混凝土中钢筋非均匀锈蚀峰偏转角的无损动态监测的方法与流程

本发明涉及土木工程领域检测技术，特别涉及一种基于磁感应强度变化的混凝土中钢筋无损动态监测方法。

背景技术：

1、由于钢筋混凝土结构在取材、成本、维护方面的优势，一直在土建工程中占有主导地位，在重大土木工程(大型建筑工程、桥梁工程、水工与港工工程)中有着非常广泛的应用。处于海洋环境和除冰盐环境条件下的混凝土结构，钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素。由混凝土结构耐久性所带来的经济损失带来了巨大的经济损失，已引起广泛关注。针对工程中钢筋锈蚀检测的研究，涌现出了大量的成果。试验研究是理论研究深入的辅助手段，而试验技术决定了试验研究的准确性。由于在实际混凝土中，钢筋锈蚀呈显著的非均匀性。因此基于均匀性假设进行试验，所获得的钢筋锈蚀率检测数据并不精确。钢筋锈蚀峰的偏转角是钢筋锈蚀产物主要堆积方向，也是钢筋锈蚀最严重的方向，是表征钢筋锈蚀非均匀性的重要参数。对钢筋非均匀锈蚀的截面形貌，尤其是钢筋非均匀锈蚀峰的偏转角进行定量化分析，可以有效提高钢筋非均匀锈蚀的测量精度。

2、目前，钢筋锈蚀的检测方法分为破损检测和非破损检测。传统的破损检测采用混凝土切片、显微镜观测、三维激光扫描等方法来描述钢筋的锈后形貌。破损检测法虽然测量结果精确，但在检测过程中需要破坏混凝土保护层乃至取出钢筋，给结构造成不可逆转的损害，因此在实际工程中并不适用。常用的非破损检测方法有线性极化法、半电池电位法、水泥基材料声发射技术和非接触式混凝土电阻率测定法等。其中，线性极化法虽然测量方便快捷、测试精度较高，但由于现场难以准确测定混凝土构件的计算系数，因此检测结果并不准确。而其余三种技术只能定性判断出钢筋的锈蚀危险程度，不能定量化描述钢筋的实际锈蚀状态，因此工程应用价值并不高。因此，对混凝土中的钢筋锈蚀情况进行精确的无损检测仍然是一个技术难题。

3、基于磁介质理论的钢筋锈蚀检测技术，为目前的非破损检测技术提供了新的思路。现有的钢筋锈蚀监测仪主要分为内埋式与外置式，其中内置式监测仪的灵敏度与灵活性更好。内埋式钢筋锈蚀监测仪埋置在混凝土中，通过实时测量磁场强度变化反映内部钢筋的锈蚀状态。但是mcd传感器忽略了钢筋直径对检测结果的影响，因此可检测钢筋的种类受限。外置式钢筋锈蚀监测仪不受监测位置的限制，可以重复使用；但是在监测过程中受到的干扰因素较多，监测误差较大。此外，内置式四磁路传感器可用于检测钢筋的非均匀锈蚀情况；但是四磁路传感器阻碍了侵蚀性离子的传输过程，使得传感器监测范围内的钢筋无法发生正常的锈蚀，因此无法应用于实际工程。

4、综上，现有的采用非破损检测技术测试混凝土中钢筋锈蚀的技术原理与测试手段都存在各种缺陷，难以高效、客观、准确地识别混凝土中钢筋非均匀锈蚀的有关信息。有必要提出新的解决方案。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种混凝土中钢筋非均匀锈蚀峰偏转角的无损动态监测的方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的解决方案是：

3、提供一种混凝土中钢筋非均匀锈蚀峰偏转角的无损动态监测的方法，该方法是基于混凝土中钢筋非均匀锈蚀动态监测系统实现；该监测系统包括：

4、一个或多个钢筋锈蚀监测传感器，以卡装方式布置在混凝土构件中的钢筋上；当多个时是沿钢筋长度方向相间地布置；各传感器分别引出信号线；

5、数据采集器，与各传感器的信号线连接以获取监测数据；

6、上位计算机，通过有线或无线通信方式与数据采集器连接以接收监测数据；

7、所述钢筋锈蚀监测传感器包括塑料外壳，其内部设有凹字形的铁硅合金框架，框架开口处的两个末端相对设置且各设有一个霍尔元件；在开口对侧的框架本体中部设有永磁体，用于产生恒定磁场并与铁硅合金框架形成磁场回路，钢筋与磁场回路垂直相交；在外壳中还设有数据采集板，两个霍尔元件分别通过导线与其输入端子连接，数据采集板的输出端子通过信号线连接数据采集器以传送监测数据；在外壳上设有贯通的凹槽，凹槽位于框架的两个末端之间且截面形状和尺寸均适配于所述钢筋以实现卡装；

8、所述无损动态监测的方法，包括以下步骤：

9、(1)在混凝土构件施工现场，根据工艺要求进行模板安装和钢筋加工；

10、(2)以卡装方式沿待测钢筋的长度方向安装一个钢筋锈蚀监测传感器或相间地安装多个，并将信号线引出模板；将各信号线连接至数据采集器，调试确认传感器与数据采集器、上位计算机之间的数据传输正常后，移除数据采集器；

11、(3)根据工艺要求进行混凝土浇筑，已安装的各传感器被浇筑在混凝土构件内部；制得混凝土构件后，重新连接信号线至数据采集器，调试确认传感器与数据采集器、上位计算机之间的数据传输正常；

12、(4)传感器利用霍尔元件采集待测钢筋在不同锈蚀率下的磁信号，并输出不同的电压信号；数据采集器将采集到的电压信号转换为数字信号传输给上位计算机，由其进行处理分析；利用待测钢筋左右两侧的磁感应强度变化率差异，得到钢筋锈蚀产物的偏转角θ，进而判断出钢筋环向的非均匀锈蚀分布规律；计算得到钢筋非均匀锈蚀的锈蚀率，实现对钢筋横向非均匀锈蚀的实时监测与原位监测。

13、作为本发明的优先方案，所述塑料外壳包括注塑形成的盒体和侧部的盖板，盖板通过金属螺丝固定安装在盒体侧面；在盒体内设有用于安置霍尔元件和永磁体的卡槽，以及用于安置铁硅合金框架的定位卡件。

14、作为本发明的优先方案，所述数据采集器中设有用于连接局域网或互联网的无线通讯模块，所述上位计算机通过局域网或互联网定期接收数据采集器采集到的数据。

15、作为本发明的优先方案，所述外壳的凹槽的截面直径范围为12～16mm，即凹槽的形状适配于直径为12～16mm的钢筋。

16、作为本发明的优先方案，在将钢筋锈蚀监测传感器卡装在待测钢筋上时，使外壳表面贯通凹槽的开口侧朝向混凝土构件距离最短一侧的外表面。

17、作为本发明的优先方案，根据被测钢筋的直径d来确定传感器的纵向有效检测范围le，对于直径为12～16mm的钢筋，传感器的纵向有效监测测范围le为25～40mm。

18、作为本发明的优先方案，如果在待测钢筋同时布置多个传感器，应控制相邻传感器之间的最小间距smin＝30mm；假设待测钢筋的长度为ls，则在待测长度范围内最多能够配备的传感器数量为n，n的数值按下式计算得到：

19、

20、该式中，roundup为向上取整数函数。

21、作为本发明的优先方案，在混凝土结构构件浇筑完毕后，根据设定的时间间隔获取各传感器中两个霍尔元件的初始测量值bl与br，以及在同一时间点的测量差值δbl/bl和δbr/br；

22、(1)如果δbl/bl与δbr/br相同，表明钢筋表面没有发生偏转锈蚀，也就是钢筋锈蚀状态是均匀锈蚀；

23、(2)如果δbl/bl与δbr/br不同，表明钢筋表面发生了偏转锈蚀，也就是存在非均匀锈蚀的情况，其中霍尔元件测量差值δb/b相对较大的一侧为锈蚀产物的偏转侧，表明该侧的锈蚀更严重。

24、发明原理描述：

25、本发明利用钢筋锈蚀监测传感器能够在混凝土构件的实际使用过程中进行长期持续的监测过程。传感器中的两个霍尔元件负责将磁信号转换为电信号，而数据采集器将获取的电信号转换为数字信号再传送给上位计算机进行数据处理与分析，从而实现对钢筋锈蚀状态的连续、实时、原位的监测。

26、根据磁介质理论，磁感线从永磁体的n极射出，通过导磁框架与被测钢筋形成的磁路返回s极，形成闭合的完整磁回路。圆形永磁体在传感器内部产生固定磁场。由于铁的磁导率较铁锈、空气和水等材料的磁导率高5000倍，一旦被测钢筋周围存在强烈而稳定的磁场源，钢筋周围的磁场强度就反映了磁场内部钢筋的体积的变化。随着钢筋锈蚀过程的发生，金属铁逐渐转化为铁锈等锈蚀产物，磁场范围内的磁阻发生显著变化，钢筋所在区域的磁感应强度随之变化。因此，磁场强度的变化本质上反映了锈蚀引起的钢筋体积变化。当钢筋位于传感器检测位置时，由于钢筋是磁导体，对传感器内部的磁路产生干扰，磁路的变化被传感器内部的霍尔元件检测并输出为磁感应强度信号。随着钢筋的锈蚀，钢筋对磁路的干扰发生变化，从而导致最终输出的磁感应强度值发生变化。

27、在本发明中，钢筋锈蚀监测传感器中的两个霍尔元件可以获得锈蚀钢筋表面两个测点位置处的磁场变化规律。多处的两个测点磁场变化规律代表了钢筋横截面上不同位置处的锈蚀情况。通过建立磁感应强度变化率与钢筋锈蚀率的相关关系，就能达到通过磁感应强度变化率定量判断钢筋锈蚀峰偏转角以及钢筋锈蚀率的目的。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：

29、1、本发明监测方法所使用的系统具有结构简单、体积小巧、成本低廉的优点。由于便于携带、容易安装，非常适于工程施工的现场操作。

30、2、本发明能够针对混凝土中钢筋非均匀锈蚀峰偏转角和锈蚀率进行无损的长期动态监测，并适用于为12mm、14mm、16mm等多种直径多种类型钢筋；因此，能够解决传统钢筋锈蚀监测仪在测量不同直径钢筋锈蚀率时所存在的测量误差较大的问题。

31、3、本发明的监测方法可以有效识别混凝土中钢筋锈蚀峰的偏转角的动态变化，并通过计算获得混凝土中钢筋非均匀锈蚀的锈蚀率，从而为评估钢筋混凝土结构的耐久性提供科学、可靠的依据。