CN103149254A - 一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置及其评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置及其评价方法，包括支架、底板、碳钢、离子导体层、被测体、密封圈、有机玻璃管、顶板，其中碳钢置于底板上作为工作电极；离子导体材料置于碳钢上；被测体系木材面置于离子导体材料上；密封圈置于被测体系涂层面上；所述有机玻璃管置于橡皮密封圈上；顶板上开有小孔，用于注入溶液介质和放置辅助电极以及参比电极；整个装置通过支架固定，使得各个部分紧密相连组成一个整体。通过顶板的小孔将有机玻璃管内注满离子导体溶液，待离子导体溶液渗透被测体系涂层面、被测体系、离子导体材料，渗透到碳钢表面，进行电化学阻抗测试得到时间常数，进而评价涂层性能。

Description

一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置及其评价方法
技术领域
本发明涉及一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置及其评价方法。
背景技术
混凝土被广泛应用于工业/民用建筑、道路、桥梁、隧道和海洋工程等。随着混凝土在各种不同环境下的大量使用，混凝土和混凝土结构受到各种恶劣环境的腐蚀和破坏，在给世界各国人民带来了巨大损失的同时，也给人民的生活带来了诸多不利的影响。仅我国每年耗费在混凝土结构上的费用就已超过千亿元，因此混凝土的耐久性问题日益严峻。涂层防护是混凝土结构防腐蚀和劣化修复的重要措施之一。所以混凝土保护涂层技术作为一种能有效提高混凝土结构耐久性的方法，优势明显，性价比高而逐渐受到人们的关注。但是当前有关混凝土保护涂层材料的性能和防护效果的测试及评价方法还不成熟，严重制约了这类材料的健康发展和应用。目前测试的对于涂层性能的测试方法主要有：电化学阻抗法，扩散池法、电化学噪声法，扫描Kelvin探针法等。其中大部分测试的对象都是涂层/金属体系或涂层/钢筋混凝土体系，对于涂层/混凝土或涂层/木材体系中测试涂层性能的方法不多。
发明内容
针对上述现有技术的不足，克服涂层/混凝土或涂层/木材体系测试的缺陷，本发明提供一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置及其评价方法，本发明是通过电化学方法对涂层性能进行快速检测，其制作过程简单，能够准确的确定测试面积，快速得到涂层性能信息。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置及其评价方法，包括涂层性能测试装置和使用该装置进行涂层性能的评价方法。
包括：支架、底板、碳钢、离子导体层、被测体、第一密封圈、容器、第二密封圈、顶板、参比电极和辅助电极，
所述支架为四根螺丝钉，分别与底板和顶板固定连接，可选择不锈钢螺丝钉或者具有一定强度的塑料螺丝钉，通过螺丝帽予以固定；
所述底板上依次设置有碳钢、离子导体层、被测体、第一密封圈、容器、第二密封圈和顶板；
所述底板和顶板选择绝缘材料，例如聚氯乙烯(PVC)板；
所述碳钢设置于底板上，用作工作电极；
所述离子导体层设置在碳钢的上面并与其接触，用于导通离子溶液和碳钢，能够实现离子和氧的扩散，同时有一定的机械力学支持性能，例如浸润溶液(与容器里的溶液一致)的多孔陶瓷、竹炭或者木炭；
所述被测体为木材或者混凝土，在进行放置时，将被测体上涂有涂料的一面(涂层面)向上，另一面(非涂层面)直接与离子导电层接触；
所述第一密封圈和第二密封圈选择橡皮密封圈，其中第一密封圈设置在被测体涂有涂料的一面上，用于和容器的一端接触；所述容器的另一端与第二密封圈接触；
所述第二密封圈直接与顶板接触；
所述容器为圆筒，选择为有机玻璃圆筒，两端开口，用于盛装离子导体溶液，两端与密封圈接触后能够实现对溶液的密封，避免外溢；
所述顶板上设置有用于安装参比电极和辅助电极的安装孔，所述参比电极为饱和甘汞电极，所述辅助电极为铂电极，所述安装孔直径为10mm，能够用于注入溶液介质和放置辅助电极以及参比电极。
在进行组装时，首先将底板、碳钢、离子导体层、被测体、第一密封圈、容器、第二密封圈、顶板依次彼此接触，然后通过支架(即螺丝钉和螺丝帽)将上述结构予以固定，最后通过安装孔导入离子导体溶液，并安装参比电极和辅助电极。通过顶板的小孔将有机玻璃管内注满离子导体溶液，静置一段时间(例如24小时)待离子导体溶液渗透被测体系涂层面、被测体系木材面(或混凝土)、离子导体，最后渗透到碳钢表面。然后进行电化学阻抗测试得到时间常数(τg＝Rt·Cdl)，进而评价涂层性能。
本发明的技术方案，利用上述装置进行测试，通过离子导体材料对离子溶液的传导作用，使得涂层与碳钢导通，最终使得辅助电极与被测体在注满离子导体溶液时构成一个导电回路。本发明与现有技术相比的有益效果是：
通过本发明能够快速准确地得到木材或混凝土等表面涂层的性能，制作工艺简单。有机玻璃管底部的橡皮密封圈能够很好达到密封电流和溶液介质的作用，有机玻璃管的底面积是固定的能够保证所有测试面积的一致性并且方便计算。测试方法简单可行，测试结果易分析，便于对涂层性能做出快速准确的评价。
附图说明
图1本发明的测试装置结构示意图(一)，其中1为支架，2为底板，3为碳钢，4为离子导体层，5为被测体的非涂层面，6为被测体的涂层面，7-1为第一密封圈，8为容器，9为顶板，10为参比电极，11为辅助电极。
图2本发明的测试装置结构示意图(二)，其中1为支架，2为底板，3为碳钢，4为离子导体层，5为被测体的非涂层面，6为被测体的涂层面，7-1为第一密封圈，7-2为第二密封圈，8为容器，9为顶板，10为参比电极，11为辅助电极。
图3利用本发明技术方案进行性能测试的bode图(一)。
图4利用本发明技术方案进行性能测试的bode图(二)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如附图1和2所示，本发明的测试装置，包括：支架(螺丝钉)1、底板2、碳钢(工作电极)3、离子导体层(浸润离子溶液的多孔陶瓷)4、被测体的非涂层面5、被测体的涂层面6、橡皮密封圈7-1和7-2、有机玻璃管8、顶板9、参比电极10、辅助电极11，其中
碳钢3置于所述底板2上作为工作电极；离子导体层4是置于碳钢3上面，用于导通离子溶液和碳钢；被测体的非涂层面5置于离子导体层上，被测体的涂层面6与橡皮密封圈7-1接触，有机玻璃管8置于橡皮密封圈7-1上并通过橡皮密封圈7-2与顶板相接触，顶板2上开有两个直径为10mm的安装孔，安装孔是为了用于注入溶液介质和放置辅助电极11以及参比电极10；整个装置通过支架1(四根长螺丝钉)固定，使得各个部分紧密相连组成一个整体。通过顶板9的安装孔将有机玻璃管8内注满离子溶液，静置24小时待离子溶液渗透被测体的涂层面6、被测体的非涂层面5、离子导体层4，最后渗透到碳钢3表面。
使用本发明的测试装置测试木材或混凝土等表面涂层性能的步骤及评价方法如下：
(1)实验溶液介质：将浓度为5mmol/LCaCl2、18mmol/L NaCl、9.38mmol/L Na2SO4的水溶液作为离子导体溶液注入装置(有机玻璃管内)，静置24小时待溶液介质渗透涂层和混凝土后进行电化学测试。
(2)实验参数设置：采用美国的AMETEK子公司Princeton Applied Research公司生产的PARSTAT2273电化学测试系统进行电化学阻抗测试，正弦波电压激励幅值为20mV，扫描频率为1MHz～20mHz，每倍频程为8步，4次重复取平均值。
(3)通过电化学阻抗谱测试，得到时间常数(τg＝Rt·Cdl)，评价涂层性能。
使用本发明一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置及其评价方法。当装置注入离子溶液时，通过离子导体材料对离子溶液的传导作用使得辅助电极与被体系构成一个导电回路，通过电化学阻抗测试，得到时间常数评价涂层性能。
对由华北电力科学研究院有限责任公司提供的现场挂片试验混凝土涂层试块进行表面涂层性能测试，涂层编号分别为1、2、3，得到bode图如附图3和4所示。阻抗数据采用Zsimpwin软件进行处理，选择R(CR)(曹楚南，张鉴清，电化学阻抗谱导论[M](第二版).北京，科学出版社，2002：163-178)等效电路对测试结果进行拟合结果如下：
表1R(CR)等效电路拟合结果
Figure BDA00002857274500041
(Cdl的纲量为F/cm2Rt的纲量为Ω·cm2τg＝Rt·Cdl纲量为s)
τg值越大，涂层性能越好，测试结果τg1＜τg2＜τg3。涂层3性能最好。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置，其特征在于，包括支架、底板、碳钢、离子导体层、被测体、第一密封圈、容器、第二密封圈、顶板、参比电极和辅助电极，其中所述支架为四根螺丝钉，分别与底板和顶板固定连接；所述底板上依次设置有碳钢、离子导体层、被测体、第一密封圈、容器、第二密封圈和顶板；所述碳钢设置于底板上，用作工作电极；所述离子导体层设置在碳钢的上面并与其接触，用于导通离子溶液和碳钢；所述被测体为木材或者混凝土，在进行放置时，将被测体上涂有涂料的涂层面向上，非涂层面直接与离子导电层接触；所述第一密封圈设置在被测体的涂层面上，用于和容器的一端接触；所述容器的另一端与第二密封圈接触；所述第二密封圈直接与顶板接触；所述顶板上设置有用于安装参比电极和辅助电极的安装孔。
2.根据权利要求1所述的一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置，其特征在于，所述参比电极为饱和甘汞电极，所述辅助电极为铂电极。
3.根据权利要求1所述的一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置，其特征在于，所述第一密封圈和第二密封圈选择橡皮密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置，其特征在于，所述底板和顶板选择绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置，其特征在于，所述底板和顶板为PVC板。
6.根据权利要求1所述的一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置，其特征在于，所述支架选择不锈钢螺丝钉或者塑料螺丝钉，通过螺丝帽予以固定。
7.根据权利要求1所述的一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置，其特征在于，所述离子导体层为浸润溶液的多孔陶瓷、竹炭或者木炭，所述溶液与设置在容器中的溶液组成一致。
8.根据权利要求1所述的一种木材或混凝土等表面涂层性能的测试装置，其特征在于，所述容器为圆筒，选择为有机玻璃圆筒，两端开口，用于盛装离子导体溶液，两端与密封圈接触后能够实现对溶液的密封，避免外溢。
9.一种利用如权利要求1所述的测试装置进行表面涂层性能的评价方法，其特征在于，首先将底板、碳钢、离子导体层、被测体、第一密封圈、容器、第二密封圈、顶板依次彼此接触，然后通过支架将上述结构予以固定，最后通过安装孔导入离子导体溶液，并安装参比电极和辅助电极；通过顶板的小孔将有机玻璃管内注满离子导体溶液，静置待离子导体溶液渗透被测体的涂层面、被测体的非涂层面、离子导体层，最后渗透到碳钢表面，通过离子导体材料对离子溶液的传导作用，使得涂层与碳钢导通，最终使得辅助电极与被测体在注满离子导体溶液时构成一个导电回路；然后进行电化学阻抗测试得到时间常数τg＝Rt·Cdl，进而评价涂层性能，τg值越大，涂层性能越好，其中Cdl的纲量为F/cm2，Rt的纲量为Ω·cm2，τg＝Rt·Cdl纲量为s。
10.根据权利要求9所述的进行表面涂层性能的评价方法，其特征在于，将浓度为5mmol/L CaCl2、18mmol/L NaCl、9.38mmol/L Na2SO4的水溶液作为离子导体溶液进行注入，静置24小时待溶液介质渗透涂层和混凝土后进行电化学测试；采用美国的AMETEK子公司Princeton Applied Research公司生产的PARSTAT2273电化学测试系统进行电化学阻抗测试，正弦波电压激励幅值为20mV，扫描频率为1MHz～20mHz，每倍频程为8步，4次重复取平均值；阻抗数据采用Zsimpwin软件进行处理，选择R(CR)等效电路对测试结果进行拟合结果，以得到时间常数τg。
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