1、 硕 士 学 位 论 文水泥基材料中钢筋锈蚀及其传感器监测申请学位级别： 工学硕士 学 科 、 专 业： 结构工程 硕 士 学 位 论 文I目 录摘要 .IABSTRACT.III第 1 章 绪论 .11.1 研究背景 .11.1.1 钢筋锈蚀在混凝土中的研究意义 .11.1.2 钢筋锈蚀的机理 .31.1.3 影响钢筋锈蚀的因素 .61.2 钢筋锈蚀监测技术 .71.2.1 物理检测法 .71.2.2 电化学监测方法 .81.3 本课题的主要研究目的与内容 .131.3.1 研究目的 .13第 2 章 国内外钢筋锈蚀监测传感器的研究 .152.1 德国梯式阳极系统 .152.1.1 传感器的
2、结构设计 .152.1.2 阳极梯的监测原理 .172.1.3 传感器的安装与应用 .182.1.4 阳极梯的优缺点 .202.2CorroDec 传感器 .212.2.1 结构设计原理 .212.2.2 传感器的工作原理 .212.2.3CorroDec 系统的优缺点 .222.3ERE20 和 CorroWatch 探头监测传感器 .232.3.1 传感器的结构设计 .232.3.2 监测原理 .242.3.3 传感器的优缺点 .242.4 膨胀环形阳极系统 .252.4.1 结构设计及安装过程 .25硕 士 学 位 论 文II2.4.2 监测原理 .262.4.3 优缺点 .262.5
3、复合型多功能传感器 .262.5.1 结构设计 .262.5.2 监测原理 .272.5.3 传感器的优缺点 .282.6 宏电池传感器 .282.6.1 传感器结构设计 .282.6.2 监测原理 .292.6.3 传感器的特点 .292.7 本章小结 .29第 3 章 初始氯离子含量对钢筋锈蚀的影响 .313.1 引言 .313.2 原材料的准备 .313.3 试样制备 .333.3.1 试件配合比 .333.3.2 试样制备及试验设计 .343.3.3 试验监测设备 .353.4 普通砂浆试验结果与讨论 .363.4.1 普通砂浆相同氯离子含量下钢筋电位分析 .363.4.2 普通砂浆不
4、同氯离子含量下钢筋电位 .383.4.3 普通砂浆相同氯离子含量下不同时间 Niquist 曲线 .393.4.4 普通砂浆不同氯离子含量下 Niquist 曲线 .403.4.5 钢筋表面锈蚀状况 .423.5 SHCC 试验结果与讨论 .433.5.1 相同氯离子含量下钢筋电位分析 .433.5.2 不同氯离子含量下钢筋电位分析 .443.5.3 SHCC 相同氯离子含量下不同时间 Niquist 曲线 .443.5.4 SHCC 不同氯离子含量下 Niquist 曲线 .463.6 本章小结 .47硕 士 学 位 论 文III第 4 章 裂缝宽度在不同环境下对钢筋锈蚀的影响 .494.1
5、 引言 .494.2 试验设计 .494.2.1 试验配比 .494.2.2 试验设备 .494.2.3 试验方法 .504.3 试验结果及讨论 .514.3.1 试样表面裂缝宽度统计 .514.3.2 吸盐/干燥环境下钢筋电位分析 .524.3.3 吸水/干燥环境下钢筋电位分析 .544.3.4 干燥的空气环境下钢筋电位 .564.3.5 不同环境下钢筋电位分析 .584.4 本章小结 .60第 5 章 多传感器在水泥基材料中的应用 .615.1 引言 .615.2 试验设计 .615.2.1 试验配比 .615.2.2 传感器制备 .625.2.3 传感器的封装 .635.2.4 传感器的
6、安装与定位 .645.2.5 试验方法 .665.3 试验结果与讨论 .675.3.1 自制阳极梯的可靠性 .675.3.2 氯离子传感器的可靠性 .695.3.3 混凝土材料下钢筋锈蚀的发展 .725.3.4 砂浆材料下钢筋锈蚀的发展 .745.4 本章小结 .75第 6 章 结论与展望 .776.1 结论 .776.2 展望 .77硕 士 学 位 论 文IV参考文献 .79攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目 .87致谢 .89硕 士 学 位 论 文I摘要目前已知钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土结构较早破坏的重要原因，而经过调查与研究，影响钢筋锈蚀的因素有多种，比如说：氯离子浓度、温湿度、裂缝宽度
7、等等，这些因素影响了钢筋锈蚀的发展，进而影响到钢筋混凝土结构的使用寿命，因此研究不同影响因素下钢筋锈蚀的发展以及设计一种可监测多因素的传感器，对于及时评判钢筋锈蚀，预测混凝土结构使用寿命，确保结构安全具有深远意义。本文调查分析了国内外监测传感器的设计原理、监测原理并讨论了其优缺点，对其在实际工程中的适用范围做出了深入探讨，然后研究了氯离子含量以及裂缝宽度对钢筋锈蚀的影响，在此基础上研究埋入到水泥基材料中的自制阳极梯、氯离子传感器、温湿度传感器在干湿循环下的电化学参数表征。基本研究内容包括：（1）通过研究两种水灰比下普通砂浆以及应变硬化水泥基复合材料（SHCC）中内掺不同含量氯离子影响钢筋锈蚀过
8、程表明：相同水灰比下，初始氯离子含量越高，钢筋越容易发生锈蚀；养护初期湿度大、自由氯离子含量高，钢筋易发生锈蚀；后期湿度大、自由氯离子含量低，钢筋较易发生锈蚀；中期湿度低、自由氯离子含量低，钢筋不易发生锈蚀；相同氯离子含量下，0.55 水灰比下钢筋比 0.4 水灰比下钢筋更容易发生锈蚀。（2）通过研究不同裂缝宽度在毛细吸盐、毛细吸水以及空气环境中钢筋锈蚀过程得知，在毛细吸盐以及吸水过程中，随裂缝宽度的增大，钢筋越容易发生锈蚀，而在空气环境下裂缝宽度对钢筋锈蚀影响不明显；在相同裂缝宽度下，吸盐过程钢筋锈蚀最容易发生，其次是吸水环境，最后是空气环境。（3）对比自制阳极梯与德国阳极梯在水泥基材料中电
9、化学参数趋势发现，自制阳极梯在预测钢筋锈蚀方面具有一定的可靠性。（4）对比自制氯离子传感器与钻芯取粉滴定出来的氯离子含量可知，自制传感器在描述氯离子趋势方面具有一定的可靠性。（5）通过研究自制阳极梯、氯离子传感器、温湿度传感器在混凝土中干湿循环下电化学参数表征可知，当混凝土表面湿度较大时，外界氧气不容易扩散到阴极表面，此时钢筋不易发生锈蚀，而当钢筋表面氯离子含量远远大于规范标准硕 士 学 位 论 文II的临界氯离子含量时，钢筋此时会发生锈蚀。（6）通过研究德国阳极梯、氯离子传感器、温湿度传感器在砂浆中干湿循环下电化学参数表征得知，砂浆表面湿度大时，钢筋同样不易发生锈蚀，当钢筋周围的氯离子含量超
10、过标准时，钢筋才可能会发生锈蚀。关键词：传感器；氯离子含量；裂缝宽度；钢筋锈蚀；温湿度硕 士 学 位 论 文IIIABSTRACTAt present, it is known that the corrosion of steel bars is an important reason for the early failure of reinforced concrete structures. After investigation and research, there are many factors that affect the corrosion of steel bars,
11、such as chloride ion concentration, temperature and humidity, crack width and so on. The development of steel corrosion and the design of a multi-factor sensor can be used to evaluate the corrosion of steel bars, to predict the service life of concrete structures, and to ensure the development of re
12、inforced concrete structures. Structural safety has far-reaching significance.This paper investigates and analyzes the design principle and monitoring principle of monitoring sensors at home and abroad, it also discusses its advantages and disadvantages, and makes a thorough discussion on its applic
13、ation in practical engineering. Then, the effects of chloride ion content and crack width on steel corrosion is studied. Based on this, the electrochemical parameters of self-made anode ladder, chloride ion sensor and temperature and humidity sensor embedded in cement - based materials were studied.
14、 The basic research includes: (1) The effects of different kinds of chloride ions on the corrosion process of steel bars were studied by studying the effects of two different water-cement ratio mortar and strain hardening cement-based composites (SHCC), the results show that the higher the chloride
15、content is, the higher the content of chloride is easy to occur rust; curing early humidity and free chlorine ion content is high, the steel is easy to rust, followed by the late high humidity and the low free chloride ion content, and finally the medium-term low humidity, free chloride ion content
16、is low，the steel is not easy to rust; the same chloride ion content, 0.55 water-cement ratio under the steel than 0.4 water-cement ratio is more prone to corrosion.(2) By studying the effects of different crack widths on capillary absorption, capillary water absorption and air corrosion in the steel
17、 ,it is found that the increase of the crack width in the process of capillary salt absorption and water absorption is more prone to corrosion. In the air environment, the effect of crack width on the corrosion of steel bars is not obvious. Under the same crack width, the corrosion of steel bars is
18、most likely to occur during the salt absorption process, followed by the water absorption environment and finally the air environment.(3) Comparison of the trend of electrochemical parameters in self-made anodic ladder and German anode ladder in cement-based materials, self-made anodic ladder has 硕
19、士 学 位 论 文IVa certain reliability in predicting corrosion of steel bar.(4) Compared with the chloride ion content of the self-made chloride ion sensor and the core powder, the self-made sensor has a certain reliability in describing the chloride ion trend.(5) By studying the electrochemical parameter
20、s of self-made anodic ladder, chloride ion sensor and temperature and humidity sensor in concrete under dry and wet cycle, it can be seen that when the concrete surface humidity is large, the outside oxygen is not easy to spread to the cathode surface, then the steel is not easy to rust, and when th
21、e steel surface chloride content is far greater than the standard critical chloride content, the steel will rust at this time.(6) By studying the electrochemical parameters of the German anode ladder, chloride ion sensor and temperature and humidity sensor under the wet and dry cycle of mortar, it is known that the steel bar is also less susceptible to corrosion when the surface humidity is large. When the chloride ion content around the steel bar exceeds the standard, it may be rusted.Keywords: sensor, chloride ion content, crack width, steel corrosion, temperature and humidity
