CN207717597U

CN207717597U - 一种电容式钢筋锈蚀监测装置

Info

Publication number: CN207717597U
Application number: CN201820103070.3U
Authority: CN
Inventors: 范宏; 任鹏庚; 赵铁军; 张鹏; 金祖权
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2018-08-10
Anticipated expiration: 2028-01-22

Abstract

本实用新型属于钢筋锈蚀监测设备技术领域，涉及一种电容式钢筋锈蚀监测装置，主体结构包括底盘、监测探头和通孔，监测探头距离待测钢筋表面的高度能够调节，同时能够很好的区分均匀锈蚀和局部锈蚀，能够对钢筋锈蚀进行长期实时的在线监测，并具有以下优势：1、电容器电容变化反应灵敏，监测结果准确，对于局部锈蚀状态监测时，能够确定钢筋锈蚀基准值，保证安全冗余度；2、螺旋伸缩管的高度可以通过螺旋伸缩管伸入底盘连接件的长度来调节，使得监测探头距离待测钢筋表面的高度可以在一定的范围内进行调整；3、通过分析所测的电容值，可以很好的区分均匀锈蚀和局部锈蚀，为混凝土结构加固与防护方案的确定提供更为准确有力的依据。

Description

一种电容式钢筋锈蚀监测装置

技术领域：

本实用新型属于钢筋锈蚀监测设备技术领域，具体涉及一种电容式钢筋锈蚀监测装置，基于电容原理监测混凝土结构内部的钢筋锈蚀状况，适用于多种监测环境，具有灵敏度高、动态响应快和稳定性好等优点。

背景技术：

在钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀是影响建筑工程结构的安全性和耐久性的重要因素之一；钢筋锈蚀时，体积发生膨胀，钢筋与混凝土之间的粘结力下降，混凝土保护层剥落，进而导致建筑结构的强度遭到破坏，构件失效。钢筋锈蚀发生在建筑结构的内部，肉眼很难察觉，对于钢筋锈蚀引发的轻度损坏的建筑物，对其进行修补时，存在工作量大、造价高和效益差的问题，当建筑物的破坏较严重时，将对人们的生命和财产安全带来不可估量的损失；所以，监测混凝土内钢筋的锈蚀状态并掌握建筑物结构的内部情况十分有必要，以便在建筑物发生损坏之前进行预警，避免钢筋发生锈蚀，使损失降至最低。

目前，钢筋锈蚀的监测方法分为物理方法和化学方法，常用的物理法有电阻探针法和光纤传感法，前者采用一个与结构钢筋材质相同的探针，将探针埋入到混凝土结构中，根据实时监测探针电阻的变化来推断钢筋锈蚀的速率和锈蚀的程度，后者是的监测原理是，钢筋生锈后，钢筋表面膨胀产生膨胀应力，光纤受应力影响产生应变，光在光纤中传播的相位、频率、波长和偏振发生改变，光纤传感器耐锈蚀和抗干扰能力强，耐久性好，并且能够进行空间连续性监测，缺点是光纤传感技术工艺要求高，造价高昂；化学法有半电池电位法、交流阻抗方法和线性极化法，半电池电位法的原理是钢筋发生锈蚀时，其阳极区和阴极区存在电位差，通过所测得的电流和电压值评定钢筋锈蚀程度，交流阻抗法是对目标建筑结构发出一段微小电流，测量目标建筑结构对微小电流的反应，然后对所测量到的交变电流谱进行分析，这种动态的测量方法所使用的测量仪器非常昂贵，且受外界影响较大，后期数据处理程序繁琐；中国专利201220615624.0公开的一种混凝土结构中钢筋锈蚀监测装置包括光纤光栅应变传感器、信号处理单元、不锈钢斜面支架、至少三只光纤光栅应变传感器及导线，光纤光栅应变传感器依次布设在斜面支架的斜面上，各光纤光栅应变传感器采集所得信号经由导线传送至信号处理单元，光纤光栅应变传感器测定混凝土保护层中由于钢筋锈蚀产物产生的锈胀力引起的拉应变，推导出钢筋锈蚀速率及钢筋锈蚀初始腐蚀时间，以实现间接的监测钢筋锈蚀状况，其装置在浇筑混凝土过程中易受损坏；中国专利201120123546.8公开的一种对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀情况进行监测的嵌入式钢筋腐蚀监测系统包括由单阳极、单阴极和PVC管组成的传感器，支架以及导线，单阳极和单阴极交替连接，PVC管设置在单阳极和单阴极之间，单阳极和单阴极均与导线相连，支架与传感器和导线相连一种基于半电池电位原理的装置，其分四层，每一层含有4个阴极和4个阳极，总共需要引出32根导线，结构复杂、引线过多、需测数据较多，不易于分析处理；中国专利200720055746.8公开的一种钢筋锈蚀监测装置包括用于监测参照钢筋，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，所述内外圆筒构成同轴圆筒电容器，其通过监测内外两层钢丝网组成的圆筒式电容器电容的变化来分析钢筋锈蚀状况，不具备实用性，钢筋锈蚀时，钢丝网局部外凸和内凹，变形多种多样，不利于分析，得不到推广使用；因此，研发设计一种易于操作和灵敏度高的电容式钢筋锈蚀监测装置，实时监测和评定混凝土结构中钢筋的锈蚀状况，具有较好的社会、经济效益，应用前景广阔。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺陷，研发一种电容式钢筋锈蚀监测装置，能够长期实时精确监测和评定混凝土结构中钢筋的锈蚀状况，并很好的区分均匀锈蚀和局部锈蚀。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的电容式钢筋锈蚀监测装置主体结构包括底盘、监测探头和通孔；圆环形结构的底盘上均匀间隔式设置有4个垂直高度不同的监测探头，底盘上每2个监测探头中间开设有圆形结构的通孔；监测探头的主体结构包括壳体、混凝土试件、探头连接件、一号螺母、螺旋伸缩管、二号螺母、底盘连接件、一号塑料板、一号极板、一号弹簧、二号塑料板、二号极板、三号极板、二号弹簧、三号塑料板、四号极板、挡板、一号定向滑轮、三号弹簧和二号定向滑轮；U形槽状结构的壳体的内部空间分为上部空间和下部空间：上部空间填充有矩形结构的混凝土试件，下部空间的一端设置有圆形管状结构的探头连接件，带有螺纹的探头连接件的外部设置有六角结构的一号螺母，探头连接件的内部与内空式圆柱形结构的螺旋伸缩管连接，螺旋伸缩管的外部设置有六角结构的二号螺母，螺旋伸缩管的底部与内空式圆台形结构的底盘连接件螺纹式连接，底盘通过底盘连接件与监测探头螺纹式连接；下部空间的中间设置有上表面中部带有凹槽的矩形板状结构的一号塑料板，一号塑料板的凹槽中镶嵌有矩形板状结构的一号极板，一号塑料板的两端上表面分别设置有螺旋状结构的一号弹簧，一号弹簧的顶部设置有上表面和下表面中部均带有凹槽的矩形板状结构的二号塑料板，二号塑料板的下表面凹槽中镶嵌有矩形板状结构的二号极板，二号塑料板的上表面凹槽中镶嵌有矩形板状结构的三号极板，二号塑料板的两端上表面分别设置有螺旋状结构的二号弹簧，二号弹簧的顶部设置有下表面中部均带有凹槽的矩形板状结构的三号塑料板，三号塑料板的凹槽中镶嵌有矩形板状结构的四号极板，三号塑料板的上表面与混凝土试件的下表面接触，下部空间的左侧和右侧分别设置有带有滑槽的矩形板状结构的挡板，二号塑料板的两端头分别通过设置在挡板的滑槽中的一号定向滑轮与挡板连接，三号塑料板的两端头分别设置有螺旋状结构的三号弹簧，三号弹簧与设置在挡板的滑槽中的二号定向滑轮连接，三号塑料板的两端头分别通过三号弹簧和二号定向滑轮连接。

本实用新型与现有技术相比，易于绑扎，良好的整体性使其在埋入混凝土过程中，受混凝土浇筑的影响小，监测探头距离待测钢筋表面的高度能够调节，同时能够很好的区分均匀锈蚀和局部锈蚀，能够对钢筋锈蚀进行长期实时的在线监测，并具有以下优势：1、电容器电容变化反应灵敏，监测结果准确，对于局部锈蚀状态监测时，能够确定钢筋锈蚀基准值，保证安全冗余度；2、螺旋伸缩管的高度可以通过螺旋伸缩管伸入底盘连接件的长度来调节，使得监测探头距离待测钢筋表面的高度可以在一定的范围内进行调整；3、通过分析所测的电容值，可以很好的区分均匀锈蚀和局部锈蚀，为混凝土结构加固与防护方案的确定提供更为准确有力的依据。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型涉及的监测探头的主体结构剖面示意图。

图3为本实用新型涉及的监测探头的外观结构示意图。

图4为本实用新型涉及的探头连接件、螺旋伸缩管和底盘连接件的连接关系示意图。

图5为本实用新型涉及的四号极板发生位移的状态示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例涉及的电容式钢筋锈蚀监测装置的主体结构包括底盘1、监测探头2和通孔3；圆环形结构的底盘1上均匀间隔式设置有4个垂直高度不同的监测探头2，底盘1上每2个监测探头2中间开设有圆形结构的通孔3；监测探头2的主体结构包括壳体21、混凝土试件22、探头连接件23、一号螺母24、螺旋伸缩管25、二号螺母26、底盘连接件27、一号塑料板28、一号极板29、一号弹簧30、二号塑料板31、二号极板32、三号极板33、二号弹簧34、三号塑料板35、四号极板36、挡板37、一号定向滑轮38、三号弹簧39和二号定向滑轮40；U形槽状结构的壳体21的内部空间分为上部空间和下部空间：上部空间填充有矩形结构的混凝土试件22，下部空间的一端设置有圆形管状结构的探头连接件23，带有螺纹的探头连接件23的外部设置有六角结构的一号螺母24，探头连接件23的内部与内空式圆柱形结构的螺旋伸缩管25连接，螺旋伸缩管25的外部设置有六角结构的二号螺母26，螺旋伸缩管25的底部与内空式圆台形结构的底盘连接件27螺纹式连接，底盘1通过底盘连接件27与监测探头2螺纹式连接；下部空间的中间设置有上表面中部带有凹槽的矩形板状结构的一号塑料板28，一号塑料板28的凹槽中镶嵌有矩形板状结构的一号极板29，一号塑料板28的两端上表面分别设置有螺旋状结构的一号弹簧30，一号弹簧30的顶部设置有上表面和下表面中部均带有凹槽的矩形板状结构的二号塑料板31，二号塑料板31的下表面凹槽中镶嵌有矩形板状结构的二号极板32，二号塑料板31的上表面凹槽中镶嵌有矩形板状结构的三号极板33，二号塑料板31的两端上表面分别设置有螺旋状结构的二号弹簧34，二号弹簧34的顶部设置有下表面中部均带有凹槽的矩形板状结构的三号塑料板35，三号塑料板35的凹槽中镶嵌有矩形板状结构的四号极板36，三号塑料板35的上表面与混凝土试件22的下表面接触，下部空间的左侧和右侧分别设置有带有滑槽的矩形板状结构的挡板37，二号塑料板31的两端头分别通过设置在挡板37的滑槽中的一号定向滑轮38与挡板37连接，三号塑料板35的两端头分别设置有螺旋状结构的三号弹簧39，三号弹簧39与设置在挡板37的滑槽中的二号定向滑轮40连接，三号塑料板35的两端头分别通过三号弹簧39和二号定向滑轮40连接。

本实施例涉及的底盘1的材质为不锈钢；监测探头2是由混凝土试件22和双电容腔组成的；通孔3作为钢丝和尼龙线的穿设通道；壳体21的材质为高强模塑料；混凝土试件22为钢筋外包覆水泥砂浆的矩形标准养护试件，混凝土试件22的制作工艺过程为：首先选取与待测建筑物结构内部钢筋材质相同的直径为8mm的表面光滑且无任何锈迹的钢筋，然后定制尺寸为12mm×12mm×50mm的矩形模具，将钢筋置于模具的中心位置后在模具中浇筑水泥砂浆并进行振动磨平，一天后脱模得到混凝土试件22，最后将混凝土试件置于恒温养护室中标准养护28天后取出备用；一号螺母24和二号螺母26的材质为不锈钢；探头连接件23、螺旋伸缩管25和底盘连接件27的材质包括高强模塑料和金属，底盘连接件27的直径大于探头连接件23的直径，探头连接件23的内径螺旋伸缩管25的外径相同；一号极板29、二号极板32、三号极板33和四号极板36的大小相同，面积相等，一号极板29、二号极板32、三号极板33和四号极板36形成双电容器的电容腔，一号极板29和二号极板32组成下部电容器，三号极板33和四号极板36组成上部电容器；一号塑料板28、二号塑料板31和三号塑料板35的表面平整，一号塑料板28和三号塑料板35的长度相同，一号塑料板28和三号塑料板35的长度小于二号塑料板31的长度；一号定向滑轮38和二号定向滑轮40能够在挡板37的滑槽中上下垂直移动。

本实施例涉及的电容式钢筋锈蚀监测装置安装使用时，首先，将螺旋伸缩管25的下端旋入底盘连接件27的内部，向下旋拧二号螺母26将螺旋伸缩管25与底盘连接件27的位置固定连接，螺旋伸缩管25的上端伸入探头连接件23的内部，向下旋拧一号螺母24将螺旋伸缩管25与探头连接件23固定连接，通过调节螺旋伸缩管25伸入底盘连接件23内部的长度能够控制监测探头2的高度，使得监测探头2距离待测钢筋表面的高度能够在设定范围内进行调节，从而满足不同监测条件和监测要求的工程，然后，将混凝土试件22放置在监测探头2的上部空间内，由于混凝土试件22的重力作用，三号塑料板35向下移动，三号塑料板35和混凝土试件22紧密接触，在监测探头2与混凝土试件22接触的地方涂抹粘合剂使监测探头2与混凝土试件22固定连接，最后，用钢丝或尼龙线穿过通孔3将底盘1固定在待测钢筋的表面，底盘1的底面与待测钢筋的上表面紧密接触，将测量电容器电容的金属导线从的探头连接件23的内部穿出；装设钢筋混凝土试件22之前和之后，一号极板29、二号极板32、三号极板33和四号极板36在均处于水平状态，当待测钢筋发生不均匀锈蚀时，混凝土试件对三号塑料板35的局部产生挤压力，四号极板36产生水平和垂直方向的位移，由于二号塑料板31的两端直接与一号定向滑轮38连接，一号定向滑轮38只能在挡板37的滑槽内垂直运动，一号塑料板28、二号塑料板31和三号塑料板35通过一号弹簧30和二号弹簧34连接组成一个整体，在一号弹簧30和二号弹簧34处于自由伸长状态时，三号塑料板35的上表面高于电容腔的上表面；当混凝土试件22中的钢筋发生锈蚀膨胀时会对三号塑料板35产生向下的压力，此时，上部电容器和下部电容器之间的距离和相对面积发生变化，通过外界的电容测试设备所监测到的电容的变化实现钢筋锈蚀状况的判定。

本实施例涉及的电容式钢筋锈蚀监测装置的监测原理是：在监测初期，钢筋还未发生锈蚀时，初始电容C₀＝εS/d₀，其中ε为极板之间介质的介电常数，S为极板的面积，d₀为放入钢筋混凝土试件22后二号极板32与三号极板33之间的距离，通过增加二号极板32与三号极板33的相对面积能够提高监测探头2的灵敏度；当钢筋发生均匀锈蚀时，钢筋由于锈蚀膨胀对上部电容器的三号极板33产生向下的均匀压力，二号弹簧34受压收缩但不会产生横向变形，此时，二号极板32与三号极板33之间距离均为d₁，S不发生变化,上下两个电容器的电容均为C₁＝εS/d₁，根据所监测的电容值的变化能够判定钢筋的锈蚀状况；当钢筋发生局部锈蚀时，钢筋由于锈蚀膨胀对三号极板33产生向下的局部压力，二号弹簧34受压收缩，三号极板33产生横向和纵向位移，此时，二号极板32与三号极板33之间的相对面积为S₁，下部电容极板之间距离为d₃,上部电容器电容为C₂，下部电容器电容为C₃＝εS/(d₀-d₃)，两电容器电容不相等且下部较大，根据所监测的电容值的变化能够判定钢筋的锈蚀状况；对于发生均匀、局部锈蚀状态下的下部电容器，当二号极板32在压力作用下向一号极板29方向移动Δd时,

下部电容器电容为C₃为：

电容变化量为：

当四号极板36移动极小时,即d₃<<d₀时,上式按泰勒级数展开为：

上部电容器电容变化量与位移Δd之间表现为非线性关系,只有当d₃<<d₀时，可去除高次项得：这时上部电容器的变化量ΔC近似地和位移d₃成正比，其相对非线性误差σ为：此时，当d₃<<d₀时，下部电容器电容变化量ΔC与位移d₃近似地呈线性关系；当钢筋发生不均匀锈蚀时，分析三号塑料板35的超静定结构，变形样式多种，选取钢筋局部锈蚀临界状态时下部电容器电容变化量最小作为基准点，即也是下部电容器极板间距离最大时作为临界点，当下部电容器变化量超过这一临界值时，即判定为达到临界锈蚀状况。

Claims

1.一种电容式钢筋锈蚀监测装置，其特征在于主体结构包括底盘、监测探头和通孔；圆环形结构的底盘上均匀间隔式设置有4个垂直高度不同的监测探头，底盘上每2个监测探头中间开设有圆形结构的通孔；监测探头的主体结构包括壳体、混凝土试件、探头连接件、一号螺母、螺旋伸缩管、二号螺母、底盘连接件、一号塑料板、一号极板、一号弹簧、二号塑料板、二号极板、三号极板、二号弹簧、三号塑料板、四号极板、挡板、一号定向滑轮、三号弹簧和二号定向滑轮；U形槽状结构的壳体的内部空间分为上部空间和下部空间：上部空间填充有矩形结构的混凝土试件，下部空间的一端设置有圆形管状结构的探头连接件，带有螺纹的探头连接件的外部设置有六角结构的一号螺母，探头连接件的内部与内空式圆柱形结构的螺旋伸缩管连接，螺旋伸缩管的外部设置有六角结构的二号螺母，螺旋伸缩管的底部与内空式圆台形结构的底盘连接件螺纹式连接，底盘通过底盘连接件与监测探头螺纹式连接；下部空间的中间设置有上表面中部带有凹槽的矩形板状结构的一号塑料板，一号塑料板的凹槽中镶嵌有矩形板状结构的一号极板，一号塑料板的两端上表面分别设置有螺旋状结构的一号弹簧，一号弹簧的顶部设置有上表面和下表面中部均带有凹槽的矩形板状结构的二号塑料板，二号塑料板的下表面凹槽中镶嵌有矩形板状结构的二号极板，二号塑料板的上表面凹槽中镶嵌有矩形板状结构的三号极板，二号塑料板的两端上表面分别设置有螺旋状结构的二号弹簧，二号弹簧的顶部设置有下表面中部均带有凹槽的矩形板状结构的三号塑料板，三号塑料板的凹槽中镶嵌有矩形板状结构的四号极板，三号塑料板的上表面与混凝土试件的下表面接触，下部空间的左侧和右侧分别设置有带有滑槽的矩形板状结构的挡板，二号塑料板的两端头分别通过设置在挡板的滑槽中的一号定向滑轮与挡板连接，三号塑料板的两端头分别设置有螺旋状结构的三号弹簧，三号弹簧与设置在挡板的滑槽中的二号定向滑轮连接，三号塑料板的两端头分别通过三号弹簧和二号定向滑轮连接。