CN101762453A - 内置电极模拟混凝土中钢筋非均匀锈蚀的加速试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了内置电极模拟混凝土中钢筋非均匀锈蚀的加速试验方法，在混凝土中预埋不锈钢片制得混凝土试件后，依次对混凝土试件进行电渗处理和干湿循环、恒电流通电处理。在电场的作用下使氯离子加速向混凝土结构内迁移，并使混凝土内钢筋提前达到锈蚀阈值，以模拟工程环境中氯离子侵入混凝土结构的过程。用干湿循环过程外加微小腐蚀电流对混凝土结构中钢筋加速锈蚀，并模拟实际锈胀裂缝的开展过程。本发明方法可以模拟氯盐侵蚀环境下氯子向混凝土中的扩散过程，实现混凝土中钢筋的非均匀锈蚀和单面锈蚀，真实的反映锈蚀钢筋混凝土结构中锈胀裂缝的发展过程，为评估钢筋混凝土结构锈后性能提供了一种加速试验方法。

Description

内置电极模拟混凝土中钢筋非均匀锈蚀的加速试验方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土结构耐久性试验方法，尤其是一种加速模拟氯盐侵蚀环境中钢筋混凝土结构中钢筋产生的非均匀锈蚀方法。

背景技术

目前，国内外在研究锈蚀钢筋混凝土结构性能所采用的试验方法主要有通电加速锈蚀方法、天然暴露试验方法、替换构件方法、人工气候环境方法、人工机械模拟方法等形式。

通电加速锈蚀方法是将混凝土内待锈蚀钢筋作为阳极，用不锈钢或铜片作阴极，以混凝土作为介质，为了降低混凝土的电阻率，通常将混凝土构件浸泡在NaCl溶液内或使混凝土保持潮湿，控制电流强度与通电时间，根据法拉第定律，可以确定钢筋锈蚀量。由于通电法具有钢筋锈蚀速度快，易于控制钢筋的锈蚀程度的优点，因此在以往的快速锈蚀试验中得到了广泛的应用。缺点是使用通电法加速锈蚀的钢筋往往呈现为均匀锈蚀，且混凝土表面锈胀裂缝开展较实际结构情况中有所迟缓。

天然暴露试验方法是将钢筋混凝土试件置于各种自然侵蚀环境，如大气环境、海洋环境、工业环境中，获取的试验数据真实可信，是将科研成果应用于工程实践、转化成生产力的极为有效的途径，长期观测后形成的对比性暴露试验成果可以弥补许多室内试验的不足，从而会更具说服力及实际应用价值，先进的海洋国家普遍重视暴露试验基地建设，并通过科学布设暴露站站点逐步完善暴露试验研究工作向更具深度、广度方向发展。其缺点是试验周期长，环境条件变化不定，需要将不同暴露环境下的试验结果建立相应的关系在目前仍具有一定的难度。

替换构件方法是对长期处于各种环境尤其是严酷环境下的实际工程中的混凝土构件从工作现场拆下来，进行各种力学性能试验。此方法最接近于实际构件劣化情况，能够真实反映实际环境中锈蚀构件的力学性能，其缺点是对于某一替换构件只能局限于反映特定的劣化环境和受力情况，且构件的原始设计资料往往不全，无法考证完好构件的力学性能用于同锈蚀构件进行对比。

人工气候环境方法即在试验室内实现人工气候环境，模拟自然环境的气候过程，并通过强化气候要素的老化作用，使混凝土内钢筋锈蚀具有与自然环境相同的电化学机理，并达到加速锈蚀的目的，是定量分析钢筋锈蚀率与结构性能退化关系的有效耐久性试验方法。然而如何提高人工模拟环境实验方法模拟耐久性能劣化的准确性是研究中的一个难点，需要深入研究人工模拟环境实验与结构实际环境和结构性能退化效应的相似性，建立混凝土结构耐久性试验方法与标准。

人工机械模拟方法是将混凝土构件中钢筋或混凝土进行一些人为的机械处理，用以模拟锈蚀后的钢筋混凝土构件，研究受损后混凝土构件的力学性能。该方法操作简单，易于控制，可以定量的分析钢筋锈蚀率对构件性能的影响，不足之处是仅仅通过简单的机械模拟不能真实的反映复杂的实际锈后钢筋混凝土构件性能，得出的结果与实际锈蚀情况势必会存在一定的差距。

尽管对锈蚀钢筋混凝土结构性能研究已经很长时间，但是目前仍然缺乏一种模拟周期短、成本低、与实际锈蚀情况相似度高的加速锈蚀试验方法，如何更加有效的模拟实际氯盐侵蚀环境中钢筋混凝土结构中钢筋的非均匀锈蚀，已成为研究既有钢筋混凝土结构力学性能的一个关键问题。

发明内容

本发明提出一种利用电渗原理，在电场的作用下使氯离子加速向混凝土结构内迁移，并使混凝土内钢筋提前达到锈蚀阈值，以模拟工程环境中氯离子侵入混凝土结构的过程。用干湿循环过程外加微小腐蚀电流对混凝土结构中钢筋加速锈蚀，并模拟实际锈胀裂缝的开展过程。

内置电极模拟混凝土中钢筋非均匀锈蚀的加速试验方法，包括如下步骤：

(1)制备混凝土试件：

在混凝土中预埋不锈钢片制得混凝土试件；

(2)电渗处理：

在混凝土试件待锈蚀区域外依次包覆吸水材料和不锈钢网，再用塑料布密封；将不锈钢网与稳压直流电源负极连接，混凝土内不锈钢片与稳压直流电源正极连接；用NaCl溶液充分润湿吸水材料，待锈蚀区域的混凝土充分浸湿后，开启稳压直流电源通电，进行电渗处理，电渗处理期间保持吸水材料湿润；达到电渗通电时间后，关闭稳压直流电源；

(3)干湿循环、恒电流通电处理：

断开混凝土内不锈钢片与稳压直流电源正极的连接，将不锈钢网与稳流直流电源负极连接，混凝土待锈蚀区域内的钢筋与稳流直流电源正极连接；将吸水材料干燥，保持混凝土试件干燥，进行干处理；干处理后，用NaCl溶液浸湿吸水材料，待锈蚀区域的混凝土充分浸湿后，开启稳流直流电源通电，进行湿处理，湿处理期间保持吸水材料湿润；干处理和湿处理循环交替进行，待湿处理时间总和达到恒电流通电时间后，关闭稳流直流电源。

步骤(2)中的预期通电时间根据下式确认：

$t_1=\frac{\mathrm{RTL}}{{\mathrm{zFUD}}_{\mathrm{nssm}}}[x_d-2\sqrt{\frac{{\mathrm{RTLx}}_d}{\mathrm{zFU}}}{\mathrm{erf}}^{-1}(1-\frac{{2c}_d}{c_0})]$

式中，R为气体常数，T为不锈钢片处的电渗处理的初始和最终温度的平均值(K)；z为氯离子电价的绝对值，取1；F为法拉第(Faraday)常数，取96500A·s；U为不锈钢网和不锈钢片(阴阳两极)间的电压；L为不锈钢网和不锈钢片(阴阳两极)间的距离；t₁为电渗通电时间(s)；x_d为电渗处理中的净保护层厚度(混凝土表面到待锈蚀钢筋表面的距离)；c_d为距混凝土表面x_d深度处的目标氯离子浓度；D_nssm为氯离子扩散系数，

所述的稳压直流电源的电压控制为10～80V，最优选择30V。

所述的D_nssm可通过本领域公知的RCM(混凝土氯离子扩散系数快速测定方法)方法测得。

所述的c_d可通过下式计算：

$c_d=\frac{{\mathrm{c\ρ}}_{\mathrm{con}}}{\mathrm{\φs}}$

式中，c为钢筋脱钝时氯离子所占混凝土质量百分比，一般取0.06％；ρ_con为混凝土密度；φ为混凝土连通孔隙率，可通过压汞试验测得；s为孔隙饱和度，对于饱和混凝土试件取1。

步骤(3)中的恒电流通电时间根据下式确认：

$t_2=\frac{{\mathrm{\γ}}_s{Z}_{\mathrm{Fe}}\mathrm{F\Δ}{d}_s}{M_{\mathrm{Fe}}i}$

式中，i为恒电流通电电流密度；M_Fe为铁的原子量，取56g；t₂为恒电流通电时间(s)；Z_Fe为铁的化合价，取2；Δd_s为钢筋的目标锈蚀深度(m)；γ_s为钢筋密度(g/m³)；F为法拉第(Faraday)常数，取96500A·s。

所述的恒电流电流密度通常取1～10A/m²，最优选取2A/m²。

所述的NaCl溶液的浓度一般选取0.5～5mol/L，最优为2mol/L。

所述的干处理和湿处理的时间比例可根据待模拟环境状况的具体情况而定，比如，模拟海洋环境中混凝土的锈蚀状态，可采用干处理3天，湿处理4天的方法，符合海洋环境中混凝土的干湿循环比例。

本发明的原理是：

A电渗原理

氯离子向混凝土内部扩散需要化学和电势差的驱动。在氯离子扩散前进的方向加上一个电场E，那么非稳态电迁移氯离子扩散系数D_nssm可以表示为：

$D_{\mathrm{nssm}}=\frac{\mathrm{RTL}}{{\mathrm{zFUt}}_1}[x_d-2\sqrt{\frac{{\mathrm{RTLx}}_d}{\mathrm{zFU}}}{\mathrm{erf}}^{-1}(1-\frac{{2c}_d}{c_0})]$

式中，R为气体常数，取8.3145J/mol/K；T为不锈钢片的初始和最终温度的平均值(K)；z为离子的电价的绝对值，对于氯离子取1；F为法拉第(Faraday)常数，取96500A·s；U为不锈钢网和不锈钢片(阴阳两极)间的电压；L为不锈钢网和不锈钢片(阴阳两极)间的距离；t1为通电时间(s)；x_d为扩散深度，电渗试验中取净保护层厚度；c_d为扩散深度x_d处的目标氯离子浓度，c₀为溶液中的氯离子浓度。D_nssm可通过RCM方法测得。

在外加电场E作用下，使氯离子扩散至混凝土中x_d深度所需的时间t₁可表示为：

$t_1=\frac{\mathrm{RT}}{{\mathrm{zFFD}}_{\mathrm{nssm}}}[x_d-2\sqrt{\frac{{\mathrm{RTx}}_d}{\mathrm{zFE}}}{\mathrm{erf}}^{-1}(1-\frac{{2c}_d}{c_0})]$

在电渗试验中，通过上式控制电渗所需的通电时间。

B恒电流原理

腐蚀电流I可表示为：

I＝iA_s，0

式中，i为腐蚀电流密度，1A/m²～10A/m²；A_s，0为待锈蚀钢筋原表面积(m²)，一般取目标锈蚀区域所有钢筋的表面积。

根据Faraday定律，钢筋锈蚀引起的质量损失Δw_s可以表示为：

$\mathrm{\Δ}{w}_s=\frac{M_{\mathrm{Fe}}{\mathrm{It}}_2}{Z_{\mathrm{Fe}}F}$

式中，M_Fe为铁的原子量，取56g；t₂为通电时间(s)；Z_Fe为铁的化合价，取2。

钢筋锈蚀引起的质量损失Δw_s又可以表示为：

Δw_s＝Δd_sA_s，0γ_s

式中，Δd_s为钢筋的锈蚀深度(m)；γ_s为钢筋密度(g/m³)。

可得预期通电时间t₂为：

$t_2=\frac{{\mathrm{\γ}}_s{Z}_{\mathrm{Fe}}\mathrm{F\Δ}{d}_s}{M_{\mathrm{Fe}}i}$

当腐蚀电流密度i保持恒定时，钢筋的腐蚀深度与通电时间成正比，只要有效控制通电时间，便可使钢筋达到预期的锈蚀程度。

C干湿循环原理

干湿循环氯离子渗入即是毛细管作用和扩散作用的组合，当干透了的混凝土表层接触溶液时，靠毛细管作用吸收溶液，一直吸到饱和的程度。如果外界环境又变得干燥，则混凝土中水流方向会逆转，纯水从毛细孔对大气开放的那些端头向外蒸发，使混凝土表层孔隙液中盐分浓度增高，这样在混凝土表层与内部之间形成氯离子浓差，它驱使混凝土孔隙液中的盐分靠扩散机理向混凝土内部扩散。

本方法可以模拟氯盐侵蚀环境下氯子向混凝土中的扩散过程，实现混凝土中钢筋的非均匀锈蚀和单面锈蚀，真实的反映锈蚀钢筋混凝土结构中锈胀裂缝的发展过程，为评估钢筋混凝土结构锈后性能提供了一种加速试验方法。

附图说明

图1为电场作用下氯离子迁移示意图；

图2为混凝土试件结构示意图；

图3为包覆吸水海绵、不锈钢网和塑料布的混凝土试件的结构示意图；

图4为电渗处理示意图；

图5为干湿循环、恒电流通电处理示意图。

具体实施方式

模拟海洋环境中混凝土的非均匀锈蚀状态。

(1)制备混凝土试件：

在混凝土中预埋不锈钢片2制得混凝土试件1。

混凝土(弯梁)尺寸为150×200×1500mm，受拉纵筋为2根直径16mm的变形钢筋，两端均弯起100mm以保证锚固要求，箍筋为直径8mm，间距100mm，上部架立钢筋为2根直径10mm的光圆钢筋，梁中部布置一块尺寸为30×1300×0.2mm的不锈钢片。

(2)电渗处理：

净保护层厚度x_d为0.03m；混凝土连通孔隙率φ为10％；气体常数R取8.3145J/mol/K；不锈钢片的电渗处理的初始和最终温度的平均值T为298K；不锈钢网和不锈钢片(阴阳两极)间的距离L为0.1m；不锈钢网和不锈钢片(阴阳两极)间的电压U为30V；z取1；法拉第常数F取96500A·s；RCM试验测得混凝土的非稳态电迁移氯离子扩散系数D_nssm为6.67×10^-12m²/s；溶液中的氯离子浓度c₀为2mol/L；扩散深度x_d处的目标氯离子浓度c_d为0.4225mol/L。

计算电渗时间：

如图3、图4所示，在混凝土试件1待锈蚀区域A外依次包覆吸水材料3——吸水海绵和不锈钢网4，再用塑料布5密封，用导线将不锈钢网4与稳压直流电源负极连接，混凝土内不锈钢片2与稳压直流电源正极连接；用2mol/L的NaCl溶液充份润湿吸水海绵，待锈蚀区域A的混凝土充分浸湿后，开启稳压直流电源进行通电试验；达到预期电渗通电时间4.19天后，关闭稳压直流电源。

(3)干湿循环、恒电流通电处理：

铁的原子量M_Fe取56g；铁的化合价Z_Fe取2；钢筋密度γ_s为7.9×10⁶g/m³；恒电流通电电流密度i为2A/m²，目标锈蚀区域为梁底部纵筋，待锈蚀钢筋的目标锈蚀率η分别为4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％和12％，将目标锈蚀率换算面锈蚀深度深度Δd_s依次为0.162mm、0.203mm、0.244mm、0.285mm、0.327mm、0.368mm、0.411mm、0.453mm和0.495mm。

计算恒电流通电时间，见表1：

$t_2=\frac{{\mathrm{\γ}}_s{Z}_{\mathrm{Fe}}\mathrm{F\Δ}{d}_s}{M_{\mathrm{Fe}}i}$

表1

如图5所示，断开混凝土内不锈钢片2与稳压直流电源正极的连接，将不锈钢网4与稳流直流电源负极连接，混凝土待锈蚀区域A内的钢筋与稳流直流电源正极连接；将吸水海绵干燥，保持混凝土试件干燥，进行干处理，待混凝土表面充分干燥3天后，用浓度为2mol/L的NaCl溶液浸湿吸水海绵，待锈蚀区域A的混凝土充分浸湿后，开启稳流直流电源通电，进行湿处理4天，如此干湿循环交替处理，待湿处理时间总和达到如表1中的预期恒电流通电时间后，关闭稳流直流电源。试验结束。

锈蚀后得到的钢筋实际锈蚀率、混凝土表面的平均锈胀裂缝宽度和最大锈胀裂缝宽度见表1。

锈蚀率定义为钢筋锈后的平均重量损失率。

锈蚀深度定义为钢筋锈后的平均半径损失。

平均锈胀裂缝宽度定义为沿锈胀裂缝方向每50mm量取一次锈胀裂缝宽度后所有值的平均值。

最大锈胀裂缝宽度定义为沿锈胀裂缝方向每50mm量取一次锈胀裂缝宽度后所有值的最大值。

锈蚀率与锈蚀深度的换算公式为：

$\mathrm{\Δ}{d}_s=(1-\sqrt{1-\mathrm{\η}})d_s$

式中，d_s为目标锈蚀钢筋的直径。

Claims (9)

1.内置电极模拟混凝土中钢筋非均匀锈蚀的加速试验方法，包括如下步骤：

(1)制备混凝土试件：

在混凝土中预埋不锈钢片制得混凝土试件；

(2)电渗处理：

在混凝土试件待锈蚀区域外依次包覆吸水材料和不锈钢网，再用塑料布密封；将不锈钢网与稳压直流电源负极连接，混凝土内不锈钢片与稳压直流电源正极连接；用NaCl溶液充分润湿吸水材料，待锈蚀区域的混凝土充分浸湿后，开启稳压直流电源通电，进行电渗处理，电渗处理期间保持吸水材料湿润；达到电渗通电时间后，关闭稳压直流电源；

(3)干湿循环、恒电流通电处理：

断开混凝土内不锈钢片与稳压直流电源正极的连接，将不锈钢网与稳流直流电源负极连接，混凝土待锈蚀区域内的钢筋与稳流直流电源正极连接；将吸水材料干燥，保持混凝土试件干燥，进行干处理；干处理后，用NaCl溶液浸湿吸水材料，待锈蚀区域的混凝土充分浸湿后，开启稳流直流电源通电，进行湿处理，湿处理期间保持吸水材料湿润；干处理和湿处理循环交替进行，待湿处理时间总和达到恒电流通电时间后，关闭稳流直流电源。

2.如权利要求1所述的加速试验方法，其特征在于：步骤(2)中的电渗通电时间根据下式确认：

$t_1=\frac{\mathrm{RTL}}{\mathrm{zFU}{D}_{\mathrm{nssm}}}[x_d-2\sqrt{\frac{{\mathrm{RTLx}}_d}{\mathrm{zFU}}}\mathrm{er}{f}^{-1}(1-\frac{{2c}_d}{c_0})]$

式中，R为气体常数，T为不锈钢片处的电渗处理的初始和最终温度的平均值；z为氯离子电价的绝对值；F为法拉第常数；U为不锈钢网和不锈钢片间的电压；L为不锈钢网和不锈钢片间的距离；t₁为电渗通电时间；x_d为净保护层厚度；c_d为距混凝土表面x_d深度处的目标氯离子浓度；c₀为NaCl溶液中的氯离子浓度；D_nssm为氯离子扩散系数。

3.如权利要求1所述的加速试验方法，其特征在于：所述的稳压直流电源的电压为10～60V。

4.如权利要求3所述的加速试验方法，其特征在于：所述的稳压直流电源的电压为30V。

5.如权利要求1所述的加速试验方法，其特征在于：步骤(3)中的恒电流通电时间根据下式确认：

$t_2=\frac{{\mathrm{\γ}}_s{Z}_{\mathrm{Fe}}\mathrm{F\Δ}{d}_s}{M_{\mathrm{Fe}}i}$

式中，i为恒电流通电电流密度；M_Fe为铁的原子量；t₂为恒电流通电时间；Z_Fe为铁的化合价，取2；Δd_s为钢筋的目标锈蚀深度；γ_s为钢筋密度；F为法拉第常数。

6.如权利要求5所述的加速试验方法，其特征在于：所述的恒电流电流密度为1～10A/m²。

7.如权利要求6所述的加速试验方法，其特征在于：所述的恒电流电流密度为2A/m²。

8.如权利要求1所述的加速试验方法，其特征在于：所述的NaCl溶液的浓度为0.5～5mol/L。

9.如权利要求8所述的加速试验方法，其特征在于：所述的NaCl溶液的浓度为2mol/L。

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