CN103499490B - 一种应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于海洋环境下钢筋/钢丝耐久性测试技术领域，提供了一种应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置及试验方法，试验装置包括固定系统、用于对钢筋/钢丝试件施加应力的加载系统及用于实时监测腐蚀电流及腐蚀电位的腐蚀监测系统；固定系统包括用于固定钢筋/钢丝试件的试验台座，试验台座上设有孔溶液容置仓；加载系统包括对钢筋/钢丝试件施加轴向应力的轴向加载系统及对钢筋/钢丝试件施加弯曲应力的竖向加载系统。本发明操作灵活、简单；且可通过加入不同的孔溶液及加载不同的应力水平，实现不同腐蚀环境下处于不同应力状态的钢筋/钢丝的耐久性进行研究。

Description

一种应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于海洋环境下钢筋/钢丝耐久性测试技术领域，尤其涉及一种应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置及试验方法。

背景技术

预应力混凝土结构的应用日趋广泛，斜拉桥拉索、拱桥吊杆、桥梁结构等用预应力钢筋/钢丝都在高强度的交变应力状态下服役，在海水、潮湿环境的影响下，更加速其应力腐蚀的速率，从而影响重大土木工程结构的安全使用。与普通钢筋相比，预应力钢筋的腐蚀问题相对更加突出，但问题也更复杂。

预应力钢筋处于高应力状态，高应力状态往往又能提高钢筋的腐蚀活性，提高腐蚀速率，并可能与腐蚀耦合形成“应力腐蚀”或“腐蚀疲劳”这样的脆性腐蚀破坏问题。由于预应力混凝土结构采用较高强度等级的混凝土，且力筋亦拥有多道保护层体系，因此曾被认为具有优良的抗腐蚀性能，然而近年来大量的力筋腐蚀事故迫使人们重新认识这一问题。在侵蚀环境（尤其氯盐环境）下，对于先张法体系、抽芯成孔或金属波纹管成孔的后张法体系中，良好的保护层体系对力筋的腐蚀只能起到延缓作用而并不能起到阻止作用，腐蚀介质穿过保护层体系（包括腐蚀透金属波纹管）到达力筋表面只是一个时间问题，而这种“延缓作用”其实远不能完成许多预应力工程所承载的“百年大计”之使命。更为甚者，后张预应力混凝土结构还存在着灌浆质量无法保证（包括先进的真空辅助灌浆工艺）这一致命软肋，这使得即使在塑料波纹管体系中也有可能会发生力筋的腐蚀问题。另一方面，国内外即将大量兴建的海洋结构工程（如跨海大桥、海底隧道、海港码头）以及沿海地区、除冰盐地区、盐碱地区兴建的高速铁路、高速公路、桥梁、工业建筑等重大工程都广泛采用后张有粘结预应力混凝土结构，严酷的氯盐环境使得力筋的腐蚀将成为不可避免的问题。

斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，能够将斜拉桥桥跨结构的恒载和荷载绝大部分或全部传递到塔柱上，故斜拉索是斜拉桥的主要承重结构，是斜拉桥的生命索，它的耐久性将直接影响全桥的安全。由于斜拉索长期承受交变载荷并暴露于自然环境中，特别是大气污染严重地区、水污染严重地区、海滨及海洋环境，斜拉索极易发生腐蚀，应力腐蚀直接影响其使用寿命，从而影响建筑工程寿命。因此，有必要研究处于拉伸/拉弯应力作用下钢筋/钢丝在腐蚀环境下性能的退化。

目前，应力腐蚀的试验设备主要分为静态试验设备和动态试验设备，缺少针对钢筋/钢丝在多种应力作用下海洋环境腐蚀的动态试验装置及试验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置及试验方法，旨在解决现有技术中缺少针对多种应力作用下海洋环境腐蚀的动态试验装置及试验方法的问题。

本发明是这样实现的，一种应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，包括固定系统、用于对钢筋/钢丝试件施加应力的加载系统及用于实时监测腐蚀电流及腐蚀电位的腐蚀监测系统；所述固定系统包括用于固定钢筋/钢丝试件的试验台座，所述试验台座上设有孔溶液容置仓；所述加载系统包括对钢筋/钢丝试件施加轴向应力的轴向加载系统及对钢筋/钢丝试件施加弯曲应力的竖向加载系统。

进一步地，所述试验台座上开设有一凹槽，所述容置仓设置在所述凹槽内，所述凹槽的开口方向垂直于钢筋/钢丝试件的轴向。

进一步地，所述凹槽内设置有挡板，所述挡板将所述凹槽分隔成至少两个独立的空间，其中一个空间为所述的容置仓。

进一步地，所述凹槽内设置有两块挡板，所述两块挡板将所述凹槽分隔成三个独立的空间，位于所述两块挡板之间的空间为所述的容置仓。

进一步地，所述试验台座上开设有供钢筋/钢丝试件穿过的通孔，所述固定系统还包括用于将钢筋/钢丝试件锚固在所述试验台上的锚具。

进一步地，所述轴向加载系统包括千斤顶，所述千斤顶设置有用于夹置于钢筋/钢丝试件一端的夹具，所述夹具控制所述千斤顶对钢筋/钢丝试件施加轴向的应力。

进一步地，所述竖向加载系统包括作动器、安装在所述作动器上的钢垫块及安装在所述钢垫块底部的陶瓷棒；所述作动器控制所述钢垫块及陶瓷棒沿垂直于钢筋/钢丝试件方向作上、下运动。

进一步地，所述陶瓷棒的长度略小于固定在试验台座上的两条钢筋/钢丝试件的间距。

进一步地，所述孔溶液为Ca(OH)₂与NaCl溶液混合配制而成的不同PH值的模似孔溶液。

进一步地，所述竖向加载系统还包括支架，所述作动器安装在所述支架上。

进一步地，所述腐蚀监测系统包括恒电位仪、辅助电极及参比电极；所述辅助电极及参比电极分别通过第一、第二信号线连接所述恒电位仪，所述恒电位仪上还连接有第三信号线，所述第三信号线可于测试时连接位于所述容置仓外部的钢筋/钢丝试件。

进一步地，所述参比电极材料为饱和甘汞电极或Ag/AgCl。

进一步地，所述辅助电极材料为铂金或不锈钢。

本发明还提供了一种上述任一项所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

A、将钢筋/钢丝试件穿过所述容置仓并固定在所述试验台座上；

B、根据预计的腐蚀程度，配置混凝土模拟孔溶液；

C、安装所述腐蚀监测系统；

D、调节所述轴向加载系统，对所述钢筋/钢丝试件施加所需的轴向应力；

E、调节所述竖向加载系统，对所述钢筋/钢丝试件施加所需的弯曲应力；

F、将模拟孔溶液注入所述容置仓内，定期对腐蚀电流与腐蚀应力变化情况进行测量。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明中的加载系统可对施加于钢筋/钢丝上的拉伸/拉弯应力的大小进行控制，腐蚀监测系统可实时监控腐蚀电流密度、腐蚀电位，本发明操作灵活、简单；且可通过加入不同的孔溶液，施加不同大小的应力水平对处于不同腐蚀环境、不同应力水平的钢筋/钢丝的耐久性进行研究。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置的立体结构示意图。

图2是图1所示试验装置的俯视示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图2所示，为本发明的一较佳实施例，一种应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，包括固定系统1、加载系统2及腐蚀监测系统3。其中，固定系统1包括试验台座11，试验台座11用于固定钢筋/钢丝试件4，其上设有孔溶液容置仓1121，试验时钢筋/钢丝试件4可穿过容置仓1121而固定在试验台座11上。加载系统2用于对钢筋/钢丝试件4施加应力，其包括对钢筋/钢丝试件4施加轴向应力的轴向加载系统21及对钢筋/钢丝试件4施加弯曲应力的竖向加载系统22。腐蚀监测系统3用于实时测量腐蚀电流及腐蚀电位。

具体地，试验台座上11开设有一凹槽112，容置仓1121设置于凹槽112内，凹槽112的开口方向垂直于钢筋/钢丝试件4的轴向。凹槽112内设置有挡板113，挡板113将凹槽112分隔成至少两个独立的空间，其中一个空间为容置仓1121。优化地，凹槽112内设置有两块挡板113，两块档板113分别设置在靠近凹槽112两端的位置，两块挡板113将凹槽112分隔成三个空间，其中位于两块挡板113之间的空间即为容置仓1121。

上述固定系统1还包括锚具12，试验台座11上开设有通孔（图中未示出），钢筋/钢丝试件4穿过通孔并通过锚具12锚固在试验台座11上。

上述轴向加载系统21包括千斤顶211，千斤顶211设置有一夹具2111，夹具2111夹置于钢筋/钢丝试件4的一端，可控制千斤顶211对钢筋/钢丝试件4施加轴向拉力。

上述竖向加载系统22包括作动器221、安装在作动器221上的钢垫块222及安装在钢垫块222底部的陶瓷棒223。作动器221可控制钢垫块222及陶瓷棒223沿垂直于钢筋/钢丝试件4轴向作上、下运动，陶瓷棒223的长度略小于固定在试验台11上的两条钢筋/钢丝试件4的间隔。本实施例中，竖向加载系统22还包括支架224，支架224与地面固定连接，作动器221安装在支架224上。

上述腐蚀监测系统3为三电极测量系统，包括恒电位仪31、辅助电极32及参比电极33。参比电极33材料优选饱和甘汞电极（Saturatedcalomelelectrode，SCE）或Ag/AgCl；辅助电极32材料优选铂金或不锈钢；实验用的孔溶液优选采用由Ca(OH)₂与NaCl溶液混合配制而成的不同PH值的模似孔溶液。辅助电极32及参比电极33分别通过第一、第二信号线34、35连接恒电位仪31，由于钢筋/钢丝试件4的腐蚀状态以整条钢筋/钢丝试件4的腐蚀电位来评价，故容置仓1121外（即挡板113外侧）的钢筋/钢丝试件4通过第三信号线36连接恒电位仪，以作为工作电极。测试时，辅助电极32及参比电极33皆与容置仓1121中的钢筋/钢丝试件4相接触，这样，工作电极与参比电极33组成一回路，而工作电极与辅助电极32组成另一回路。

以上的三电极测量系统原理如下：参比电极33的电位是恒定的，它接在恒电位仪31上用来确定工作电极的当前电位状态，此时恒电位仪31可以随时捕捉系统工作中工作电极的电位，当工作电极发生腐蚀时，其电位将出现明显的下降，恒电位仪31可以实时地显示电位值。辅助电极32的作用是与工作电极形成回路，当工作电极发生腐蚀后，铁原子释放电子，形成铁离子，此时工作电极与辅助电极32形成回路，恒电位仪31可以捕捉到微小电流变化，并实时地显示电流值。

本发明还提供了一种基于上述应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

A、将钢筋/钢丝试件4穿过容置仓1121，并固定在试验台座11上；

B、根据预计的腐蚀程度，配置混凝土模拟孔溶液；

C、安装腐蚀监测系统3；

D、调节轴向加载系统21，对钢筋/钢丝试件4施加所需的轴向应力；

E、调节竖向加载系统22，对钢筋/钢丝试件4施加所需的弯曲应力；

F、将模拟孔溶液注入容置仓1121内，定期对腐蚀电流与腐蚀应力变化情况进行测量。

上述加载系统2可对施加于钢筋/钢丝试件4上的拉伸/拉弯应力的大小进行控制，腐蚀监测系统3可实时监控腐蚀电流密度、腐蚀电位，本发明操作灵活、简单；且可通过加入不同的孔溶液，施加不同大小的应力水平对处于不同腐蚀环境、不同应力水平的钢筋/钢丝的耐久性进行研究。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，包括固定系统、用于对钢筋/钢丝试件施加应力的加载系统及用于实时监测腐蚀电流及腐蚀电位的腐蚀监测系统；所述固定系统包括用于固定两根钢筋/钢丝试件的试验台座，所述试验台座上设有孔溶液容置仓；所述加载系统包括对钢筋/钢丝试件施加轴向应力的轴向加载系统及对钢筋/钢丝试件施加弯曲应力的竖向加载系统，所述轴向加载系统包括千斤顶，所述千斤顶设置有用于夹置于钢筋/钢丝试件一端的夹具，所述夹具控制所述千斤顶对钢筋/钢丝试件施加轴向的应力；所述竖向加载系统包括作动器、安装在所述作动器上的钢垫块及安装在所述钢垫块底部的陶瓷棒；所述作动器控制所述钢垫块及陶瓷棒沿垂直于钢筋/钢丝试件方向作上、下运动。

2.如权利要求1所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，所述试验台座上开设有一凹槽，所述容置仓设置在所述凹槽内，所述凹槽的开口方向垂直于钢筋/钢丝试件的轴向。

3.如权利要求2所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，所述凹槽内设置有挡板，所述挡板将所述凹槽分隔成至少两个独立的空间，其中一个空间为所述的容置仓。

4.如权利要求2所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，所述凹槽内设置有两块挡板，所述两块挡板将所述凹槽分隔成三个独立的空间，位于所述两块挡板之间的空间为所述的容置仓。

5.如权利要求1所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，所述试验台座上开设有供钢筋/钢丝试件穿过的通孔，所述固定系统还包括用于将钢筋/钢丝试件锚固在所述试验台座上的锚具。

6.如权利要求1所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，所述陶瓷棒的长度略小于固定在试验台座上的两条钢筋/钢丝试件的间距。

7.如权利要求1所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，所述孔溶液为Ca(OH)₂与NaCl溶液混合配制而成的不同PH值的模似孔溶液。

8.如权利要求1所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，所述竖向加载系统还包括支架，所述作动器安装在所述支架上。

9.如权利要求1所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，所述腐蚀监测系统包括恒电位仪、辅助电极及参比电极；所述辅助电极及参比电极分别通过第一、第二信号线连接所述恒电位仪，所述恒电位仪上还连接有第三信号线，所述第三信号线可于测试时连接位于所述容置仓外部的钢筋/钢丝试件。

10.如权利要求9所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，所述参比电极材料为饱和甘汞电极或Ag/AgCl。

11.如权利要求9所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置，其特征在于，所述辅助电极材料为铂金或不锈钢。

12.一种如权利要求1至11任意一项所述的应力作用下孔溶液腐蚀钢筋/钢丝的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

A、将钢筋/钢丝试件穿过所述容置仓并固定在所述试验台座上；

B、根据预计的腐蚀程度，配置混凝土模拟孔溶液；

C、安装所述腐蚀监测系统；

D、调节所述轴向加载系统，对所述钢筋/钢丝试件施加所需的轴向应力；

E、调节所述竖向加载系统，对所述钢筋/钢丝试件施加所需的弯曲应力；

F、将模拟孔溶液注入所述容置仓内，定期对腐蚀电流与腐蚀应力变化情况进行测量。