[发明专利]用于监测混凝土保护层中氯离子浓度和pH值深度分布的传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土结构物腐蚀和防护技术领域，特别是一种可对混凝土保护层中的氯离子浓度和pH值分布情况进行监测的传感器。

技术背景

氯离子侵入和混凝土碳化引起钢筋的锈蚀是混凝土结构耐久性下降的最主要原因，严重威胁混凝土结构的服役安全性。因此，实时掌握混凝土保护层内的氯离子浓度和pH值分布情况，为混凝土结构耐久性评估及剩余寿命预测提供数据支撑，从而制定科学的管理维护制度，保证混凝土结构的耐久性和服役安全性具有重大的实际意义。

传统的混凝土结构保护层中氯离子浓度深度分布和碳化深度的检测方法不仅费时、费钱，更主要的是对混凝土结构具有破坏性，且无法实现实时监测。氯离子侵入和碳化引起钢筋的腐蚀主要是电化学腐蚀，电化学监测方法具有原位、无损、快速等特点。因此研制采用电化学传感器对混凝土保护层中氯离子浓度及pH值深度分布进行实时监测，从而全面掌握混凝土结构的耐久性状况是耐久性监测技术发展的必然趋势。

早在上世纪80年代就出现了基于宏观电池原理制成的“梯型阳极”监测传感器和CorroWatch环状阳极监测传感器。随后，美国VTI公司开发出了基于线性极化技术直接测量钢筋腐蚀速率的ECI型埋入式耐久性监测传感器。厦门大学林昌健等人发明了一种可对氯离子浓度和pH值进行实时监测的多功能传感器。但是，这些传感器都不能监测混凝土保护层中氯离子浓度及pH值的深度分布，无法为耐久性评估和剩余寿命预测提供有效的数据支撑。为此，本发明提供一种可以实时监测混凝土保护层中氯离子浓度和pH值的深度分布情况的埋入式传感器，为耐久性评估及剩余使用寿命预测提供数据支撑。

发明内容

本发明提供一种可实现对混凝土结构保护层中氯离子浓度和pH值深度分布进行实时监测电化学传感器，为混凝土结构耐久性评估和剩余寿命预测提供数据支撑。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：用于监测混凝土保护层中氯离子浓度和pH值深度分布的传感器，其特包括一底座和至少三个均布于底座底平面的不同高度的柱形壳体，所述柱形壳体的第一端与所述底座固定连接，与第一端相对的第二端为封闭端,所述底座中心固定有一参比电极，每一柱形壳体内设置有一氯离子探针及一pH值探针，所述氯离子探针和pH值探针一端固定于所述柱形壳体封闭端且部分暴露于封闭端面作为探测端，另一端向柱形壳体内延伸并与铜电缆连接，所述铜电缆伸出于柱形壳体之外。

所述柱形壳体通过螺纹连接的方式与所述底座固定连接。

所述参比电极为Ag/AgCl凝胶电解质参比电极，具有一聚四氟乙烯制成的外套，内参比液采用0.5mol/L KCl甲基纤维素凝胶电解质，外套的一端设有微孔陶瓷，既能保持参比电极内外电解质的流通，又能有效控制内电解液的流失速率。

所述参比电极的外套通过螺纹连接的方式固定连接于所述底座。

所述柱形壳体为圆柱形，其封闭端的内表面设置有用于固定所述氯离子探针和pH值探针的凹槽。

所述柱形壳体有4个，相邻高度差为8～12mm。

所述氯离子探针采用阳极氯化法制备的Ag/AgCl探针；所述pH值探针为表面覆盖有Ir的氧化物的纯Ti金属探针。

一种如上任一所述的用于监测混凝土保护层中氯离子浓度和pH值深度分布的传感器的制造方法，其包括以下步骤：

(1)Ag/AgCl参比电极制备：

制备0.5mol/L KCl甲基纤维素凝胶电解质作为内参比液，将焊接有铜电缆的Ag/AgCl电极沿聚四氟乙烯套管的中心线插入，再用环氧树脂对聚四氟乙烯套管的开口端进行密封处理形成Ag/AgCl参比电极；

(2)氯离子探针的制备：

将棒状纯Ag与铜电缆的铜丝焊接后对焊接处进行密封，以防止电偶腐蚀，Ag棒经打磨、除油、除表面氧化物并清洗后放入电解池中，银棒作为阳极，MMO钛基混合金属氧化物作为阴极，以1mA/cm²的电流密度在0.1mol/L的HCl溶液中阳极极化0.5小时制得Ag/AgCl探针，将制备好的电极放入0.1mol/L的KCl溶液中待用；

(3)pH探针的制备：

将棒状纯钛打磨后放入10%的NaOH溶液中煮沸并保持5分钟，然后再放入浓HCl中煮沸并保持10分钟，取出后经用二次蒸馏水清洗后放入无水乙醇中备用；