CN212459342U - 一种混凝土结构耐久性监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种混凝土结构耐久性监测装置，包括参比电极、工作电极、辅助电极、绝缘环和密封层，工作电极和辅助电极均呈环状，辅助电极、绝缘环和工作电极由上至下套设在参比电极的外壁上，辅助电极、绝缘环和工作电极的外露部分包覆有透水保护层，透水保护层与参比电极的外壁固定连接，以将辅助电极、绝缘环和工作电极固定在参比电极的外壁上，密封层包覆在参比电极的顶端，且与透水保护层接触，参比电极连接有第一导线，工作电极连接有第二导线，辅助电极连接有第三导线，第一导线、第二导线和第三导线汇集后，从下至上贯穿密封层并伸出于密封层外部。本实用新型旨在解决现有混凝土结构腐蚀监测传感器所存在的不足。

Description

一种混凝土结构耐久性监测装置

技术领域

本实用新型属于钢筋混凝土结构物腐蚀与防护技术领域，尤其涉及一种混凝土结构耐久性监测装置。

背景技术

在钢筋混凝土结构中，由于混凝土为多孔脆性材料，在工程服役过程中，长期受到外界腐蚀介质的侵蚀，引起内部钢筋腐蚀，导致结构受力性变差，严重时会导致结构失效破坏，带来不可估量的经济损失。因此非常有必要对腐蚀环境苛刻下的钢筋混凝土结构实施耐久性监测，以及对现有混凝土结构寿命年限进行预测，做到“有病早治，无病早防”。

目前，国内外应用较普遍的传感器为德国S+R Sensortec公司生产的阳极梯系统，该传感器可以根据监测不同深度下阳极的腐蚀电位和腐蚀电流，判断钢筋开始腐蚀时间和腐蚀深度。此阳极梯系统已经非常成熟，但由于体型较大，现场安装和调试过程不便，费时费力，且较大的体型难以保证在施工过程中由于工程现场作业中的误碰导致传感器损坏和失灵。另外，FORCE公司生产的Corrowatch传感器和Corrorisk传感器也应有较广，这两种均为后装式腐蚀监测传感器，两者原理上与阳极梯类似，采用埋置不同深度的阳极以监测其腐蚀电位和腐蚀电流，由此判断混凝土结构的侵蚀深度。这两种传感器较为经济，适用性广，但由于需要外部钻孔，导致传感器埋入封装砂浆后，存在外部离子纵向渗透干扰的风险。而美国Virginia公司开发出的ECI传感器，可进行钢筋腐蚀电位、腐蚀电流、pH、混凝土电阻率、氯离子浓度等腐蚀参数测量。但由于工作电极体型较小，受混凝土环境中的局部因素影响较大，以致于监测得到的数据稳定性较差，且产品依赖于进口，价格昂贵。

在百年品质工程品牌的积极号召下，钢筋混凝土结构耐久性要求更为苛刻。为保证工程钢筋混凝土结构的高效运维，及早地发现钢筋混凝土结构的腐蚀状况，即使采取必要的补救措施，因此国内亟需一种混凝土结构耐久性监测装置及监测方法，以解决现有混凝土结构腐蚀监测传感器所存在的不足。

实用新型内容

本实用新型的目的在于一种混凝土结构耐久性监测装置，旨在解决现有混凝土结构腐蚀监测传感器所存在的不足。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种混凝土结构耐久性监测装置，包括参比电极、工作电极、辅助电极、绝缘环和密封层，工作电极和辅助电极均呈环状，辅助电极、绝缘环和工作电极由上至下套设在参比电极的外壁上，辅助电极、绝缘环和工作电极的外露部分包覆有透水保护层，透水保护层与参比电极的外壁固定连接，以将辅助电极、绝缘环和工作电极固定在参比电极的外壁上，密封层包覆在参比电极的顶端，且与透水保护层接触，参比电极连接有第一导线，工作电极连接有第二导线，辅助电极连接有第三导线，第一导线、第二导线和第三导线汇集后，从下至上贯穿密封层并伸出于密封层外部。

进一步地，参比电极包括下端开口的聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管内填充有KCl凝胶电解质层和多孔硅藻土封堵层，聚四氟乙烯管内中轴线处设有Ag/AgCl探针，Ag/AgCl探针的顶端与第一导线连接，聚四氟乙烯管顶部中心处设有防水接口，防水接口的顶端贯穿密封层并伸出于密封层外部，第二导线和第三导线穿过聚四氟乙烯管侧壁与第一导线汇集后，从防水接口穿出至聚四氟乙烯管外部。

进一步地，聚四氟乙烯管包括管壁，管壁内设有容纳腔，且其下端设有与容纳腔连通的开口，管壁的下端可拆卸连接有用于封口的管帽，管壁的外侧面上设有两个与容纳腔连通的通线孔，其内侧面上也设有与容纳腔连通的通线孔，第二导线和第三导线分别穿过管壁外侧面上的两个通线孔后伸入容纳腔内，并穿过管壁内侧面上的通线孔后与第一导线汇集，容纳腔内填充有环氧树脂。

进一步地，辅助电极为具有化学惰性的MMO钛基混合金属氧化物阳极网。

进一步地，透水保护层的厚度为1～2cm，和/或，透水保护层为高渗透性混凝土层。

进一步地，透水保护层的下端面与参比电极的下端面平齐，透水保护层与密封层的高度之和小于等于120mm。

进一步地，透水保护层的横截面直径与密封层的横截面直径相等，透水保护层的横截面直径小于等于50mm。

进一步地，密封层为环氧树脂层。

进一步地，绝缘环为橡胶绝缘环。

进一步地，管壁与管帽螺纹连接。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：采用包裹式套筒结构，使得整体体型小巧，安装方便，对混凝土结构影响较小，尤其适用于海港工程混凝土结构耐久性监测；基于腐蚀检测中的电流阶跃技术，引入三电极体系，可排除用于腐蚀检测中钢筋面积不确定导致的电流流失、监测数据不稳定的干扰，实现对极化电阻的精准测量，测量稳定性好，可评估混凝土结构的腐蚀状况；最外层为透水保护层和密封层，位于上部的密封层可以消除由于被测混凝土构件钻孔导致离子和水渗透的纵向干扰，位于下部的透水保护层可保证本实用新型混凝土结构耐久性监测装置与旧混凝土间的离子与水的横向传输，保证监测数据的准确性，以提高本实用新型作为后装式腐蚀监测装置的监测准确性，同时，在本实用新型作为预埋式腐蚀监测装置时，透水保护层与密封层均为绝缘层，可直接将本实用新型固定在混凝土构件的钢筋上，安装较为简便快捷，因此本实用新型可满足作为预埋式腐蚀监测装置和后装式腐蚀监测装置的使用要求，使用范围广。

附图说明

图1为本实用新型混凝土结构耐久性监测装置的剖视图；

图2为本实用新型混凝土结构耐久性监测装置的俯视图。

图中，1-参比电极，11-聚四氟乙烯管，111-管壁，112-管帽，113-环氧树脂，12-KCl凝胶电解质层，13-多孔硅藻土封堵层，14-Ag/AgCl探针，15-防水接口，2-工作电极，3-辅助电极，4-绝缘环，5-密封层，6-透水保护层，7-第二导线，8-第三导线。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

请参阅图1，图1为本实用新型混凝土结构耐久性监测装置的剖视图，图2为本实用新型混凝土结构耐久性监测装置的俯视图。一种混凝土结构耐久性监测装置，内部含有由参比电极1、工作电极2、辅助电极3构成的三电极体系，可精确测量钢筋的腐蚀速率，可满足对混凝土构件腐蚀电位即腐蚀电流的检测，外部由上部的密封层5和下部的透水保护层6构成，可排除纵向离子干扰，保证监测数据的准确性。

具体地，工作电极2和辅助电极3均呈环状，工作电极2采用与被测混凝土构件内钢筋同材质的钢材制成。辅助电极3为具有化学惰性的MMO钛基混合金属氧化物阳极网。辅助电极3、绝缘环5和工作电极2由上至下套设在参比电极1的外壁上，工作电极2与辅助电极3之间由绝缘环5隔开，工作电极2、辅助电极3和绝缘环5的内壁均与参比电极1的外壁接触。在一实施例中，绝缘环5为橡胶绝缘环。

辅助电极3、绝缘环5和工作电极2的外露部分包覆有透水保护层6，透水保护层6与参比电极1的外壁固定连接，以将辅助电极3、绝缘环5和工作电极2固定在参比电极1的外壁上，使得参比电极1的底部外露，在监测过程中，便于参比电极1与被测混凝土结构的混凝土接触，以获取监测数据。透水保护层6具有高渗透性，可保证离子和水横向自由渗透、扩散，保证监测数据的准确性。在一实施例中，透水保护层6的厚度为1～2cm，和/或，透水保护层6为高渗透性混凝土层。密封层5包覆在参比电极1的顶端，且与透水保护层6接触，密封层5可以消除由于被测混凝土构件钻孔导致离子和水渗透的纵向干扰，进一步保证监测数据的准确性。在一实施例中，密封层5为环氧树脂层。参比电极1连接有第一导线，工作电极2连接有第二导线7，辅助电极3连接有第三导线8，第一导线、第二导线7和第三导线8汇集后，从下至上贯穿密封层5并伸出于密封层5外部，用于与外部仪器连接。本实用新型混凝土结构耐久性监测装置采用包裹式套筒结构，使得整体体型小巧，安装方便，对混凝土结构影响较小。在一实施例中，透水保护层6的下端面与参比电极1的下端面平齐，透水保护层6与密封层5的高度之和小于等于120mm。透水保护层6的横截面直径与密封层5的横截面直径相等，透水保护层6的横截面直径小于等于50mm。

在一实施例中，参比电极1包括下端开口的聚四氟乙烯管11，聚四氟乙烯管11由聚四氟乙烯制成，聚四氟乙烯管11内填充有KCl凝胶电解质层12和多孔硅藻土封堵层13，KCl凝胶电解质层12由KCl凝胶电解质构成，多孔硅藻土封堵层13由多孔硅藻土制成，多孔硅藻土为现有产品，多孔硅藻土封堵层13与聚四氟乙烯管11间的间隙涂环氧树脂密封。聚四氟乙烯管11内中轴线处设有Ag/AgCl探针14，Ag/AgCl探针14的顶端与第一导线连接，聚四氟乙烯管11顶部中心处设有防水接口15，防水接口15的顶端贯穿密封层5并伸出于密封层5外部，第二导线7和第三导线8穿过聚四氟乙烯管11侧壁与第一导线汇集后，从防水接口15穿出至聚四氟乙烯管11外部。参比电极1为含有KCl凝胶电解质的Ag/AgCl电极，具有长效性和高稳定性。透水保护层6将辅助电极3、绝缘环5和工作电极2固定在聚四氟乙烯管11上。在一实施例中，聚四氟乙烯管11包括管壁111，管壁111内设有容纳腔，且其下端设有与容纳腔连通的开口，管壁111的下端可拆卸连接有用于封口的管帽112，优选地，管壁111与管帽112螺纹连接，管壁111与管帽112连接使得容纳腔密封。管壁111的外侧面上设有两个与容纳腔连通的通线孔，其内侧面上也设有与容纳腔连通的通线孔，第二导线和第三导线分别穿过管壁111外侧面上的两个通线孔后伸入容纳腔内，并穿过管壁111内侧面上的通线孔后与第一导线汇集，容纳腔内填充有环氧树脂13。管壁111内设有容纳腔，便于设置第二导线7和第三导线8，并且在容纳腔内填充环氧树脂13，保证密封性。

本实用新型还提供了一种混凝土结构耐久性监测装置的监测过程如下：

首先，组装本实用新型混凝土结构耐久性监测装置，本实用新型混凝土结构耐久性监测装置的组装过程为：将工作电极2、绝缘环5和辅助电极3依次安装在聚四氟乙烯管11之后，第二导线7和第三导线8分别穿过管壁111外侧面上的两个通线孔后伸入容纳腔内，然后穿过管壁111内侧面上的通线孔后与第一导线汇集后形成导线引出端，导线引出端从聚四氟乙烯管11顶部的防水接口引出至聚四氟乙烯管11外侧，往聚四氟乙烯管11内填充KCl凝胶电解质层12和多孔硅藻土封堵层13，使得Ag/AgCl探针14位于聚四氟乙烯管11的中轴线处，然后往容纳腔内填充环氧树脂，将管帽112安装在管壁111上，管帽112与多孔硅藻土封堵层13之间用环氧树脂密封，然后在工作电极2、绝缘环5和参比电极1共同形成的外侧浇筑一层透水保护层6，在参比电极1的顶部用密封层5进行密封。

组装完成后，若用于在役钢筋混凝土结构时，在被测混凝土结构表面钻孔，钻孔的孔径与本实用新型混凝土结构耐久性监测装置的横截面直径相配适，然后将本实用新型混凝土结构耐久性监测装置塞入钻孔内，使导线引出端外露，用适量砂浆密封住被测混凝土结构表面留下的孔洞即可；若用于预埋钢筋混凝土结构时，只需将本实用新型混凝土结构耐久性监测装置安装固定在被测混凝土结构的混凝土保护层处，与钢筋面垂直，将导线引出端引出即可。然后通过外部接入的仪器终端在辅助电极3和工作电极2间施加恒电流脉冲，监测钢筋混凝土结构内部工作电极2与参比电极1之间的极化电位数据，对获取的极化电位数据进行分析，根据极化电位数据随时间变化关系，得到恒电流脉冲响应的极化电位随时间变化的曲线。

基于得到的极化电位随时间变化的曲线，在施加恒电流脉冲下，钢筋极化电位U_t与时间t的变化关系可用公式(1)表达：

公式(1)中，U_t为极化电位，I_app为施加的恒电流脉冲，R_p为极化电阻，C_dl为双电层电容，R_Ω为欧姆电阻；

然后将公式(1)用线性关系表达，可转换为：

公式(2)中，U_max为长时间极化后工作电极2达到的稳态点位；

当t＝0时，使用最小二乘法线性回归分析，可得到相应的斜率

和截距值ln(I_app*R_p)，即可求出极化电阻R_p的值。

在根据Stern Geary公式计算得到腐蚀电流密度I_corr：

公式(3)中，B为经验常数，对于活化的已腐蚀钢筋，B取值25mV，对于钝化的钢筋，B取值50mV，Corrosion为年化腐蚀速率，A为工作电极2与辅助电极3的表面积之比，其中对于活化的已腐蚀钢筋和钝化钢筋的判断，可根据电流跃阶下的响应曲线，确定初始电位是否小于钢筋的腐蚀电位，来确定钢筋是否发生腐蚀。

弹簧根据法拉第定律，将腐蚀电流密度I_corr换算为腐蚀速度Corrosion，根据已知的1μA/cm²的碳钢的截面积损失约为11.6μm/a，因此，按下列公式(4)计算得到目前工作电极2所在位置的年化腐蚀速度Corrosion：

Corrosion＝11.6*I_corr/A (4)

根据计算得到年化腐蚀速率，若年化腐蚀速率在某一时刻急剧增加时，说明工作电极2所在位置的钢筋发生腐蚀，当年化腐蚀速度越来越大，达到一定程度，说明被测混凝土构件的使用寿命到期了，不能再使用。因此可以基于得年化腐蚀速率大小来确定被测混凝土构件的耐久性，具体地，预先设定一个临界阈值，然后在监测过程中，判断年化腐蚀速率是否大于预设的临界阈值，若是，则说明被测混凝土构件的使用寿命到了，不能再使用，以此确定被测混凝土构件的耐久性。利用电流阶跃技术，测量与分析钢筋极化电位与时间的变化关系，监测钢筋腐蚀状况，在年化腐蚀速率计算公式引入工作电极2与辅助电极3的表面积之比A，不需要外部确定单位监测面积内的钢筋面积，避免了在极化过程中，施加在钢筋上的电流易顺着钢筋流失导致监测数据不准确的影响，因此，计算得到的年化腐蚀速率更为科学、准确。从而确认被测混凝土结构的耐久性也更为科学、准确。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：采用包裹式套筒结构，使得整体体型小巧，安装方便，对混凝土结构影响较小，尤其适用于海港工程混凝土结构耐久性监测；基于腐蚀检测中的电流阶跃技术，引入三电极体系，可排除用于腐蚀检测中钢筋面积不确定导致的电流流失、监测数据不稳定的干扰，实现对极化电阻的精准测量，测量稳定性好，可评估混凝土结构的腐蚀状况；最外层为透水保护层6和密封层5，位于上部的密封层5可以消除由于被测混凝土构件钻孔导致离子和水渗透的纵向干扰，位于下部的透水保护层6可保证本实用新型混凝土结构耐久性监测装置与旧混凝土间的离子与水的横向传输，保证监测数据的准确性，以提高本实用新型作为后装式腐蚀监测装置的监测准确性，同时，在本实用新型作为预埋式腐蚀监测装置时，透水保护层6与密封层5均为绝缘层，可直接将本实用新型固定在混凝土构件的钢筋上，安装较为简便快捷，因此本实用新型可满足作为预埋式腐蚀监测装置和后装式腐蚀监测装置的使用要求，使用范围广。

本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种混凝土结构耐久性监测装置，其特征在于，包括参比电极、工作电极、辅助电极、绝缘环和密封层，所述工作电极和辅助电极均呈环状，所述辅助电极、绝缘环和工作电极由上至下套设在参比电极的外壁上，所述辅助电极、绝缘环和工作电极的外露部分包覆有透水保护层，所述透水保护层与参比电极的外壁固定连接，以将辅助电极、绝缘环和工作电极固定在参比电极的外壁上，所述密封层包覆在参比电极的顶端，且与透水保护层接触，所述参比电极连接有第一导线，所述工作电极连接有第二导线，辅助电极连接有第三导线，所述第一导线、第二导线和第三导线汇集后，从下至上贯穿密封层并伸出于密封层外部。

2.根据权利要求1所述的混凝土结构耐久性监测装置，其特征在于，所述参比电极包括下端开口的聚四氟乙烯管，所述聚四氟乙烯管内填充有KCl凝胶电解质层和多孔硅藻土封堵层，所述聚四氟乙烯管内中轴线处设有Ag/AgCl探针，所述Ag/AgCl探针的顶端与第一导线连接，所述聚四氟乙烯管顶部中心处设有防水接口，所述防水接口的顶端贯穿密封层并伸出于密封层外部，所述第二导线和第三导线穿过聚四氟乙烯管侧壁与第一导线汇集后，从所述防水接口穿出至聚四氟乙烯管外部。

3.根据权利要求2所述的混凝土结构耐久性监测装置，其特征在于，所述聚四氟乙烯管包括管壁，所述管壁内设有容纳腔，且其下端设有与容纳腔连通的开口，所述管壁的下端可拆卸连接有用于封口的管帽，所述管壁的外侧面上设有两个与容纳腔连通的通线孔，其内侧面上也设有与容纳腔连通的通线孔，所述第二导线和第三导线分别穿过管壁外侧面上的两个通线孔后伸入容纳腔内，并穿过所述管壁内侧面上的通线孔后与第一导线汇集，所述容纳腔内填充有环氧树脂。

4.根据权利要求1所述的混凝土结构耐久性监测装置，其特征在于，所述辅助电极为具有化学惰性的MMO钛基混合金属氧化物阳极网。

5.根据权利要求1所述的混凝土结构耐久性监测装置，其特征在于，所述透水保护层的厚度为1～2cm，和/或，所述透水保护层为高渗透性混凝土层。

6.根据权利要求1所述的混凝土结构耐久性监测装置，其特征在于，所述透水保护层的下端面与参比电极的下端面平齐，所述透水保护层与密封层的高度之和小于等于120mm。

7.根据权利要求1所述的混凝土结构耐久性监测装置，其特征在于，所述透水保护层的横截面直径与密封层的横截面直径相等，所述透水保护层的横截面直径小于等于50mm。

8.根据权利要求1所述的混凝土结构耐久性监测装置，其特征在于，所述密封层为环氧树脂层。

9.根据权利要求1所述的混凝土结构耐久性监测装置，其特征在于，所述绝缘环为橡胶绝缘环。

10.根据权利要求3所述的混凝土结构耐久性监测装置，其特征在于，所述管壁与管帽螺纹连接。

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