本發(fā)明涉及后置式混凝土中鋼筋銹脹應(yīng)力監(jiān)測裝置，屬于監(jiān)測設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當今社會，鋼筋混凝土已成為世界上應(yīng)用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)形式，但其耐久性問題也愈發(fā)引起國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。鋼筋銹蝕嚴重影響混凝土耐久性能，是導(dǎo)致混凝土破壞的首發(fā)原因。導(dǎo)致混凝土中的鋼筋銹蝕的原因主要有氯離子的侵入和混凝土的碳化。當混凝土結(jié)構(gòu)中的發(fā)生鋼筋銹蝕時，將導(dǎo)致混凝土中鋼筋的有效截面減小，進而導(dǎo)致鋼筋力學(xué)性能下降、銹蝕的鋼筋將與混凝土之間產(chǎn)生銹脹力，從而引起混凝土保護層開裂剝落。鋼筋混凝土的破壞程度、破壞進程和修復(fù)后的效果僅靠外觀觀察是遠遠不能滿足的。此外，混凝土中如果鋼筋銹蝕出現(xiàn)破壞再進行修補，會導(dǎo)致工作量加大、造價高和效益差等問題。目前，急需一種測試精度高、可靠性高的認知混凝土內(nèi)部綱筋銹蝕狀態(tài)的監(jiān)測儀器，既可定性又定量分析鋼筋的銹蝕時間、銹蝕程度、混凝土銹脹開裂過程，為預(yù)測鋼筋混凝土服役壽命提供理論基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種后置式混凝土中鋼筋銹脹應(yīng)力監(jiān)測裝置，該監(jiān)測裝置制作簡單、測試可靠，成本低廉，便于投入量產(chǎn)。

本發(fā)明是采用以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的：后置式混凝土中鋼筋銹脹應(yīng)力監(jiān)測裝置包括螺紋鋼筋、底座和至少兩組傳感單元，傳感單元包括圓環(huán)柱、設(shè)置在圓環(huán)柱外表面的電阻應(yīng)變計、設(shè)置在圓環(huán)柱外的厚壁支撐，厚壁支撐底部設(shè)有用于支撐圓環(huán)柱的承臺，傳感單元還包括絕緣導(dǎo)線，電阻應(yīng)變計與絕緣導(dǎo)線連接，若干傳感單元依次連接并通過絕緣導(dǎo)線與應(yīng)變采集儀連接，最底層傳感單元的厚壁支撐承臺底部連接有底座，螺紋鋼筋設(shè)置在若干依次連接的傳感單元的圓環(huán)柱內(nèi)并與底座連接。

進一步地，所述厚壁支撐的內(nèi)側(cè)沿其高度方向設(shè)有凹槽，與電阻應(yīng)變計連接的絕緣導(dǎo)線沿凹槽引出。

進一步地，厚壁支撐為一體成型結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述厚壁支撐采用pvc管。

進一步地，所述電阻應(yīng)變計通過膠基端子與絕緣導(dǎo)線連接。

進一步地，所述電阻應(yīng)變計采用箔式電阻應(yīng)變計。

進一步地，所述電阻應(yīng)變計的長度大于等于不銹鋼圓環(huán)柱周長的1/3。

進一步地，所述厚壁支撐與圓環(huán)柱之間的空隙處用防水密封膠密封。

進一步地，所述螺紋鋼筋與圓環(huán)柱之間澆筑混凝土。

進一步地，所述螺紋鋼筋為圓形碳鋼棒。

制作過程：在圓環(huán)柱的外表面粘結(jié)箔式電阻應(yīng)變計，箔式電阻應(yīng)變計通過膠基端子連接絕緣導(dǎo)線，然后將粘貼好的圓環(huán)柱裝入帶凹槽的厚壁支撐內(nèi)，厚壁支撐與圓環(huán)柱空隙處用防水密封膠密封形成傳感單元，將五組裝備好的傳感單元的厚壁支撐用粘結(jié)劑依次拼接并安放在底座上，中間插入螺紋鋼筋，貫穿整個檢測裝置，頂部預(yù)留保護砂漿，拼接好后螺紋鋼筋四周澆筑與建筑施工同配比混凝土。

當內(nèi)部螺紋鋼筋發(fā)生銹后，會產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，擠壓不銹鋼圓環(huán)柱，通過應(yīng)變采集儀測試鋼筋銹蝕膨脹后其應(yīng)變情況并依據(jù)不銹鋼圓環(huán)柱性能參數(shù)獲得膨脹應(yīng)力，通過理論反推獲得混凝土中鋼筋銹蝕所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力以及應(yīng)力發(fā)展情況，(1)應(yīng)變起始點即為氯離子滲透到圓環(huán)柱對應(yīng)深度的時間，也是該深度鋼筋起銹點；(2)應(yīng)力突變點即為鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土開裂時間。隨著服役時間的推移，鋼筋銹蝕下沿，不同深度的應(yīng)變將依次發(fā)生變化，由電阻應(yīng)變計距外邊緣距離與變形起始、突變發(fā)生時間擬合函數(shù)關(guān)系式，可以得到混凝土不同保護層深度鋼筋起銹及銹蝕導(dǎo)致混凝土開裂的時間，進而預(yù)測混凝土保護層中腐蝕離子滲透及鋼筋銹蝕發(fā)展狀況。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明所述的后置式混凝土中鋼筋銹脹應(yīng)力監(jiān)測裝置，制作簡單，易加工制作成型，完成單個制品周期短，成本低廉，便于投入量產(chǎn)，安裝方便，測試可靠；本檢測裝置除用于工程實體監(jiān)測，還可用于實驗室混凝土中鋼筋銹蝕機理研究；

(2)本發(fā)明所述的后置式混凝土中鋼筋銹脹應(yīng)力監(jiān)測裝置，可在建筑結(jié)構(gòu)服役過程中取孔后置安裝，這樣避免了預(yù)埋傳感器在施工過程中受到損害；

(3)本發(fā)明所述的后置式混凝土中鋼筋銹脹應(yīng)力監(jiān)測裝置，可直接測試鋼筋銹蝕導(dǎo)致的變形起始，應(yīng)變演變過程以及應(yīng)變突變點，測試結(jié)果精度更高，可靠性更強，信息量大，并可直接實現(xiàn)鋼筋銹蝕應(yīng)力的連續(xù)測試，實現(xiàn)了對普通混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋起銹及銹蝕過程的長期、實時在線監(jiān)控。

附圖說明

圖1是實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是厚壁支撐的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圓環(huán)柱的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是圓環(huán)柱與厚壁支撐組裝的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是監(jiān)測裝置在混凝土中的安裝圖。

圖6是實施例二中圓環(huán)柱的應(yīng)力分析示意圖。

圖7是實施例二中采用恒電壓法下應(yīng)變采集儀采集到的應(yīng)變與時間的結(jié)果圖。

圖8是實施例二中采用恒電壓法下應(yīng)變采集儀采集到的應(yīng)力與時間的結(jié)果圖。

圖中：1、厚壁支撐；2、螺旋鋼筋；3、箔式電阻應(yīng)變計；4、應(yīng)變采集儀；5、凹槽；6、絕緣導(dǎo)線；7、膠基端子；8、承臺。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚、明白，下面結(jié)合附圖和具體實例，對本發(fā)明提出的后置式混凝土中鋼筋銹脹應(yīng)力監(jiān)測裝置進行進一步說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明所述的后置式混凝土中鋼筋銹脹應(yīng)力監(jiān)測裝置，如圖2、圖3、圖4或圖5所示，包括螺紋鋼筋、底座和4～7組依次連接的傳感單元，傳感單元包括圓環(huán)柱、設(shè)置在圓環(huán)柱外表面的電阻應(yīng)變計、設(shè)置在圓環(huán)柱外的厚壁支撐1、厚壁支撐1底部設(shè)有用于支撐圓環(huán)柱的承臺8，傳感單元還包括絕緣導(dǎo)線6，厚壁支撐1內(nèi)側(cè)沿高度方向設(shè)有凹槽5，電阻應(yīng)變計通過膠基端子7與絕緣導(dǎo)線6連接，絕緣導(dǎo)線6沿厚壁支撐1的凹槽5引出并與應(yīng)變采集儀4連接，最底層傳感單元的厚壁支撐1的承臺8的底部連接有底座，螺紋鋼筋設(shè)置在若干上下依次連接的傳感單元的圓環(huán)柱內(nèi)并與底座連接。應(yīng)變采集儀4用于顯示圓環(huán)柱的應(yīng)變和應(yīng)力。

圓環(huán)柱采用不銹鋼，電阻應(yīng)變計選用零漂，蠕變很小的箔式電阻應(yīng)變計3，選用長度為圓環(huán)柱周長的一半左右，厚壁支撐1采用pvc管，絕緣導(dǎo)線6采用內(nèi)阻低、服役壽命能達到100年的特氟龍導(dǎo)線，螺旋鋼筋2可根據(jù)工程實際施工選用同種鋼筋，檢測裝置高度為40mm～70mm,支撐間距為3mm。

在圓環(huán)柱的外表面通過粘結(jié)劑粘結(jié)箔式電阻應(yīng)變計3，箔式電阻應(yīng)變計3通過膠基端子7連接絕緣導(dǎo)線6，然后將粘貼好的圓環(huán)柱裝入帶凹槽5的厚壁支撐1內(nèi)，厚壁支撐1與圓環(huán)柱空隙處用防水密封膠密封形成傳感單元，將五組裝備好的傳感單元的厚壁支撐1用粘結(jié)劑依次拼接并安放在底座上，中間插入螺紋鋼筋，貫穿整個檢測裝置，頂部預(yù)留保護砂漿，螺紋鋼筋與圓環(huán)柱之間澆筑混凝土，檢測裝置內(nèi)部混凝土與施工混凝土同配比，保證裝置內(nèi)外鋼筋所處環(huán)境一致。厚壁支撐1的組數(shù)根據(jù)螺紋鋼筋保護層確定，其高度為螺紋鋼筋長度加保護砂漿層厚度。

實施例一：

如圖1至圖5所示，厚壁支撐1的內(nèi)半徑為42mm，高為7mm，壁厚為4mm，圓環(huán)柱采用304不銹鋼，其外半徑為40mm，高為7mm，壁厚為4mm，承臺8半徑為36mm，高為3mm，壁厚為10mm，箔式電阻應(yīng)變計3長度為55mm，寬度為4.5mm，箔式電阻應(yīng)變計3兩片尾部相連，兩片為一組于測量不銹鋼圓環(huán)柱應(yīng)變值，端部粘結(jié)膠基端子7，并連接絕緣導(dǎo)線6。將不銹鋼圓環(huán)柱放于承臺8上，圓環(huán)柱的底部與承臺8的表面用粘結(jié)劑粘結(jié)，不銹鋼圓環(huán)柱與厚壁支撐1的間隙用防水密封膠進行密封，一是防止混凝土澆筑時混凝土流入間隙之中，二是避免外部pvc管對電阻應(yīng)變計產(chǎn)生內(nèi)壓力，減少試驗誤差。五組傳感單元用粘結(jié)劑自下而上依次拼接，最下層厚壁支撐1底部粘結(jié)有底座，五個絕緣導(dǎo)線6自上而下依次編號，沿凹槽5引出，用于監(jiān)測的螺紋鋼筋選用直徑10mm的圓形碳鋼棒并固定于底座中央，其長度依據(jù)監(jiān)測裝置高度設(shè)置為37-67mm，頂部留有3mm，用于鋪設(shè)保護砂漿。圓形碳鋼棒四周澆筑與建筑施工同比的混凝土，使圓形碳鋼棒所處的混凝土環(huán)境為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋所處的真實環(huán)境，養(yǎng)護28d后將底座去除并將檢測裝置拋光打磨再安裝到混凝土中。該監(jiān)測裝置安裝時，先將待安裝的部位取孔至監(jiān)測裝置的高度，然后在取孔處灌入高強微膨脹砂漿，在高強微膨脹砂漿處于流動狀態(tài)時塞入監(jiān)測裝置，待高強微膨脹砂漿凝固后即可安裝成功。該檢測裝置可通過對混凝土構(gòu)件鉆孔芯后裝入，以防止預(yù)埋于混凝土對其損害。

當螺紋鋼筋發(fā)生銹蝕，銹斑膨脹使螺紋鋼筋產(chǎn)生膨脹應(yīng)力并傳遞至不銹鋼圓環(huán)柱并導(dǎo)致其膨脹，該時間點即為螺紋鋼筋初銹時間t1；當螺紋鋼筋銹脹達到一定程度后將導(dǎo)致混凝土開裂，此時變形區(qū)域?qū)⒎€(wěn)定，該點即為螺紋鋼筋銹脹導(dǎo)致混凝土開裂點，記錄時間t1。鋼筋開始發(fā)生銹蝕時，最外側(cè)電阻應(yīng)變計的應(yīng)變發(fā)生變化，隨著時間的推移，鋼筋銹蝕下沿，其余電阻應(yīng)變計應(yīng)變依次發(fā)生變化，分別記錄每組電阻應(yīng)變計的變形起始、突變發(fā)生時間值。由氯離子滲透深度x與應(yīng)變起始點時間t、應(yīng)力突變點時間t擬合其函數(shù)，得到氯離子滲透深度x與變形起始、突變發(fā)生時間函數(shù)關(guān)系式，進而預(yù)測鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕的時間狀況及其服役壽命。

實施例二：

不銹鋼圓環(huán)柱的內(nèi)半徑為40mm、壁厚為4mm、高為50mm，抗拉強度≥520mpa，螺紋鋼筋直徑為10mm或14mm，其它結(jié)構(gòu)同實施例一所述，螺紋鋼筋四周澆筑砂漿，砂漿采用海水拌合c50混凝土，養(yǎng)護28d后去掉底座，采用外加電源的恒電壓法使螺紋鋼筋加速銹蝕，電壓30v，電流量程范圍0～5a，螺紋鋼筋為正極，不銹鋼圓環(huán)柱為負極，用銅導(dǎo)線與穩(wěn)壓直流電源相連的方法，加快混凝土中的螺紋鋼筋銹蝕，采用應(yīng)變采集儀4采集實時應(yīng)變值，其結(jié)果如圖7所示。

利用電加速方式使螺紋鋼筋加速銹蝕，當銹斑積累到一定程度后會對砂漿產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使砂漿發(fā)生膨脹變形，砂漿一旦發(fā)生變形，螺紋鋼筋銹蝕產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力就會通過砂漿作用在砂漿外側(cè)的不銹鋼圓環(huán)柱，使其產(chǎn)生環(huán)向的膨脹應(yīng)變。根據(jù)這一原理就可以通過測試圓環(huán)柱外側(cè)的環(huán)向應(yīng)變可以推出鋼筋銹蝕對圓環(huán)柱產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力。其推到過程如下：

假設(shè)不銹鋼圓環(huán)柱的內(nèi)徑為d，圓環(huán)柱壁厚為a，高為b，不銹鋼圓環(huán)柱的彈性模量為e，其受到的徑向截面的應(yīng)變?yōu)棣拧?/p>

以不銹鋼圓環(huán)柱為研究對象，對其進行受力分析如圖6所示，不銹鋼圓環(huán)柱由于鋼筋銹蝕的原因會受到均勻的膨脹應(yīng)力p，使其均勻膨脹，故在包含圓環(huán)柱軸線的任一徑向截面上，作用有相同的法向拉力f'。為求該拉力，可假想地用一直徑平面將圓環(huán)柱截分為二，并研究留下的半環(huán)如圖6c的平衡。半徑上的內(nèi)壓力沿y方向的和力為：

其作用線與y軸重合。

由對稱關(guān)系可知，圖6c兩側(cè)截面上的拉力f'相等。于是由平衡方程：

σfy＝0，

由于圓環(huán)柱的壁厚遠小于內(nèi)直徑，故可近似地認為徑向截面的正應(yīng)力均勻分布當a-b≤2b/20時，這中近似足夠精確的。于是可得徑向截面的正應(yīng)力為：

因為σ＝ε·e，故可得到不銹鋼圓環(huán)柱所受的膨脹應(yīng)力為：

式中：p為圓環(huán)柱收受到的膨脹應(yīng)力，單位為mpa；

d為圓環(huán)柱內(nèi)徑，本實施例中為80mm；

a為圓環(huán)柱壁厚，本實施例中為4mm；

b為圓環(huán)柱高度，本實施例中為7mm；

e為圓環(huán)柱彈性模量，本實施例中為206gpa；

ε為圓環(huán)柱外側(cè)產(chǎn)生的應(yīng)變，單位微應(yīng)變με。

其應(yīng)力結(jié)果如圖8所示。

當然，上述內(nèi)容僅為本發(fā)明的具體實施方式，不能被認為用于限定對本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的均等變化與改進等，均應(yīng)歸屬于本發(fā)明的涵蓋范圍內(nèi)。