一种用于钢筋锈蚀监测的压电传感器及钢筋锈蚀监测方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于钢筋锈蚀监测的压电传感器及钢筋锈蚀监测方法，属于钢筋混凝土结构的智能传感器监测【技术领域】。该传感器由压电陶瓷、电极面、水泥、环氧树脂及固化剂构成的封装层和屏蔽导线构成。基于该传感器的监测方法采用水泥、环氧树脂和固化剂的混合物作为粘结剂将压电传感器和钢筋耦合，通过测试不同时期传感器的电阻抗-频率谱图，然后进行均方根差计算，其计算结果作为判断混凝土内钢筋锈蚀状况的量化指数。本发明的压电传感器具有制备简单、使用方便、耐久性好等特点，基于该传感器的监测方法具有准确可靠、方便直观的特点。
【专利说明】一种用于钢筋锈蚀监测的压电传感器及钢筋锈蚀监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钢筋混凝土结构的智能传感器监测【技术领域】，特别是一种混凝土中钢筋锈蚀监测的压电传感器及基于该传感器的钢筋锈蚀监测方法。
【背景技术】
[0002]混凝土所处环境一般较为恶劣，导致其耐久性破坏的因素很多，其中钢筋腐蚀是影响其耐久性能，甚至导致混凝土结构失稳破坏的最主要原因。钢筋锈蚀将导致钢筋的有效截面减小、钢筋力学性能下降、钢筋与混凝土的粘结力下降、产生锈胀力，降低混凝土的抗压强度，引起混凝土保护层开裂剥落，从而降低了混凝土结构的承载力。尤其是对于港口、码头、跨海大桥及海洋钻井平台等沿海混凝土工程结构，因钢筋锈蚀导致的混凝土耐久性问题非常严重，严重威胁了其正常的使用寿命。因此，如何准确地掌握钢筋混凝土结构的钢筋锈蚀状况，以便及早采取预防措施防止锈蚀的进一步加剧，这对于保障重要混凝土工程结构的安全性具有重要的意义。
[0003]近年来，采用智能传感器对混凝土钢筋腐蚀监测成为一个重要的发展方向。目前，使用智能传感器对混凝土中钢筋腐蚀状况进行评价的方法很多，主要可分为两大类，即物理法和电化学法等。物理法主要通过测定钢筋锈蚀引起电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来反映钢筋锈蚀情况，目前所主要使用的是布拉格光栅光纤或涂层光纤钢筋腐蚀本征光学传感器。此外，由于钢筋腐蚀本身就是一个电化学过程，因而采用电化学方法也是比较有效的手段，目前常用的电化学方法有线性极化法、交流阻抗谱法、腐蚀电流法、腐蚀电位法、混凝土电阻率法等。采用电化学方法进行钢筋腐蚀监测是目前研究较为成熟、应用广泛的一类，但由于电化学监测方法往往需要将外部测量探头或参比电极外置于混凝土构件上，测量结果易受外界因素的干扰，进而影响测量的精确性。因此，研发可永久埋设于混凝土结构中的智能传感器，使之能够适用于混凝土中钢筋腐蚀的长期监测具有良好的发展前景。
[0004]压电陶瓷具有成本低、响应速度快、结构简单、可靠性好、既可作为传感器又可作为驱动器等优点受到了广泛重视，采用压电陶瓷制备的传感器和驱动器在土木工程结构损伤诊断与监测等方面发挥了重要的作用。目前，已有关于压电传感器声发射技术和超声技术的混凝土钢筋锈蚀监测研究，然而基于压电传感器机电阻抗技术的钢筋锈蚀监测研究未见报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种能够长期埋入钢筋混凝土结构中、结构简单、耐久性好且使用方便的钢筋锈蚀监测用压电传感器，同时还通过测试与钢筋粘贴耦合后的压电传感器机电阻抗谱变化，建立有效的钢筋锈蚀量化指数，最终形成一种基于该压电传感器机电阻抗技术的混凝土钢筋锈蚀监测方法。
[0006]为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用如下技术方案:本发明提供的压电传感器由压电陶瓷、电极面，水泥、环氧树脂及固化剂混合物封装层和屏蔽导线构成。
[0007]将压电传感器粘贴于混凝土内部的钢筋上，当钢筋发生锈蚀时，钢筋的机械阻抗也会发生相应变化，通过测定耦合于钢筋的压电传感器机电阻抗谱变化情况，并基于机电阻抗谱的这种变化建立一种量化指数，便可实现对混凝土内的钢筋锈蚀状况的长期监测。
[0008]所述传感器所用压电陶瓷为经过极化处理后的钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁锆钛酸铅、三元系压电陶瓷或无铅压电陶瓷中的一种，形状为方形或圆柱形陶瓷片或陶瓷块。
[0009]所述传感器所用压电陶瓷的上下表面电极均为银电极或镍电极，其中，陶瓷的下表面电极通过侧面一端引出到上表面，并和原有上表面电极分割，屏蔽导线分别焊接到下表面引入到上表面的电极部分和原有的上表面电极部分。
[0010]所述传感器封装层所用水泥为硅酸盐类水泥、硫铝酸盐系列水泥或磷铝酸盐系列水泥中的一种，水泥用量占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的20%-60% (质量分数)。
[0011]所述传感器封装层所用环氧树脂为双酚A型、双酚F型或双酚S型中的一种或几种的混合物，固化剂可以采用胺类固化剂，环氧树脂和固化剂的混合物用量占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的40%-80% (质量分数)。
[0012]所述传感器所用的水泥环氧树脂封装层的厚度为，压电陶瓷的下表面封装层厚度小于2mm，压电陶瓷的上表面封装层厚度小于5mm，压电陶瓷的侧面封装层厚度小于5mm。
[0013]一种利用上述传感器对混凝土内钢筋锈蚀状况进行监测的方法，其特征在于包括以下步骤:
(1)采用水泥、环氧树脂和固化剂的混合物作为粘结剂，将压电传感器的下表面粘贴于钢筋表面，粘接剂的配比和传感器封装层的配比相同；
(2)将粘贴有压电传感器的钢筋埋于混凝土中，标准养护24h后脱模；
(3)采用阻抗测试仪对养护24h的钢筋混凝土内的压电传感器进行电阻抗-频率特性测试，获得电阻抗-频率谱图；
(4)根据电阻抗-频率谱图，找出压电传感器出现最多谐振峰时的频率段，并以该频率段为测试频率区间，再次进行电阻抗-频率特性测试，获得分辨率更高的电阻抗-频率谱图；
(5)按照步骤(4)中确定的测试频率区间对钢筋混凝土内的压电传感器进行定期电阻抗-频率特性测试，获得电阻抗-频率谱图；
(6)以24h时测得的压电传感器电阻抗为基准参考值，以符号表示(下标i=l，2，…N，代表测试频率区间内的频率点，上标0代表24h基准时刻)，将不同时期测得的压电传感器电阻抗与其进行对比，以符号A表示，
根据均方根差公式，
【权利要求】
1.一种用于混凝土钢筋锈蚀监测的压电传感器，其特征是:由压电陶瓷、电极面、封装层和屏蔽导线构成，其中，压电陶瓷的下表面电极通过侧面引伸到上表面，并和原有上表面电极分割，屏蔽导线分别焊接到压电陶瓷从下表面引伸到上表面的电极部分和原有的上表面电极部分，封装层由水泥、环氧树脂和固化剂的混合物组成。
2.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于压电陶瓷为经过极化处理后的钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁锆钛酸铅、三元系压电陶瓷或无铅压电陶瓷中的一种，压电陶瓷形状为方形或圆柱状，压电陶瓷电极面为银电极或镍电极。
3.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于水泥为硅酸盐类水泥、硫铝酸盐系列水泥或磷铝酸盐系列水泥中的一种，环氧树脂为双酚A型、双酚F型或双酚S型中的一种或几种的混合物，固化剂为胺类固化剂，环氧树脂和固化剂的混合物占水泥、环氧树脂和固化剂三者混合物的质量分数为40%-80%。
4.根据权利要求1所述的压电传感器封装层厚度为:压电陶瓷下表面封装层厚度小于2mm，压电陶瓷上表面封装层厚度小于5mm，压电陶瓷侧面封装层厚度小于5mm。
5.一种利用上述传感器对混凝土内钢筋锈蚀状况进行监测的方法，其特征在于包括以下步骤: (1)采用水泥、环氧树脂和固化剂的混合物作为粘结剂，将压电传感器的下表面粘贴于钢筋表面，粘接剂的配比和传感器封装层的配比相同； (2)将粘贴有压电传感器的钢筋埋于混凝土中，标准养护24h后脱模； (3)采用阻抗测试仪对养护24h的钢筋混凝土内的压电传感器进行电阻抗-频率特性测试，获得电阻抗-频率谱图； (4)根据电阻抗-频率谱图，找出压电传感器出现最多谐振峰时的频率段，并以该频率段为测试频率区间，再次进行电阻抗-频率特性测试，获得分辨率更高的电阻抗-频率谱图； (5)按照步骤(4)中确定的测试频率区间对钢筋混凝土内的压电传感器进行定期电阻抗-频率特性测试，获得电阻抗-频率谱图； (6)以24h时测得的压电传感器电阻抗为基准参考值，以符号表示(下标i=l，2，…N，代表测试频率区间内的频率点，上标O代表24h基准时刻)，将不同时期测得的压电传感器电阻抗与其进行对比，以符号A表示， 根据均方根差公式，
6.如权利要求5所述的混凝土钢筋锈蚀状况监测方法，其特征在于粘贴层厚度小于2mm，粘贴固化时间为48h。
7.如权利要求5所述的混凝土钢筋锈蚀状况监测方法，其特征在于所测试的压电传感器的电阻抗可以是电阻、电抗或阻抗当中的一种，所获得谱图可以是电阻-频率谱图、电抗-频率谱图或阻抗-频率谱图中的一种。
【文档编号】G01N27/04GK103575769SQ201310562045
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】徐东宇, 程新, 黄世峰, 李兰 申请人:济南大学