一種混凝土內鋼筋銹蝕與應力狀態(tài)原位監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種鋼筋混凝土結構內鋼筋銹蝕與應力狀態(tài)原位監(jiān)測方法，該方法是通過構造預應力自平衡體系，將與混凝土內鋼筋相同材質的鋼筋薄片施加初始預應力后埋入混凝土結構之中；在鋼筋薄片上不同高度處設置連續(xù)應變測點，監(jiān)測該區(qū)域應力狀態(tài)；鋼筋薄片形成平面應力狀態(tài)，局部腐蝕后產(chǎn)生應力集中，根據(jù)截面不同高度處連續(xù)測點應變變化以反映鋼筋初始銹蝕時間、銹蝕速率與銹蝕程度。本發(fā)明可埋設于距混凝土表面不同深度處，實現(xiàn)不同深度處鋼筋銹蝕程度及埋設區(qū)域應力狀態(tài)的監(jiān)測及銹蝕風險評估。不受混凝土內各種離子、溫濕度等環(huán)境因素的影響，特別適合海蝕環(huán)境浪滅區(qū)、潮差區(qū)鋼筋混凝土結構鋼筋銹蝕風險與銹蝕程度的評定。
【專利說明】一種混凝土內鋼筋銹蝕與應力狀態(tài)原位監(jiān)測方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于土木工程結構健康監(jiān)測技術，尤其是涉及鋼筋混凝土結構耐久性，應 用于鋼筋混凝土結構的銹蝕監(jiān)測與耐久性評定。

【背景技術】
[0002] 現(xiàn)有技術：鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結構耐久性破壞的最主要原因，目前鋼筋銹蝕 監(jiān)測技術主要分為物理和電化學兩種手段。電化學手段使用較多，主要圍繞鋼筋腐蝕過程 產(chǎn)生的腐蝕電流或電極間的電位差的測量表征腐蝕的可能性。具體方法有：（1)梯形陽極 法，通過在混凝土層的不同深度布置若干陽極，通過監(jiān)測各陽極與同一陰極間的電流來表 征氯離子的侵入或銹蝕發(fā)展情況，從而間接預測鋼筋的腐蝕，此類方法已有部分工程與試 驗室應用，但公開的試驗數(shù)據(jù)較少，有效性有待證實。（2)半電池電位法和線性極化法為代 表的監(jiān)測、檢測方法，通過現(xiàn)場測量鋼筋各部位的電位或極化電阻，以此判斷各處銹蝕的可 能性，但這些方法不易實現(xiàn)長時間嵌入式在線監(jiān)測，且由于極化電阻與電位易受多種因素 擾動，不能判斷鋼筋確切的腐蝕狀態(tài)。同時，電化學方法監(jiān)測的多是某一區(qū)域銹蝕的可能 性，并不能真實反映鋼筋周圍的應力情況，且在銹蝕產(chǎn)物產(chǎn)生后不能定量跟蹤腐蝕的發(fā)展， 存在一定的缺陷?，F(xiàn)有的物理監(jiān)測方法主要基于光纖光柵應變傳感器進行設計，主要有： (3) 光纖布拉格光柵纏繞結構中受力鋼筋，由于鋼筋受銹蝕產(chǎn)生銹蝕產(chǎn)物膨脹導致應變增 力口，據(jù)此監(jiān)測銹蝕發(fā)展；（4)將兩根鋼筋緊鄰布置，用支座或直接將兩鋼筋連接，連接位置 是鋼筋端部或上邊緣處，由于兩根受腐蝕膨脹后相互擠壓排斥，便能在光纖光柵上監(jiān)測到 應變增加的現(xiàn)象。以上的物理方法均為基于鋼筋受腐蝕膨脹的原理設計，在初步驗證中取 得較理想的結果，但在混凝土中環(huán)境復雜，無論是采用纏繞法直接測量受力鋼筋的腐蝕情 況，還是布置緊鄰鋼筋間接測量鋼筋腐蝕情況，都破壞了鋼筋表面微環(huán)境，難以表征真實的 腐蝕情況，且受蝕膨脹受混凝土約束，靈敏性和有效性尚待驗證，且目前未見用于工程實 際。
[0003] 存在的問題：目前鋼筋混凝土耐久性監(jiān)測主要目的是解決鋼筋初始銹蝕時間并估 計鋼筋銹蝕速率或銹蝕程度。電化學方法由于鋼筋混凝土自身固有的腐蝕特征及技術本身 的局限性，難以消除介質歐姆降的問題。如電位測量僅可提供鋼筋是否發(fā)生腐蝕，腐蝕程度 不得而知。極化電阻測量無法確定擾動信號所影響的鋼筋面積，往往對實際腐蝕程度給出 過高的估計，另外一個問題是無法確定合適的激勵時間，使得在這一時間內所測定的電流 響應僅包含有關腐蝕界面的電化學信息，而與混凝土本身的電化學信息無關。目前的物理 方法主要集中于鋼筋受腐蝕后腐蝕產(chǎn)物膨脹產(chǎn)生的應變、應力的監(jiān)測，由于這兩種參數(shù)受 濕度、溫度、電磁場、雜散電流及孔隙溶液濃度的影響較小，固物理方法的難點問題主要集 中于方法的設計，由于混凝土與鋼筋之間存在復雜的相互作用力，會限制鋼筋和混凝土的 相對位移，造成鋼筋銹蝕產(chǎn)物膨脹導致的銹脹應力難以監(jiān)測，而由其引起的鋼筋周圍的混 凝土應變也因混凝土的相互約束而難以采集，同時結構自身的受力與變形也產(chǎn)生應變，腐 蝕產(chǎn)物膨脹產(chǎn)生的應變湮沒其中，難于分辨。因此基于鋼筋銹蝕膨脹機理設計的傳感器都 會受到較為嚴重的影響。與此同時，現(xiàn)有鋼筋銹蝕監(jiān)測方法往往會破壞鋼筋表面的微環(huán)境， 使得氯離子的擴散等造成腐蝕的誘導因素與實際情況存在差別，同時受到外部環(huán)境因素的 影響，實測數(shù)據(jù)與真實情況差別較大，實際使用情況尚待驗證。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是解決在不破壞混凝土內鋼筋表面微環(huán)境條件下實現(xiàn)混凝土內鋼 筋初始銹蝕時間、銹蝕速率、銹蝕程度與區(qū)域混凝土應力狀態(tài)的監(jiān)測。
[0005] 為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提出以下技術方案： 一種混凝土內鋼筋銹蝕與應力狀態(tài)原位監(jiān)測方法，所述方法是通過構造預應力自平衡 體系，將與混凝土內鋼筋相同材質的鋼筋薄片施加初始預應力后埋入混凝土結構之中，與 混凝土共同工作；在所述鋼筋薄片上不同高度處設置連續(xù)應變測點，監(jiān)測該區(qū)域應力狀態(tài)； 所述鋼筋薄片施加初始預應力后形成平面應力狀態(tài)，局部腐蝕后產(chǎn)生應力集中，根據(jù)截面 不同高度處連續(xù)測點應變變化以反映鋼筋初始銹蝕時間、銹蝕速率與銹蝕程度。
[0006] 所述預應力自平衡體系包括框架（1)、中部鋼筋薄片（2)、混凝土（3)、分布式連續(xù) 應變測點（4)、聚酯材料（5)、防腐層（6)、加載螺母（7)和銹蝕監(jiān)測面（8)，其中，所述中部鋼 筋薄片（2)通過加載螺母（7)安裝在框架（1)中，通過兩端的加載螺母（7)對中部鋼筋薄片 (2)進行預應力加載并錨固；所述中部鋼筋薄片（2)的三個表面利用聚酯材料（5)進行封 裝，第四個端面作為銹蝕監(jiān)測面（8)，在鋼筋薄片（2)截面上距所述銹蝕監(jiān)測面（8)不同高 度處設置分布式連續(xù)應變測點（4)。
[0007] 在鋼筋薄片（2)截面上距所述銹蝕監(jiān)測面（8)不同高度處設置分布式連續(xù)應變測 點（4 )為1?空間分辨率分布式光纖。
[0008] 所述高空間分辨率分布式光纖通過高性能膠水粘貼在距腐蝕監(jiān)測面8的不同截 面高度處，通過傳輸光纖與相應解調儀連接。
[0009] 所述分布式連續(xù)應變測點（4)上靠近加載螺母（7)處預留一段光纖不與鋼筋薄片 (2 )粘貼，用于監(jiān)測溫度并進行溫度補償。
[0010] 所述連續(xù)應變測點（4)采用鏈式應變片組，所述每個鏈式應變片組內有10個測量 片和1個用于溫度補償?shù)臏囟妊a償片。
[0011] 所述鏈式應變片柵長〇. 6_，相鄰應變片中心距1_，通過高性能膠水粘貼在鋼筋 薄片（2)截面上距所述銹蝕監(jiān)測面（8)不同高度處，應變片組通過焊接端子和導線與相應 的應變儀連接，可連續(xù)監(jiān)測長度方向上各測點的平均應變。
[0012] 本方法設計原理清晰、結構設計精巧合理，僅需通過應變測量即可實現(xiàn)長期在線 監(jiān)測或離線檢測的需求。與現(xiàn)有鋼筋銹蝕監(jiān)測方法相比，既可以避免電化學方法受雜散電 流等引起的電流波動及濕度、離子濃度等造成的電阻變化，又巧妙的規(guī)避了物理方法通常 導致的對結構中鋼筋表面微環(huán)境的破壞，較好的解決了鋼筋銹蝕監(jiān)測問題，同時本方法不 受混凝土內各種離子、溫濕度等環(huán)境因素的影響。
[0013] 本發(fā)明使用的構造鋼筋薄片可埋設于距混凝土表面不同深度處，實現(xiàn)混凝土內不 同深度處鋼筋銹蝕程度及埋設區(qū)域應力狀態(tài)的監(jiān)測及銹蝕風險評估。特別適合海蝕環(huán)境浪 濺區(qū)、潮差區(qū)、浸沒區(qū)鋼筋混凝土結構鋼筋銹蝕風險與銹蝕程度的評定，如處于浪濺區(qū)、潮 差區(qū)、浸沒區(qū)的跨海橋梁鋼筋混凝土橋墩，處于大氣區(qū)的跨海橋梁上部混凝土結構，海工、 港工的鋼筋混凝土碼頭等，實現(xiàn)混凝土內鋼筋銹蝕和混凝土局部應力狀態(tài)的原位監(jiān)測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖la鋼筋銹蝕傳感器結構圖； 圖lb鋼筋薄片截面圖； 圖lc鋼筋銹蝕傳感器中部鋼筋設計圖； 1框架、2中部鋼筋薄片、3混凝土、4分布式連續(xù)應變測點、5聚酯材料、6防腐層、7加載 螺母、8銹蝕監(jiān)測面。

【具體實施方式】
[0015] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖和具體實施例， 對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0016] 本發(fā)明的監(jiān)測方法是構造鋼筋銹蝕傳感器內鋼筋薄片處于平面應力狀態(tài)，預留薄 片一側作為銹蝕監(jiān)測面，一旦銹蝕監(jiān)測面上局部區(qū)域發(fā)生銹蝕，該區(qū)域附近形成局部應力 集中，根據(jù)鋼筋薄片上不同高度連續(xù)的應變測點實現(xiàn)鋼筋初始銹蝕時間、銹蝕速率、銹蝕程 度監(jiān)測，同時實現(xiàn)區(qū)域混凝土應力狀態(tài)的監(jiān)測。
[0017] 實施例1 本發(fā)明的鋼筋銹蝕傳感器結構如圖1所示，其中中部鋼筋薄片（2)采取與混凝土結構 中縱向受力鋼筋相同材質，中部鋼筋薄片（2)截面上不同高度處布置連續(xù)應變測點（4)(圖 lb、圖lc所示)，連續(xù)應變測點（4)采用高空間分辨率分布式光纖，通過高性能膠水粘貼在 鋼筋薄片截面不同高度處，通過傳輸光纖與相應解調儀連接，高空間分辨率分布式光纖可 連續(xù)監(jiān)測長度方向上（圖lc所示)每毫米長度上的平均應變，預留靠近加載螺母的一段光纖 不與鋼絲薄片粘貼(不與薄片一起變形)，用于監(jiān)測溫度并進行溫度補償(下文監(jiān)測應變均 為補償后應變)，用聚酯材料進行封裝其三個表面，僅保留一個端面作為銹蝕監(jiān)測面（8)(如 圖lb所示)，通過兩端螺栓對鋼筋進行預應力加載并錨固，通過連續(xù)應變測點監(jiān)測實際加載 應力，鋼筋薄片（2)形成平面應力狀態(tài)?；炷翝仓皩⒃撗b置布置在待監(jiān)測鋼筋銹蝕部 位，或處于混凝土保護層不同深度處，銹蝕監(jiān)測面朝向混凝土保護層一側，混凝土澆筑固化 后鋼筋銹蝕監(jiān)測裝置與混凝土形成整體，其與混凝土共同變形。當結構在外荷載作用下發(fā) 生變形時，高空間分辨率分布式光纖上的應變增量即為實際混凝土的應變，根據(jù)混凝土彈 性模量即可換算混凝土實際的應力狀態(tài)。由于鋼筋薄片三個面受到聚酯材料的保護，銹蝕 監(jiān)測面截面雖然與混凝土接觸，但接觸面積較小，不考慮混凝土的粘結作用，在結構服役過 程中一旦銹蝕監(jiān)測面發(fā)生局部銹蝕，鋼筋薄片局部銹蝕區(qū)域形成應力集中，局部應變發(fā)生 突變，靠近該位置的高空間分辨率分布式光纖與該區(qū)域共同變形，因此應變信號發(fā)生突變， 在銹蝕區(qū)域不同截面高度上應變變化不同，越靠近銹蝕區(qū)域的應變變化越大，相同截面高 度未發(fā)生銹蝕部位的應變變化很小，可根據(jù)鋼筋薄片不同截面高度處連續(xù)應變測點監(jiān)測數(shù) 據(jù)變化采用相應計算程序計算混凝土內鋼筋初始銹蝕時間、銹蝕速率和銹蝕程度。未腐蝕 區(qū)域不同截面上高空間分辨率分布式光纖應變測點可繼續(xù)監(jiān)測該區(qū)域混凝土的應力狀態(tài)。 實現(xiàn)混凝土內不同深度處鋼筋銹蝕程度及埋設區(qū)域應力狀態(tài)的監(jiān)測及銹蝕風險評估。
[0018] 實施例2 :本發(fā)明的結構如圖1所示，其中中部鋼筋薄片（2)采取與混凝土結構中 縱向受力鋼筋相同材質，中部鋼筋薄片上不同高度處布置連續(xù)應變測點（4)(圖lb、圖lc所 示)，連續(xù)應變測點（4)采用鏈式應變片組(如HBM KY11-1/120)，每個鏈式應變片組內有10 個測量片，1個溫度補償片用于溫度補償(下文監(jiān)測應變均為補償后應變)，單個應變片柵長 0. 6_，相鄰應變片中心距1_，通過高性能膠水粘貼在鋼筋薄片不同截面高度處，應變片通 過焊接端子、導線與應變儀連接，鏈式應變片組可連續(xù)監(jiān)測長度方向上（圖lc所示）各測點 的平均應變，測點間距1mm，用聚酯材料進行封裝其三個表面，僅保留一個端面作為腐蝕監(jiān) 測面（8)(如圖lb所示)，通過兩端螺栓對鋼筋進行預應力加載并錨固，通過連續(xù)應變測點 監(jiān)測實際加載應力，鋼筋薄片形成平面應力狀態(tài)。混凝土澆筑前將該裝置布置在待監(jiān)測銹 蝕部位，或處于混凝土保護層不同深度處，銹蝕監(jiān)測面朝向混凝土保護層一側，混凝土澆筑 固化后鋼筋銹蝕監(jiān)測裝置與混凝土形成整體，其與混凝土共同變形。當結構在荷載作用下 發(fā)生變形時，鏈式應變片組上的應變增量即為實際混凝土的應變，根據(jù)混凝土彈性模量即 可換算混凝土實際的應力狀態(tài)。由于鋼筋薄片三個面受到聚酯材料的保護，銹蝕監(jiān)測面截 面雖然與混凝土接觸，但接觸面積較小，不考慮混凝土的粘結作用，在結構服役過程中一旦 銹蝕監(jiān)測面發(fā)生局部銹蝕，鋼筋薄片局部銹蝕區(qū)域形成應力集中，局部應變發(fā)生突變，靠近 該位置的鏈式應變片組與該區(qū)域共同變形，因此應變信號發(fā)生突變，在銹蝕區(qū)域鋼絲薄片 不同截面高度上應變變化不同，越靠近銹蝕區(qū)域的應變變化越大，相同截面高度未發(fā)生銹 蝕部位的應變變化很小，可根據(jù)鋼筋薄片不同截面高度處連續(xù)應變測點監(jiān)測數(shù)據(jù)變化采用 相應計算程序計算混凝土內鋼筋初始銹蝕時間、銹蝕速率和銹蝕程度。未腐蝕區(qū)域不同截 面上鏈式應變片組應變測點可繼續(xù)監(jiān)測該區(qū)域混凝土的應力狀態(tài)。實現(xiàn)混凝土內不同深度 處鋼筋銹蝕程度及埋設區(qū)域應力狀態(tài)的監(jiān)測及銹蝕風險評估。
[0019] 以一具體實例說明本發(fā)明專利的監(jiān)測效果，鋼筋薄片長度為80mm，截面高度 16mm，建立二維平面應力狀態(tài)計算模型，初始預應力施加后鋼筋薄片上拉應變?yōu)棣│?ε， 假定局部銹蝕發(fā)生在鋼筋薄片中部，蝕坑為橢圓形狀，蝕坑深〇. 1mm，蝕坑長〇.2_。計算結 果表明：僅在銹蝕局部應變發(fā)生突變。
[0020] 無外部荷載與外部荷載引起拉應變200 μ ε，銹蝕深度0. 1mm時提取距銹蝕監(jiān)測 面距離為0. 和8mm上連續(xù)應變測點的監(jiān)測結果(提取1mm長度內的平均應變的計 算結果，考慮與應變連續(xù)測點監(jiān)測得到應變一致，與精確提取各點上應變有一定差別，實際 只能監(jiān)測微小長度范圍內的平均應變)，當裝置隨混凝土共同變形，拉應變增加200μ ε，結 果表明，在未腐蝕的截面上測點的應變約增加200μ ε，因此該方法可監(jiān)測混凝土局部的應 變狀態(tài)(應力狀態(tài))。在初始張拉1〇〇〇 μ ε且無外加荷載變形時，在0.1mm深橢圓蝕坑作用 下，距離銹蝕監(jiān)測面〇.5mm時監(jiān)測得到的峰值應變達到1041 μ ε ;在初始張拉1〇〇〇μ ε， 由外部荷載引起200μ ε變化時，距離銹蝕監(jiān)測面0.5mm時監(jiān)測得到的峰值應變達到 1250 μ ε，此時銹蝕引起的應力集中現(xiàn)象更明顯，在與混凝土共同變形同時仍可監(jiān)測銹蝕 引起的應力集中。隨著到銹蝕監(jiān)測面距離不同，相同銹蝕引起連續(xù)應變測點上的應變圖形 亦不相同，遠離銹蝕監(jiān)測面連續(xù)應變測點受銹蝕的影響較小，而越靠近銹蝕監(jiān)測面應變測 點對銹蝕監(jiān)測面上微小銹蝕的監(jiān)測越敏感。本方法可以監(jiān)測得到銹蝕初試時間、銹蝕程度， 還可監(jiān)測該區(qū)域混凝土的應力狀態(tài)。隨著點蝕深度不斷發(fā)展，越靠近銹蝕區(qū)域連續(xù)應變測 點上的應變突變越明顯，峰值應變不斷增加。
[0021] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的 詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明， 凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的 保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種鋼筋混凝土結構內鋼筋銹蝕與應力狀態(tài)原位監(jiān)測方法，其特征在于，所述方法 是通過構造預應力自平衡體系，將與混凝土內鋼筋相同材質的鋼筋薄片施加初始預應力后 埋入混凝土結構之中，與混凝土共同工作；在所述鋼筋薄片上不同高度處設置連續(xù)應變測 點，監(jiān)測該區(qū)域應力狀態(tài)；所述鋼筋薄片形成平面應力狀態(tài)，局部腐蝕后產(chǎn)生應力集中，根 據(jù)截面不同高度處連續(xù)測點應變變化以反映鋼筋初始銹蝕時間、銹蝕速率與銹蝕程度。
2. 根據(jù)權利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述預應力自平衡體系包括框架 (1)、中部鋼筋薄片（2)、混凝土（3)、分布式連續(xù)應變測點（4)、聚酯材料（5)、防腐層（6)、加 載螺母（7)和銹蝕監(jiān)測面（8)，其中，所述中部鋼筋薄片（2)通過加載螺母（7)安裝在框架 (1)中，通過兩端的加載螺母（7)對中部鋼筋薄片（2)進行預應力加載并錨固；所述中部鋼 筋薄片（2)的三個表面利用聚酯材料（5)進行封裝，第四個端面作為銹蝕監(jiān)測面（8)，在鋼 筋薄片（2)截面上距所述銹蝕監(jiān)測面（8)不同高度處設置分布式連續(xù)應變測點（4)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的監(jiān)測方法，其特征在于，在鋼筋薄片（2)截面上距所述銹蝕監(jiān) 測面（8)不同高度處設置分布式連續(xù)應變測點（4)為高空間分辨率分布式光纖。
4. 根據(jù)權利要求3所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述高空間分辨率分布式光纖通過 高性能膠水粘貼在鋼筋薄片（2)截面上距所述銹蝕監(jiān)測面（8)不同高度處，通過傳輸光纖 與相應解調儀連接。
5. 根據(jù)權利要求4所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述分布式連續(xù)應變測點（4)上靠近 加載螺母（7)處預留一段光纖不與鋼筋薄片（2)粘貼，用于監(jiān)測溫度并進行溫度補償。
6. 根據(jù)權利要求2所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述連續(xù)應變測點（4)采用鏈式應變 片組，所述每個鏈式應變片組內有10個應變測量片和1個用于溫度補償?shù)臏囟妊a償片。
7. 根據(jù)權利要求6所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述鏈式應變片柵長0. 6mm，相鄰應 變片中心距1mm，通過高性能膠水粘貼在鋼筋薄片（2)截面上距所述銹蝕監(jiān)測面（8)不同高 度處，應變片組通過焊接端子和導線與相應的應變儀連接，可連續(xù)監(jiān)測長度方向上各測點 的平均應變。
【文檔編號】G01N17/00GK104215569SQ201410441639
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權日:2014年9月1日
【發(fā)明者】蘭成明, 肖珣, 孫冬柏, 李惠, 袁杰, 周文松 申請人:北京科技大學, 哈爾濱工業(yè)大學