测设备的接入口连接。
其有益效果如上述所述。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明整体结构安装示意图；
图3为本发明室温下传感器阻抗与频率关系图；
图4为本发明不同氯离子浓度下传感器阻抗和频率之间的关系图(Nyquist图)；
图5为本发明传感器实部阻抗与不同氯离子浓度和频率之间的关系图；
图6为本发明传感器虚部阻抗与不同氯离子浓度和频率之间的关系图；
图7为本发明不同PH条件下传感器阻抗和氯化物浓度之间的关系图；
图8为本发明不同温度条件下传感器阻抗变化图；
图9为本发明不同湿度条件下传感器阻抗变化图；
图10为本发明在固定氯离子浓度条件下传感器阻抗随时间变化的趋势图；
图11为本发明单次湿-干循环条件下传感器阻抗变化图。
图中：1、离子选择性膜；2、地质聚合物保护层；3、传感器载体；4、快速检测设备；41、电化学阻抗谱分析仪；42、电脑设备。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器，如图1、图2所示，包括传感器本体，所述传感器本体嵌入混凝土结构中或附着在混凝土结构中的钢筋上，所述传感器本体通过外接电极、导线与外界的快速检测设备4连接，所述传感器本体包括离子选择性膜1、地质聚合物保护层2和传感器载体3，所述离子选择性膜1为石墨烯薄膜，具体由胺功能化石墨烯纳米片(NH2/GNPs)组成，石墨烯纳米片通过剥离天然石墨制备，随后使用介电屏障放电进行纯化和胺功能化，石墨烯薄膜的尺寸为18mm*24mm*0.5mm，GNPs由几张固定的石墨烯片组成，总厚度约为3-10纳米，GNPs具有较高的导电率，电子迁移率高达200,000cm2/V.s，所述石墨烯薄膜中含有一个4mm×18mm的石墨烯主动传感区域，该石墨烯主动传感区域灵敏度高，稳定性强；
所述地质聚合物保护层2的厚度为2mm，所述地质聚合物保护层2由F类粉煤灰和硅酸钾溶液组成，所述硅酸钾溶液与粉煤灰的质量比值为0.55，所述硅酸钾溶液由二氧化硅、氧化钾和水组成，其中二氧化硅含量26.6％，氧化钾含量30.7％，水含量42.7％，能够提高抗酸攻击、冻融和抗热方面性能；
所述传感器载体3采用普通硅酸盐水泥(OPC)型(CEM I 52.5N)和细砂合成的砂浆制作而成；
所述传感器载体3的上表面张贴有离子选择性膜1和地质聚合物保护层2，且所述地质聚合物保护层2包裹在离子选择性膜1外，所述外接电极位于离子选择性膜1之下，外接电极包括阴极和阳极，其中所述快速检测设备4包括电化学阻抗谱分析仪41和电脑设备42，电化学阻抗谱分析仪41通过导线分别与阴极和阳极连接，电脑设备42可根据电化学阻抗谱分析仪41输出频率的变化获得对应的阻抗实部与虚部，并同步生成Nyquist图。
在本实施例中，将包括离子选择性膜1、地质聚合物保护层2和传感器载体3的传感器本体嵌入混凝土结构中或附着在混凝土结构中的钢筋上，通过外接快速检测设备4可定量监测钢筋表面的氯离子浓度大小，同时在强碱性条件下(PH：12、13和14)依然具有高检测精度，结合拟合公式能够定量描述不同PH条件下电阻抗随氯离子浓度的变化；在实际工程中，工程技术人员可通过测试混凝土结构中的PH，结合传感器测得的阻抗数据来量化氯离子浓度的大小。本发明具有低成本、灵敏度高以及抵抗碱度、温度和湿度干扰强的特点。另外本发明结合地质聚合物保护层2的设置，能够保护离子选择性膜1不受外界影响的同时允许氯离子穿透。
本发明还提供用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器的使用方法，如图1、图2所示，包括以下步骤：
S1、浇筑传感器载体3，使其在室温下固化，优选固化28d后制作；
S2、在传感器载体3的上表面张贴离子选择性膜1及涂抹地质聚合物保护层2，同时在离子选择性膜1张贴时固定外接电极；
S3、将传感器本体嵌入混凝土结构中或附着在混凝土结构中的钢筋上；
S4、在实际工程中测试时，将外接电极通过导线与快速检测设备4的接入口连接。
在本实施例中，将包括离子选择性膜1、地质聚合物保护层2和传感器载体3的传感器本体嵌入混凝土结构中或附着在混凝土结构中的钢筋上，通过外接快速检测设备4可定量监测钢筋表面的氯离子浓度大小，同时可考虑PH对监测精度的影响，量化不同PH条件下氯离子浓度与电阻抗监测结果之间的关系。本发明具有低成本、灵敏度高以及抵抗碱度、温度和湿度干扰强的特点。另外本发明结合地质聚合物保护层2的设置，能够保护离子选择性膜1不受外界影响的同时允许氯离子穿透。
如图3所示，传感器在暴露于氯化钠之前，在室温环境下电化学阻抗谱仪获得的实部、虚部和复阻抗与频率的关系，传感器阻抗在不同频率下响应明显，当频率在104Hz到105Hz之间时，复阻抗变化不明显，传感器显示出电阻行为，电阻平均值为15kΩ，相比于其他传感器相应特性更加稳定。
如图1、图4所示，不同氯离子浓度条件下，高频段的半圆转折点(电荷转移电阻)发生有趋势的变化，电荷转移电阻随着氯离子浓度的增加而降低，这是由于地质聚合物保护层2的多孔性，离子扩散随着氯离子浓度的增加而增加，从而导致石墨烯薄膜的电荷转移电阻逐渐减小。
如图5、图6所示，在实验频率段内，阻抗实部与虚部均对氯离子浓度有着较高的敏感度与显著的趋势，随着氯离子浓度的增加，传感器的实部阻抗和虚部阻抗持续降低，当频率为1kHz时，传感器可视为化学电阻，且对氯化物具有高度敏感性。因此，本传感器对氯化物和OH-的灵敏度测定频率为1kHz。
如图7所示，在给定的氯离子浓度条件下，传感器的电阻随着孔隙溶液的PH值升高而逐渐降低，这是由于静电相互作用导致带正电荷的石墨烯表面上持续累积附着负电荷的氧离子，提升了石墨烯中的载流子密度和迁移率，降低了传感器的实部阻抗。这意味着传感器对孔隙溶液中的氯离子和碱度都有显著响应。根据不同PH条件下实部阻抗随氯离子浓度的变化规律，拟合得到实部阻抗与氯离子浓度之间的定量关系方程，其中PH＝12时，实部阻抗Z′随Clˉ浓度的关系式：Z′12＝-0.13+16.1(R2＝0.99)；PH＝13时，实部阻抗Z′随Clˉ浓度的关系式：Z′13＝-0.14+14.3(R2＝0.99)；PH＝14时，实部阻抗Z′随Clˉ浓度的关系式：Z′14＝-0.14+12.3(R2＝0.96)。在实际工程应用中，检测人员可在知晓环境PH的条件下，根据所测实部阻抗数据，推算出测点位置的实际氯离子浓度大小。值得注意的是，该传感器对OH-的响应与Ag/AgCl氯离子传感器相当。
如图8和图9所示，为了验证传感器是否受到温度和湿度干扰，本发明通过电化学阻抗谱分析仪在不同的温度和湿度水平下测量了传感器的实部阻抗。图8表明传感器对温度变化的响应不敏感，未显示出显著的变化趋势，这是由于地质聚合物保护层2具有较低的导热率。图9表明湿度对传感器的响应同样不敏感，这是由于水的导电率低于石墨烯。结果表明，温度和湿度对传感器测量结果的干扰并不显著，因此本传感器在实际应用过程中，不考虑温湿度对氯离子浓度测量结果的影响。
如图10所示，传感器在30天内具有良好的稳定性，实部阻抗测量值波动非常小，传感器的实部阻抗输出浮动为2.19Ω/天的正漂移。试验结果表明，相比于氯离子浓度变化对传感器阻抗的显著变化，时间所带来的影响非常小。
如图11所示，为了确认传感器使用是否具有可逆性，在传感器上施加氯离子浓度为40mM/L的湿-干循环实验。实验结果表明，从0mM(干状态)到40mM(湿状态)达到稳定输出值的时间为8.5min，输出达到稳定的时间约为4.5min，随后该传感器干燥恢复到原始状态的时间为11min。单次湿-干循环周期的电阻变化量较稳定输出值较小(小于5％)，传感器具有较好的可逆性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器，包括传感器本体，所述传感器本体嵌入混凝土结构中或附着在混凝土结构中的钢筋上，其特征在于，所述传感器本体包括离子选择性膜(1)、地质聚合物保护层(2)和传感器载体(3)，所述传感器载体(3)的上表面张贴有离子选择性膜(1)和地质聚合物保护层(2)，且所述地质聚合物保护层(2)包裹在离子选择性膜(1)外，所述离子选择性膜(1)之下固定有外接电极，所述外接电极通过导线与外界的快速检测设备(4)的接入口连接。
2.根据权利要求1所述的用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器，其特征在于，所述离子选择性膜(1)为石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜的尺寸为18mm*24mm*0.5mm。
3.根据权利要求2所述的用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜中含有一个4mm×18mm的主动传感区域。
4.根据权利要求1所述的用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器，其特征在于，所述地质聚合物保护层(2)的厚度为2mm，所述地质聚合物保护层(2)由F类粉煤灰和硅酸钾溶液组成，所述硅酸钾溶液与粉煤灰的质量比值为0.55。
5.根据权利要求4所述的用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器，其特征在于，所述硅酸钾溶液由二氧化硅、氧化钾和水组成，其中二氧化硅含量26.6％，氧化钾含量30.7％，水含量42.7％。
6.根据权利要求1所述的用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器，其特征在于，所述传感器载体(3)采用普通硅酸盐水泥和细砂合成的砂浆制作而成。
7.根据权利要求1所述的用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器，其特征在于，所述快速检测设备(4)包括电化学阻抗谱分析仪(41)以及与电化学阻抗谱分析仪(41)直接连接的电脑设备(42)，所述电化学阻抗谱分析仪(41)通过导线与外接电极连接，所述电脑设备(42)可根据电化学阻抗谱分析仪(41)输出频率的变化获得对应的阻抗实部与虚部，并同步生成Nyquist图。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的用于检测混凝土中氯离子浓度的聚合物传感器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、浇筑传感器载体(3)，使其在室温下固化，其固化时间不小于28d；
S2、在传感器载体(3)的上表面张贴离子选择性膜(1)及涂抹地质聚合物保护层(2)，同时在离子选择性膜(1)张贴时固定外接电极；
S3、将传感器本体(3)嵌入混凝土结构中或附着在混凝土结构中的钢筋上；
S4、在实际工程中测试时，将外接电极通过导线与快速检测设备(4)的接入口连接。
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