CN101943655A - 一种钢筋混凝土在线腐蚀检测仪及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于圆盘电极的钢筋混凝土腐蚀在线检测仪，该在线检测仪包括极化回路(2)和电流约束回路(3)，圆盘电极(1)包括参比电极RE1、RE2和RE3，辅助电极CE(13)和圆环电极GE(17)，极化回路(2)通过圆盘电极(1)中的辅助电极CE(13)和参比电极RE1对混凝土中的钢筋进行极化，同时电流约束回路(3)通过圆环电极GE(17)以及参比电极RE2与RE3间的电位差对极化电流进行约束，将极化电流限制在辅助电极CE(13)的投影区。本发明还提出了一种应用上述检测仪进行混凝土结构内钢筋锈蚀速率测量的方法。本发明提高了混凝土结构内钢筋锈蚀速率测量精度；避免了电流过约束或欠约束引起的测量误差。

Description

一种钢筋混凝土在线腐蚀检测仪及方法 

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土在线腐蚀检测领域，特别是涉及一种基于自适应电流约束的钢筋混凝土腐蚀在线检测仪，是一种无需破坏混凝土结构、直接测量混凝土结构中钢筋锈蚀状态的便携式腐蚀检测仪，适用于已建混凝土工程的腐蚀调查、阻锈剂效率以及阴极保护效果的在线评价。 

背景技术

钢筋混凝土的健康状态直接关系到桥梁、码头、高速公路等大型建筑结构的安全和耐久性，因此钢筋锈蚀状态的在线监测已成一个十分重要的工程问题。混凝土结构的早期失效是由Cl^-离子侵入和混凝土碳化引起的，而钢筋腐蚀是第一因素，且最为直接和严重。海工建筑中由于Cl^-的渗透超过临界浓度后，造成钢筋锈蚀，腐蚀产物体积膨胀使混凝土保护层出现顺筋开裂，严重时混凝土保护层会完全脱落，反过来加速钢筋锈蚀。 

混凝土工程的防蚀措施包括使用阻锈剂和阴极保护，然而这些防护措施一直没有好的在线评价方法。钢筋锈蚀是一个电化学为主的过程，但现行诸多监测方法需要在混凝土结构中埋入探头，不能对已建工程实施在线无损监测。而采用线性极化或电化学阻抗进行腐蚀监测时，由于极化电流在钢筋表面分布不均匀和极化面积不确定，导致腐蚀速率测量值的可信度较低。 

混凝土钢筋腐蚀检测的关键是作为工作电极的钢筋极化面积的确定，由于工程结构中所有钢筋通过钢筋扎互连在一起，形成为一个电连接且与大地相连的钢筋网架，所以很难确定实际工程中钢筋极化面积。对此有人提出了护环电极法(Guard Ring electrode method，GRM)来约束辅助电极的极化电流，使极化面积限定在特定范围，但是该技术是基于完全电流约束实现的，且没有根据混凝土电阻率和钢筋锈蚀状态进行自适应调整，导致现场测试中经常出现电流的过约束或欠约束。美国专利5,259,944是关于护环电极腐蚀监测的专利，其内部电路采用全补偿模式，没有根据不同混凝土体系进行护环电极电流约束的自动调整，根据该专利形成的国外某型商品仪器在建筑施工质量监理中测得的结果偏差大，远离真实值。 

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于自适应电流约束的高精度钢筋混凝土腐蚀检测方法及其实现，通过监测额外增加的两个参比电极RE2、RE3之间的电位差，对电流约束回路的反馈系数进行自适应调整，来实现极化回路电流的准确约束，使极化电流的电力线准确限制在辅助电极投影面区域内，解决了护环电极对辅助电极极化电流过分约束或欠约束引起的测量误差，提高了混凝土中钢筋腐蚀速率测量的准确度。 

基于恒电位极化方法，对混凝土内一定区域内的钢筋施加一恒定的极化电位，同时测定钢筋的极化电流，当电流稳定后，读取该电流值，并借助Stern公式计算出单位面积上的极化电阻和钢筋腐蚀速率，技术方案的关键是如何将极化电流约束在限定的钢筋表面。 

钢筋混凝土腐蚀检测仪，包括护环圆盘电极、极化回路、电流约束回路、单片机、自动量程选择、实时时钟、数据存储器和电源模块。 

所述护环圆盘电极用于极化电流的约束，该护环圆盘电极包括3个参比电极RE1、RE2、RE3(由饱和Cu/CuSO₄、Ag/AgCl或MnO₂电极组成)，一个辅助电极CE和一个圆环电极GE，CE与GE电极同轴放置并镶嵌在绝缘圆盘内，CE电极的正中有一小孔用于放置参比电极RE1，二者与钢筋一起构成极化回路输入端；在绝缘圆盘的CE与GE之间等距离开两小孔，用于***RE2、RE3，并与GE组成电流约束回路输入端。 

所述极化回路用于对钢筋进行电位或电流极化，该极化回路包括电压跟随器A1，加法器A2，电流取样放大器A3和数模转换器D/A1，D/A1的输出信号可以是方波、三角波或正弦波，并借助A2对钢筋进行极化，同时通过A1和A2测量响应电压V₁与电流信号I₁。 

所述电流约束回路用于约束极化电流，其包括差分放大器A4，加法器A5和模数转换器D/A2。通过A4测量RE2、RE3之间的电势差V₂，并借助A5输出约束电流，从而将极化回路的极化电流限制在CE电极投影区内。 

所述检测仪还包括单片机，该单片机内置的双路DA转换器进行信号输出，内置多路A/D转换器进行信号采样；并计算电流约束系数和腐蚀速率，由外部存储器储存测量结果，并在需要时通过USB接口将数据传送到上位机数据库中；使用外部键盘和液晶显示屏进行人机交互。 

所述检测仪还包括数据存储器、电源模块、充电电池、USB通信接口、键盘、液晶 显示屏，如附图1。检测仪密封在IP65防护等级的机箱内，其中的单片机分别连接所述极化回路、电流约束回路、实时时钟、数据存储器、USB通讯接口、自动量程选择模块、电源模块、键盘和液晶显示屏。极化回路和电流约束回路均通过导线连接到圆盘电极上。所述检测仪采用多种供电模式，适于野外现场使用。 

本发明的有益效果：本发明钢筋混凝土腐蚀在线检测仪采用自适应电流约束的护环电极技术，提高了混凝土中钢筋腐蚀测量的准确度，使护环电极方法测量误差范围从200％减小到20％，采用高速低功耗单片机作为信号发生、数据采集、计算和存储单元，达到了快速、准确测量钢筋腐蚀速率的目的。本发明与现有护环电极钢筋锈蚀检测装置相比，具有以下明显的优点和特点： 

1、钢筋混凝土腐蚀在线检测仪通过单片机对钢筋进行电化学极化和电流约束，使电流完全约束在限定面积之内，提高了腐蚀速率测量准确性。仪器内置实时电路、电源管理电路、USB通讯模块，以及约束系数和腐蚀速率算法，自带液晶显示屏和控制键盘，具有响应灵敏，功耗低，操作方便，便于携带的特点。 

2、通过使用RE2、RE3参比电极来监控CE电极极化电流的发散性，采用电流约束回路进行极化电流的约束，准确控制钢筋的极化面积。 

3、提出了根据钢筋自腐蚀电位E_corr和混凝土电阻率R_c计算电流约束系数λ的经验公式，对不同的混凝土腐蚀体系，自动选择合适的λ，更有效约束极化电流分布，提高了混凝土中钢筋腐蚀速率测量精度。 

附图说明

图1：钢筋混凝土腐蚀在线检测仪设计框图。 

其中，1.圆盘电极，2.极化回路，3.电流约束回路，4.自动量程选择，5.电源模块，6.单片机，7.USB通信接口，8.充电电池，9.实时时钟，10.数据存储器，11.键盘，12.液晶显示器。 

图2：钢筋混凝土腐蚀在线检测仪的护环电极结构及极化电流分布示意图。 

其中，13.辅助电极CE，14.参比电极RE1，15.参比电极RE2，16.参比电极RE3，17.护环电极GE，18.电极绝缘外壳，19.饱水海绵，20.钢筋，21.混凝土。 

图3：钢筋混凝土腐蚀在线检测仪电路工作示意图。 

图4：护环电极电流约束的无约束、欠约束、过约束及正约束示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。 

参见附图1，本发明的钢筋混凝土腐蚀在线检测仪包括：护环圆盘电极1、极化回路2、电流约束回路3、单片机6。 

如图2所示，所述护环圆盘电极用于极化电流的约束，该护环圆盘电极包括3个参比电极RE1、RE2、RE3(由饱和Cu/CuSO₄、Ag/AgCl或MnO₂电极组成)，一个辅助电极CE和一个圆环电极GE，CE与GE电极同轴放置并镶嵌在绝缘圆盘内，CE电极的正中有一直径为1～5mm的小孔用于放置参比电极RE1，二者与钢筋一起构成极化回路输入端；在绝缘圆盘的CE与GE之间等距离开两个直径为1～5mm的小孔，用于***RE2、RE3电极，并与GE组成电流约束回路输入端。测试过程中，圆盘电极与钢筋混凝土之间垫入一层饱水海绵，用于润湿混凝土。 

所述极化回路用于对钢筋进行电位或电流极化，该极化回路包括电压跟随器A1，加法器A2，电流取样放大器A3和数模转换器D/A1，D/A1的输出信号可以是方波、三角波或正弦波，并借助A2对钢筋进行极化，同时通过A1和A2测量响应电压V₁与电流信号I₁。 

所述电流约束回路用于约束极化电流，其中包括差分放大器A4，加法器A5和模数转换器D/A2。通过A4测量RE2、RE3之间的电势差V₂，并借助A5输出约束电流，从而将极化回路的极化电流I₁限制在CE电极投影区内。 

所述检测仪还包括单片机6，该单片机6使用高速低功耗C8051F型MCU，其它模块全部通过IO或模拟端口连接到单片机6并由其控制。该单片机内置的双路DA转换器进行信号输出，内置A/D转换器进行信号采样；内置算法计算电流约束系数和腐蚀速率，由外部存储器储存测量结果，并在需要时通过USB接口将数据传送到上位机数据库中；人机交互借助薄膜键盘和液晶显示屏进行。 

所述检测仪还包括数据存储器10、电源模块5、充电电池8、USB通信接口7、键盘11、液晶显示屏12，如附图1。单片机安装于IP65防护等级机箱内，并分别连接所述极化回路2、电流约束回路3、实时时钟8、数据存储器10、USB通讯接口7、自动量程选择模块4、电源模块5、键盘11和液晶显示屏12。极化回路2和电流约束回路3均通过电缆连接到圆盘电极1上。所述检测仪采用多种供电模式，适于野外使用。 

实时时钟9采用PCF8563时钟芯片；数据存储器10采用Flash存储器或铁电存储器；极化回路2和电流约束回路3的输出均由单片机6控制，对圆盘电极1的电压与电流信号采样由单片机内置的多路12～16bit、100k～1Msps A/D转换器进行。 

腐蚀速率测量原理 

本发明提出了一种基于电流约束的腐蚀测量方法，即采用护环电极对极化电流进行约束，将极化电流限制在辅助电极CE投影区域，以实现腐蚀速率的精确测量。为了精确约束极化电流，采用护环电极对CE极化电流进行约束，其原理如附图2，仪器的工作原理则如附图3。 

单片机(6)通过D/A1输出信号，并借助极化回路(2)和CE电极对钢筋实施恒电位极化。单片机(6)通过D/A2输出约束信号，借助电流约束回路(3)对极化回路的极化电流I₁进行约束，以确保I₁仅分布在X-Y区间。通过极化电位与极化电流的比值计算钢筋的锈蚀速率。 

由于RE1与钢筋(WE)之间存在混凝土欧姆降(R_c)，因此： 

$R_p=\mathrm{\γ}\×(\frac{\mathrm{\ΔE}}{I_{\mathrm{CE}}}-R_c)\×\mathrm{\π}{D}^2{L}_{X-Y}---\left(1\right)$

其中：R_p代表钢筋极化电阻，单位为Ω.cm²，γ为混凝土中钢筋的排列密度，单位：根/cm，ΔE为钢筋极化电位，D表示钢筋(附图3)的直径；L_X-Y表示X与Y距离(附图3中RE2与RE3的中点绕圆盘中心所环绕的圆环直径)，单位均为cm，I_CE：来自CE的极化电流(I_CE＝I₁)；单位：Amp。 

由Stern-Geary方程计算钢筋的腐蚀电流密度 

$i_{\mathrm{corr}}=\frac{B}{R_p}---\left(2\right)$

i_corr：钢筋腐蚀电流密度，单位为uA/cm²，B：Stern-Geary常数，单位：mV(当钢筋处于活化状态时，B值取26mV；当钢筋处于钝化状态时，B取52mV)。 

则腐蚀速率为：V＝i_corr*C，其中C为比例常数，对于碳钢C＝11.74um/a。 

在实际测量过程中，式(1)的Lx-y的长度并不确定，来自CE的电流会发散到L_X-Y区域以外(附图3)。当CE电流施加在面积极大的钢筋网架上时，电流会随与CE距离的增加而减弱乃至消失。为此，附图3中通过护环电极GE将来自CE的电流限定在CE正投影面的钢筋表面，为控制GE电流大小，采用两个额外的参比电极RE2、RE3，二者位于CE电极与GE电极之间。在GE开始极化之前，仪器先记录RE2与RE3之间的电位差 

通过电流约束回路(3)约束来自CE的电流，使之仅分布在AB区域，具体实施步骤如下： 

1、在进行极化前测量RE2、RE3之间的电势差 

2、打开极化回路(2)对混凝土中的钢筋进行恒电位极化，极化电位由D/A1输出； 

3、根据 

确定电流约束回路(3)中D/A2的输出值，并使D/A2输出电位等于 

4、打开电流约束回路(3)对极化回路电流进行补偿，保证RE2、RE3之间的电势差稳定在 

5、根据公式(1)、(2)计算钢筋的腐蚀电流密度i_corr； 

由于GE输出电流使 

回复到极化回路(2)极化之前的状态，因此GE电极开启后，在电极RE2和RE3之间的混凝土表面将无电流流过，即来自CE的极化电流只流向附图3中的A-B区域。 

电流自适应约束原理 

大量研究表明，混凝土层厚度、电阻率以及钢筋锈蚀状态对I_CE的分布均有影响。护环极化技术在应用过程中，由于混凝土密实性、含水率及电阻率的不均匀性，导致GE可能将CE电流约束不充分或过分约束(见图4)，图4a是没用使用护环电极的CE电流分布，极化电流发散较远；图4b为GE欠电流约束时CE电流仍有部分发散，导致钢筋表面极化面积偏大，计算的腐蚀速率偏大；图4c为GE过电流约束导致CE电流受限，钢筋的极化面积减小，计算的腐蚀速率偏小；图4d则是理想约束状态，来自CE的电流正好均匀分布在其投影面下，计算的腐蚀速率反映其真实状态。 

实际上由于混凝土表面电导率与内部的电导率不一样，通过GE的约束电流将RE2、RE3之间的电势差 

完全补偿到初始状态，并不能保证来自CE的极化电流进入图4d的状态。其关键是要根据钢筋的锈蚀状态(开路电位)以及混凝土电阻率来确定护环电极GE约束电流的大小，而不是完全依赖 

来确定。 

设 

式中V_RE3、V_RE2分别是圆盘电极中参比电极RE3、RE2相对钢筋的电极电位，并设定 

分别为自然状态、CE极化和GE补偿后的RE2、RE3之间的电位差。 

则定义电流约束系数λ： 

当λ＝0时，GE上没有电流，此时来自CE的电流将会发散A-B区域以外(附图3)，当对 

在CE极化前后的差值进行完全补偿时，即λ＝1；此时理论上来自CE的极化电流完全限制在CE的投影面之下，但实验证明：对 

的完全补偿并不能给出正确结果， 由于混凝土表面电势差与内部的电势差并不一致，完全补偿往往会对钝性钢筋体系的极化电流造成过约束，使腐蚀速率测量结果偏低，而对活化体系则约束不足，使测量的腐蚀速率偏高，因此要根据混凝土腐蚀状况对 

的补偿程度进行智能调整。 

研究发现，补偿系数λ主要与混凝土开路电位E_corr和混凝土电阻率R_c有关，相关经验公式为： 

λ＝K₀+K₁exp(E_corr/K₂)+K₃×R_c                              (4) 

式(4)中，λ的变化区间为(0，1)。 

通过大量实测数据拟合，将公式(4)中的拟合系数K_j(j＝0，1，2，3)存储在单片机Flash 中，再通过测量自然状态下钢筋的E_corr和混凝土R_c，即可确定约束系数λ，以实现对约束系数的智能控制，从而较准确的测量混凝土中钢筋腐蚀速率。 

圆盘电极1与钢筋混凝土腐蚀在线检测仪的连接图如附图3。其中极化回路2的输出端与圆盘电极的辅助电极CE相连，用于输出极化电流I_CE，电流约束回路3测量RE2与RE3之间的电位差 

并通过GE输出约束电流I_GE，混凝土露头的钢筋(可不在同一位置，最远与仪器可相距10m～30m)通过带鳄鱼夹的屏蔽电缆与钢筋混凝土腐蚀在线检测仪的工作电极WE相连，仪器对钢筋进行恒电流或恒电位极化一段时间(10s～1000s)，再打开电流约束回路(3)，根据公式(3)和(4)使电位差 

恢复到设定状态，最后通过公式(1)、(2)计算混凝土中钢筋腐蚀速率。 

Claims (9)

1.一种基于圆盘电极的钢筋混凝土腐蚀在线检测仪，该在线检测仪包括极化回路(2)和电流约束回路(3)，所述的圆盘电极(1)包括参比电极RE1、RE2和RE3，一个辅助电极CE(13)和一个圆环电极GE(17)，所述极化回路(2)通过圆盘电极(1)中的辅助电极CE(13)和参比电极RE1对混凝土中的钢筋进行极化，同时所述电流约束回路(3)通过圆环电极GE(17)以及参比电极RE2与RE3间的电位差对极化电流进行约束，将极化电流限制在辅助电极CE(13)的投影区，从而实现对混凝土中钢筋腐蚀速率的准确测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于圆盘电极的钢筋混凝土腐蚀在线检测仪，其特征在于，所述的辅助电极CE(13)位于所述护环圆盘电极(1)的中心区，所述圆环电极GE(17)与辅助电极CE(13)同轴呈环形布置于所述护环圆盘电极(1)中，所述参比电极RE1位于所述辅助电极CE(13)的中心，所述参比电极RE2和RE3径向布置于辅助电极CE(13)和圆环电极GE(17)之间，所述辅助电极CE(13)和参比电极RE1二者与钢筋一起构成极化回路输入端；所述参比电极RE2和RE3电极与所述圆环电极GE(17)组成电流约束回路输入端。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于圆盘电极的钢筋混凝土腐蚀在线检测仪，其特征在于，所述极化回路(2)包括电压跟随器A1，加法器A2，电流取样放大器A3和数模转换器D/A1，该数模转换器D/A1借助加法器A2对钢筋进行恒电位或恒电流极化，同时通过电压跟随器A1和加法器A2测量极化电位V₁与极化电流I₁，以计算极化电阻。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种基于圆盘电极的钢筋混凝土腐蚀在线检测仪，其特征在于，所述电流约束回路(3)用于约束极化电流，其包括差分放大器A4，加法器A5和模数转换器D/A2，所述参比电极RE2和RE3之间的电势差V₂通过差分放大器A4测量，约束电流则通过加法器A5从圆环电极GE(17)输出，从而将极化回路(2)的极化电流限制在辅助电极CE(13)的投影区内。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种基于圆盘电极的钢筋混凝土腐蚀在线检测仪，其特征在于，所述测试仪还包括单片机(6)，该单片机控制所述述极化回路(2)和电流约束回路(3)，并计算电流约束系数和腐蚀速率，由外部存储器储存计算结果。

6.应用上述权利要求1-5之一所述的检测仪对钢筋混凝土进行腐蚀检测的方法，具体步骤为：

测量之前先将待测混凝土部位湿润，然后将饱水海绵或湿布紧贴于混凝土表面，将所述护环圆盘电极(1)紧贴于饱水海绵或湿布上，并确保护环圆盘电极(1)与饱水海绵或湿布接触紧密，将所述护环圆盘电极(1)与钢筋混凝土腐蚀在线检测仪相连，而检测仪的工作电极接头则通过电缆线与混凝土中露头钢筋相连，通过测量钢筋极化电阻R_p来评估混凝土内部钢筋腐蚀状况，具体步骤如下：

A.采集参比电极RE2和RE3之间的电压差

B.测量混凝土电阻率R_c和钢筋开路电位E_corr，并计算电流约束系数λ；

C.打开极化回路(2)使钢筋处于极化状态；

D.打开电流约束回路(3)，通过圆环电极GE(17)的补偿输出约束电流I_GE，使参比电极RE2和RE3之间的电压差

回复到设定值，从而使得极化电流I_CE限制在CE投影面下的钢筋表面；

E.采样极化电位V₁与极化电流I₁，通过V₁/I₁即可计算出钢筋极化电阻R_p和钢筋腐蚀速率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电流约束系数λ通过经验公式(1)计算得到：

λ＝K₀+K₁exp(E_corr/K₂)+K₃×R_c

式中K_j(j＝0，1，2，3)为待定系数，通过不同腐蚀条件下实测腐蚀电流密度i_corr与自腐蚀电位E_corr和混凝土电阻率R_c之间的映射关系，采用非线性最小二乘法拟合来计算得到。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述步骤D中，根据计算出的电流约束系数λ，计算得到圆环电极(17)的补偿电位

即可使电压差

回复到初始值，其中

计算公式如下：

分别为自然状态和辅助电极CE(13)极化后的参比电极RE2与RE3间的电位差。

9.根据权利要求6-8之一所述的方法，其特征在于，所述的钢筋极化电阻R_p和钢筋腐蚀速率V分别通过如下公式计算得到：

$R_p=\mathrm{\γ}\×(\frac{\mathrm{\ΔE}}{I_{\mathrm{CE}}}-R_c)\×\mathrm{\π}{D}^2{L}_{X-Y}$

其中：γ为混凝土中钢筋的排列密度，ΔE为钢筋极化电位，D表示钢筋的直径；L_{X -Y}表示参比电极RE2与RE3中心在径向上的连线中点绕圆盘中心所成圆的直径，I_CE为来自辅助电极CE的极化电流；

由Stern-Geary方程计算钢筋腐蚀速率V：

$V=\frac{B}{R_p}\×C$

其中，B为Stern-Geary系数，C为比例常数。

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