[发明专利]基于PPP-BOTDA的钢筋腐蚀监测装置及方法

权利要求书

1.一种基于PPP-BOTDA的钢筋腐蚀监测装置的监测方法，其特征在于：监测方法使用的钢筋腐蚀监测装置包括待测试件(1)、光纤传感器(2)、传输电缆(3)和光纳仪(4)；待测试件浸泡于浓度为3.5wt％的氯化钠溶液，氯化钠溶液中设置有碳棒(5)和饱和甘汞电极(6)；所述光纤传感器设置于待测试件，且光纤传感器(2)的两端均通过传输电缆(3)与光纳仪(4)相连，光纳仪(4)监测各光纤传感器(2)的应变，所述饱和甘汞电极(6)为参比电极，碳棒(5)与电源负极相连，待测试件中的钢筋(1-1)与电源正极相连；

所述待测试件包括钢筋(1-1)，钢筋外周裹有混凝土且钢筋的两端端部伸出混凝土，露出的钢筋上均覆有环氧树脂保护层(1-2)；钢筋(1-1)的其中一端焊有铜丝(1-3)并通过铜丝(1-3)与电源正极相连；所述光纤传感器(2)均匀缠绕于待测试件的表面；

所述光纤传感器(2)采用电信级光纤，光纤传感器(2)的外周从里向外依次覆有丙烯酸涂层以及聚合物缓冲层；

所述光纳仪为基于PPP-BOTDA技术的光纳仪(4)；

其中，监测方法依次包括以下步骤：

步骤1：制备钢筋混凝土待测试件，钢筋两端露出混凝土，露出的钢筋上覆有环氧树脂保护层，与空气隔离；

步骤2：对钢筋混凝土待测试件进行加速腐蚀试验

采用标准的三电极系统测量开路电位，饱和甘汞电极为参比电极，碳棒与电源负极相连，钢筋与电源正极相连；为稳定离子的传输，试验过程中钢筋混凝土待测试件浸泡在浓度为3.5wt％的氯化钠溶液中；

步骤3：记录加速腐蚀试验数据，根据试验数据计算钢筋腐蚀层厚度及体积，计算方法如下：

(3.1)对待测试件分别取2A/cm²、5A/cm²、10A/cm²以及100A/cm₂持续64h进行四次加速腐蚀试验，

(3.2)根据法拉第定律，通过加速腐蚀试验中的电流测得钢筋的质量损失：

式中，W为铁的原子质量，n为离子电荷，F为法拉第常数，I为电腐蚀电流；

I＝2πr₀*i*l

其中i为腐蚀电流密度，r₀为钢筋腐蚀前的半径，l是受腐蚀的钢筋长度，t为施加电流持续的时间；

(3.3)随着钢筋腐蚀的进行，钢筋半径从r_n-1减小至r_n，然后将公式 (1)所得钢筋的质量损失Vm代入公式(2)；

式中，r_n-1为钢筋腐蚀进行至n-1阶段的半径，r_n为钢筋腐蚀进行至n阶段的半径，Vm为钢筋的质量损失，ρ为钢筋密度；

由此可得：

随着腐蚀的进行，腐蚀的产物铁锈将在钢筋-混凝土界面聚集，此时钢筋的半径r_c为

r_c＝r₀(1+ε_t) (4)

其中ε_t为光纤传感器测得钢筋膨胀应变；

(3.4)计算得到钢筋腐蚀层的厚度和体积：

T＝r_c-r_n

式中，T为钢筋腐蚀层的厚度，V为钢筋腐蚀层的体积；

步骤4：评估钢筋腐蚀状态

根据建筑结构检测技术标准，钢筋锈蚀速率分为5个阶段，分别为：钝化状态、低锈蚀速率状态、中等锈蚀速率状态、高锈蚀速率状态以及极高锈蚀速率状态；且这五种阶段的锈蚀电流密度i依次对应为：小于0.2A/cm²、0.2-0.5A/cm²、0.5-1.0A/cm²、1.0-10A/cm²以及大于10A/cm²；

根据步骤(3)获取不同锈蚀速率状态下钢筋腐蚀层的厚度T及体积V，进而对钢筋混凝土结构钢筋锈蚀状况进行分级评估。