CN201069438Y - 钢筋锈蚀监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钢筋锈蚀监测装置，其特征在于：包括一用于监测参照钢筋，固设于由碳纤维机敏材料浇注形成的柱体内，钢筋外同轴套设有内外两层钢丝网电极圆筒，所述内外圆筒构成一同轴圆筒电容器。本实用新型的钢筋锈蚀监测装置结构简单，充分发挥了碳纤维水泥材料的本征特性以及机敏特性，应用于水泥混凝土结构中钢筋锈蚀状态的监测，方便易行。

Description

钢筋锈蚀监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种监测装置，尤其涉及钢筋锈蚀监测装置，主要用于监测水泥混凝土结构中钢筋的锈蚀。

背景技术

钢筋混凝土是现代最主要的建筑材料之一，但近年来的工程调查表明，由于钢筋混凝土结构腐蚀而造成的后果非常严重，全世界每年用于混凝土结构的维修和加固的费用数以千亿美元。而钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土结构耐久性失效的最主要的因素。因此对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀防护的研究具有重要的实际意义，也成为建筑工程领域研究最多的问题之一。

近年来，随着材料科学技术的发展以及机敏材料的出现，使得人们对一些重大工程进行智能性诊断与监控已成为可能。碳纤维水泥基材料(Carbon-fiberreinforced cement简称CFRC)就是具有自诊断，自增强，自调节，自防护功能的机敏材料之一，它不仅增强了脆性水泥基体的强度和韧性，而且它持久性好，感应体积大，有很好的机敏特性。与其它用于混凝土结构的机敏材料(如光纤光栅传感器、压电材料、智能可控流体、记忆合金等)相比，机敏混凝土与传统的混凝土材料具有天然的相容性，是一种应用于混凝土结构的本征机敏材料，是一种理想的结构与功能一体化材料，也成为一个研究的热点。

发明内容

已有研究表明埋在混凝土中的钢筋完全锈蚀以后，其产生铁锈的体积是相应钢筋体积的2倍以上，因而会向四周膨胀；而钢筋周围的混凝土会限制它的膨胀，在交界面上产生了压力，这种压力就称为钢筋锈胀力。本实用新型的目的在于提供一种可以灵敏感应到混凝土中钢筋锈蚀产生的锈胀力，以及锈胀力大小的监测装置。

为了实现上述目的，本实用新型提出的技术方案是：一种钢筋锈蚀监测装置，其特征在于：包括一监测参照钢筋，固设于由碳纤维机敏材料浇注形成的柱体内，钢筋外同轴套设有内外两层钢丝网电极圆筒，所述内外圆筒构成一同轴圆筒电容器。

在钢筋外包裹一层碳纤维水泥基材料，当钢筋锈蚀时会对碳纤维水泥基材料施以相当大的压力，其电性能参数会随着压力的变化而变化，通过测量其电性能参数的变化就可以监测钢筋的锈蚀状况。本实用新型正是利用碳纤维水泥基材料的机敏特性，通过测量圆筒轴心碳纤维水泥基材料电容的变化来表征钢筋的锈蚀。同轴圆筒之间的电容c为：

C＝2πε₀ε_sh/(LnR/r)

其中，ε0为真空中的介电常数，为8.85×10^-12，ε_s为水泥浆体的介电常数，h为同轴圆筒的高度，R与r为圆筒的外径与内径。

如果Δc为电容的变化，c₀为初始电容，可设水泥基材料的压敏系数K为：

$K=\frac{\mathrm{\Δc}}{c_0\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_r}$

这里μ_r为沿CFRC径向的平均线应变，表示为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_r=\frac{{\∫}_r^R{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{dr}}{R-r}$

该试件为轴对称模型，CFRC圆筒沿环向受拉而沿径向受压，由于水泥基材料的拉压性质不同，为各向异性非线弹性材料，其几何方程：

${\mathrm{\μ}}_r=\frac{{\mathrm{du}}_r}{\mathrm{dr}}$ ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{u_r}{r}$

式中u_r为CFRC的泊松比，r为CFRC任意一点所在的半径，可得：

${\mathrm{\μ}}_r=\frac{{\mathrm{d\μ}}_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{dr}}r+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\θ}}$

最后可以得到平均径向应变与电容变化率之间的关系：

$\frac{\mathrm{\Δc}}{c_0}=\frac{K\·{\∫}_r^R(\frac{{\mathrm{d\μ}}_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{dr}}r+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\θ}})\mathrm{dr}}{R-r}$

因此，可根据CFRC试件在不同的应力状态，求出径向应变和CFRC的电容变化率，得到CFRC的电容变化率与环向应变的关系。根据测试出的电容的变化情况来推算试件中钢筋锈蚀产生的锈蚀膨胀力，监控钢筋的锈蚀程度。

本实用新型的钢筋锈蚀监测装置结构简单，充分发挥了碳纤维水泥材料的本征特性以及机敏特性，应用于水泥混凝土结构中钢筋锈蚀状态的监测，方便易行。

附图说明

图1是包裹钢筋的碳纤维水泥机敏试件结构示意图，其中1为钢筋，2为钢丝网电极，3是碳纤维水泥试件。

图2是钢丝网电极结构示意图。

图3是碳纤维水泥机敏试件的俯视图。

图4是将包裹钢筋的碳纤维水泥机敏试件埋到混凝土构件中去。

图5是碳纤维机敏试件电容变化-应变图。

图6碳纤维机敏试件电容变化-锈蚀物重量。

具体实施方式

1.碳纤维水泥机敏试件的制作

碳纤维水泥浆按胶凝材料质量百分比含量配比如下：水∶灰＝1∶0.40，水泥为胶凝材料总量的60％，粉煤灰为胶凝材料总量的30％，硅灰为胶凝材料总量的10％，碳纤维掺量为胶凝材料总量的0.35％，甲基纤维素用作分散剂掺量为胶凝材料总量的0.45％，磷酸三丁脂用作消泡剂掺量为胶凝材料总量的0.02％，减水剂是聚缩酸减水剂掺量为胶凝材料总量的1％，标准砂用量为胶凝材料总量的2.5倍。

按以上配比，制作碳纤维水泥砂浆。首先对碳纤维进行表面处理，即用次氯酸钠浸泡碳纤维24小时，在110℃温度下烘干备用。把碳纤维尽量分开，注入含分散剂、减水剂、消泡剂的拌和水(分散剂要用沸水溶解后静置12小时)，搅拌3分钟后加入水泥、粉煤灰和硅灰，以及标准砂，再搅拌3分钟。

如图2所示，把钢丝网裁剪成10cm×20cm以及10cm×10cm的方块，焊上导线，并涂上环氧树脂，弯曲成为圆筒状的电极。

如图1及图3所示，制作碳纤维水泥机敏试件：在自制的高为10cm，直径为8cm的模具中成型试件，把钢筋1固定在模具中央，浇注碳纤维水泥砂浆形成圆柱体3，在碳纤维水泥砂浆内插入钢丝网电极2，震动模平。振动成型后1天脱模，在恒温养护室中养护到28天龄期。

2.碳纤维机敏试件的埋设

考虑到环境温度、湿度会对碳纤维机敏材料的电性能有较大的影响，需要在试件的表面涂抹一层薄薄的环氧树脂涂层，起到隔绝环境影响的作用，然后把碳纤维机敏试件埋设到需要对钢筋锈蚀进行监控的混凝土结构中去。将包裹钢筋的碳纤维水泥机敏试件埋到混凝土构件4中去，使碳纤维水泥机敏试件侧向受约束。

如图4所示。本实用新型在深圳大铲湾集装箱码头胸墙钢筋锈蚀监测中得到应用，主要监控在钢筋锈蚀过程碳纤维机敏试件电容，径向应变的变化以及钢筋锈蚀物的重量。

如图5所示，测量碳纤维机敏试件电容变化率与环向应变的关系，并根据变化情况推算如图6所示的钢筋锈蚀产生的锈蚀膨胀力，监控钢筋的锈蚀程度。

Claims (1)

1.一种钢筋锈蚀监测装置，其特征在于：包括一监测参照钢筋，固设于由碳纤维机敏材料浇注形成的柱体内，钢筋外同轴套设有内外两层钢丝网电极圆筒，所述内外圆筒构成一同轴圆筒电容器。

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