一种新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置的制作方法

本实用新型属于混凝土耐久性监测技术领域，具体涉及一种新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置。

背景技术：

近年来，海洋经济作为国家重点发展的战略计划得到飞速的发展，这种飞速发展大都基于海港码头、海洋平台、跨海通道等基础建设。在我国漫长的海岸线上，有大量的大型海洋建筑蓬勃发展，这些大型海洋基础设施绝大部分是钢筋混凝土结构，其服役寿命大多要求在100年甚至更高。

海洋环境对建筑物来说是极端严酷的服役环境，其原因是海洋环境下腐蚀离子的迁移渗透会引发钢筋锈蚀，从而导致建筑物提前退出服役状态。海洋环境氯离子的侵蚀是引起钢筋腐蚀的首要因素，因为氯离子进入混凝土并吸附在钢筋表面可使该处的ph值迅速降低，从而导致钢筋表面钝化膜破坏；这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差。铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积的钝化膜区域作为阴极，导致钢筋表面产生点蚀。点蚀造成钢筋局部横截面积减少，从而极大影响钢筋的力学性能及构件的承载力。氯离子不仅促成了钢筋表面腐蚀电池的产生，由于其极强的极化作用，进一步加速电池作用的过程，并且在这个过程中氯离子并不被“消耗”；也就是说，凡是进入混凝土中的氯离子，会周而复始地起破坏作用。

海洋环境根据海水暴露周期不同可分为水下区、潮汐区、浪贱区和大气区，其中潮汐区和浪贱区被认为是钢筋锈蚀最严重的区域。氯离子从在混凝土表面聚集开始向内迁移，且由于干湿交替而出现富集现象，所以如何实时评估不同混凝土保护层深度的氯离子分布情况成为海洋环境工程应用的重中之重。目前工程方面流行的ag/agcl电极虽然可以评估混凝土内局部氯离子浓度，但其在混凝土内强碱性环境下其稳定性和精度都不尽如人意，此外，氯离子从混凝土表面向内形成梯度场，单纯的电极或传感器无法监测不同深度或位置的氯离子实时浓度，所以开发高性能、高精度的监测装置成为海洋环境下基础建设的重中之重。目前还没有能够对于海水中大体积混凝土的锈蚀情况进行监控的装置，因此，本实用新型提供一种监测评估大体积混凝土氯离子扩散及分布情况的装置，旨在为海洋环境混凝土结构服役寿命预测提供准确依据。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置，已解决目前海洋环境服役的大体积混凝土无法进行有效监控锈蚀程度的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置，所述监测装置包括固定架、预埋钢筋、光纤传感器、光纤信号采集装置和ph计；

所述固定架设于混凝土内，所述固定架从混凝土表面向混凝土内部的受力钢筋处延伸并倾斜设置，所述固定架用于固定所述预埋钢筋；

所述预埋钢筋有多个，多个所述预埋钢筋均固定在所述固定架上；

所述光纤传感器设置在所述预埋钢筋的表面，所述光纤传感器用于监测所述预埋钢筋与混凝土接触界面处的应力应变情况，进而监测所述预埋钢筋的锈蚀状况；

所述光纤信号采集装置设置在混凝土外部，通过导线与所述光纤传感器连接，所述光纤传感器内传输的信号通过导线输出至所述光纤信号采集装置，并在所述光纤信号采集装置上显示出相关数据；

所述ph计的电极贴设在所述预埋钢筋的表面，所述ph计用于监测所述预埋钢筋附近混凝土内部局部环境的变化。

在如上所述的新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置，优选，所述固定架倾斜设置在混凝土内，所述固定架的倾斜角度为与水平面夹角呈15-60°。

在如上所述的新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置，优选，所述预埋钢筋通过卡箍活动连接在所述固定架上。

在如上所述的新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置，优选，所述卡箍包括位于中间的拱形部和位于两侧的侧板，通过所述拱形部将所述预埋钢筋卡设在所述固定架上，所述侧板和所述固定架上均设有通孔，螺栓穿过通孔将所述预埋钢筋与所述固定架活动连接。

在如上所述的新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置，优选，所述预埋钢筋有多个，多个预埋钢筋在所述固定架上等间距分布。

在如上所述的新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置，优选，所述预埋钢筋有3-6根，所述预埋钢筋的直径为8-12mm，长度为250-350mm。

在如上所述的新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置，优选，所述固定架外表面涂覆有阻锈剂。

在如上所述的新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置，优选，所述光纤传感器粘贴在所述预埋钢筋的端部截面处。

与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有如下优异效果：

本实用新型的传感器装置可监测不同深度预埋钢筋的锈蚀情况，评估混凝土内氯离子渗透深度，在受力钢筋发生锈蚀之前提供预警信号，可及时进行人为干涉，进行结构的修复，对于长寿命混凝土耐久性设计具有重要的工程意义，解决了以往在钢筋锈蚀之后才能监测到信号的技术缺陷；此新型传感器装置可在工程中大体积混凝土中应用，操作性强。

本实用新型的传感器装置将高性能光纤传感器附着在预埋钢筋上，实时监测混凝土内钢筋/混凝土界面区的应力应变，根据应力应变来判断钢筋的锈蚀程度，此外在预埋钢筋上设置有ph计，完成局部监测ph情况，反映氯离子的渗透情况，本实用新型的设备操作方便，安装拆卸灵活性强且原材料价格低廉，可进行工业化推广使用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。其中：

图1为本实用新型实施例的监测装置的安装结构示意图；

图2为本实用新型实施例的预埋钢筋与ph计的结构示意图；

图3为图1中a处局部放大图。

图中：1、受力钢筋；2、固定架；3、卡箍；4、光纤信号采集装置；5、预埋钢筋；6、光纤传感器；7、导线；8、混凝土；9、ph计；10、电极。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

混凝土在服役过程中，外界腐蚀物质(氯离子、氧气等)从混凝土表面逐渐扩散至受力钢筋表面，在达到一定浓度后，受力钢筋脱钝并发生锈蚀，因此混凝土中受力钢筋是从混凝土表面到内部依次逐渐锈蚀。在实际的建筑工程中，混凝土保护层的厚度是一个非常重要的混凝土耐久性指标。混凝土保护层越厚，意味着氯离子扩散到钢筋附近需要更多的时间。本实用新型可以根据不同保护层厚度来灵活选取预埋钢筋的数量，通过在混凝土保护层中设置多个不同位置的预埋钢筋，预埋钢筋的锈蚀程度作为评估混凝土内氯离子浓度分布情况的依据，进而反映受力钢筋的锈蚀情况。

光纤传感器被认为是现代化传感器中高精度高稳定性的代表，在混凝土内部强碱性环境中具有优异的工作性能。普通碳钢对氯离子异常敏感，在遭受氯离子侵蚀后会立即发生锈蚀，故用光纤传感器去监测预埋钢筋/混凝土界面区应力应变水平是一种最佳选择。

本实用新型旨在提供一种监测大体积混凝土内钢筋锈蚀及预警的新型传感器装置，将光纤传感器粘贴在预埋钢筋上，光纤传感器由光信号转变成电信号输出至光纤信号采集装置上，从而可以分析出受力钢筋前混凝土保护层结构的锈蚀情况，利用高性能的光纤传感器实时监测混凝土内钢筋/混凝土的界面区应力应变情况，即钢筋的锈胀力，根据锈胀力来判断不同部位钢筋的锈蚀程度；此外，通过在钢筋表面设置ph计，将电极设置在预埋钢筋表面附近区域，用于监测钢筋/混凝土界面区域的局部ph情况，反应氯离子的渗透情况。当混凝土内某处ph值迅速降低且界面处应变较大时，可认为钢筋发生锈蚀，可以提前进行人为干涉处理。

如图1至图3所示，根据本实用新型的实施例，提供了一种新型监测混凝土内氯离子渗透状态的装置，监测装置包括固定架2、预埋钢筋5、光纤传感器6、光纤信号采集装置4和ph计9。

固定架2设于混凝土8内，固定架2从混凝土8表面向混凝土8内部的受力钢筋1处延伸并倾斜设置，固定架2用于固定预埋钢筋5。优选地，固定架2倾斜设置在混凝土8内，固定架2的倾斜角度为与水平面夹角呈15-60°(比如20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°)。固定架2埋设在混凝土8表面到受力钢筋1之间，在结构施工中，将固定架2浇筑在混凝土8中，将固定架2设计成倾斜角度是考虑到氯离子的扩散是一定范围内扩算，并不是直线扩散，设计为倾斜角度可以监测到一定范围内的氯离子，可以提高监测的效果和精确度；夹角的设置是根据混凝土8的保护层厚度、结构设计使用年限所确定的。结构设计使用年限越长的混凝土8，对锈蚀的控制越严格，需要布置多个预埋钢筋5来监测锈蚀过程，可以在固定架2上设置多个预埋钢筋5和传感器。

优选地，固定架2外表面涂覆有阻锈剂，以便抑制固定架2在海水中的腐蚀速度，提高固定架2的使用寿命。

预埋钢筋5有多个，多个预埋钢筋5均匀分布并固定在固定架2上；优选地，多个预埋钢筋5在固定架2上等间距分布；预埋钢筋5可以有3-6根，预埋钢筋5的直径为8-12mm，长度为250-350mm；本实用新型的具体实施例中预埋钢筋5设置有四根，直径为10mm，长度为300mm。

优选地，预埋钢筋5通过卡箍3活动连接在固定架2上。卡箍3包括位于中间的拱形部和位于两侧的侧板，通过拱形部将预埋钢筋5卡设在固定架2上，侧板和固定架2上均设有通孔，螺栓穿过通孔将预埋钢筋5与固定架2活动连接。本实用新型中为了便于操作将预埋钢筋5和固定架2采用可拆卸连接，当然在其他实施例中，预埋钢筋5也可以采用焊接、铆接等其他连接方式与固定架2连接起来，本实用新型对此不做限定。

光纤传感器6设置在预埋钢筋5的表面，光纤传感器6用于监测预埋钢筋5与混凝土8接触界面处的应力应变情况，进而监测预埋钢筋5的锈蚀状况；优选地，光纤传感器6粘贴在预埋钢筋5的端部截面处。

光纤传感器6包括光源、光导纤维、光传感元件，光调制元件和信号处理部分。其工作原理为：光源发出的光经过光导纤维进入光传感元件，而在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构，由其将传感元件测量的参数调制成幅度、相位、偏振等信息，这一过程也即是光电转换过程，最后利用微处理器进行信号分析，光纤传感器6的电信号通过导线7传输至光纤信号采集装置4。

光纤信号采集装置4设置在混凝土8外部，光纤信号采集装置4包括微处理器和显示装置，通过导线7与光纤传感器6连接，光纤传感器6内传输的信号输出至光纤信号采集装置4，并在光纤信号采集装置4上显示出相关数据；通过统计分析数据即可获得混凝土8保护层不同深度的钢筋发生锈蚀的状况。其中，导线7的一端外露连接至光纤信号采集装置4，另一端连接在光纤传感器6上。

ph计9的电极10贴设在预埋钢筋5的表面，ph计9用于监测混凝土8内部局部微环境的变化状况。优选地，ph计9为微型ph计9，为了规避混凝土8内部收缩、徐变等因素造成对信号的干扰，在每根预埋钢筋5上均固定有ph电极10，用以测定局部ph值。当混凝土内某处ph值迅速降低且界面处应力应变较大时，可认为钢筋发生锈蚀。

本实用新型是针对在实际海洋环境服役的大体积混凝土(墩身、箱梁等)进行耐久性评估。根据现场混凝土保护层厚度的百分之八十作为监测区域。具体监测过程如下：

在施工现场制作好钢筋笼后选择易锈蚀区域(浪溅区或者潮汐区)，首先安置并固定固定架2，在固定架2上等间距分布布置预埋钢筋5，根据混凝土8保护层厚度选择固定架2的倾斜角度和预埋钢筋5的数量；在预埋钢筋5的端面粘贴光纤传感器6，在预埋钢筋5的表面固定ph计9的电极10，将光纤传感器6的导线7和ph计9的导线固定在钢筋笼外部延长至预留口，以便采集数据信号；将导线7一端部连接至光纤信号采集装置4，将ph计9的导线连接至配套的信号采集仪；在光纤信号采集装置4和ph计9的信号采集仪输出锈蚀过程中的数据；固定好后进行混凝土8浇筑，然后拆模，定期监测应变与ph信号。根据监测到的应变、ph信号及钢筋的预埋位置判断氯离子的渗透及扩散情况。

综上所述：本实用新型的传感器装置可利用监测不同深度预埋钢筋的锈蚀情况，评估混凝土内氯离子渗透深度，在受力钢筋发生锈蚀之前提供预警信号，可及时进行人为干涉，进行结构的修复，解决了以往在钢筋锈蚀之后才能监测到信号的技术缺陷；此新型传感器装置可在工程中大体积混凝土中应用，操作性强。

本实用新型的传感器装置将高性能光纤传感器附着在预埋钢筋上，实时监测混凝土内钢筋/混凝土界面区的应力应变，根据应力应变来判断钢筋的锈蚀程度，此外在预埋钢筋上设置有ph计，完成局部监测ph情况，反映氯离子的渗透情况，本实用新型的设备操作方便，安装拆卸灵活性强且原材料价格低廉，可进行工业化推广使用。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。