建筑及建筑材料
一种用于混凝土结构健康监测的电容式传感器的开发
Yu Cheng, Feng Gao , Asad Hanif, Zeyu Lu, Zongjin Li
创新点
研制了一种新型的低成本钢筋混凝土电容传感器(CT)；
首次建立了CT输出与钢筋尺寸之间的关系；
研制的CT对结构健康监测有效，具有较高的准确性；
数值模拟验证了实验结果。
文章信息
文章历史:
于2017年3月13日收录；
于2017年5月16日收到修改后的表格；
于2017年5月19日认证通过；
于2017年5月30日上线。
关键词:
电容式传感器，无损检测，混凝土，钢筋，健康监测
摘要
本文提出了一种新型的电容式传感器(CT)，该传感器采用电容信号，具有为钢筋混凝土结构提供准确的健康评估和损伤预测的潜力。分别讨论了两种用于钢筋和混凝土状态评估的电容式传感器的设计。它们都由支撑结构和一对相应的平行电极板组成。为了验证所设计的电容式传感器的有效性，进行了一系列的初步实验。结果表明，检测到的CT信号随钢筋尺寸的增大而增大。在相同的制备条件下，纯水泥砂浆和纤维混凝土具有稳定的介电常数。为了模拟钢筋混凝土的实际情况，在纤维混凝土中加入不同尺寸的钢筋。结果表明，监测CT信号是评价混凝土内部钢筋直径的一种有效方法。实验结果还表明，CT信号可用于预测钢筋在混凝土中的位置。最后，对所研制的电容式传感器进行了有限元仿真，仿真结果验证了所研制的电容式传感器的有效性。整个工作表明，电容式传感器在钢筋混凝土无损检测中的应用前景是广阔的。
- 介绍
近几十年来，人们对钢筋混凝土的无损检测产生了极大的兴趣。目前，一定数量的大型基础设施已达到设计寿命。在大规模分布式系统的损伤检测中，采用大量的传感器是一种流行的趋势，因为在结构中密集地使用传感器可以获取完整的信息。因此，研制一种经济、灵活、准确的传感器对结构健康评估的成功至关重要。
传统的无损检测技术可以为钢筋锈蚀和混凝土水化过程提供非常有用的信息。盖面仪是一种成熟的传统磁感应传感器，可以为钢筋定位和盖面测量提供关键信息。但当混凝土中含有氧化铁或具有磁性的集料时，会产生较大的误差。声学和超声技术在评价混凝土结构中也很常见，但该技术既昂贵又笨重，限制了它们在现场的实际应用。此外，每次测试前的超声散射和表面预处理都是不可避免的问题。电化学方法，如半电池电位器，通过测量电化学电位，也主要用于钢筋腐蚀的估计。然而，它只能提供腐蚀状态的定性或半定量结果，通常需要其他复杂的统计调查。电阻率法，如电阻抗法，也被用来监测混凝土的水化过程以及钢筋的腐蚀状态。也有研究人员将电阻率法与超声或声学方法耦合起来进行水化监测过程，而在非接触式和接触式中，不同频率的测量信号解释都可能非常复杂。在阻抗测试过程中，为了连接钢筋，通常需要打破混凝土盖。探地雷达(GPR)在混凝土分层检测中也很常见，目前已扩展到水化监测、钢筋位置检测、混凝土含水量检测。但是，用于探地雷达技术的设备是专业的，经常需要许可证，且其结果的解释是复杂的，需要高技术技能。此外，广泛的信号处理可能相当昂贵，且该处理在大多数情况下都需要在渗透和分辨率之间妥协，这阻碍了该技术的实际应用。这些传感器大多不灵活或不经济，而结果的解释也非常复杂，因此不适合沿着结构密集地应用。
近十年来，有关传感器电容原理的一系列报道引起了人们对钢筋混凝土无损检测的极大兴趣。也许最常见的情况是电容断层成像(ECT)技术，这是一种最初用于石油管道监测的成像方法。该技术已应用于钢筋位置检测、隐藏空隙检测以及混凝土表面裂缝检测。然而，测试结果的处理仍然是一个大问题。另一个意义重大的应用是将电容技术和探地雷达技术结合起来，用于混凝土覆盖层的评估。虽然听说有人采用嵌入式电容式传感器测量钢筋的腐蚀电位(Ecorr)来监测钢筋的腐蚀状况，但它实际上是一种电化学方法，而不是通过直接测试电场变化来测试钢筋的性能。这些方法都没有直接建立电容值与钢筋性能之间的直接关系，更不用说昂贵复杂的器件以及复杂的数据采集和解释方法。
针对上述传感器的不足，首次提出了一种新的性价比高的电容式传感器，该传感器可以通过直接电容输出，对钢筋尺寸和位置进行精确的定量估计。电容式传感器的结构简单而有效。它由内部制造的聚合物隔离支架和两个相应的电极组成，形成一个并联电容器。这种灵活的设计为大规模生产和大规模基础设施沿线传感器的大量使用铺平了道路。
- 方法
2.1 电容式传感器的设计与组装
针对电容式传感器的基本原理和混凝土与钢的不同电性能，设计了两种并行电容式传感器分别用于钢筋试验(I型)和混凝土试验(II型)。这两个开发的传感器都包括一个特殊设计的聚合物绝缘支架和相应的电极对。所开发的电容式传感器的设计配置只需要很少的成本，整个装置非常经济。初期采用铜电极，每个传感器的详细尺寸如图1所示。
采用PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)材料3D打印技术制作了I型电容式传感器，为钢筋性能测试预留了一个中心半圆通道。考虑到水泥或混凝土浆料通常为矩形，II型电容式传感器采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板制成，以保证两个电极之间有一个平坦的底座，便于混凝土和水泥浆料的检测。同时，为了研究不同测试位置的影响，将II型电容式传感器的电极间距设计得比I型电容式传感器的电极间距大。两种传感器的照片如图2所示。
电容式传感器的这种设计非常灵活，因为电极和传感器支架是独立的。电容电极及其相应的传感器支架可以根据被测钢筋和混凝土试样的实际尺寸进行调整，以获得更高的测量灵敏度，这将在以后的工作中进行讨论。如图3所示，我们分别制作了不同尺寸的电容电极及其相应的传感器支架，以便将来进行对比研究。
将所研制的电容式传感器组装好后，当两个平行电极被发电机充电时，它们之间会产生一个固定的电场。当两个电极之间的钢筋混凝土性能发生轻微变化时，电场也会发生变化。电场变化将直接转换为电容信号(CT输出)。
2.2 初步实验
2.2.1实验条件
经过设计和组装，两个平行板电极作为电容传感器的测试单元，通过一个特殊的测试夹具连接到一个商用电容计上。为了保证整个装置的稳定性，同时将杂散电容降至最低，将两个夹具对称放置。除电极外，支架和轴等其他金属部件都是绝缘的。
通过实验验证了所设计的电容式传感器的有效性。初步的实验结果有助于优化传感器的设计。在所有的实验中，电容计的角频率设置为10 KHz，两个电极上的电压均为1.0 V。然后记录电容值的输出，并将数据记录到计算机中。
其他详细情况包括电极材料和间隙、原始电容值C0、测量试样以及两电极之间的测量位置如表1所示。
2.2.2 材料准备
试验所用钢筋均符合中国国家标准[31]。选择直径增量为2mm的6mm至20mm钢筋。产自香港绿岛的52.5型普通硅酸盐水泥(OPC)。本项目使用纯水泥浆体，设水灰比为0.3，浇注试件尺寸为80mm、30mm、8mm。纤维混凝土试件的配合比如表2所示。添加的PVA纤维(KURALON K-II REC15)直径为39，长度为8mm。分别浇筑45 mm、50 mm、50mm、8mm和50mm、50mm、50mm、8mm试样。试样在室温下浇筑24小时后密封，然后拆模。随后，在25℃相对湿度为95%的潮湿房间中养护至28天。固化后，将所有样品放入70℃的烤箱中6小时，去除其中的水分。
图1.已开发电容式传感器(单位:mm)三视图 (a)钢筋试验用传感器I型 (b)混凝土试验用传感器II型
图2. 电容式传感器的设计:(a)传感器I型(b)传感器II型
图3 .具有相应支座的不同尺寸电容电极(每个传感器的尺寸由两个电极之间的间距和电极的有效长度表示)
（该处表格略去）
3.结果与讨论
3.1钢筋直径与电容输出之间的关系
首次试验模拟了混凝土中钢筋试样尺寸需要确定的情况。实验的目的是验证电容值是否可以用来预测直径。如图4所示，将30个不同直径的钢筋试样置于设计的电容式换能器内。钢筋试样的直径从6mm到20mm不等，并依次置于两个电极之间。然后将两个铜电极连接到电容测量装置上，记录电容输出，并与游标卡尺测得的原始直径进行比较，如图5所示。需要说明的是，每根钢筋的直径已经测量了三次，旋转角度间隔为120度，取平均值表示每根钢筋的标准直径。目的是消除钢筋测试角对信号的影响。在我们未来的工作中，可以在阵列中采用多个电极来研究钢筋方向的影响。
结果表明，输出电容值随钢筋直径的增大而逐渐增大。对数据进行多项式拟合，拟合结果如下式所示:
C=-0.04982d2 0.0034d 1.22533
其中C为电容计电容输出(单位:pF)， d为各钢筋试样的钢筋直径(单位:mm)。本次拟合结果的确定系数(R2)为0.96864，表明由自变量可预测的因变量的方差所占比例足够高，可以准确确定混凝土中钢筋的直径。
图5. 电容值与直径(铜电极)之间的关系
3.2 混凝土介电常数
若要评价混凝土内部进行钢筋性能的试验，必须保证同批次混凝土的稳定电介质。因此，第二次实验的目的是验证同批次混凝土的介电常数是否稳定。众所周知，并联电容式传感器的电容值可以通过以下方法计算:
其中C为电容，单位为法拉;A为重叠电极面积，单位为平方米;为板间材料的相对介电常数;
为介电常数(Fm-1);d是板块之间的距离，单位是米。两板之间的介电常数可以表示为:
由于同一电容式传感器的参数A、d、是稳定的，C的变化可以直接反映电容性的变化。在两个电极之间依次放置一批大小相同的纯水泥和纤维混凝土作为电介质，如图6所示。
电容输出如图7所示。可以清楚地看到，在水泥和混凝土膏体批次中，所有样品的电容输出几乎相同，表明水泥/混凝土样品具有非常稳定的介电特性(介电常数)。因此，所研制的电容式传感器可用于混凝土内部钢筋的性能测试。
图4. 电容式换能器(铜电极)中放置不同直径的钢筋:(a) 6mm钢筋 (b) 8mm钢筋 (c) 20mm钢筋
图6. 纯水泥砂浆和纤维混凝土的电容测试 (a) II型传感器，(b)纯水泥砂浆试件II型传感器，(c)混凝土试件II型传感器
图7. 纯水泥和纤维混凝土电容测试结果: (a)II型传感器 (b) II型传感器与纯浆料规格 (c) II型传感器与实心规格
图8. 不同尺寸混凝土试样Cp输出值的比较
此外，将同一批次不同尺寸的纤维混凝土试样依次置于电容式传感器之间，如表3所示。
电容输出如图8所示。虽然两批样品尺寸不同，但电容输出几乎相同。结果表明，无论混凝土覆盖面积有多大，有效电容测量面积均为两个电极区域内的部分。
3.3 不同的电极材料
为了确定哪一种材料最适合作为电容电极，我们使用了锌、铜、黄铜和铝四种电极材料作为电容测试电极。在测试过程中，在两个电极之间放置了5个具体样品，对比结果如表4所示。
Cp为测试结果，C0为测试前的原始电容。C表示增加的电容值，即Cp与C0之间的差值。从比较中可以看出，无论电极材料是什么，每个样品的增加电容值(C)都是相同的。因此，不同材料的性能没有明显的差异。由于铜的导电性最好，所以在接下来的工作中采用了铜。
(此处略去表4)
图9. 各种位置测试说明:(a)具有不同测试位置的II型传感器 (b)位置测试中的混凝土试样 (c)位置测试中的钢筋试样
图10. 5个工位水泥试样电容测试输出
3.4 不同测试位置的影响
第四项实验是研究不同测试位置对电容输出的影响。将钢筋和混凝土板放置在两个电极板之间的不同位置(图9中用红色标出)。
首先以5个混凝土试件为介质进行了实验研究。每个混凝土样品按一定的顺序被放置在两个电极之间的五个不同区域。不同位置混凝土试样的电容测试输出如图10所示。
对于每个样品，不同位置的电容输出是不同的。而对于每个位置，不同样品的电容值几乎是相同的。电容测试中发现了位置对称效应，水泥试样在对称位置的输出Cp几乎相同。结果表明，试样的测试位置对Cp的测量非常重要。
如图11所示，将不同直径的钢筋依次放置在两个电极板之间的等面积上。
每根钢筋放置后，记录电容值，结果如图12所示。
同样，可以得出钢筋试样的测试位置对电容测量也非常重要，因为测试位置不同，测试结果也不同。测得的电容值也可用于今后钢筋位置的预测。
图11
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