一种钢筋锈蚀监测方法与流程

技术领域：

本发明属于钢筋锈蚀监测技术领域，具体涉及一种钢筋锈蚀监测方法，利用并联电阻式钢筋锈蚀监测装置的内置钢丝电阻值变化反映钢筋锈蚀状况，主要用于钢筋混凝土结构中的钢筋部件的锈蚀监测与耐久性评定。

背景技术：
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在钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀是影响建筑工程结构的安全性和耐久性的重要因素之一；钢筋锈蚀时，体积发生膨胀，钢筋与混凝土之间的粘结力下降，混凝土保护层剥落，进而导致建筑结构强度降低，钢筋锈蚀发生在建筑结构的内部，肉眼很难察觉，对于钢筋锈蚀引发的轻度损坏的建筑物，对其进行修补时，存在工作量大、造价高和效益差的问题，当建筑物的破坏较严重时，将对人们的生命和财产安全带来不可估量的损失；所以，监测混凝土内钢筋的锈蚀状态并掌握建筑物结构的内部情况十分有必要，以便在建筑物发生损坏之前进行预警，使损失降至最低。20世纪80年代末，德国亚琛工业大学土木工程研究所发明了梯形阳极混凝土结构预埋式无损检测传感器系统，广泛应用于钢筋锈蚀监测，但是其存在造价昂贵、构造复杂和需要专用测量仪表的问题；目前，通过传感器测量混凝土结构中钢筋的某些电化学参数实现钢筋腐蚀的监测：中国专利201120123530.7公开的一种钢筋锈蚀时间预测装置，其包括钢丝、pvc棒、导线、设有侧槽的支架、螺丝和固定杆，钢丝缠绕在pvc棒上且通到支架的侧槽中，且钢丝的两端连接有导线，支架其侧槽中设有环氧树脂填充层，其作用是固定导线和pvc棒，螺丝设置在支架的一端，且其穿过不锈钢固定杆，其作用是调整固定杆与支架的距离，其每一组钢丝都有一组外接导线，外接导线的数目众多，接线盒结构复杂；中国专利zl201210471244.9公开的一种混凝土结构中钢筋锈蚀监测装置及方法，装置包括光纤光栅应变传感器、信号处理单元、不锈钢斜面支架、至少三只光纤光栅应变传感器及导线，光纤光栅应变传感器依次布设在斜面支架的斜面上，各光纤光栅应变传感器采集所得信号经由导线送至信号处理单元，通过光纤光栅应变传感器测定不同混凝土保护层厚度处由于钢筋锈蚀产物产生的锈胀力而引起的拉应变和产生应变的时间，推导出钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀速率及钢筋锈蚀初始腐蚀时间，用以间接监测钢筋锈蚀状况，该装置存在浇筑混凝土过程中的完整性得不到保护，不锈钢三角斜面支架倾斜高度不可调，适用范围小等缺点。因此，研发设计一种易于操作的钢筋锈蚀监测方法，实时监测和评定混凝土结构中钢筋的锈蚀状况，具有较好的社会、经济效益，应用前景广阔。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，研发一种钢筋锈蚀监测方法，能够实时精确监测和评定混凝土结构中钢筋的锈蚀状况。

为了实现上述目的，本发明涉及的钢筋锈蚀监测方法在并联电阻式钢筋锈蚀监测装置中实现，其工艺过程包括并联电阻式钢筋锈蚀监测装置的安装和监测钢筋锈蚀状况两个步环节：

(1)、安装并联电阻式钢筋锈蚀监测装置：根据混凝土保护层的厚度，通过改变螺栓件深入固定棒的长度调整并联电阻式钢筋锈蚀监测装置倾斜度，将固定棒与待测钢筋绑扎在一起，将与外接电阻测量仪建立连接的终端盒固定在模板的外侧，浇筑混凝土；

(2)、监测钢筋锈蚀状况：开启电阻测量仪，监测过程中，腐蚀物质渗透到距离混凝土表面不同深度处与钢筋材质相同的金属导体的表面，外层的金属导体受到腐蚀首先锈断，使外层金属导体的电阻发生变化，通过监测并判断腐蚀物质的渗透深度，实现对钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀状况进行监测和预测；由于r＝ρ·l/s，其中r为金属导体的电阻，r的单位为欧姆(ω)，ρ为金属导体的电阻率，ρ的单位为欧姆米(ω.m)，l为金属导体的长度，l的单位为米(m)，s为截面积，s的单位为平方米(m²)；当金属导体外接电源并形成闭合回路时，在电势的作用下，金属导体内的电子发生定向移动，n个金属导体电阻在电路中处于并联状态时，电路总电阻r总和各个金属导体电阻之间满足关系：则其中r1、r2……rn为第一个、第二个……第n个金属导体的电阻；

当所有金属导体的长度、材质和截面积均相同时，有r1＝r2＝……＝rn，其中r1、r2……rn为由外至内的金属导体的电阻，那么金属导体在腐蚀物质的作用下由表及里依次锈断，当第m根金属导体锈断时，此时，电阻变化率为：

；当最内侧的金属导体锈断时，r总n为无穷大；并联的金属导体越多，电阻数越多，即n越大，电阻的变化率越小，由金属导体并联构成的传感器的敏感性较低；当n固定不变，m越小，电阻的变化率越小，这表明在锈蚀初期，电阻的变化率较低，随着时间的发展，金属导体锈断引起的电阻变化率增加，采用等截面金属导体并联构成的传感器电阻变化率较低；

当金属导体的长度和材质相同，金属导体的截面积由外到内依次呈k(k＞1)倍减小时，最外层金属导体的电阻r1的电阻值为r，则r1、r2……rn满足：此时：金属导体在受到腐蚀物质的作用时，由外向内依次锈断，当第m根金属导体锈断时，

当第n根金属导体锈断时，r总n为无穷大；随着金属导体锈蚀的进行，第m根金属导体锈断时并联电路电阻与第m-1根金属导体锈断时并联电路电阻的比为：

这表明钢筋锈断引起的金属导体的电阻变化率与相邻金属导体导线截面面积比值k有关，k值大于1时，k越大，金属导体的电阻变化率相对于等截面变化更为明显，由金属导体并联构成的传感器对于监测数据更敏感；金属导体的电阻由外到内依次增大，当金属导体锈断时，并联金属导体的电阻值信号变化明显，金属导体的电阻值发生突变的时刻就是钢筋锈断的时间点，根据所测金属导体的电阻值大小评定某一位置处钢筋锈蚀状况，通过对处于不同混凝土深度的钢筋锈断时间的分析，预测待测钢筋的锈蚀时间，能够为钢筋的锈蚀防护或修复锈蚀措施的科学决策提供保障。

本发明涉及的并联电阻式钢筋锈蚀监测装置的主体结构包括支架、螺栓件、固定棒、套筒、弧形槽、绝缘棒、钢丝、导线和终端盒；两根互相平行的支架的一端通过螺栓件和圆柱形结构的固定棒连接形成三角形结构，两根内空式结构的支架相对的表面上分别均匀间隔式嵌套有五个圆环形结构的套筒，套筒的内壁开设有弧形槽，相对的两个套筒通过圆柱型结构的绝缘棒连接，绝缘棒上缠绕有钢丝，钢丝的两端分别在弧形槽中与导线连接，导线伸出套筒在支架中汇聚并伸出支架与终端盒连接，导线伸出支架的部分包覆有绝缘外皮；支架与套筒之间的缝隙涂抹有用于固定、密封和绝缘的粘接胶，弧形槽分别与钢丝和导线之间的缝隙以及支架与导线之间的缝隙均使用环氧树脂填充，导线的电阻率极小，其电阻相对于钢丝电阻忽略不计；各部件配合构成并联电阻式钢筋锈蚀监测装置，用于监测混凝土结构中钢筋的锈蚀状况。

本发明涉及的支架的材质为不锈钢；螺栓件与固定棒构成角度可调的三角形结构；套筒的作用是使支架与绝缘棒紧密连接并固定导线；弧形槽用于穿过钢丝和导线；绝缘棒用于承载钢丝；钢丝的材质与待测钢筋的材质相同；导线的材质为电阻率忽略不计的铜丝，导线的截面积相同或成倍数增加；终端盒用于连接外界的电阻测量仪。

本发明与现有技术相比，采用并联方式将钢丝埋于距混凝土表面不同深度处，只用一组等截面或变截面的导线引出，保证钢筋腐蚀导致的金属导体电阻变化的敏感性，并联电阻式钢筋锈蚀监测装置的倾斜度能够调整，便于不同混凝土保护层厚度中钢筋锈蚀状况的监测，并联电阻式钢筋锈蚀监测装置的结构简单，导线引出数量少，整体刚度大，易于绑扎，不受混凝土浇筑的扰动，取材便利，成本低廉，使用变截面导线时，金属导体的电阻变化增大，并联电阻式钢筋锈蚀监测装置的灵敏性提高；其原理科学可靠，监测简便，监测结果准确可靠，电阻信号简单且变化敏感度高，易于分析监测，适用范围广。

附图说明：

图1为本发明实现监测钢筋锈蚀状况的流程框图。

图2为本发明涉及的并联电阻式钢筋锈蚀监测装置的主体结构原理示意图。

图3为本发明涉及的并联电阻式钢筋锈蚀监测装置的侧视结构原理示意图。

图4为本发明涉及的套筒的结构原理示意图。

图5为本发明涉及的并联电阻式钢筋锈蚀监测装置位于混凝土结构中的状态示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例涉及的钢筋锈蚀监测方法在并联电阻式钢筋锈蚀监测装置中实现，监测的工艺过程包括装设并联电阻式钢筋锈蚀监测装置和监测钢筋锈蚀状况两个步骤：

(1)、安装并联电阻式钢筋锈蚀监测装置：根据混凝土保护层的厚度，通过改变螺栓件2深入固定棒3的长度调整并联电阻式钢筋锈蚀监测装置倾斜度，将固定棒3与待测钢筋绑扎在一起，将与外接电阻测量仪建立连接的终端盒固定在模板的外侧，浇筑混凝土；

(2)、监测钢筋锈蚀状况：开启电阻测量仪，监测过程中，氯离子或硫酸根离子的腐蚀性物质渗透进入混凝土是一个由表及里的过程，靠近固定棒的钢丝7离混凝土表面最近，所以会最先发生锈蚀，五根长度和材质分别相同、截面积不同的钢丝7并联在一起，其中钢丝7的电阻与钢丝7的截面积负相关，r1、r2、r3、r4和r5分别为由外及里的五根钢丝7的电阻，最外层钢丝7阻值为r，r1＝r2/2＝r3/4＝r4/8＝r5/16＝r，并联钢丝7的总电阻为：

当最外层钢丝7锈蚀并断裂时，最外层钢丝7的电阻变得无限大，总电阻为：

第二根钢丝7锈断时总电阻为：

第三根钢丝7锈断时总电阻为：

第四根钢丝7锈断时总电阻为：

第五根钢丝7锈断时，r总5为无穷大，当钢丝7锈断时，并联的钢丝7的电阻阻值发生突变，通过电阻测量仪测量并联的钢丝7的电阻，钢丝7的电阻值第一次发生突变时，最外层钢丝7锈断，以此类推；根据所测钢丝7电阻大小评定某一位置处钢筋锈蚀状况，通过分析不同混凝土深度处的钢丝7的锈断时间，监测待测钢筋的锈蚀时间。

本实施例涉及的并联电阻式钢筋锈蚀监测装置的主体结构包括支架1、螺栓件2、固定棒3、套筒4、弧形槽5、绝缘棒6、钢丝7、导线8和终端盒9；两根互相平行的支架1的一端通过螺栓件2和圆柱形结构的固定棒3连接形成三角形结构，两根内空式结构的支架1相对的表面上分别均匀间隔式嵌套有五个圆环形结构的套筒4，套筒4的内壁开设有弧形槽5，相对的两个套筒4通过圆柱型结构的绝缘棒6连接，绝缘棒6上缠绕有钢丝7，钢丝7的两端分别在弧形槽5中与导线8连接，导线8伸出套筒4在支架1中汇聚并伸出支架1与终端盒9连接，导线8伸出支架1的部分包覆有绝缘外皮；支架1与套筒4之间的缝隙涂抹有用于固定、密封和绝缘的粘接胶，弧形槽5分别与钢丝7和导线8之间的缝隙以及支架1与导线8之间的缝隙均使用环氧树脂填充，导线8的电阻率极小，其电阻相对于钢丝电阻可以忽略不计；各部件配合构成并联电阻式钢筋锈蚀监测装置，用于监测混凝土结构中钢筋的锈蚀状况。

本实施例涉及的支架1的材质为不锈钢；螺栓件2与固定棒3构成角度可调的三角形结构，根据混凝土保护层的厚度，通过改变螺栓件2深入固定棒3的长度调整并联电阻式钢筋锈蚀监测装置倾斜度，便于并联电阻式钢筋锈蚀监测装置在不同厚度的混凝土结构中监测钢筋的锈蚀状况；套筒4的作用是使支架1与绝缘棒6紧密连接并固定导线5；弧形槽5用于穿过钢丝7和导线8；绝缘棒6用于承载钢丝7；钢丝7的截面积成倍数增加，钢丝7的截面积分别为0.01mm²、0.02mm²、0.04mm²、0.08mm²和0.16mm²；导线8的材质为电阻率忽略不计的铜丝；终端盒9用于连接外界的电阻测量仪。

实施例2：

本实施例涉及的钢筋锈蚀监测方法在并联电阻式钢筋锈蚀监测装置中实现，监测的工艺过程包括装设并联电阻式钢筋锈蚀监测装置和监测钢筋锈蚀状况两个步骤：

(1)、安装并联电阻式钢筋锈蚀监测装置：根据混凝土保护层的厚度，通过改变螺栓件2深入固定棒3的长度调整并联电阻式钢筋锈蚀监测装置倾斜度，将固定棒3与待测钢筋绑扎在一起，将与外接电阻测量仪建立连接的终端盒固定在模板的外侧，浇筑混凝土；

(2)、监测钢筋锈蚀状况：开启电阻测量仪，监测过程中，五根直径、长度和材质分别相同的钢丝7并联在一起，总电阻为：

其中r1、r2、r3、r4和r5分别为由内及外的五根钢丝7的电阻，电阻值均为r，当最外层的第一根钢丝7锈蚀并断裂时，第一根钢丝7电阻无限大，总电阻为：

第二根钢丝7锈断时，总电阻为：

第三根钢丝7锈断时，总电阻为：

第四根钢丝7锈断时，总电阻为：

第五根钢丝7锈断时，总电阻为无穷大；当钢丝7锈断时，并联的钢丝7的电阻阻值发生突变，通过电阻测量仪测量并联的钢丝7的电阻，钢丝7的电阻值第一次发生突变时，最外层钢丝7锈断，以此类推；根据所测钢丝7电阻大小评定某一位置处钢筋锈蚀状况，通过分析不同混凝土深度处的钢丝7的锈断时间，监测待测钢筋的锈蚀时间；等截面的钢丝7的电阻的变化率比变截面的钢丝7的电阻的变化率小，特别是在早期钢丝7锈断时，电阻变化率偏小，敏感性不足。

本实施例涉及的并联电阻式钢筋锈蚀监测装置的主体结构同实施例1，钢丝7的截面积相同。