CN105547988A - 钢筋混凝土锈蚀试验装置及试验方法 - Google Patents

钢筋混凝土锈蚀试验装置及试验方法 Download PDF

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毛若卿
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Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土锈蚀试验装置，包括试验箱、电化学工作站、直流电源；试验箱内设有高浓度氯盐卤水溶液，电化学反应阴极钢筋板、钢筋混凝土试件置于试验箱内，并浸泡在高浓度氯盐卤水溶液中；电化学反应阴极钢筋板与钢筋混凝土试件接触良好；钢筋混凝土试件包括混凝土和混凝土内的钢筋；直流电源的正极与钢筋混凝土试件的钢筋连接，直流电源的负极与电化学反应阴极钢筋板连接；电化学工作站用于测试钢筋混凝土试件的钢筋进行电化学试验。本发明还提供一种钢筋混凝土锈蚀试验方法。本装置可控性强、操作简单、结果准确可靠。本方法试验周期短、实验结果分析便利，准确性高。

Description

钢筋混凝土锈蚀试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及钢筋混凝土锈蚀研究领域，具体涉及一种在杂散电流-卤水耦合作用下的钢筋混凝土锈蚀试验装置及试验方法。
背景技术
杂散电流是指在设计或规定回路以外流动的电流，也被称为“迷流”。杂散电流本质上是电化学腐蚀，所以阳极腐蚀较为严重。
对建筑物的寿命预测一直都是较为热门的研究方向，且对社会意义重大。理论来说，钢筋混凝土结构由于其独特的组合特性，既拥有较高的抗压强度也拥有较高的抗拉强度。因此，钢筋混凝土结构的理论服役年限较长，是实际工程中使用量最大的工程结构。但在实际工程中大量钢筋混凝土结构由于种种原因达不到理论预测的服役年限，这对人民的生命财产安全造成了巨大的威胁。有关数据表明，具有土壤盐浓度高、夏季炎热、冬季干冷、温差变化大、降水量小、蒸发量大、紫外线辐射强、风速高、空气干燥、相对湿度低等特点的地区对钢筋混凝土构件的破坏更为严重。
由于混凝土材料性能的特殊性，一般来说，混凝土内部完全水化的水泥仍会含有原水泥质量15％～30％左右的Ca(OH)2，而水泥中原来亦含有微量的KOH和NaOH，这足以保证混凝土内部孔溶液的PH保持在13左右，钢筋在高碱性的条件下会自发形成一层致密的钝化保护膜，以保证钢筋免受侵蚀而使混凝土失效。在实际工程中，混凝土内钢筋会锈蚀主要由以下三个因素决定：O2扩散、CO2扩散以及Cl-扩散。氧气及氯离子扩散会加速其阴极阳极的电极反应，而二氧化碳的扩散会加速混凝土碳化，从而导致混凝土内部孔溶液的PH值下降进而导致钝化保护膜被破坏，使钢筋被腐蚀。由此可见，引起混凝土中钢筋锈蚀的原因有三个，即混凝土保护层碳化、氯离子侵蚀及杂散电流诱导。而在三种原因里，氯离子侵蚀是罪魁祸首，碳化和杂散电流对钢筋锈蚀的作用一般较小，仅在某些特殊情况下才影响较为巨大，比如我国西部。目前，尚没有装置对处于杂散电流-卤水盐溶液耦合作用下的钢筋混凝土进行锈蚀试验，因而无法对杂散电流-卤水盐溶液耦合作用下的钢筋混凝土进行研究，这不利于工作人员准确掌握杂散电流-卤水盐溶液耦合作用下的钢筋混凝土的锈蚀情况，无法为杂散电流-卤水盐溶液耦合作用下的钢筋混凝土的耐久性的提高及其寿命预测提供理论基础，存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在杂散电流-卤水耦合作用下的钢筋混凝土锈蚀试验装置及试验方法，该装置结构简单，使用方便，能使钢筋混凝土在杂散电流-卤水耦合作用下进行锈蚀试验，为杂散电流-卤水盐溶液耦合作用下的钢筋混凝土的耐久性的提高及寿命预测提供理论基础；该试验方法简单，便于实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种钢筋混凝土锈蚀试验装置，包括试验箱、电化学反应阴极钢筋板、钢筋混凝土试件、电化学工作站、用于模拟杂散电流的直流电源；
所述试验箱内设有按照实地调研数据配置的高浓度氯盐卤水溶液，电化学反应阴极钢筋板、钢筋混凝土试件置于试验箱内，并浸泡在高浓度氯盐卤水溶液中；所述电化学反应阴极钢筋板与钢筋混凝土试件接触良好；
所述钢筋混凝土试件包括混凝土和混凝土内的钢筋；直流电源的正极与钢筋混凝土试件的钢筋连接，直流电源的负极与电化学反应阴极钢筋板连接；
电化学工作站用于测试钢筋混凝土试件的钢筋进行电化学试验，得到混凝土中钢筋的锈蚀状态及钢筋混凝土试件的服役状态。
更进一步的方案是，钢筋混凝土试件的尺寸为100mm×100mm×400mm，钢筋固定于混凝土中心位置。
试验时，通过直流电源模拟需要试验的环境的杂散电流，通过控制钢筋表面不同通电时间来实现杂散电流-卤水耦合作用下钢筋混凝土中钢筋不同锈蚀程度的控制，并通过电化学工作站得到混凝土中不同锈蚀程度钢筋的一系列电化学试验参数及测试结果。
本发明还提供一种利用上述装置进行杂散电流-卤水耦合作用下钢筋混凝土锈蚀试验的方法，包括如下步骤：
一、按照实地调研数据配置高浓度氯盐卤水溶液，并将该溶液置于试验箱内；
二、将直流电源的正极与钢筋混凝土试件的钢筋连接，直流电源的负极与电化学反应阴极钢筋板连接；
三、将电化学反应阴极钢筋板、钢筋混凝土试件置于试验箱内，并浸泡在高浓度氯盐卤水溶液中；
四、直流电源模拟杂散电流；记录通电电压和通电时间；
五、通电一定时间后关闭直流电源，将钢筋混凝土试件放入电化学工作站进行电化学试验，得到钢筋混凝土试件的钢筋的电化学指标；
六、重复步骤二至步骤五，改变通电电压和通电时间，用电化学工作站检测钢筋混凝土试件的钢筋的电化学指标(交流阻抗谱图、线性极化、腐蚀电位、腐蚀电流密度等电化学指标)，记录钢筋混凝土试件的钢筋从成型至锈蚀直至延筋破裂失效的全部过程。
更进一步的方案是，步骤五中，所述的通电一定时间为通电0.5-48h，通电电压为1-60V。
更进一步的方案是，该方法还应在试验台上进行，试验时，将直流电源放置于试验台上。
本发明利用直流电源(单通道直流稳压电源)模拟需研究环境的杂散电流(比如轨道交通工程中极为常见的杂散电流)、根据地调研数据配置的严酷环境下高浓度氯盐卤水溶液(本发明中的高浓度氯盐卤水溶液为多种盐类共同配制，配制标准参照实地调研数据)、通过控制钢筋表面不同通电时间、通过大型电化学工作站采用电化学方法如交流阻抗谱图法、线性极化法等较为准确的试验方法得到混凝土中不同锈蚀程度钢筋的一系列电化学试验参数及测试结果，实现杂散电流-卤水耦合作用下混凝土中钢筋不同锈蚀程度的控制，既能加速锈蚀试验，又能得到准确的数据，为钢筋混凝土的后续研究提供技术支持。
本发明可真实还原在西部严酷的高浓度盐渍土环境下，轨道交通工程中钢筋混凝土构件从成型至锈蚀直至延筋破裂失效的全部过程，为西部轨道交通工程耐久性的提高及其寿命预测提供了较为准确的理论基础。
本发明通过改变直流电源的输出电压及钢筋的通电时间，能检测钢筋混凝土构件从成型至锈蚀直至延筋破裂失效的全部过程。
本发明提供一种可在实验室条件下进行的杂散电流-卤水耦合作用下钢筋混凝土锈蚀试验的装置及方法，通过实验室现有条件真实全面的还原在严酷环境下，钢筋混凝土构件从成型至锈蚀直至延筋破裂失效的全部过程。该方法通过室内加速实验来实现对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀程度的人为控制，通过实验的电化学数据在推测和判断钢筋混凝土构件的服役状态及其服役年限，并通过推测结果，最大程度上对钢筋混凝土构件进行修缮或保护，达到延长服役寿命、节约成本的目的。本方法可获得一组反应钢筋混凝土构件在不同时期不同锈蚀状况下的电化学参数，通过此参数并结合相关的结构寿命服役理论计算方法，得出更为准确的服役状态，并根据其具体服役状态对构件采取相对应的保护措施，延长其服役寿命，节约基建成本。
本方法可根据具体试验需求更改通电时间及通电电压，使试验效果更为明显，试验数据更准确。将钢筋混凝土试件尺寸设计为100mm×100mm×400mm，是本着标准化、方便、轻巧灵活的原则制定，也可根据具体试验及工程需要更改尺寸。试验箱内也可根据具体试验标准及工程需要更换配制溶液。本方法能控制在杂散电流-卤水耦合作用下钢筋混凝土中钢筋的锈蚀程度，也可根据具体试验要求及工程需要修改实际混凝土中钢筋锈蚀的影响因素如通电时间、通电电压、强度等级等。
本装置小巧灵活，可控性较强，试验周期短，试件成型方便，成本低，实验结果分析便利，准确性高。同时，本发明可与相关单位合作，开展对海洋环境下杂散电流-氯盐溶液耦合作用下钢筋混凝土构件中钢筋的锈蚀规律的探索，为临海或近海基建工程耐久性的提高及其寿命预测提供较为准确的理论基础。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明钢筋混凝土锈蚀试验装置的结构示意图；
图2是不同通电时间下，同一钢筋混凝土试件的钢筋锈蚀电化学Nyquist图；
图3通电0h后，钢钢筋混凝土试件的钢筋锈蚀电化学Nyquist图，其中Z表示掺入阻锈剂；
图4通电24h后，钢筋混凝土试件的钢筋锈蚀电化学Nyquist图，其中Z表示掺入阻锈剂；
图5通电48h后，钢筋混凝土试件的钢筋锈蚀电化学Nyquist图，其中Z表示掺入阻锈剂；
图6不同通电时间下，同一钢筋混凝土试件的钢筋锈蚀腐蚀电流密度随时间的变化图；
图7不同通电时间下，同一钢筋混凝土试件的钢筋锈蚀腐蚀电位随时间变化图。
其中：1、钢筋混凝土试件，1-1混凝土，1-2、钢筋，2、试验箱，3、电化学反应阴极钢筋板，4、直流电源，5、高浓度氯盐卤水溶液。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种钢筋混凝土锈蚀试验装置，包括试验箱2、电化学反应阴极钢筋板3、钢筋混凝土试件1、电化学工作站、用于模拟杂散电流的直流电源4；
试验箱2内设有按照实地调研数据配置的高浓度氯盐卤水溶液5，电化学反应阴极钢筋板3、钢筋混凝土试件1置于试验箱2内，并浸泡在高浓度氯盐卤水溶液5中；所述电化学反应阴极钢筋板3与钢筋混凝土试件1接触良好；
钢筋混凝土试件1包括混凝土1-1和混凝土1-1内的钢筋1-2；直流电源4的正极与钢筋混凝土试件1的钢筋1-1连接，直流电源4的负极与电化学反应阴极钢筋板3连接；
电化学工作站用于测试钢筋混凝土试件1的钢筋1-2进行电化学试验，得到混凝土1-1中钢筋1-2的锈蚀状态及钢筋混凝土试件1的服役状态。
本实施例中，钢筋混凝土试件1的尺寸为100mm×100mm×400mm，钢筋1-2固定于混凝土1-1中心位置，该钢筋1-2的直径为8mm、长度为400mm，钢筋混凝土试件1的尺寸也可根据具体试验及工程需要进行更改。
试验时，将直流电源放置于试验台上。通过直流电源模拟需要试验的环境的杂散电流，通过控制钢筋表面不同通电时间及所述钢筋混凝土试件本身有无阻锈剂来实现杂散电流-卤水耦合作用下钢筋混凝土中钢筋不同锈蚀程度的控制，并通过电化学工作站得到混凝土中不同锈蚀程度钢筋的一系列电化学试验参数及测试结果。
本发明还提供一种利用上述装置进行杂散电流-卤水耦合作用下钢筋混凝土锈蚀试验的方法，包括如下步骤：
一、按照实地调研数据配置高浓度氯盐卤水溶液5(比如：高浓度氯盐卤水溶液5模拟西部严酷的高浓度盐渍土环境，每1L水中含NaCl208.98g、Na2SO443.1g、MgSO45.48g、CaSO41.21g、Ca(HCO3)20.25g、K2SO40.09g),并将该溶液置于试验箱2内；
二、将直流电源4的正极与钢筋混凝土试件1的钢筋1-2连接，直流电源4的负极与电化学反应阴极钢筋板3连接；
三、将电化学反应阴极钢筋板3、钢筋混凝土试件1置于试验箱2内，并浸泡在高浓度氯盐卤水溶液5中；
四、直流电源4模拟杂散电流；记录通电电压和通电时间；所述的通电时间为0.5-48h，通电电压为1-60V；
五、通电一定时间(0.5-48h)后关闭直流电源4，将钢筋混凝土试件1放入电化学工作站进行电化学试验，得到钢筋混凝土试件1的钢筋1-2的电化学指标；
六、重复步骤二至步骤五，改变通电电压和通电时间，用电化学工作站检测钢筋混凝土试件1的钢筋1-2的电化学指标(交流阻抗谱图、线性极化、腐蚀电位、腐蚀电流密度等电化学指标)，记录钢筋混凝土试件1的钢筋1-2从成型至锈蚀直至延筋破裂失效的全部过程。
为了准确模拟现实环境，在钢筋1-2的外层设厚度为46mm保护层。在钢筋混凝土试件1成型时，可在钢筋1-2掺入含固量为30％的亚硝酸型FDN混凝土阻锈剂。
试验时，按照不同时间条件及有无阻锈剂因素对实验数据进行记录，以其中一组构件的数据为例，钢筋锈蚀控制试验电化学数据对比如图2-图7所示。
如图2所示，在同一个试验条件下，随着通电时间的延长钢筋混凝土试件1中钢筋1-2的低频容抗弧半径减小，这表明，随着通电时间的延长钢筋混凝土试件1中钢筋1-2的耐腐蚀性能逐渐降低。如图6所示，随着通电时间的延长钢筋混凝土试件1中钢筋1-2腐蚀电流密度明显增加，在第一个24h内增加的速率明显大于第二个24h，说明钢筋混凝土试件1中钢筋1-2的耐腐蚀性能在第一个24h内下降程度明显大于第二个24h。采用并行试验，可排除试验误差，直接获得时间因素及阻锈剂因素对混凝土中钢筋锈蚀情况的影响程度，并可通过控制不同的试验参数取值，设计多组系列并行试验，充分扩大试验数据。通过数据拟合及回归分析即可得到在杂散电流-高浓度卤水耦合作用下，混凝土1-1中钢筋1-2锈蚀与通电时间、阻锈剂之间的速率关系，并可通过相关结构寿命服役理论计算方法，得出更为准确的服役状态，最终实现寿命预测并保护的目标。
本装置可控性强、操作简单、结果准确可靠、钢筋混凝土试件成型方便，成本低。本方法通过直流稳压电源模拟需要测试的环境中极为常见的杂散电流，通过控制钢筋表面不同通电时间以及钢筋混凝土试件等影响因素来实现杂散电流-卤水耦合作用下混凝土中钢筋不同锈蚀程度的控制，通过大型电化学工作站得到混凝土中不同锈蚀程度钢筋的一系列电化学试验参数及测试结果。试验周期短、实验结果分析便利，准确性高。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种钢筋混凝土锈蚀试验装置，其特征在于：包括试验箱、电化学反应阴极钢筋板、钢筋混凝土试件、电化学工作站、用于模拟杂散电流的直流电源；
所述试验箱内设有按照实地调研数据配置的高浓度氯盐卤水溶液，电化学反应阴极钢筋板、钢筋混凝土试件置于试验箱内，并浸泡在高浓度氯盐卤水溶液中；所述电化学反应阴极钢筋板与钢筋混凝土试件接触良好；
所述钢筋混凝土试件包括混凝土和混凝土内的钢筋；直流电源的正极与钢筋混凝土试件的钢筋连接，直流电源的负极与电化学反应阴极钢筋板连接；
电化学工作站用于测试钢筋混凝土试件的钢筋进行电化学试验。
2.一种采用权利要求1所述的装置进行杂散电流-卤水耦合作用下钢筋混凝土锈蚀试验的方法，其特征在于包括如下步骤：
一、按照实地调研数据配置高浓度氯盐卤水溶液，并将该溶液置于试验箱内；
二、将直流电源的正极与钢筋混凝土试件的钢筋连接，直流电源的负极与电化学反应阴极钢筋板连接；
三、将电化学反应阴极钢筋板、钢筋混凝土试件置于试验箱内，并浸泡在高浓度氯盐卤水溶液中；
四、直流电源模拟杂散电流；记录通电电压和通电时间；
五、通电一定时间后关闭直流电源，将钢筋混凝土试件放入电化学工作站进行电化学试验，得到钢筋混凝土试件的钢筋的电化学指标；
六、重复步骤二至步骤五，改变通电电压和通电时间，用电化学工作站检测钢筋混凝土试件的钢筋的电化学指标，记录钢筋混凝土试件的钢筋从成型至锈蚀直至延筋破裂失效的全部过程。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤五中，所述的通电一定时间为通电0.5-48h。
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