CN103234897A - 一种用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，包括一带有检测单元的基座，检测单元由一个辅助电极、一对工作电极和一对参比电极组成，辅助电极、工作电极和参比电极之间导线相连，且工作电极和参比电极各自对称设于辅助电极的两侧；基座底部设有凹槽，凹槽内埋设有温度传感器。本发明提供的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，结构简单，操作简便，装置的测试原理基于电化学三电极的测试技术，可使用多种电化学测试方法进行测试，获得更丰富的电化学参数，且测试结果更能反映腐蚀介质侵蚀下钢筋锈蚀机理，测试结果更为可靠；比现有技术装置所使用的宏电流测试技术更先进、科学客观。

Description

一种用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置

技术领域

本发明涉及土木工程健康监测技术领域，具体涉及一种用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置。

背景技术

在海洋环境混凝土结构耐久性的研究领域，国内外虽然从腐蚀机理、修补、防护、耐久性设计等方面取得了较多的研究成果，但由于混凝土结构耐久性问题的复杂性，目前的结构设计标准中关于结构使用寿命的要求，只能通过混凝土配比、保护层厚度以及其它构造措施等指标间接反映。对于重要的基础设施工程，想要达到100年甚至更久的使用年限，采用什么样的结构设计理论，直至目前国际上仍未达成共识，通常发达国家的做法是通过持续、动态地获得结构原体耐久性的关键参数，从而进行“耐久性再设计”，该做法的实施前提是如何有效获得关键参数的信息反馈。

众所周知，即使是再完善的结构设计和保护措施，都不能完全预见在长达百年服役期内的所有环境负荷及其耦合作用。因此，对于大型基建工程，必须要建立一套完善的混凝土腐蚀监测***，可以获得混凝土耐久性下降、强度退化等关键性数据，以便于进行“耐久性再设计”，提前做好防腐措施。对于难以到达的结构，如水下基础、跨海桥梁基础、海底隧道等，由于钢筋锈蚀严重，腐蚀监测更是其他检测手段无法替代的。综上，为了提高我国的工程质量，建设百年工程，应用腐蚀监测***是非常有意义，也是非常必要的。

在上世纪80年代末，欧洲开始研发腐蚀监测***，主要有德国S+R SensorTech公司的梯形阳极混凝土结构预埋式腐蚀监测传感***(Anode-Ladder-System，如附图1所示)，和丹麦的FORCE Technology公司的环形多探头阳极混凝土结构腐蚀监测传感***(Nagel-System)，这两个***在欧洲及非洲很多大型混凝土结构工程中得到了应用。Anode-Ladder-System，主要由阴极和阳极两部分构成，位于阳极梯不同高度处的监测钢筋构成该***的阳极，阳极梯旁边的钛棒为该***的阴极，其实质相当于参比电极。通过观测阳极梯不同高度处的监测钢筋与参比电极(阴极)之间的宏电流变化来判别外部介质侵蚀进程。宏电流的大小取决于阴阳两极的电位差值，当氯离子达到监测钢筋表面引起钢筋锈蚀，阳极的钢筋电位(相对于阴极)降低，阴阳两极电位差增加，导致阴阳两极的宏电流增加，当电流值超过15uA认为监测钢筋已经发生锈蚀。Nagel-System，设计原理与Anode-Ladder-System相同，都是把传感器安装在结构内部，根据不同高度的阳极的脱钝腐蚀情况来提前预警钢筋的腐蚀时间。

对于上述的两种腐蚀监测传感***，不同高度的阳极的脱钝判据基于电化学宏电池腐蚀原理。具体而言，在阳极腐蚀过程中，若钝化区(阴极)相距活性区(阳极)之间距离较大，一般会形成宏观腐蚀电池，相应的等效电路如附图2所示。如果略去钝化区(阴极)钢筋本体电阻R_t和活性区(阳极)钢筋本体电阻R_s，其腐蚀电流则服从闭合回路欧姆定律：

I_corr＝(E_a-E_c)/(R_B+R_a+R_c)，式中：I_corr为腐蚀电流；E_a、E_c分别为阳极、阴极的平衡电位；R_B为混凝土电阻；R_a、R_c分别为阳、阴极反应电阻。

根据宏电池腐蚀原理，当传感器中阳极发生脱钝转化为活性区，阳极的平衡电位E_a急剧减小，而阴极钝化区平衡电位E_c基本维持不变，导致阴阳两极电位差显著增大，若不考虑R_B、R_a和R_c的影响，则腐蚀电流(在此表征为腐蚀宏电流)I_corr也将急剧增大。

然而，大量研究表明，当混凝土内部相对湿度处于一般或较低水平时，由于混凝土电阻率较大，电化学微电池腐蚀占据主导地位；只有当混凝土内部相对湿度很大(大于90％)，混凝土电阻R_B很小时，宏电池腐蚀才成为主控因素，但过大的内部湿度会导致阳极表面电子聚集引起平衡电位E_a显著负移，即使阳极处于钝化态，测试得到的宏电流仍会显著增加，表现出已经脱钝的假象。因此，宏电流测试技术只适用于一般湿度条件，但要求阴阳极间距很小，否则由于混凝土电阻的影响会造成测试得到的宏电流数值较小，不容易判断钢筋腐蚀的情况；特别是对于水下区混凝土的腐蚀监测，混凝土内部的传感器阳极处于高湿缺氧状态，以上两种腐蚀监测传感***并不适用。此外，德国S+R SensorTech公司的混凝土结构预埋式腐蚀监测传感***采用阶梯型结构，其缺点在于：浇筑混凝土时直径较大骨料容易搁置在阳极梯上部，不易下沉，造成混凝土拌合不均，影响腐蚀监测的数据精度。

CN 100454000C的中国发明专利(申请号200610117060.7，申请日2006.10.12)公开了一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀长期监测传感器，可用于直接对腐蚀发生的载体(即：钢筋)进行实时测量。传感器由若干长度相等的电极棒、基座、导线和牺牲阳极组成，电极棒成阶梯形固定在传感器基座的固定槽内，导线通过弹簧片分别与电极棒的阴阳极连接。该技术方案的不足之处在于：①对于不同高度处的电极棒的测试仍然基于宏电池腐蚀原理，虽然通过缩短阴阳两极间距，减小了混凝土电阻率对宏电流测试方法的不利影响，但仍无法避免混凝土内部湿度较大时引起的阳极电位显著负移，从而产生误判；②无法通过基于微电池腐蚀原理电化学测试技术(如电化学阻抗谱、线性计划法、电位电流跃阶等测试方法)获得更多的电化学腐蚀参数及混凝土电阻率等信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，测试原理基于电化学微电池测试技术，解决了上述背景技术中所提到的现有技术的相关缺陷。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，包括一带有检测单元的基座，检测单元由一个辅助电极、一对工作电极和一对参比电极组成，辅助电极、工作电极和参比电极之间导线相连，且工作电极和参比电极各自对称设于辅助电极的两侧；基座底部设有凹槽，凹槽内埋设有温度传感器。

在优选的技术方案中，检测单元中，参比电极和工作电极横向成排、对称设于辅助电极的两侧，且参比电极设于工作电极的外侧。采用前述分布方式，使得辅助电极极化一侧工作电极时，所产生的极化电流场不会对另一侧的工作电极产生极化影响，因此可同时极化两侧的工作电极，增加检测效率。

在优选的技术方案中，检测单元中，参比电极和工作电极也可以纵向成排，对称设于辅助电极的两侧。不管参比电极和工作电极是何种位置排列方式，只要确保1对参比电极和1对工作电极都能对称地分布在辅助电极的两侧，形成稳定的测试回路，即可。

进一步优选的技术方案中，基座顶端开有用于放置辅助电极、工作电极或参比电极的电极固定孔，该电极固定孔与基座底部的凹槽连通；电极固定孔的尺寸、数量与辅助电极、工作电极和参比电极的总数相配合，即确保电极固定孔与检测单元中的各个电极棒一一对应。

优选的技术方案中，基座一侧开有导线孔，该导线孔与基座底部的凹槽连通；另一侧连接有定位板，定位板上设有倾角调节孔。将本发明装置安装于混凝土钢筋时，通过倾角调节孔来调整基座的安装倾角，使得各个检测单元中工作电极棒的埋设深度设置合理，以提高检测数据的准确性。

优选的技术方案中，温度传感器一端设有用于感应混凝土内部温度的感应探头，另一端贯穿导线孔后与外置的测试接口相连。同样的，本发明中检测单元的各个电极棒，两两之间导线相连后，将导线束集在一起，经导线孔后与外置的测试接口相连。

优选的技术方案中，检测单元的数量根据混凝土层的厚度调整，为1～10组。

优选的技术方案中，任一组检测单元中，处于辅助电极同一侧的工作电极与参比电极之间的净距为2～5mm。

优选的技术方案中，辅助电极、工作电极和参比电极由耐腐蚀性金属导电材料制成，且辅助电极的直径大于工作电极的直径。

优选的技术方案中，凹槽中浇注有环氧树脂；将温度传感器埋设在凹槽后，用环氧树脂将凹槽内的线路进行封装。

本发明提供的一种用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，测试原理基于电化学微电池腐蚀。如图2所示，微电池腐蚀区别于宏电池腐蚀，是假定腐蚀电池阴阳两极很近，使得混凝土电阻影响很小，更能真实反映阳极在混凝土中的腐蚀情况，因此可对腐蚀介质在混凝土中的侵蚀状态进行有效监测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，结构简单，操作简便，装置的测试技术基于电化学三电极的测试技术，可使用多种电化学测试方法进行测试，获得更丰富的电化学参数，且测试结果更能反映腐蚀介质侵蚀下钢筋锈蚀机理，测试结果更为可靠；比现有技术装置所使用的宏电流测试技术更先进、科学客观。

附图说明

图1为Anode-Ladder-System的装置示意图。

图2为混凝土中阳极宏电池锈蚀等效电路示意图。

图3为本发明的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置俯视结构示意图。

图4为本发明的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置正视结构示意图。

图5为本发明的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置实物图。

图6为应用图4所示装置进行腐蚀监测模拟实验的安装示意图。

图7为模拟实验环境下，本发明装置的各组检测单元下工作电极棒的阳极极化电流实测变化曲线图。

图8为模拟实验环境下，本发明装置的各组检测单元下工作电极棒的宏电流实测变化曲线图。

具体实施方式

如图3所示，本发明提供的一种用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，包括一带有检测单元的基座1，检测单元共两组，当然检测单元的数量并不局限于两组，通常根据实际情况下混凝土层的厚度进行调整，如一组、三组、四组等；任意一组检测单元中均由一个辅助电极2、一对工作电极3和一对参比电极4组成，辅助电极2、工作电极3和参比电极4之间导线相连，且工作电极3和参比电极4各自对称设于辅助电极2的两侧；基座1底部设有凹槽5，凹槽5内埋设有温度传感器6。

如图4和图5所示，具体而言，基座1的顶端开有十个电极固定孔7，电极固定孔7的大小与检测单元中各个电极棒的外侧螺纹一致，电极固定孔7的数量与检测单元中辅助电极2、工作电极3和参比电极4的总数相配合，即每五个电极固定孔7对应一组检测单元；电极固定孔7与基座1底部的凹槽5连通，使得辅助电极2、工作电极3和参比电极4一一对应地***电极固定孔7后，形成更稳定的测试回路。

基座1的一侧开有导线孔8，该导线孔8与基座1底部的凹槽5连通；另一侧连接有定位板9，定位板9上设有倾角调节孔10。温度传感器6一端设有用于感应混凝土内部温度的感应探头，另一端贯穿导线孔8后与外置的测试接口相连；同样的，任意一组检测单元中的各个电极棒导线相连后，将导线束集在一起，经导线孔8后也与外置的测试接口相连。并且，凹槽5内浇筑有环氧树脂，以封装线路。

在任意一组检测单元中，一个辅助电极2在中间，一对工作电极3和一对参比电极4都分别对称设于辅助电极2的两侧，在此基础上，工作电极3和参比电极4的排列方式进一步细分，包括如下两种：①可以横向成排，且参比电极4设于工作电极3的外侧；②可以纵向成排，如参比电极4在下、工作电极3在上，成纵列一排。不管前述①或②中何种排列方式，处于辅助电极2同一侧的工作电极3与参比电极4之间的净距为2～5mm，优选3mm。

材料方面，任意一组检测单元均包括五个电极棒，即一个辅助电极棒、二个工作电极棒和二个参比电极棒，分别由316不锈钢、碳钢和钛钢制成，其直径分别为10mm、8mm和8mm，基座1的材料为高强度的环氧树脂绝缘板；若基座1采用耐腐蚀的金属导电材料，则还需在基座1的电极固定孔7与各个电极棒之间增加绝缘垫层，防止两者之间直接电连通。

以下为本发明装置的实际工程应用实施例：

在混凝土结构运营期间，使用电化学工作站reference600定期对本发明装置中的传感器进行测试；可使用电化学阻抗谱、极化曲线等测试方法获取4个工作电极棒的电化学参数。当测试结果发现某一工作电极棒发生腐蚀时，表明腐蚀介质已侵蚀至该工作电极棒所在的深度位置，从而判定腐蚀介质在混凝土中的侵蚀进程。

为验证采用本发明装置的测试结果是否有效与可靠，发明人设计了室内加速试验来模拟实际工程的腐蚀监测，并与采用宏电流测试技术所测得的结果进行对比分析。

如图6所示，在模拟实验环境下，安装本发明装置的过程具体如下：将工作电极3、参比电极4和辅助电极2对应的拧入基座1的电极固定孔7内，形成检测单元；标记两组检测单元下的四个工作电极棒，分别编号为W1、W2、W3和W4；调整各个电极棒一端露出基座1顶部的长度，使其分别为1.5cm、1cm和1.5cm；在基座1底部的凹槽5中，导线通过螺栓分别与各个电极棒的另一端相连接，同时埋设温度传感器6，将所有导线经由基座1侧部的导线孔8引出，然后在凹槽5中浇注环氧树脂，对线路进行封装。

值得注意的是，实际工程中，在浇注混凝土前，需要将本发明装置固定在最外侧钢筋上部，通过调整***倾角来调节一侧的螺杆长度，从而改变本发明装置的倾角，使得调整后的W1、W2、W3和W4这四个工作电极棒的埋设深度分别为0.9cm，1.6cm，2.3cm和3cm。

安装完成后，将混凝土试件养护28天后，用环氧树脂将试件四周密封，采用浸泡4天、自然风干3天的干湿循环机制，来加速氯离子渗透，NaCl溶液浓度为3.5％。在未判定工作电极棒W1锈蚀之前，电化学测试在每个循环浸泡结束后1小时进行；在判定工作电极棒W1锈蚀后，将试件置于温度为30℃，湿度为40％的恒温恒湿箱中加速风干3天，每天进行电化学测试。电化学测试采用基于电化学微电池测试技术原理(即基于三电极的阳极极化电流法)。

如图7所示，工作电极棒W1从第3次测试开始，阳极极化电流开始逐渐增加(由钝化稳定态的60nA左右增加至268nA)，表明钢筋钝化膜已逐渐失稳；在第5次测试时，阳极极化电流急剧增大，达到6.56uA，表明钢筋开始锈蚀。在锈蚀后的3天风干过程中，阳极极化电流变化显著，风干一天后阳极极化电流降低至628nA，该值已低于锈蚀临界阳极极化电流754nA，之后两天稳定在260nA左右，表明由于表层水分快速蒸发，工作电极棒W1腐蚀电流密度急剧减小。需指出的是，在锈蚀后的3天风干过程中，虽然阳极极化电流已低于锈蚀临界值，但仍明显大于钝化稳定态的阳极极化电流。

对比宏电流测试结果(使用高灵敏度零电阻电流表测量辅助电极与工作电极之间宏电流)，如图8所示，工作电极棒W1在第5次测试时，宏电流也急剧增加，达到3.1uA，表明钢筋开始锈蚀，与阳极极化电流判定结果一致。但在之前几次测试中，并未出现钢筋锈蚀预兆，测试值甚至低于其他工作电极棒的测试值。此外，在锈蚀后的3天风干过程中，所有工作电极棒的宏电流均发生减小，且数值相近，无法对已锈蚀的工作电极棒W1进行区分。

上述分析表明，相对于采用现有技术装置进行腐蚀监测，采用本发明装置除了能判定监测点锈蚀与否，还能对锈蚀预兆过程进行表征；在发生锈蚀以后，即使工作电极棒处于干燥状态，仍能有效区别于钝化稳定态。

Claims (10)

1.一种用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，其特征在于：包括一带有检测单元的基座(1)，所述的检测单元由一个辅助电极(2)、一对工作电极(3)和一对参比电极(4)组成，辅助电极(2)、工作电极(3)和参比电极(4)之间导线相连，且工作电极(3)和参比电极(4)各自对称设于辅助电极(2)的两侧；所述的基座(1)底部设有凹槽(5)，凹槽(5)内埋设有温度传感器(6)。

2.根据权利要求1所述的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，其特征在于：所述的检测单元中，参比电极(4)和工作电极(3)横向成排、对称设于辅助电极(2)的两侧，且参比电极(4)设于工作电极(3)的外侧。

3.根据权利要求1所述的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，其特征在于：所述的检测单元中，参比电极(4)和工作电极(3)纵向成排，对称设于辅助电极(2)的两侧。

4.根据权利要求1～3所述的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，其特征在于：所述的基座(1)顶端开有用于放置所述辅助电极(2)、工作电极(3)或参比电极(4)的电极固定孔(7)，该电极固定孔(7)与基座(1)底部的凹槽(5)连通；电极固定孔(7)的尺寸、数量与所述辅助电极(2)、工作电极(3)和参比电极(4)的总数相配合。

5.根据权利要求4所述的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，其特征在于：所述的基座(1)一侧开有导线孔(8)，该导线孔(8)与基座(1)底部的凹槽(5)连通；另一侧连接有定位板(9)，定位板(9)上设有倾角调节孔(10)。

6.根据权利要求5所述的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，其特征在于：所述的温度传感器(6)一端设有用于感应混凝土内部温度的感应探头，另一端贯穿所述的导线孔(8)后与外置的测试接口相连。

7.根据权利要求6所述的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，其特征在于：所述的检测单元的数量根据混凝土层的厚度调整，为1～10组。

8.根据权利要求7所述的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，其特征在于：任一组检测单元中，处于所述的辅助电极(2)同一侧的工作电极(3)与参比电极(4)之间的净距为2～5mm。

9.根据权利要求8所述的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，其特征在于：所述的辅助电极(2)、工作电极(3)和参比电极(4)由耐腐蚀性金属导电材料制成，且辅助电极(2)的直径大于工作电极(3)的直径。

10.根据权利要求9所述的用于监测混凝土中腐蚀介质侵蚀进程的装置，其特征在于：所述的凹槽(5)中浇注有环氧树脂。

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