鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鋼筋混凝土內部鋼筋銹蝕監測技術，尤其涉及一種鋼筋混凝土橋 梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 受限于技術發展現狀，長期使用后，鋼筋混凝土構件內的鋼筋不可避免地存在銹 蝕問題，尤其在一些使用環境較為惡劣的條件下，銹蝕問題更加嚴重；鋼筋銹蝕后，會導致 結構體性能出現劣化甚至破壞，直接影響橋梁結構的耐久性和使用壽命，因此，及時發現結 構體上的鋼筋銹蝕區域，針對銹蝕情況進行相應的治理加固處治措施，對橋梁安全意義重 大。
[0003] 目前對鋼筋的銹蝕的無損檢測方法有分析法、物理法和電化學法。分析法根據現 場實測的鋼筋直徑、保護層厚度、混凝土強度、有害離子的浸入深度及其含量、縱向裂縫寬 度等數據，綜合考慮構件所處的環境情況推斷鋼筋銹蝕程度。但目前為止，還沒有既有的充 分理論依據、又全面考慮各種因素的數學模型，所以分析法要應用于鋼筋銹蝕的檢測評估 尚有不少工作要做。物理方法主要通過測定鋼筋引起的電阻、電磁、熱傳導、聲波傳播等物 理特性的變化來反映鋼筋銹蝕情況，主要方法有電阻探針法、渦流探測法、射線法、紅外線 熱像法、聲發射探測法等。物理法目前也僅僅停留在試驗階段。電化學法主要分為半電池 電位法、線性極化法和交流阻抗譜法，半電池電位法在鋼筋銹蝕的檢測中應用較為廣泛，但 只能做定性的檢測；線性極化法和交流阻抗法可以用于鋼筋銹蝕的定量檢測，但線性極化 法無法判斷鋼筋早期銹蝕的情況，且現場測試操作較繁瑣，交流阻抗法定量測量上不如線 性極化法準確方便，實驗數據處理繁雜，不適用于現場檢測。
[0004] 而對于鋼筋銹蝕監測方面的研宄還比較少，具有代表性的監測方法有電化學法、 光纖光柵法。電化學法主要是通過其特征值：自然電位、極化電阻、電解質電阻來反應鋼 筋的銹蝕狀況，電化學法監測鋼筋銹蝕仍然需要鑿除混凝土表面，并且受混凝土種類、干濕 度、氯鹽等內摻劑影響較大。光纖光柵法則是屬于物理法的一種，是利用光纖光柵的應變來 監測鋼筋的銹蝕過程，但是光纖光柵的極限抗拉強度不夠大，本身的耐久性和監測可靠性 不足，此法也還僅僅處于試驗階段。
[0005] 由此，提出一種可靠的監測鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕的裝置和評估方法 十分必要。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術中的不足之處，本發明的目的在于：以金屬磁記憶技術為基礎，結合 聚磁和超導磁屏蔽技術有效地聚集鋼筋銹蝕產生的磁信號，排除外在干擾磁場產生的磁信 號，磁記憶探頭采集到準確的磁感應強度B，輸入計算機，計算機通過特定方法對信號進行 處理，實現對橋梁結構內部鋼筋銹蝕的可靠監測。
[0007] 磁記憶原理可表述為，處于地磁環境下的鐵制構件受工作載荷的作用，其內部會 發生具有磁致伸縮性質和磁疇組織定向和不可逆的重新取向，這種磁狀態的不可逆變化在 工作載荷消除后也會保留。在銹蝕區域內，隨著銹蝕程度的演進，鋼筋截面上的有效受力面 積將逐漸減小，而銹蝕產物堆積在銹蝕區域，導致鋼筋外圍體積出現膨脹（膨脹后的體積 大致是基體體積的2-4倍），這就使得銹蝕后的鋼筋與完好的鋼筋上存在著完全不同的應 力應變狀態，因此，銹蝕后的鋼筋周圍的磁場分布情況與完好的鋼筋周圍的磁場分布情況 完全不同，通過對鋼筋周圍磁場進行連續監測以及監測數據的處理，我們就能獲知鋼筋周 圍磁場的變化，當鋼筋周圍磁場變化異常時，就說明鋼筋發生了銹蝕。
[0008] 本發明提出了一種鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置，其創新在于：所 述鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置由支架、杜瓦瓶、蔽磁材料層、磁探頭和聚磁 結構組成；所述磁探頭直接獲取磁場信號，無需外加磁場進行磁化；所述蔽磁材料層設置 于杜瓦瓶內儲液腔的底部，所述杜瓦瓶內封裝有液氮；所述磁探頭設置于杜瓦瓶下方，磁探 頭位于蔽磁材料層覆蓋的區域范圍內；所述聚磁結構沿磁探頭周向設置，聚磁結構將磁探 頭包圍在內；所述聚磁結構、磁探頭和杜瓦瓶通過支架連接為一體；所述蔽磁材料層采用 釔鋇銅氧制作，所述聚磁結構采用坡莫合金制作。
[0009] 在前述方案中，杜瓦瓶用于存儲液氮，可保持恒溫，釔鋇銅氧設置于杜瓦瓶內儲液 腔的底部，相當于浸泡在液氮中，通過液氮的低溫使釔鋇銅氧保持在超導狀態，超導狀態下 的釔鋇銅氧發揮其抗磁性，一方面，釔鋇銅氧將來自上方的地磁場的磁力線阻擋在外，使地 磁場無法進入磁探頭監測區域內的氣隙空間內，另一方面，釔鋇銅氧將來自下方的鋼筋周 圍的磁場也阻擋在外，迫使鋼筋周圍的磁場只能向磁探頭處匯集，這就可以在現有的磁探 測手段條件下，捕獲到微弱的鋼筋周圍磁場，通過對鋼筋周圍磁場進行連續監測，我們就能 獲知鋼筋周圍磁場的變化狀態，當鋼筋周圍磁場出現異常時，就說明鋼筋上發生了銹蝕；另 夕卜，由于銹蝕點的出現存在隨機性，聚磁結構采用的坡莫合金是一種高導磁的軟磁材料，它 本身的磁阻小，磁導率高，可以獲得比較高的飽和磁感應強度，用于將更多的磁場信號導入 磁探頭內，間接地使磁探頭的探測區域得到擴展；具體應用時，將本發明的裝置布置于橋梁 上易發生銹蝕病害的位置處，發現銹蝕問題后，及時報警；本發明結構簡單、實施方便，布設 靈活度較大，既可在新建橋梁時同步布設，也可在現役橋梁上單獨加裝，還可用于其他類型 的鋼筋混凝土結構體內部鋼筋銹蝕病害的監測。
[0010] 優選地，所述磁探頭的輸出部和控制部以有線或無線方式與一計算機通信連接。
[0011] 優選地，所述聚磁結構由兩塊結構體拼接而成，結構體上與磁探頭對應的位置處 設置有缺口，兩塊結構體拼接后，兩個缺口拼接形成磁探頭安裝孔。
[0012] 基于前述裝置，本發明還提出了一種鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測方 法，所涉及的硬件如前所述，具體的監測方法包括：1)將鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹 蝕監測裝置設置于橋梁上易發生鋼筋銹蝕病害的位置處，磁探頭表面與包裹在鋼筋外的混 凝土表面接觸；
[0013] 2)定期驅動磁探頭工作，獲得監測區域內的磁場強度信號；
[0014] 3)計算當前監測周期內獲得的磁場強度信號與前一監測周期內獲得的磁場強度 信號之間的變化量，若變化量大于設定的閾值，則繼續步驟4)的操作，若變化量小于設定 的閾值，則繼續進行后續監測周期的處理；
[0015] 4)將之前所有監測周期內獲得的磁場強度信號繪制為曲線，按時域將曲線劃分為 多個區段，每個區段內的時間跨度相同，對每個區段內的磁場跳變點數量進行統計，按下式 計算單個區段內磁場跳變點數量的平均值5:
【主權項】
1. 一種鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置，其特征在于：所述鋼筋混凝土橋 梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置由支架、杜瓦瓶（2)、蔽磁材料層（3)、磁探頭（4)和聚磁結構 (5)組成；所述蔽磁材料層（3)設置于杜瓦瓶（2)內儲液腔的底部，所述杜瓦瓶（2)內封裝 有液氮；所述磁探頭（4)設置于杜瓦瓶（2)下方，磁探頭（4)位于蔽磁材料層（3)覆蓋的區 域范圍內；所述聚磁結構（5)沿磁探頭（4)周向設置，聚磁結構（5)將磁探頭（4)包圍在內； 所述聚磁結構（5)、磁探頭（4)和杜瓦瓶（2)通過支架連接為一體；所述蔽磁材料層（3)采 用釔鋇銅氧制作，所述聚磁結構（5)采用坡莫合金制作。
2. 根據權利要求1所述的鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置，其特征在于： 所述磁探頭（4)的輸出部和控制部以有線或無線方式與一計算機通信連接。
3. 根據權利要求1所述的鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置，其特征在于： 所述聚磁結構（5)由兩塊結構體拼接而成，結構體上與磁探頭（4)對應的位置處設置有缺 口，兩塊結構體拼接后，兩個缺口拼接形成磁探頭（4)安裝孔。
4. 一種鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測方法，所涉及的硬件包括鋼筋混凝土橋 梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置，所述鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置由支架、 杜瓦瓶（2)、蔽磁材料層（3)、磁探頭（4)和聚磁結構（5)組成；所述蔽磁材料層（3)設置于 杜瓦瓶（2)內儲液腔的底部，所述杜瓦瓶（2)內封裝有液氮；所述磁探頭（4)設置于杜瓦瓶 (2)下方，磁探頭（4)位于蔽磁材料層（3)覆蓋的區域范圍內；所述聚磁結構（5)沿磁探頭 (4)周向設置，聚磁結構（5)將磁探頭⑷包圍在內；所述聚磁結構（5)、磁探頭⑷和杜瓦 瓶（2)通過支架連接為一體；所述蔽磁材料層（3)采用釔鋇銅氧制作，所述聚磁結構（5)采 用坡莫合金制作； 其特征在于：所述監測方法包括：1)將鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置設 置于橋梁上易發生鋼筋銹蝕病害的位置處，磁探頭（4)表面與包裹在鋼筋外的混凝土表面 接觸； 2) 定期驅動磁探頭（4)工作，獲得監測區域內的磁場強度信號； 3) 計算當前監測周期內獲得的磁場強度信號與前一監測周期內獲得的磁場強度信號 之間的變化量，若變化量大于設定的閾值，則繼續步驟4)的操作，若變化量小于設定的閾 值，則繼續進行后續監測周期的處理； 4) 將之前所有監測周期內獲得的磁場強度信號繪制為曲線，按時域將曲線劃分為多個 區段，每個區段內的時間跨度相同，對每個區段內的磁場跳變點數量進行統計，按下式計算 單個區段內磁場跳變點數量的平均值3 :
其中，n為區段數量，％為第i個區段內的磁場跳變點數量，i為第i個區段所對應的 加權系數，0 1在0?1之間取值；所述磁場跳變點數量為所述曲線上對應區段內波峰和波 谷的總數量； 然后將最后一個區段內的磁場跳變點數量與進行比較，若最后一個區段內的磁場 跳變點數量大于，則說明監測區域內發生了鋼筋銹蝕病害，向管理人員發出銹蝕報警 信號；若最后一個區段內的磁場跳變點數量小于，則繼續進行后續監測周期的處理；其 中，n為修正系數； 監測過程中，若連續多個周期內，步驟4)均未被步驟3)所觸發，則每間隔所述多個周 期，就自動運行一次步驟4)的操作。
【專利摘要】一種鋼筋混凝土橋梁結構內部鋼筋銹蝕監測裝置，由支架、杜瓦瓶、蔽磁材料層、磁探頭和聚磁結構組成；所述蔽磁材料層設置于杜瓦瓶內儲液腔的底部，所述杜瓦瓶內封裝有液氮；所述磁探頭設置于杜瓦瓶下方，磁探頭位于蔽磁材料層覆蓋的區域范圍內；所述聚磁結構沿磁探頭周向設置，聚磁結構將磁探頭包圍在內；所述聚磁結構、磁探頭和杜瓦瓶通過支架連接為一體；所述蔽磁材料層采用釔鋇銅氧制作，所述聚磁結構采用坡莫合金制作。本發明的有益技術效果是：結構簡單，方法可靠，實施方便，適用面廣，靈活度大，十分利于銹蝕病害的早期發現。
【IPC分類】G01N27-85
【公開號】CN104614440
【申請號】CN201510069205
【發明人】周建庭, 廖棱, 楊茂, 張洪, 趙瑞強, 陳悅, 李志剛, 馬惠香, 辛景舟
【申請人】重慶交通大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年2月10日