[发明专利]混凝土中钢筋锈蚀状态及温度场状态的全体积监测传感装置

说明书

技术领域

    本发明涉及一种混凝土中钢筋锈蚀状态及温度场状态的全体积监测传感装置及包含它的监测装置，属于土木工程传感器测试领域。

背景技术

长周期光纤光栅（以下简称LPG）是一种基于纤芯导模与包层模式耦合理论的传感性光栅，它对其周围所处环境的折射率变化非常敏感，进而可以得到周围环境中粒子的浓度。基于该耦合理论的生物、化学传感技术已广泛应用于血液中抗原含量测量、蛋白质物质鉴别、药物筛选、溶液浓度检测、污水降解程度判定等多个生化研究领域。

随着钢筋混凝土结构在大型建筑工程中的广泛应用，混凝土中的钢筋锈蚀已成为威胁全世界钢筋混凝土结构耐久性的最主要灾害。特别是在沿海、近海及特种桥梁等使用环境中，钢筋混凝土结构可能因为钢筋锈蚀而丧失其耐久性，并导致钢筋混凝土构件承载能力下降和延性的降低，最终造成结构不能达到预定的服役年限而提前失效。每年此类灾害都给人们的生产生活造成了巨大的直接和间接经济损失，甚至在一些国家已构成了沉重的财政负担。随着经济的持续增长，我国正在进行大规模的基础设施建设。如何对这些设施的结构进行有效监测并预防灾害的发生，成为当前亟需解决的问题。

通常，钢筋腐蚀、冻害、物理化学影响是环境条件作用下混凝土的三大破坏原因，其中钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的最主要因素。大量研究表明，混凝土微孔结构内部在服役过程中含有大量易于与水反应生成强碱性氢氧化物的可溶性碱金属和碱土金属氧化物，进而在混凝土内部的钢筋周围形成了一个PH值为12-13的高碱性环境条件。通常情况下，钢筋表面在这种高碱性环境下形成钝化膜，处于钝化状态，钝化膜可有效保护钢筋免于继续受外界有害物质的侵蚀，阻止钢筋发生锈蚀。但随着氯离子的侵入或混凝土碳化，混凝土内部PH值降低至中性甚至偏酸性，附着于钢筋表面的钝化膜将会慢慢被破坏，而导致钢筋开始锈蚀。不同锈蚀产物的生成使得锈蚀后钢筋的体积膨胀率有所不同，即红锈为4倍，黑锈为2倍。当体积膨胀带给混凝土结构的压力达到一定程度时，混凝土结构出现沿钢筋方向开裂、保护层大面积脱落等现象，导致钢筋锈蚀的进一步加剧.钢筋锈蚀会使混凝土对钢筋的握裹力下降，引起结构的承载力下降。由此，钢筋锈蚀机理的研究日益得到学术界的重视。

目前对混凝土中钢筋锈蚀状态的非破损检测方法(NDT)可以分为电化学方法和物理方法两大类。电化学检测方法是通过检测锈蚀过程中钢筋混凝土锈蚀体系的电化学变化情况来实现对混凝土中钢筋锈蚀程度或速度的检测。目前具有发展前景的电化学方法主要有半电池电位法、线性极化法、交流阻抗法、混凝土电阻法等, 其中半电池电位法是根据金属在一定环境中电位是否变化的原理对混凝土中钢筋锈蚀进行诊断，是现在应用最广泛的钢筋锈蚀检测方法，其优点是检测速度快，但其只能对钢筋腐蚀的腐蚀概率进行定性判断，无法直接得出腐蚀速度，且测得的指标单一。线性极化法是基于Stern公式建立起来的一种钢筋腐蚀速度检测方法，它具有结构简单、检测速度快的特点，目前可用的成品测量仪器有普通恒电位仪和GECOR、NSC、CAPCIS等专用仪器。上述钢筋锈蚀检测方法都需将外部检测探头或参比电极置于混凝土结构表面，这对于测量部位较多、检测环境复杂(如桥墩底部、过江隧道外侧)和需要长时间监测的重要建筑而言, 工作量巨大，且外界因素的干扰（如接触位置的差异、参比电极溶液对结构的污染等）对检测结果的影响较大。因此必须研制能够埋入混凝土内部，使之能够满足长期监测需要的混凝土内钢筋腐蚀监测技术。

物理方法主要是通过检测由于锈蚀导致的钢筋混凝土结构内部电阻、电磁、热传导、声波传播等特性的变化情况，以实现对钢筋的锈蚀状况进行检测。常用的方法包括：电阻棒法、电涡流探测法、射线法、声发射探测法等。电阻棒法测量因钢筋锈蚀导致体积状态发生变化而引起的电阻值变化，可利用导电原理对钢筋的剩余面积进行间接推算。涡流探测法主要是测定励磁电流与钢筋内部次生波的相位关系，进而对钢筋锈蚀状况进行判定。射线法是通过对混凝中钢筋结构进行X射线或                                                射线拍摄，实现对钢筋锈蚀情况更加直接的观察。上述物理方法的主要优点是操作方便，适于工程现场应用。如日本M.Ridha等提出采用超导量子干涉技术来测量钢筋锈蚀所引起微小磁场，进而获得锈蚀信息。美国IIinois大学J.TBernhard教授采用超声波技术监测钢筋锈蚀情况，再通过宽带微波天线实现无线数据传输，但此方法的测试成本很高。物理方法对钢筋锈蚀程度的检测只能给予定性的结论，难以获得定量的分析，因而也无法实现对钢筋锈蚀情况的在线检测。