[發(fā)明專利]一種用于鋼筋銹蝕監(jiān)測的壓電傳感器及鋼筋銹蝕監(jiān)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310562045.3
• 申請日: 2013-11-13
• 公開（公告）號: CN103575769B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐東宇;程新;黃世峰;李蘭
• 申請（專利權(quán)）人: 濟(jì)南大學(xué)
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04;G01N17/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的智能傳感器監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種混凝土中鋼筋銹蝕監(jiān)測的壓電傳感器及基于該傳感器的鋼筋銹蝕監(jiān)測方法。

背景技術(shù)

混凝土所處環(huán)境一般較為惡劣，導(dǎo)致其耐久性破壞的因素很多，其中鋼筋腐蝕是影響其耐久性能，甚至導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的最主要原因。鋼筋銹蝕將導(dǎo)致鋼筋的有效截面減小、鋼筋力學(xué)性能下降、鋼筋與混凝土的粘結(jié)力下降、產(chǎn)生銹脹力，降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，引起混凝土保護(hù)層開裂剝落，從而降低了混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。尤其是對于港口、碼頭、跨海大橋及海洋鉆井平臺等沿海混凝土工程結(jié)構(gòu)，因鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土耐久性問題非常嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅了其正常的使用壽命。因此，如何準(zhǔn)確地掌握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕狀況，以便及早采取預(yù)防措施防止銹蝕的進(jìn)一步加劇，這對于保障重要混凝土工程結(jié)構(gòu)的安全性具有重要的意義。

近年來，采用智能傳感器對混凝土鋼筋腐蝕監(jiān)測成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。目前，使用智能傳感器對混凝土中鋼筋腐蝕狀況進(jìn)行評價(jià)的方法很多，主要可分為兩大類，即物理法和電化學(xué)法等。物理法主要通過測定鋼筋銹蝕引起電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲波傳播等物理特性的變化來反映鋼筋銹蝕情況，目前所主要使用的是布拉格光柵光纖或涂層光纖鋼筋腐蝕本征光學(xué)傳感器。此外，由于鋼筋腐蝕本身就是一個(gè)電化學(xué)過程，因而采用電化學(xué)方法也是比較有效的手段，目前常用的電化學(xué)方法有線性極化法、交流阻抗譜法、腐蝕電流法、腐蝕電位法、混凝土電阻率法等。采用電化學(xué)方法進(jìn)行鋼筋腐蝕監(jiān)測是目前研究較為成熟、應(yīng)用廣泛的一類，但由于電化學(xué)監(jiān)測方法往往需要將外部測量探頭或參比電極外置于混凝土構(gòu)件上，測量結(jié)果易受外界因素的干擾，進(jìn)而影響測量的精確性。因此，研發(fā)可永久埋設(shè)于混凝土結(jié)構(gòu)中的智能傳感器，使之能夠適用于混凝土中鋼筋腐蝕的長期監(jiān)測具有良好的發(fā)展前景。

壓電陶瓷具有成本低、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、既可作為傳感器又可作為驅(qū)動器等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛重視，采用壓電陶瓷制備的傳感器和驅(qū)動器在土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷與監(jiān)測等方面發(fā)揮了重要的作用。目前，已有關(guān)于壓電傳感器聲發(fā)射技術(shù)和超聲技術(shù)的混凝土鋼筋銹蝕監(jiān)測研究，然而基于壓電傳感器機(jī)電阻抗技術(shù)的鋼筋銹蝕監(jiān)測研究未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠長期埋入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中、結(jié)構(gòu)簡單、耐久性好且使用方便的鋼筋銹蝕監(jiān)測用壓電傳感器，同時(shí)還通過測試與鋼筋粘貼耦合后的壓電傳感器機(jī)電阻抗譜變化，建立有效的鋼筋銹蝕量化指數(shù)，最終形成一種基于該壓電傳感器機(jī)電阻抗技術(shù)的混凝土鋼筋銹蝕監(jiān)測方法。

為了實(shí)現(xiàn)解決上述技術(shù)問題的目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供的壓電傳感器由壓電陶瓷、電極面，水泥、環(huán)氧樹脂及固化劑混合物封裝層和屏蔽導(dǎo)線構(gòu)成。

將壓電傳感器粘貼于混凝土內(nèi)部的鋼筋上，當(dāng)鋼筋發(fā)生銹蝕時(shí)，鋼筋的機(jī)械阻抗也會發(fā)生相應(yīng)變化，通過測定耦合于鋼筋的壓電傳感器機(jī)電阻抗譜變化情況，并基于機(jī)電阻抗譜的這種變化建立一種量化指數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)對混凝土內(nèi)的鋼筋銹蝕狀況的長期監(jiān)測。

所述傳感器所用壓電陶瓷為經(jīng)過極化處理后的鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂鋯鈦酸鉛、三元系壓電陶瓷或無鉛壓電陶瓷中的一種，形狀為方形或圓柱形陶瓷片或陶瓷塊。

所述傳感器所用壓電陶瓷的上下表面電極均為銀電極或鎳電極，其中，陶瓷的下表面電極通過側(cè)面一端引出到上表面，并和原有上表面電極分割，屏蔽導(dǎo)線分別焊接到下表面引入到上表面的電極部分和原有的上表面電極部分。

所述傳感器封裝層所用水泥為硅酸鹽類水泥、硫鋁酸鹽系列水泥或磷鋁酸鹽系列水泥中的一種，水泥用量占水泥、環(huán)氧樹脂和固化劑三者混合物的20%-60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

所述傳感器封裝層所用環(huán)氧樹脂為雙酚A型、雙酚F型或雙酚S型中的一種或幾種的混合物，固化劑可以采用胺類固化劑，環(huán)氧樹脂和固化劑的混合物用量占水泥、環(huán)氧樹脂和固化劑三者混合物的40%-80%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

所述傳感器所用的水泥環(huán)氧樹脂封裝層的厚度為，壓電陶瓷的下表面封裝層厚度小于2mm，壓電陶瓷的上表面封裝層厚度小于5mm，壓電陶瓷的側(cè)面封裝層厚度小于5mm。

?一種利用上述傳感器對混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測的方法，其特征在于包括以下步驟：

（1）采用水泥、環(huán)氧樹脂和固化劑的混合物作為粘結(jié)劑，將壓電傳感器的下表面粘貼于鋼筋表面，粘接劑的配比和傳感器封裝層的配比相同；

（2）將粘貼有壓電傳感器的鋼筋埋于混凝土中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24h后脫模；