CN205898650U - 钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统，其包括：温度传感器，用于测量混凝土内部温度；湿度传感器，用于测量混凝土内部湿度；pH传感器，用于测量混凝土内部的pH值；氯离子传感器，用于测量混凝土中的氯离子浓度；氧气传感器，用于测量混凝土中的氧气浓度；惰性电极；钢筋电极；固态参比电极；RFID装置，用于进行射频监测；不锈钢槽，用于盛装各个传感器和电极。该监测系统能够更加准确的预测钢筋的腐蚀的状态和预测钢筋混凝土结构使用寿命，并且可以更容易定位其位置的传感器。

Description

钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统

技术领域

本实用新型涉及混凝土结构耐久性劣化演变的监测技术领域，尤其涉及一种钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统。

背景技术

对于当今世界，由于经济、社会的迅速发展，钢筋混凝土结构的耐久性越来越引起国家与社会的重视，而影响钢筋混凝土结构的耐久性的重要性从高到低是钢筋锈蚀、冻融破坏和物理化学作用，对于钢筋的锈蚀来说，现在主要是由三个方面引起的，一是碳化引起的钢筋锈蚀，二是氯离子引起的钢筋锈蚀，三是杂散电流引起的钢筋锈蚀。对于碳化作用，主要是通过酸化降低pH值，破坏钝化膜，从而使钢筋暴露出来，使钢筋锈蚀；对于氯离子的作用，大多数的研究表明，氯离子浓度达到临界值就会破坏钝化膜，从而会使钢筋锈蚀；而对于杂散电流来说，一般是由于电流诱导钢筋的腐蚀，加快锈蚀速度。钢筋锈蚀后体积会膨胀2-6倍，这样与钢筋粘结的混凝土就会被胀裂，使钢筋的锈蚀速度得到进一步提高，进而使钢筋的横截面积减小，丧失承载力。另外引起钢筋锈蚀只是一方面，而外界环境的影响会加快钢筋锈蚀的速度，比如说温度、湿度、氧气浓度等，所以说钢筋锈蚀的因素错综复杂，因此仅仅从单一的数据信息很难精确的预测钢筋腐蚀状况与钢筋混凝土结构的使用寿命。因此发明可以长期监测混凝土温度、湿度、pH值、氧气浓度与氯离子浓度和腐蚀电流、腐蚀电位与电阻对预测混凝土中钢筋的腐蚀具有重要意义。另外现在由于现场监测的位置众多，还有现场施工的误差，经常会使传感器的位置改变，导致最后找不到传感器的位置。

厦门大学提供了一种用于监测钢筋混凝土结构腐蚀的多功能传感器(申请号CN200810071522.5)，让所有的探针都用水泥净桨封装在一起，这样不利于在实际环境中监测，而本申请提供的钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统让每个探针都单独封装，再预埋在混凝土中，更加接近实际环境，测得数据会更加精确。

在发明专利申请201410348080.X中提供一种混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统缺陷在于传感元件不能移动，监测参数单一，且外部采集器需要长期更换电池。而本实用新型提供的钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统测试数据更加全面，由于影响临界氯离子浓度的因素很多，一个位置的临界氯离子浓度并不能代表另一个位置的临界氯离子浓度，因此测试诸多参数，有利于在各种因素下确定临界氯离子浓度。

本实用新型提供的钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统能够更加准确的预测钢筋的腐蚀的状态和预测钢筋混凝土结构使用寿命，并且可以更容易定位其位置的传感器。

发明内容

本实用新型提供一种钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统，其能够更加准确的预测钢筋的腐蚀的状态和预测钢筋混凝土结构使用寿命，并且可以更容易定位其位置的传感器。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统，其包括：

温度传感器，用于测量混凝土内部温度；

湿度传感器，用于测量混凝土内部湿度；

pH传感器，用于测量混凝土内部的pH值；

氯离子传感器，用于测量混凝土中的氯离子浓度；

氧气传感器，用于测量混凝土中的氧气浓度；

惰性电极；

钢筋电极；

固态参比电极；

RFID装置，用于进行射频监测，实现传感器定位；

不锈钢槽，用于盛装各个传感器和电极。

其中，各个传感器和电极插入不锈钢槽中，不锈钢槽中灌满环氧树脂用来固定各个电极和传感器以及相关的导线。

其中，所述惰性电极有两个。

其中，所述固态参比电极选用固态MnO₂参比电极，固态参比电极的组成部分由五部分组成，从下往上依次为水泥胶体层、Ca(OH)₂胶体层、MnO₂胶体层、插入铜导线的高纯度石墨粉末层及环氧树脂层。

其中，所述温度传感器、所述湿度传感器、氯离子探针、pH探针、两个惰性电极、钢筋电极和MnO₂参比电极均放在PVC管中。

其中，所述温度传感器、所述湿度传感器、氯离子探针、pH探针、两个惰性电极、钢筋电极和MnO₂参比电极均放在PVC管中。

其中，所述温度传感器为铂电阻温度传感器(PT100)，温度传感器所用材料为铂棒，其中铂电阻温度传感器需要用316L不锈钢进行封装。

其中，氯离子探针所用的材料是AgCl/Ag电极棒，该电极棒为表面覆盖着AgCl膜的银棒。

其中，所述pH探针所用的材料为IrO₂电极棒。

本实用新型还提供了上述钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统的制备方法：

将上述制备好的氯离子电极、pH电极、钢筋电极、惰性电极、参比电极和温湿度传感器，全部固定在直径为10cm，厚度为1mm的不锈钢槽当中，导线接出来之后，用环氧树脂填充不锈钢槽，其作用既可以用来固定各电极与导线，又可以作为绝缘材料。把RFID标签贴在不锈钢槽上。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统能够更加准确的预测钢筋的腐蚀的状态和预测钢筋混凝土结构使用寿命，并且可以更容易定位其位置的传感器。

附图说明

图1为氯离子探针结构示意图；

图2为PH传感器结构示意图；

图3为参比电极结构示意图；

图4为监测系统俯视图；

图5为监测系统侧视图。

具体实施方式

本实用新型提供的钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统可以同时监测到的参数有温湿度、pH值、氯离子浓度、氧气浓度、腐蚀速率、腐蚀电位、极化电阻和电阻率，并且能够更迅速的定位传感器的位置。

该监测系统具体是一个多功能传感器，其包括：

温度传感器，用于测量混凝土内部温度；

湿度传感器，用于测量混凝土内部湿度；

pH传感器，用于测量混凝土内部的pH值；

氯离子传感器，用于测量混凝土中的氯离子浓度；

氧气传感器，用于测量混凝土中的氧气浓度；

惰性电极；

钢筋电极；

固态参比电极；

RFID装置，用于进行射频监测，实现传感器定位；

不锈钢槽，用于盛装各个传感器和电极。

各个传感器和电极插入不锈钢槽中，不锈钢槽中灌满环氧树脂用来固定各个电极和传感器以及相关的导线。

极化电阻就是通过用惰性电极、钢筋电极、固态参比电极测量的，腐蚀速率可以通过极化电阻推得；腐蚀电位是通过钢筋电极与固态参比电极测量获得；电阻率是通过两个惰性电极测得。

本实用新型监测系统的工作原理具体包括：

(1)氯离子探针的工作原理：选用Ag/AgCl电极作为其探针，主要是其对氯离子有更好的敏感性，通过电化学反应可以解释：

然后可以通过能斯特公式：

其中E₀是已知的，因此氯离子探针的电极电位E与测量体系的氯离子浓度的对数成线性关系，因此当知道电极的电位，就可以根据公式换算出体系的氯离子浓度。

(2)pH探针的工作原理：采用IrO₂电极作为探针，其工作原理同样可以通过电化学反应解释：

然后通过能斯特公式可以得到：

从式中可以看出，pH探针的电极电位与测量体系的pH值成线性关系，测量探针的电极电位就可以计算得到体系的pH。

(3)开路电位：钢筋电极作为工作电极，此工作电极与参比电极之间的电位差就是开路电位。

(4)腐蚀速度：该参数可以通过线性极化电阻技术来进行测量，首先可以选择在电流密度2×10^-7到2×10^-6A/cm²之间进行极化工作电极，其中可以用两个不锈钢电极作为对电极，而通过工作电极与参比之间的电位差我们就可以确定极化电阻：

其中Rs是溶液的电阻，因此腐蚀速度就是：

B是一个常数，当钢筋处于活性状态时可以设置为0.026V，当钢筋处于钝性状态时可以设置为0.052V。

(5)混凝土电阻率：给两个不锈钢电极施加一个正弦信号，在这个扰动信号下计算混凝土电阻，从而计算出混凝土电阻率，其中再求出混凝土电阻率前需要提前标定，标定方法是：在已知电阻率的1×10^-5到1molKCL溶液里测出混凝土电阻，然后进行拟合，这样就得到一个线性方程，进而通过求出电阻后，求出混凝土电阻率，具体公式如下：

(6)氧气流量：其中这是基于假设，当一个负电位(在一个确定的范围内)施加在惰性电极上，阴极的反应就只有电极表面的氧气减少反应，氧气流量通过在与参比电极相比较的一个电位下进行极化300秒后得出的电流密度得到，具体公式如下：

$J\left(\frac{{\mathrm{modlesO}}_2}{{\mathrm{cm}}^2\·s}\right)=\frac{I}{4\·F}$

其中F是法拉第常数。

(7)RFID的工作原理：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签或被动标签)，或者由标签主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

所述氯离子传感器具体为氯离子探针，所述pH传感器具体为pH 探针。

所述惰性电极有两个。

参比电极选用固态MnO₂参比电极，固态参比电极的组成部分由五部分组成：可分为5层，从下往上依次为水泥胶体层、Ca(OH)₂胶体层、MnO₂胶体层、插入铜导线的高纯度石墨粉末层及环氧树脂层。其外壳采用内径4mm，外径5mm，长4cm的透明塑料管，电极内部各层充填物从下往上的厚度依此为1.0cm，0.5cm，0.5cm，0.5cm，1.5cm。

所述水泥胶体曾是采用水泥和蒸馏水以2∶1的质量比例混合制备而成，Ca(OH)₂胶体层是利用Ca(OH)₂粉末与混凝土模拟液以1∶1的质量比例混合而成，所述MnO₂胶体层是利用蒸馏水：Ca(OH)₂粉末：MnO₂粉末按照质量比例1∶0.24∶6的比例混合之别而成。

所述温度传感器、所述湿度传感器、氯离子探针、pH探针、两个惰性电极、钢筋电极和MnO₂参比电极均放在PVC管中。温湿度传感器、氯离子探针、pH探针、两个惰性电极、钢筋电极和MnO₂参比电极的下端都要引出导线，这些导线需要伸出不锈钢槽，不锈钢槽用于固定这些传感器，其中该不锈钢槽的下端是封闭的。

所述温度传感器、所述湿度传感器、氯离子探针、pH探针、两个惰性电极、钢筋电极和MnO₂参比电极的中心线最好与PVC管的中心线平行，而PVC管需要与不锈钢槽垂直。

所述温度传感器为铂电阻温度传感器(PT100)，温度传感器所用材料为铂棒，其中铂电阻温度传感器需要用316L不锈钢进行封装。

氯离子探针所用的材料是AgCl/Ag电极棒，该电极棒为表面覆盖着AgCl膜的银棒。

所述氯离子探针的制备方法具体为包括：

第一步，选用纯度99.99％的直径为1～5mm，长度为20～30mm的银棒，用浓度为25％-30％的浓氨水清洗6个小时；

第二步，清洗过的银棒再浸泡在蒸馏水里12个小时，其中三分之二长度的银棒要放在0.1M的HCL的溶液以恒电流密度为0.4mA/mm²极化30min；

第三步，再把银棒浸泡在蒸馏水里24小时，并且未被极化的区域需要用铁氟龙胶带缠绕保护；

第四步，在未被极化的一端电极中轴线处引出铜线，之后把电极放在PVC管里，其中极化部分露出4～6mm；

第五步，用环氧树脂密封PVC管，顺便固定电极与导线。

氯离子探针极化部分引出铜线，用环氧树脂将氯离子探针和铜线密封在PVC管，铜线引出到PVC管的尾端，氯离子探针未极化部分引出导线，极化部分采用水泥净浆封装。

所述pH探针所用的材料为IrO₂电极棒。

所述pH探针的制备方法具体包括：

第一步，选择长约1cm的金属铱丝，依次用无水乙醇、去离子水清洗，擦干；

第二步，将铱丝放入装有适量碳酸盐的氧化铝增锅，置于高温炉中，控制炉温500～700℃恒温时间1h，高温环境可使铱丝表面充分氧化，生成一定厚度的致密氧化铱膜，形成Ir/IrO₂电极；

第三步，用去离子水清洗，与铜丝点焊连接，环氧胶包封；

第四步，刚制备好的IrO₂电极需经老化才能使用，将新鲜的IrO₂电极浸泡在混凝土模拟孔溶液(0.6mol/L浓度的KOH+0.2mol/L浓度的NaOH+0.001mol/LCa(OH)₂)中老化28天。

两个惰性电极的所用的材料是一根不锈钢作为工作电极，另一根不锈钢作为对电极。

钢筋电极所用的材料是钢筋棒，该电极棒使用与现场施工中的钢筋制作。

所述钢筋电极的制备方法具体为：

需要用与工程中相同的钢筋材料，把钢筋制作成圆柱形，一端与外导线相连，另一端作为钢筋电极，钢筋电极的尺寸直径为3～12mm，长30～80mm。

RFID装置由耦合元件及芯片组成，每个RFID装置具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，俗称电子标签或智能标签。

该RFID装置主要包括三个部分，第一部分为标签(由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象)，第二部分就是阅读器(读取标签信息的设备)，第三部分是天线(在标签和读取器间传递射频信号)。

本实用新型还提供了上述钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统的制备方法：

将上述制备好的氯离子电极、pH电极、钢筋电极、惰性电极、参比电极和温湿度传感器，全部固定在直径为10cm，厚度为1mm的不锈钢槽当中，导线接出来之后，用环氧树脂填充不锈钢槽，其作用既可以用来固定各电极与导线，又可以作为绝缘材料。把RFID标签贴在不锈钢槽上。

以下采用实施例和附图来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1 氯离子探针的制备

如图1所示，选用纯度99.99％的直径为1～5mm，长度为20～30mm的银棒，用浓度为25％-30％的浓氨水清洗6个小时；清洗过的银棒再浸泡在蒸馏水里12个小时，其中三分之二长度的银棒要放在0.1M的HCL的溶液以恒电流密度为0.4mA/mm²极化30min；再把银棒浸泡在蒸馏水里24小时，并且未被极化的区域需要用铁氟龙胶带缠绕保护；在未被极化的一端电极中轴线处引出铜线4，之后把电极放在PVC管5里，其中极化部分2露出4～6m，对应的PVC管5用水泥净浆封装，树脂3密封PVC管5声誉部分，顺便固定电极与导线。

实施例2 pH探针的制备

选择长约1cm的金属铱丝，依次用无水乙醇、去离子水清洗，擦干；将铱丝放入装有适量碳酸盐的氧化铝增锅，置于高温炉中，控制炉温500～700℃恒温时间1h，高温环境可使铱丝表面充分氧化，生成一定厚度的致密氧化铱膜，形成Ir/IrO₂电极；用去离子水清洗，与铜丝点焊连接，环氧胶包封；刚制备好的IrO₂电极需经老化才能使用，将新鲜的IrO₂电极浸泡在混凝土模拟孔溶液(0.6mol/L浓度的KOH+0.2mol/L浓度的NaOH+0.001mol/LCa(OH)₂)中老化28天。

整个pH探针的结构如图2所示，pH探针21封装在PVC管22中，在PVC管22顶端的pH探针21极化部分用水泥净浆23封装，PVC管22的剩余部分采用环氧树脂24封装，铜导线25引出探针。

实施例3 惰性电极的制备

惰性电极采用两根6～10mm的316L不锈钢，长度为20～30mm。

实施例4 钢筋电极的制备

需要用与工程中相同的钢筋材料，把钢筋制作成圆柱形，一端与外导线相连，另一端作为钢筋电极。钢筋电极的尺寸是直径的3～12mm，长30～80mm。

实施例5 MnO₂参比电极的制备

如图3所示，固态参比电极的组成部分由五部分组成：可分为5层，从下往上依次为水泥胶体层6、Ca(OH)₂胶体层7、MnO₂胶体层8、插入铜导线9的高纯度石墨粉末层10及环氧树脂层11，其外壳采用内径4mm，外径5mm，长4cm的透明塑料管。

实施例6 RFID装置的制备

RFID装置由耦合元件及芯片组成，每个RFID装置具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。

实施例7 监测系统的制备

如图4和图5所示，将上述制备好的氯离子电极12、pH电极13、钢筋电极14、第一惰性电极15、第二惰性电极16、参比电极17、温度传感器18和湿度传感器19，全部固定在直径为10cm，厚度为1mm的不锈钢槽20当中，导线接出来之后，用环氧树脂填充不锈钢槽，其作用既可以用来固定各电极与导线，又可以作为绝缘材料，把RFID标签贴在不锈钢槽上。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本实用新型新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统，其特征在于，包括：

温度传感器，用于测量混凝土内部温度；

湿度传感器，用于测量混凝土内部湿度；

pH传感器，用于测量混凝土内部的pH值；

氯离子传感器，用于测量混凝土中的氯离子浓度；

惰性电极；

钢筋电极；

固态参比电极；

RFID装置，用于进行射频监测，实现传感器定位；

不锈钢槽，用于盛装各个传感器和电极。

2.如权利要求1所述的钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统，其特征在于：各个传感器和电极插入不锈钢槽中，不锈钢槽中灌满环氧树脂用来固定各个电极和传感器以及相关的导线。

3.如权利要求1或2所述的钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统，其特征在于：所述惰性电极有两个。

4.如权利要求1或2所述的钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统，其特征在于：所述固态参比电极选用固态MnO₂参比电极，固态参比电极的组成部分由五部分组成，从下往上依次为水泥胶体层、Ca(OH)₂胶体层、MnO₂胶体层、插入铜导线的高纯度石墨粉末层及环氧树脂层。

5.如权利要求1或2所述的钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统，其特征在于：所述温度传感器、所述湿度传感器、氯离子探针、pH探针、两个惰性电极、钢筋电极和MnO₂参比电极均放在PVC管中。

6.如权利要求1或2所述的钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统，其特征在于：所述温度传感器、所述湿度传感器、氯离子探针、pH探针、两个惰性电极、钢筋电极和MnO₂参比电极均放在PVC管中。