专利名称：五电极钢筋锈蚀监测传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种土木工程中用的传感器技术，具体涉及一种土木工 程结构健康监测用钢筋腐蚀监测传感器。(二) 背景技术在混凝土环境下，由于混凝土的多孔性，水分与氧气可以沿着孔隙 和裂紋迁移，这恰好是低碳钢和高强度合金钢等钢材腐蚀的必要条件。 在大多数情形下没有发生腐蚀的原因是这些孔隙中由于水泥的水化过程形成了高浓度的钙、钠和钾的氢氧化物，从而保持了 PH值在12 — 13之 间，这一高碱度环境是钢材钝化，形成致密的^型氧化铁防止了钢材的快 速腐蚀。然而当C1—(来自除冰盐或者海水)经过混凝土表面在钢筋表 面进行聚集或者由于C02(来自大气，也是造成全球气候变暖的重要因素 之一)的作用使孔溶液PH值降低的情况下，钝化膜遭到破坏，混凝土对 钢筋的保护作用失效，在02以及H20充足的情况下钢筋截面积减小或者 出现蚀点。过去的研究表明钢筋锈蚀是造成钢混结构损伤以及失效的原因之 一，全世界对腐蚀结构的维护维修以及更换构件投入了大量的费用，在 土木工程中钢筋锈蚀的监测是结构健康监测以及全寿命设计的重要组成 部分。土木工程中绝大多数(除了部分高温氧化反应外)钢材的锈蚀过 程都是电化学过程，所以电化学方法成为监测结构中钢材锈蚀的最本质 的方法。近些年来国内外的科研工作者采用电化学方法对腐蚀科学问题 进行了大量的研究，通过稳态及暂态电化学方法的研究，不但能够获得 诸如腐蚀电流密度、腐蚀速率这样的基本参数，还能够得知揭示腐蚀电 化学过程的更详细的信息，如极化电阻、双电层电容、扩散过程、点蚀 的发生过程等。这些参数的测量能够为腐蚀监测提供更加可靠的依据。电化学方法是揭示腐蚀科学问题的最本质的方法，然而过去釆用电 化学方法研究腐蚀问题绝大部分处于实验室状态下进行的，如何将电化 学方法应用于实际工程成为近几年国内外研究的热点。亳无疑问电化学 方法从原理上讲是成熟和可靠的，针对具体工程如何架构传感器及采集 系统，为电化学方法搭建应用平台是实际工程要解决的具体技术问题， 这也是与机遇并存的挑战。(三) 发明内容本发明的目的在于提供一种在土木工程结构健康监测中具有长寿 命、性能稳定的五电极钢筋锈蚀监测传感器。本发明的产品结构为它包括分别安装在壳体预留固定孔内的参比 电极、辅助电极、工作电极、两个与所监测钢材材料完全相同的等同电 极以及传感器壳体，壳体呈简状，工作电极、辅助电极以及两个等同电
极间隔设置，工作电极、两个等同电极以及辅助电极分别连接导线，导 线引出传感器壳体。本发明的产品还可以包括这样一 些结构特征1 、所述的参比电极为ASSRE -1全固态参比电极，采用 Ag/AgCl/KClsat体系，由从参比电极的轴心向外依次为纯度为99.99%的 Ag、 AgCl层、三组分多孔层以及水泥浆层构成；2、 所述的参比电极为Mn02固态参比电极或液态参比电极；3、 所述的辅助电极为石墨电极；4、 所述的辅助电极为不锈钢、铂或其它导电耐腐蚀材料；5、 所述的工作电极、辅助电极以及等同电极呈片状。 本发明的另一目的在于提供一种采用电化学方法可以对混凝土中钢筋锈蚀状态进行全面监测的五电极钢筋锈蚀监测传感器的制备方法。本发明的制备方法为首先制备安装电极位置的简式壳体和电极护 套，其次进行电极固定板及电极出线及密封区加工，再次制备参比电极 封装管，最后进行五电极腐蚀监测传感器的组装，即将所用电极安装在 圆简内部的预留位置，首先安装ASSRE-1全固态参比电极，然后安装三 个工作电极，再次安装石墨辅助电极，最后安装电极保护套以及出线端 密封帽。本发明的基本原理是根据本发明所提供的五电极腐蚀监测传感器， 采用电化学中的电化学阻抗谱及稳态、暂态测试技术对钢筋的锈蚀状态 进行全面监测，同时采用研究点蚀最先进的电化学噪声技术进行点蚀发 生状态监测。如采用弱极化法对钢筋锈蚀的极化电阻、B值进行测量， 从而得到钢筋的锈蚀速率；采用谐波分析方法直接得到钢筋锈蚀过程中 的腐蚀电流密度；采用恒电流或者恒电位阶跃能够迅速得到钢筋锈蚀过 程中的极化电阻、钢筋/混凝土界面的双电层电容及混凝土电阻等信息； 采用电化学阻抗谱能够研究钢筋锈蚀过程中的动力学过程，提供锈蚀过 程的控制信息等；采用:S学'噪声技术能够辨识钢筋是否发生点蚀。电化学噪声分析 (Electrochemical Noise Analysis)是指釆用合适的各种数学手段或 模型对电化学噪声进行合理的解析，排除干扰数据(干扰噪声)，获取有 用的信息。电化学噪声在测量之前，无须预先建立被测体系的电极过程 模型；也无须满足电化学阻抗谱(EIS)测量所必需阻纳的3个基本条件 (因果性、线性和稳定性)，而且可以实现远距离监测。由电位和电流随 时间的连续记录获得的EN的分析可以通过很多方法来研究和分析。这些 分析方法包括统计方法、频域内的FFT、 MEM求取功率谱PSD、小波分析、 混沌分析等方法。对电化学噪声分析最终能够辨识点蚀是否发生。本发明所架构的五电极腐蚀监测用传感器为电化学方法在监测混凝 土中的钢筋锈蚀提供了有力的平台。釆用其中的l个工作电极、全固态 参比电极以及石墨辅助电极可以进行电化学方法中大多数性能测试，如 电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)、稳
态及暂态测试，得到钢筋锈蚀状态的较全面的信息；釆用全固态参比电 极以及两个等同电极的架构可以实现先进的电化学噪声测试(Electrochemical Noise Measurement, E丽)，能够对混凝土中钢筋是 否存在点蚀倾向进行辨识。应用所发明的五电极腐蚀传感器，并采用配 套的电化学釆集系统，能够提供混凝土中钢筋锈蚀的全面信息，为结构 的健康监测以及全寿命设计提供科学依据。(四)
图1是已经研发出的未安装工作电极、两个等同电极以及辅助电极的本发明的实体图；图2是电极护套部主视图；图3是电极护套部俯视图；图4是电极固定板主视图；图5是电极固定板俯视图；图6是电极出线及密封区主视图；图7是电极出线及密封区左视图；图8是全固态参比电极的封装管主视图；图9是全固态参比电极的封装管俯视图。(五) 具体实施方案下面结合附图举例对本发明做更详细的描述本实施例包括分别安装在壳体预留固定孔内的ASSRE-1全固态参 比电极5、石墨辅助电极、工作电极4、两个与所监测钢材材料完全相同 的等同电极以及传感器壳体1，壳体1呈简状，工作电极、辅助电极以 及两个等同电极间隔设置，工作电极、两个等同电极以及辅助电极分别 连接导线9，导线9引出传感器壳体1。 ASSRE-1全固态参比电极5釆 用Ag/AgCl/KClsat体系，由从参比电极的轴心向外依次为纯度为99.99 y。的Ag、 AgCl层、三组分多孔层以及水泥浆层构成；工作电极4、辅助 电极以及等同电极呈片状。本实施例的制备方法为首先制备安装电极位置的简式壳体1和电 极护套2，其次进行电极固定板3及电极出线及密封区加工，再次制备 参比电极封装管，最后进行五电极腐蚀监测传感器的组装，即将所用电 极安装在圆简内部的预留位置，首先安装ASSRE - 1全固态参比电极5, 然后安装三个工作电极4，再次安装石墨辅助电极，最后安装电极保护 套以及出线端密封帽6。下面结合附图作具体说明1. 电极护套具体尺寸见图2。釆用有机玻璃制作，侧壁的孔为阻挡混凝土中粒 径较大的石子进入测试区域，从而影响测量结果。在护套的开口端内壁 加工M8xl.25、深度为10讓的内扣，以使护套与电极固定区连接。2. 电极固定板加工具体尺寸见图4。釆用两片厚度均为10mm的有机玻璃片分别在圆面 的四个象限区开直径为10mm以及2mm的孔。在直径为10mm的孔内壁加 工M8xl.25、深度为10mm的内扣，以固定工作电极、石墨辅助电极以及 两个等同电极。直径为2薩的孔用于出线。然后将两片用氯仿粘结，必 须保证两片上的孔的圆心对正。最后在粘结牢固的两片有机玻璃外壁加 工M8xl.25、深度为10mm的外扣，用于与电极护套以及密封区的连接。3. 电极出线及密封区加工具体尺寸见图6。在与电极固定区连接的一端内壁加工M8x1.25、深 度为10mm的内扣，用于与电极固定区的连接。4. 参比电极封装管具体尺寸见图8。延护套轴线的中间截面处，在180°平面内在0°、 90° 及180。处开直径为2腿的孔，见图9。这三个小孔的作用是使全固态参 比电极与混凝土电解质导通。5. 五电极腐蚀监测传感器的组装首先将加工好的工作电极、两个等同电极以及辅助电极焊接导线， 导线与电极连接处釆用AB胶密封；其次将全固态参比电极放入封装管 内并固定在图4所示的电极固定板上，必须保证封装管中间所开的3个 孔与安装其它电极的孔的轴线对齐；再次将焊接好导线的工作电极、两 个等同电极以及辅助电极安装在图4所示的电极固定板上，安装前要在 电极的外扣上缠防水胶带，在电极出线处再次釆用AB胶或者环氧树脂 密封；最后将图2所示的电极护套以及图6所示的电极出线及密封套与 图4所示的安装好电极的电极固定板连接，其中安装图6所示的电极出 线及密封套前将硅酮玻璃胶7注入该护套内，从而进一步保证密封的可 靠性。
权利要求
1、 一种五电极钢筋锈蚀监测传感器，其特征是它包括分别安装 在壳体预留固定孔内的参比电极、辅助电极、工作电极、两个与所监测 钢材材料完全相同的等同电极以及传感器壳体，壳体呈简状，工作电极、 辅助电极以及两个等同电极间隔设置，工作电极、两个等同电极以及辅 助电极分别连接导线，导线引出传感器壳体。
2、 根据权利要求l所述的五电极钢筋锈蚀监测传感器，其特征是 所述的参比电极为ASSRE- 1全固态参比电极，釆用Ag/AgCl/KClsat体 系，由从参比电极的轴心向外依次为纯度为99.99%的Ag、 AgCl层、 三组分多孔层以及水泥浆层构成。
3、 根据权利要求l所述的五电极钢筋锈蚀监测传感器，其特征是 所述的参比电极为Mn02固态参比电极或液态参比电极。
4、 根据权利要求1所述的五电极腐蚀传感器，其特征是所述的 辅助电极为石墨电极。
5、 根据权利要求1所述的五电极腐蚀传感器，其特征是所述的 辅助电极为不锈钢、铂或其它导电耐腐蚀材料
6、 根据权利要求l、 2、 3 、 4或5所述的五电极腐蚀传感器，其 特征是所述的工作电极、辅助电极以及等同电极呈片状。
7、 一种五电极腐蚀传感器的制备方法，其特征是首先制备安装 电极位置的简式壳体和电极护套，其次进行电极固定板及电极出线及密 封区加工，再次制备参比电极封装管，最后进行五电极腐蚀监测传感器 的组装，即将所用电极安装在圆简内部的预留位置，首先安装ASSRE-1 全固态参比电极，然后安装三个工作电极，再次安装石墨辅助电极，最 后安装电极保护套以及出线端密封帽。
全文摘要
本发明提供了一种五电极钢筋锈蚀监测传感器及其制备方法。它包括分别安装在壳体预留固定孔内的参比电极、辅助电极、工作电极、两个与所监测钢材材料完全相同的等同电极以及传感器壳体，壳体呈筒状，工作电极、辅助电极以及两个等同电极间隔设置，工作电极、两个等同电极以及辅助电极分别连接导线，导线引出传感器壳体。本发明采用全固态参比电极以及两个等同电极的架构可以实现先进的电化学噪声测试，能够对混凝土中钢筋是否存在点蚀倾向进行辨识。应用所发明的五电极腐蚀传感器，并采用配套的电化学采集系统，能够提供混凝土中钢筋锈蚀的全面信息，为结构的健康监测以及全寿命设计提供科学依据。
文档编号G01N17/00GK101144769SQ20071014439
公开日2008年3月19日 申请日期2007年9月29日 优先权日2007年9月29日
发明者乔国富, 欧进萍 申请人:哈尔滨工业大学