基于TPS及ENA的钢混结构钢筋腐蚀电化学特征识别与监测传感器系统

针对基于电化学理论的钢混结构钢筋腐蚀监测这一问题，按腐蚀监测方法－腐蚀传感器－系统集成与应用展开研究。首先，采用分数导数算法，研究TPS激励下钢筋均匀腐蚀电化学特征，探索含弥散与扩散项复杂等效电路响应特征的时域识别方法，进而通过EIS试验验证其准确性；其次，应用小波包算法，研究复杂环境耦合作用下钢筋点蚀EN的能量谱特性，探索基于实时监测信息的蚀点生长演化3-D 元胞自动机预测方法，进而通过EC-AFM＋CCD实验验证其准确性；再次，采用先进功能材料与EB-PVD制备技术，研制全固态参比电极，进而通过系列实验检验其服役性能；第四，应用参数化有限元，研究腐蚀监测过程中钢混体系内的电场分布，探索腐蚀传感器的优化构型，进而构建探针式与束流式腐蚀传感器；最后，应用上述成果，集成腐蚀监测系统，并通过工程实践检验其可靠性。本项目的研究，为钢混结构的腐蚀防护、安全评定与全寿命设计提供科学依据。

在严格遵守项目计划的前提下，课题组针对基于电化学理论的钢混结构钢筋腐蚀监测这一问题，通过理论分析，数值仿真和实验研究相结合，按腐蚀监测方法－腐蚀传感器－系统集成与应用开展了系统、深入研究。目前，已圆满完成了各项既定研究内容，取得了系列高水平创造性研究成果，并完全满足项目结题验收要求。. 1、建立了包含弥散及扩散效应的钢混体系腐蚀电化学系统的普适传递函数G(jω)。采用复变函数逼近理论，得到了瞬态恒电位阶跃（TPS）激励下G(jω)的时域响应计算方法，系统分析了腐蚀特征参数对时域响应的影响。进而，基于分数微分（FD）理论，建立了TPS激励下传递函数G(jω)特征参数的时域快速识别算法，并通过试验验证了该算法的可靠性。. 2、研究了钢混体系局部腐蚀电化学噪声（EN）的“指纹”特征，应用小波理论得到了电化学噪声的小波能量谱（WES）算法，进而采用实时监测的EN信号的WES作为元胞自动机（CA）的驱动力，建立了复杂离子场条件下点蚀发展演化的3-D CA定量预测方法，揭示了蚀点发展过程中蚀孔内离子场的分布状态，并通过3-D超景深试验验证了该预测方法的可靠性。. 3、针对腐蚀监测与防护领域对高性能、低成本、大规模、集成化全固态参比电极（RE）的迫切需求，应用电子束物理气相沉积（EB-PVD）双靶共溅射大尺寸薄膜制备技术，结合具有优异3-D层状空间结构的蒙脱石离子夹杂材料，成功研制出性能优异的NiFe2O4固态RE。 . 4、采用参数化有限元（APDL），深入分析了腐蚀传感器内部的电场分布状态，优化设计出系列传感器构型。进而，结合NiFe2O4固态RE，成功研发出束流式与探针式有线腐蚀传感器。此外，基于MicaZ与Telosb节点研制了无线腐蚀传感器，设计了基于Xserve感知数据的采集传输协议和网络拓扑的邻居发现算法，并构建了弱异构源无线自集能节点。. 5、集成腐蚀监测方法软件基础与腐蚀监测传感器硬件平台，成功应用于大连庄河某拱桥承台、深圳某钢混框架腐蚀监测等实体工程。