申请/专利权人：中交四航工程研究院有限公司;中交第四航务工程局有限公司;广州港湾工程质量检测有限公司

申请日：2019-04-10

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN110031390B

主分类号：G01N17/02

分类号：G01N17/02;G01N17/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2019.08.13#实质审查的生效;2019.07.19#公开

摘要：本发明公开了一种原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置及方法，该装置包括：一由塑性可变形材料制成的柱形壳体、一膨胀胶塞、一参比电极及若干与结构钢筋同材质的工作电极，工作电极外部包覆有绝缘橡胶圈，柱形壳体具有用于旋入膨胀胶塞的向上开口的倒锥形胶塞孔、可安置参比电极的条形凹槽、多个位于同一竖直面上且相互独立的工作电极孔，条形凹槽的盲端及工作电极孔的盲端开设有导线孔分别用于引出参比电极线及工作电极线，参比电极线与工作电极线电路连接至传感器电路。本发明具有微型化、安装简便、长效、经济适用等特点。

主权项：1.一种原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置，其特征在于包括：一由塑性可变形材料制成的柱形壳体、一膨胀胶塞、一参比电极及若干与结构钢筋同材质的工作电极，工作电极外部包覆有绝缘橡胶圈，柱形壳体具有用于旋入膨胀胶塞的向上开口的倒锥形胶塞孔、可安置参比电极的条形凹槽、多个位于同一竖直面上且相互独立的工作电极孔，条形凹槽的盲端及工作电极孔的盲端开设有导线孔分别用于引出参比电极线及工作电极线，参比电极线与工作电极线电路连接至传感器电路。

全文数据：一种原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置及方法技术领域本发明涉及钢筋混凝土结构物腐蚀和防护技术领域，特别涉及一种对氯盐腐蚀条件下在役钢筋混凝土结构耐久性进行评价与剩余寿命预测的装置。技术背景钢筋混凝土结构得益于材质坚固、施工简便的优势，目前在各种基础设施如道路、桥梁、码头、隧道等中得到广泛应用。但是，钢筋混凝土结构面临着多种多样的严酷的腐蚀环境，特别是氯盐腐蚀条件下的钢筋混凝土设施处于严苛的腐蚀环境中，环境中氯离子侵入引发钢筋腐蚀进而导致混凝土开裂，从而致使结构物长期服役性能劣化，造成结构物安全性及使用性显著下降。另外，腐蚀也造成较大的经济损失。Sitter教授采用“五倍定律”客观的地描述了钢筋混凝土结构耐久性维护与经济损失之间的关系：结构设计时错误减少钢筋防护投入1美元，则钢筋发生锈蚀时所需维修费增加5美元，混凝土表面出现开裂时所需维修费增加25美元，混凝土完全破坏时所需维修费增加125美元。“五倍定律”同时也侧面反映出如果能通过实时监测混凝土中钢筋的锈蚀状况而及时采取对应的维修措施，将能够在保持建筑物安全运行的同时有效地降低维护成本。因此，从结构物安全运行及降低经济损失两个方面讲，有必要对钢筋混凝土结构耐久性进行实时有效的监测及对安全服役剩余使用寿命进行准确评估。传统的诊断方法主要是通过定期的工程现场实体结构取样检测，获得耐久性相关的数据并进行分析评估，但是此方法工作量大、实施周期长、检测效率低，且无法实现实时监测，并由于取样检测对结构存在微破损，存在影响结构安全性及美观性的问题。因而找到一种能够埋到混凝土内部，合理的、长效的、实时快速地反映和预测混凝土内部钢筋锈蚀状态的监测系统，对于结构进行耐久性评估诊断，预测钢筋何时锈蚀，确定耐久性修复与否，以便有效地延长混凝土的服役年限或保障结构达到预期的设计使用年限，确保工程安全及减少维修费用有重要的意义。耐久性传感器技术的发展为保障钢筋混凝土结构物的安全使用提供重要作用。目前市场上较为成熟的混凝土耐久性监测传感器主要有阳极梯及ECI等。但上述传感器是需要预先埋置才能起到作用。而对于在役结构则不具有适用性。为了监测在役钢筋混凝土结构的耐久性状况，需要研发相对应的后装式腐蚀监测系统。德国Sensortec公司生产的膨胀环阳极，是首款后装式传感器，由分离的阳极环和阴极棒组成，采用外部钻孔方式安装。膨胀环阳极传感器的缺点是阴极和阳极需要分别安装，并且阴极参比电极需要砂浆封孔，在一定程度上影响测试结果。丹麦FORCETechnology公司推出CorroRisk型传感器也可用于在役钢筋混凝土结构耐久性监测，缺点是需要8个阳极和一个组合电极组成一套，所需转孔数量多，影响结构物外观。此几种传感器均由监测不同深度钢筋探测器的腐蚀电位值，来反推不同深度问题钢筋周围的氯离子浓度，进而通过寿命预测模型来进行剩余寿命预测，然而，研究表明引起钢筋腐蚀的氯离子浓度值是一个范围，不是一个准确值，且不同材质的钢筋其引起钢筋修饰的氯离子浓度值也是不一样的，以上后装型传感器阳极材料与在役钢筋混凝土结构中所使用钢筋材质不同，不能真实准确的反映结构中钢筋的腐蚀状况，因此，以此为基础进行的剩余寿命预存在不准确、不科学的问题，因而对结构的安全使用评估存在偏差。另外，其传感器的长效性也备受质疑。我国国内尚缺乏后装式腐蚀监测系统相关的研发。在氯盐腐蚀条件下钢筋混凝土结构耐久性寿命预测领域，国内外已有相当研究，如公开号为CN106990032A的专利介绍了一种利用电极腐蚀电位预测结构物耐久性的方法，也出台了相应的行业规范如《港口水工建筑物检测与技术评估规范》JTJ302-2006。但是通过这些寿命预测模型进行剩余寿命预测一般基于定期的工程现场实体结构取样检测数据，通过传感器监测耐久性数据进行分析评估目前尚未得到应用，究其原因为现有耐久性传感器监测数据的科学、合理、长效性等存在质疑。我国拥有大量氯盐腐蚀条件下的在役海港码头、跨海大桥、过江通道，以及滨海地铁、综合管廊、地下空间等结构物，为了保障这些在役基础设施的安全使用寿命，避免安全事故，是运营维护环节中重要的内容之一，因而对后装式耐久性传感器具有巨大需求。因此，研究寿命预测准确度高、长效、安装简便、经济适用的后装式耐久性装置及配套的剩余寿命预测方法具有重大意义。发明内容本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种可对氯盐腐蚀条件下在役钢筋混凝土结构耐久性进行评价与剩余寿命预测的后装式传感装置。为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置，其包括：一由塑性可变形材料制成的柱形壳体、一膨胀胶塞、一参比电极及若干与结构钢筋同材质的工作电极，工作电极外部包覆有绝缘橡胶圈，柱形壳体具有用于旋入膨胀胶塞的向上开口的倒锥形胶塞孔、可安置参比电极的条形凹槽、多个位于同一竖直面上且相互独立的工作电极孔，条形凹槽的盲端及工作电极孔的盲端开设有导线孔分别用于引出参比电极线及工作电极线，参比电极线与工作电极线电路连接至传感器电路。具体来说，工作电极孔在竖直方向上间隔均匀。作为优选方案，所述胶塞孔位于柱形壳体的中心，为开口向上的盲孔。作为优选方案，所述条形凹槽开口于柱形壳体侧面，参比电极安置于条形凹槽内且突出于柱形壳体外侧表面。一种原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的方法，其包括以下步骤：1组装如上任一所述的原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置，将AgAgCl参比电极安置在条形凹槽内，参比电极线由导线孔引出；工作电极包覆绝缘橡胶圈后塞入工作电极孔内，工作电极线由导线孔引出；2在在役钢筋混凝土结构物表面钻孔，孔径与原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置的外壳尺寸适配，将组装好电极的原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置塞入钻孔内，使导线引出端外露，将膨胀胶塞旋入胶塞孔中使工作电极与在役钢筋混凝土紧密接触；3通过钢筋锈蚀电位仪监测与在役钢筋混凝土结构物表面呈垂直梯度分布的多个工作电极与AgAgCl参比电极之间的电位，根据与在役钢筋混凝土结构物中的钢筋距离相近的工作电极的电位直接判断在役钢筋混凝土结构物中氯离子的渗透状况；4在判断在役钢筋混凝土结构物中氯离子渗透状况的基础上，以刚发生锈蚀的工作电极距离在役钢筋混凝土结构物保护层表面的距离记为drcm，以混凝土浇筑到工作电极锈蚀的时间记为trcm，以在役钢筋混凝土结构物中保护层厚度为d，根据式1计算在役混凝土结构物的剩余使用寿命trem，其中m为扩散系数的龄期衰减系数,取值由式2计算：其中FA和SG分别为粉煤灰和矿渣粉在胶凝材料中的质量百分比。由于本申请中所述耐久性传感器采用了与结构钢筋同样材质的钢筋工作电极，在剩余寿命预测公式中，不必反映出其他类似耐久性传感器的不是确定数值的引起钢筋锈蚀氯离子浓度值，因此，基于此进行的剩余寿命预测更为科学、准确。本发明不仅开发了具有微型化、安装简便、长效、经济适用特点的后装式耐久性传感器，而且提出了一整套配套的高准确度的对氯盐侵蚀条件下在役钢筋混凝土结构耐久性评估及剩余寿命预测方法。附图说明：图1为本发明原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置的立面结构示意图。图2为本发明原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置的俯视结构示意图。其中，壳体1，胶塞孔11，凹槽12，第一导线孔13，第二导线孔14，AgAgCl参比电极2，参比电极导线21，膨胀胶塞3，橡胶圈4，工作电极5、工作电极导线51。具体实施方式：本发明所述的一种原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置如图1所示，包括由塑性可变形材料制成的圆柱形壳体1、膨胀胶塞3、AgAgCl参比电极2及若干与结构钢筋同材质的工作电极5，工作电极5外部包覆有绝缘橡胶圈4。圆柱形壳体中心开设有开工向上的，用于旋入膨胀胶塞3的倒锥形胶塞孔13；壳体侧面设有开口向外侧的用于安置AgAgCl参比电极的条形凹槽12；与凹槽相对的另一面开有多个开口向外的工作电极孔，工作电极孔位于同一竖直面上呈梯度分布且相互独立，用于安置工作电极5。条形凹槽的盲端开设有第二导线孔14，工作电极孔的盲端开设有第一导线孔13，分别用于引出参比电极导线21及工作电极导线51，参比电极导线与工作电极导线电路连接至传感器电路。具体实施方法如下：1组装如图1所示的原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置。传感器外壳的制备：采用聚丙烯材料，制作圆柱形壳体，壳体开设胶塞孔11、凹槽12、第一导线孔13、第二导线孔14及工作电极孔。膨胀胶塞采用市场通用的聚丙烯膨胀胶塞；钢筋工作电极的制备：采用与在役钢筋混凝土结构物中所使用同材质钢筋，打磨直径为8mm、长度5mm的圆柱形钢筋工作电极，一端连接铜导线，另一端打磨抛光，而后用厚度1mm的橡胶圈包覆，目的是在保证钢筋工作电极与钢筋混凝土结构物紧密接触的同时防止不同钢筋工作电极之间的相互干扰。参比电极的制备：采用阳极氯化法所制备AgAgCl电极，经打磨、抛光、超声清洗后放入电镀溶液为0.1molL的HCl溶液中，采用电化学工作站进行阳极极化，控制电流密度为1mAcm2，通电时间为1h；组装：将AgAgCl参比电极安放在传感器一侧长方形凹槽内，参比电极导线由第二导线孔穿出；钢筋工作电极外侧包覆橡胶圈安放于工作电极孔内，工作电极导线由第一导线孔穿出，参比电极外侧突出于传感器外壳，以便与混凝土接触。2在在役钢筋混凝土结构物表面钻孔，孔径与原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置的外壳尺寸适配，将组装好电极的原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置塞入钻孔内，使导线引出端外露，将膨胀胶塞旋入胶塞孔中使工作电极与在役钢筋混凝土紧密接触。3通过钢筋锈蚀电位仪监测与在役钢筋混凝土结构物表面呈垂直梯度分布的多个工作电极与AgAgCl参比电极之间的电位，根据与在役钢筋混凝土结构物中的钢筋距离相近的工作电极的电位直接判断在役钢筋混凝土结构物中氯离子的渗透状况。4在判断在役钢筋混凝土结构物中氯离子渗透状况的基础上，以刚发生锈蚀的工作电极距离保护层表面的距离记为drcm，以混凝土浇筑到工作电极锈蚀的时间记为trcm，以在役钢筋混凝土结构物中保护层厚度为d，根据式1计算在役混凝土结构物的剩余使用寿命trem，其中m为扩散系数的龄期衰减系数,取值由式2计算：其中FA和SG分别为粉煤灰和矿渣粉在胶凝材料中的质量百分比。本发明在判断在役钢筋混凝土结构中氯离子渗透状况的基础上，通过将传感器中梯度分布的钢筋电极电位与氯盐侵蚀条件下钢筋混凝土剩余寿命分析系统相结合，预测在役钢筋混凝土结构剩余寿命。由于本耐久性传感器采用了与结构钢筋同样材质的钢筋工作电极，在剩余寿命预测公式中，不必反映出其他类似耐久性传感器的不是确定数值的引起钢筋锈蚀氯离子浓度值，因此，基于此进行的剩余寿命预测更为科学、准确。

权利要求：1.一种原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置，其特征在于包括：一由塑性可变形材料制成的柱形壳体、一膨胀胶塞、一参比电极及若干与结构钢筋同材质的工作电极，工作电极外部包覆有绝缘橡胶圈，柱形壳体具有用于旋入膨胀胶塞的向上开口的倒锥形胶塞孔、可安置参比电极的条形凹槽、多个位于同一竖直面上且相互独立的工作电极孔，条形凹槽的盲端及工作电极孔的盲端开设有导线孔分别用于引出参比电极线及工作电极线，参比电极线与工作电极线电路连接至传感器电路。2.根据权利要求1所述的原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置，其特征在于：工作电极孔在竖直方向上间隔均匀。3.根据权利要求1所述的原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置，其特征在于：所述胶塞孔位于柱形壳体的中心，为开口向上的盲孔。4.根据权利要求1所述的原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置，其特征在于：所述条形凹槽开口于柱形壳体侧面，参比电极安置于条形凹槽内且突出于柱形壳体外侧表面。5.一种原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的方法，其特征在于：包括以下步骤：1组装如权利要求1～4任一所述的原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置，将AgAgCl参比电极安置在条形凹槽内，参比电极线由导线孔引出；工作电极包覆绝缘橡胶圈后塞入工作电极孔内，工作电极线由导线孔引出；2在在役钢筋混凝土结构物表面钻孔，孔径与原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置的外壳尺寸适配，将组装好电极的原位评估在役钢筋混凝土结构耐久性的装置塞入钻孔内，使导线引出端外露，将膨胀胶塞旋入胶塞孔中使工作电极与在役钢筋混凝土紧密接触；3通过钢筋锈蚀电位仪监测与在役钢筋混凝土结构物表面呈垂直梯度分布的多个工作电极与AgAgCl参比电极之间的电位，根据与在役钢筋混凝土结构物中的钢筋距离相近的工作电极的电位直接判断在役钢筋混凝土结构物中氯离子的渗透状况；4在判断在役钢筋混凝土结构物中氯离子渗透状况的基础上，以刚发生锈蚀的工作电极距离在役钢筋混凝土结构物保护层表面的距离记为drcm，以混凝土浇筑到工作电极锈蚀的时间记为trcm，以在役钢筋混凝土结构物中保护层厚度为d，根据式1计算在役混凝土结构物的剩余使用寿命trem，其中m为扩散系数的龄期衰减系数,取值由式2计算：其中FA和SG分别为粉煤灰和矿渣粉在胶凝材料中的质量百分比。

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