一种混凝土内钢筋锈蚀与应力状态原位监测方法
【专利摘要】本发明是一种钢筋混凝土结构内钢筋锈蚀与应力状态原位监测方法，该方法是通过构造预应力自平衡体系，将与混凝土内钢筋相同材质的钢筋薄片施加初始预应力后埋入混凝土结构之中；在钢筋薄片上不同高度处设置连续应变测点，监测该区域应力状态；钢筋薄片形成平面应力状态，局部腐蚀后产生应力集中，根据截面不同高度处连续测点应变变化以反映钢筋初始锈蚀时间、锈蚀速率与锈蚀程度。本发明可埋设于距混凝土表面不同深度处，实现不同深度处钢筋锈蚀程度及埋设区域应力状态的监测及锈蚀风险评估。不受混凝土内各种离子、温湿度等环境因素的影响，特别适合海蚀环境浪滅区、潮差区钢筋混凝土结构钢筋锈蚀风险与锈蚀程度的评定。
【专利说明】一种混凝土内钢筋锈蚀与应力状态原位监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于土木工程结构健康监测技术，尤其是涉及钢筋混凝土结构耐久性，应 用于钢筋混凝土结构的锈蚀监测与耐久性评定。
【背景技术】
[0002] 现有技术：钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构耐久性破坏的最主要原因，目前钢筋锈蚀 监测技术主要分为物理和电化学两种手段。电化学手段使用较多，主要围绕钢筋腐蚀过程 产生的腐蚀电流或电极间的电位差的测量表征腐蚀的可能性。具体方法有：（1)梯形阳极 法，通过在混凝土层的不同深度布置若干阳极，通过监测各阳极与同一阴极间的电流来表 征氯离子的侵入或锈蚀发展情况，从而间接预测钢筋的腐蚀，此类方法已有部分工程与试 验室应用，但公开的试验数据较少，有效性有待证实。（2)半电池电位法和线性极化法为代 表的监测、检测方法，通过现场测量钢筋各部位的电位或极化电阻，以此判断各处锈蚀的可 能性，但这些方法不易实现长时间嵌入式在线监测，且由于极化电阻与电位易受多种因素 扰动，不能判断钢筋确切的腐蚀状态。同时，电化学方法监测的多是某一区域锈蚀的可能 性，并不能真实反映钢筋周围的应力情况，且在锈蚀产物产生后不能定量跟踪腐蚀的发展， 存在一定的缺陷。现有的物理监测方法主要基于光纤光栅应变传感器进行设计，主要有： (3) 光纤布拉格光栅缠绕结构中受力钢筋，由于钢筋受锈蚀产生锈蚀产物膨胀导致应变增 力口，据此监测锈蚀发展；（4)将两根钢筋紧邻布置，用支座或直接将两钢筋连接，连接位置 是钢筋端部或上边缘处，由于两根受腐蚀膨胀后相互挤压排斥，便能在光纤光栅上监测到 应变增加的现象。以上的物理方法均为基于钢筋受腐蚀膨胀的原理设计，在初步验证中取 得较理想的结果，但在混凝土中环境复杂，无论是采用缠绕法直接测量受力钢筋的腐蚀情 况，还是布置紧邻钢筋间接测量钢筋腐蚀情况，都破坏了钢筋表面微环境，难以表征真实的 腐蚀情况，且受蚀膨胀受混凝土约束，灵敏性和有效性尚待验证，且目前未见用于工程实 际。
[0003] 存在的问题：目前钢筋混凝土耐久性监测主要目的是解决钢筋初始锈蚀时间并估 计钢筋锈蚀速率或锈蚀程度。电化学方法由于钢筋混凝土自身固有的腐蚀特征及技术本身 的局限性，难以消除介质欧姆降的问题。如电位测量仅可提供钢筋是否发生腐蚀，腐蚀程度 不得而知。极化电阻测量无法确定扰动信号所影响的钢筋面积，往往对实际腐蚀程度给出 过高的估计，另外一个问题是无法确定合适的激励时间，使得在这一时间内所测定的电流 响应仅包含有关腐蚀界面的电化学信息，而与混凝土本身的电化学信息无关。目前的物理 方法主要集中于钢筋受腐蚀后腐蚀产物膨胀产生的应变、应力的监测，由于这两种参数受 湿度、温度、电磁场、杂散电流及孔隙溶液浓度的影响较小，固物理方法的难点问题主要集 中于方法的设计，由于混凝土与钢筋之间存在复杂的相互作用力，会限制钢筋和混凝土的 相对位移，造成钢筋锈蚀产物膨胀导致的锈胀应力难以监测，而由其引起的钢筋周围的混 凝土应变也因混凝土的相互约束而难以采集，同时结构自身的受力与变形也产生应变，腐 蚀产物膨胀产生的应变湮没其中，难于分辨。因此基于钢筋锈蚀膨胀机理设计的传感器都 会受到较为严重的影响。与此同时，现有钢筋锈蚀监测方法往往会破坏钢筋表面的微环境， 使得氯离子的扩散等造成腐蚀的诱导因素与实际情况存在差别，同时受到外部环境因素的 影响，实测数据与真实情况差别较大，实际使用情况尚待验证。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是解决在不破坏混凝土内钢筋表面微环境条件下实现混凝土内钢 筋初始锈蚀时间、锈蚀速率、锈蚀程度与区域混凝土应力状态的监测。
[0005] 为了实现本发明的目的，提出以下技术方案： 一种混凝土内钢筋锈蚀与应力状态原位监测方法，所述方法是通过构造预应力自平衡 体系，将与混凝土内钢筋相同材质的钢筋薄片施加初始预应力后埋入混凝土结构之中，与 混凝土共同工作；在所述钢筋薄片上不同高度处设置连续应变测点，监测该区域应力状态； 所述钢筋薄片施加初始预应力后形成平面应力状态，局部腐蚀后产生应力集中，根据截面 不同高度处连续测点应变变化以反映钢筋初始锈蚀时间、锈蚀速率与锈蚀程度。
[0006] 所述预应力自平衡体系包括框架（1)、中部钢筋薄片（2)、混凝土（3)、分布式连续 应变测点（4)、聚酯材料（5)、防腐层（6)、加载螺母（7)和锈蚀监测面（8)，其中，所述中部钢 筋薄片（2)通过加载螺母（7)安装在框架（1)中，通过两端的加载螺母（7)对中部钢筋薄片 (2)进行预应力加载并锚固；所述中部钢筋薄片（2)的三个表面利用聚酯材料（5)进行封 装，第四个端面作为锈蚀监测面（8)，在钢筋薄片（2)截面上距所述锈蚀监测面（8)不同高 度处设置分布式连续应变测点（4)。
[0007] 在钢筋薄片（2)截面上距所述锈蚀监测面（8)不同高度处设置分布式连续应变测 点（4 )为1?空间分辨率分布式光纤。
[0008] 所述高空间分辨率分布式光纤通过高性能胶水粘贴在距腐蚀监测面8的不同截 面高度处，通过传输光纤与相应解调仪连接。
[0009] 所述分布式连续应变测点（4)上靠近加载螺母（7)处预留一段光纤不与钢筋薄片 (2 )粘贴，用于监测温度并进行温度补偿。
[0010] 所述连续应变测点（4)采用链式应变片组，所述每个链式应变片组内有10个测量 片和1个用于温度补偿的温度补偿片。
[0011] 所述链式应变片栅长〇. 6_，相邻应变片中心距1_，通过高性能胶水粘贴在钢筋 薄片（2)截面上距所述锈蚀监测面（8)不同高度处，应变片组通过焊接端子和导线与相应 的应变仪连接，可连续监测长度方向上各测点的平均应变。
[0012] 本方法设计原理清晰、结构设计精巧合理，仅需通过应变测量即可实现长期在线 监测或离线检测的需求。与现有钢筋锈蚀监测方法相比，既可以避免电化学方法受杂散电 流等引起的电流波动及湿度、离子浓度等造成的电阻变化，又巧妙的规避了物理方法通常 导致的对结构中钢筋表面微环境的破坏，较好的解决了钢筋锈蚀监测问题，同时本方法不 受混凝土内各种离子、温湿度等环境因素的影响。
[0013] 本发明使用的构造钢筋薄片可埋设于距混凝土表面不同深度处，实现混凝土内不 同深度处钢筋锈蚀程度及埋设区域应力状态的监测及锈蚀风险评估。特别适合海蚀环境浪 溅区、潮差区、浸没区钢筋混凝土结构钢筋锈蚀风险与锈蚀程度的评定，如处于浪溅区、潮 差区、浸没区的跨海桥梁钢筋混凝土桥墩，处于大气区的跨海桥梁上部混凝土结构，海工、 港工的钢筋混凝土码头等，实现混凝土内钢筋锈蚀和混凝土局部应力状态的原位监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图la钢筋锈蚀传感器结构图； 图lb钢筋薄片截面图； 图lc钢筋锈蚀传感器中部钢筋设计图； 1框架、2中部钢筋薄片、3混凝土、4分布式连续应变测点、5聚酯材料、6防腐层、7加载 螺母、8锈蚀监测面。
【具体实施方式】
[0015] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例， 对本发明进一步详细说明。
[0016] 本发明的监测方法是构造钢筋锈蚀传感器内钢筋薄片处于平面应力状态，预留薄 片一侧作为锈蚀监测面，一旦锈蚀监测面上局部区域发生锈蚀，该区域附近形成局部应力 集中，根据钢筋薄片上不同高度连续的应变测点实现钢筋初始锈蚀时间、锈蚀速率、锈蚀程 度监测，同时实现区域混凝土应力状态的监测。
[0017] 实施例1 本发明的钢筋锈蚀传感器结构如图1所示，其中中部钢筋薄片（2)采取与混凝土结构 中纵向受力钢筋相同材质，中部钢筋薄片（2)截面上不同高度处布置连续应变测点（4)(图 lb、图lc所示)，连续应变测点（4)采用高空间分辨率分布式光纤，通过高性能胶水粘贴在 钢筋薄片截面不同高度处，通过传输光纤与相应解调仪连接，高空间分辨率分布式光纤可 连续监测长度方向上（图lc所示)每毫米长度上的平均应变，预留靠近加载螺母的一段光纤 不与钢丝薄片粘贴(不与薄片一起变形)，用于监测温度并进行温度补偿(下文监测应变均 为补偿后应变)，用聚酯材料进行封装其三个表面，仅保留一个端面作为锈蚀监测面（8)(如 图lb所示)，通过两端螺栓对钢筋进行预应力加载并锚固，通过连续应变测点监测实际加载 应力，钢筋薄片（2)形成平面应力状态。混凝土浇筑前将该装置布置在待监测钢筋锈蚀部 位，或处于混凝土保护层不同深度处，锈蚀监测面朝向混凝土保护层一侧，混凝土浇筑固化 后钢筋锈蚀监测装置与混凝土形成整体，其与混凝土共同变形。当结构在外荷载作用下发 生变形时，高空间分辨率分布式光纤上的应变增量即为实际混凝土的应变，根据混凝土弹 性模量即可换算混凝土实际的应力状态。由于钢筋薄片三个面受到聚酯材料的保护，锈蚀 监测面截面虽然与混凝土接触，但接触面积较小，不考虑混凝土的粘结作用，在结构服役过 程中一旦锈蚀监测面发生局部锈蚀，钢筋薄片局部锈蚀区域形成应力集中，局部应变发生 突变，靠近该位置的高空间分辨率分布式光纤与该区域共同变形，因此应变信号发生突变， 在锈蚀区域不同截面高度上应变变化不同，越靠近锈蚀区域的应变变化越大，相同截面高 度未发生锈蚀部位的应变变化很小，可根据钢筋薄片不同截面高度处连续应变测点监测数 据变化采用相应计算程序计算混凝土内钢筋初始锈蚀时间、锈蚀速率和锈蚀程度。未腐蚀 区域不同截面上高空间分辨率分布式光纤应变测点可继续监测该区域混凝土的应力状态。 实现混凝土内不同深度处钢筋锈蚀程度及埋设区域应力状态的监测及锈蚀风险评估。
[0018] 实施例2 :本发明的结构如图1所示，其中中部钢筋薄片（2)采取与混凝土结构中 纵向受力钢筋相同材质，中部钢筋薄片上不同高度处布置连续应变测点（4)(图lb、图lc所 示)，连续应变测点（4)采用链式应变片组(如HBM KY11-1/120)，每个链式应变片组内有10 个测量片，1个温度补偿片用于温度补偿(下文监测应变均为补偿后应变)，单个应变片栅长 0. 6_，相邻应变片中心距1_，通过高性能胶水粘贴在钢筋薄片不同截面高度处，应变片通 过焊接端子、导线与应变仪连接，链式应变片组可连续监测长度方向上（图lc所示）各测点 的平均应变，测点间距1mm，用聚酯材料进行封装其三个表面，仅保留一个端面作为腐蚀监 测面（8)(如图lb所示)，通过两端螺栓对钢筋进行预应力加载并锚固，通过连续应变测点 监测实际加载应力，钢筋薄片形成平面应力状态。混凝土浇筑前将该装置布置在待监测锈 蚀部位，或处于混凝土保护层不同深度处，锈蚀监测面朝向混凝土保护层一侧，混凝土浇筑 固化后钢筋锈蚀监测装置与混凝土形成整体，其与混凝土共同变形。当结构在荷载作用下 发生变形时，链式应变片组上的应变增量即为实际混凝土的应变，根据混凝土弹性模量即 可换算混凝土实际的应力状态。由于钢筋薄片三个面受到聚酯材料的保护，锈蚀监测面截 面虽然与混凝土接触，但接触面积较小，不考虑混凝土的粘结作用，在结构服役过程中一旦 锈蚀监测面发生局部锈蚀，钢筋薄片局部锈蚀区域形成应力集中，局部应变发生突变，靠近 该位置的链式应变片组与该区域共同变形，因此应变信号发生突变，在锈蚀区域钢丝薄片 不同截面高度上应变变化不同，越靠近锈蚀区域的应变变化越大，相同截面高度未发生锈 蚀部位的应变变化很小，可根据钢筋薄片不同截面高度处连续应变测点监测数据变化采用 相应计算程序计算混凝土内钢筋初始锈蚀时间、锈蚀速率和锈蚀程度。未腐蚀区域不同截 面上链式应变片组应变测点可继续监测该区域混凝土的应力状态。实现混凝土内不同深度 处钢筋锈蚀程度及埋设区域应力状态的监测及锈蚀风险评估。
[0019] 以一具体实例说明本发明专利的监测效果，钢筋薄片长度为80mm，截面高度 16mm，建立二维平面应力状态计算模型，初始预应力施加后钢筋薄片上拉应变为ΙΟΟΟμ ε， 假定局部锈蚀发生在钢筋薄片中部，蚀坑为椭圆形状，蚀坑深〇. 1mm，蚀坑长〇.2_。计算结 果表明：仅在锈蚀局部应变发生突变。
[0020] 无外部荷载与外部荷载引起拉应变200 μ ε，锈蚀深度0. 1mm时提取距锈蚀监测 面距离为0. 和8mm上连续应变测点的监测结果(提取1mm长度内的平均应变的计 算结果，考虑与应变连续测点监测得到应变一致，与精确提取各点上应变有一定差别，实际 只能监测微小长度范围内的平均应变)，当装置随混凝土共同变形，拉应变增加200μ ε，结 果表明，在未腐蚀的截面上测点的应变约增加200μ ε，因此该方法可监测混凝土局部的应 变状态(应力状态)。在初始张拉1〇〇〇 μ ε且无外加荷载变形时，在0.1mm深椭圆蚀坑作用 下，距离锈蚀监测面〇.5mm时监测得到的峰值应变达到1041 μ ε ;在初始张拉1〇〇〇μ ε， 由外部荷载引起200μ ε变化时，距离锈蚀监测面0.5mm时监测得到的峰值应变达到 1250 μ ε，此时锈蚀引起的应力集中现象更明显，在与混凝土共同变形同时仍可监测锈蚀 引起的应力集中。随着到锈蚀监测面距离不同，相同锈蚀引起连续应变测点上的应变图形 亦不相同，远离锈蚀监测面连续应变测点受锈蚀的影响较小，而越靠近锈蚀监测面应变测 点对锈蚀监测面上微小锈蚀的监测越敏感。本方法可以监测得到锈蚀初试时间、锈蚀程度， 还可监测该区域混凝土的应力状态。随着点蚀深度不断发展，越靠近锈蚀区域连续应变测 点上的应变突变越明显，峰值应变不断增加。
[0021] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的 详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种钢筋混凝土结构内钢筋锈蚀与应力状态原位监测方法，其特征在于，所述方法 是通过构造预应力自平衡体系，将与混凝土内钢筋相同材质的钢筋薄片施加初始预应力后 埋入混凝土结构之中，与混凝土共同工作；在所述钢筋薄片上不同高度处设置连续应变测 点，监测该区域应力状态；所述钢筋薄片形成平面应力状态，局部腐蚀后产生应力集中，根 据截面不同高度处连续测点应变变化以反映钢筋初始锈蚀时间、锈蚀速率与锈蚀程度。
2. 根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述预应力自平衡体系包括框架 (1)、中部钢筋薄片（2)、混凝土（3)、分布式连续应变测点（4)、聚酯材料（5)、防腐层（6)、加 载螺母（7)和锈蚀监测面（8)，其中，所述中部钢筋薄片（2)通过加载螺母（7)安装在框架 (1)中，通过两端的加载螺母（7)对中部钢筋薄片（2)进行预应力加载并锚固；所述中部钢 筋薄片（2)的三个表面利用聚酯材料（5)进行封装，第四个端面作为锈蚀监测面（8)，在钢 筋薄片（2)截面上距所述锈蚀监测面（8)不同高度处设置分布式连续应变测点（4)。
3. 根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，在钢筋薄片（2)截面上距所述锈蚀监 测面（8)不同高度处设置分布式连续应变测点（4)为高空间分辨率分布式光纤。
4. 根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述高空间分辨率分布式光纤通过 高性能胶水粘贴在钢筋薄片（2)截面上距所述锈蚀监测面（8)不同高度处，通过传输光纤 与相应解调仪连接。
5. 根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述分布式连续应变测点（4)上靠近 加载螺母（7)处预留一段光纤不与钢筋薄片（2)粘贴，用于监测温度并进行温度补偿。
6. 根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述连续应变测点（4)采用链式应变 片组，所述每个链式应变片组内有10个应变测量片和1个用于温度补偿的温度补偿片。
7. 根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，所述链式应变片栅长0. 6mm，相邻应 变片中心距1mm，通过高性能胶水粘贴在钢筋薄片（2)截面上距所述锈蚀监测面（8)不同高 度处，应变片组通过焊接端子和导线与相应的应变仪连接，可连续监测长度方向上各测点 的平均应变。
【文档编号】G01N17/00GK104215569SQ201410441639
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】兰成明, 肖珣, 孙冬柏, 李惠, 袁杰, 周文松 申请人:北京科技大学, 哈尔滨工业大学