CN108204942A - 一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验方法，所述方法包括了一下步骤：1)试件制作，2)试件的养护，3)试件第一阶段采用干湿循环加速氯离子传输试验，4)试件第二阶段采用外加电场加速氯离子传输试验，其中在第二阶段试验中包括试件的喷水处理及加速腐蚀试验。本发明使钢筋与置于氯化钠溶液中第二钛网之间的电压约为3.5V，该数值远远小于其他方法所采用的15～20V，避免或最大限度地减少了混凝土微观结构的变化，同时加速了氯离子在混凝土中的传输，将腐蚀诱发期及扩展阶段由原来的两年以上缩短到六个月，极大地缩短了试验时间；所述试验器皿中氯化钠溶液中的氯离子较均匀的往钢筋表面迁移，避免了氯离子不均匀迁移的问题。本发明用于研究氯盐环境下混凝土中不锈钢钢筋的腐蚀诱发及扩展特性。

Description

一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验方法
技术领域
本发明属于试验装置及技术领域，特别涉及一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验装置及方法。
背景技术
氯离子诱发普通钢筋(碳钢)的腐蚀是导致钢筋混凝土结构降低耐久性的主导因素之一。为了解决这个问题，已经提出了各种方法和措施，包括提高混凝土质量、增加钢筋的保护层厚度、在混凝土中添加腐蚀抑制剂、安装阴极防护系统、在钢筋表面镀锌、用环氧涂层密封钢筋、以及使用耐锈合金取代普通钢筋，特别是不锈钢钢筋。为了更好地理解氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土结构的抗腐蚀性能，优化这种结构的耐久性设计，世界许多国家科学家对该领域开展了大量的研究。其中，主要研究内容包括混凝土中不锈钢钢筋的腐蚀诱发及腐蚀扩展。现有的试验方法主要包括以下几种：
1.模拟溶液试验：这种方法是在溶液中加入较低氯离子量，使钢筋试样处于恒定状态，保持一段时间不变，电流没有急剧上升的趋势。然后稍微提高溶液中氯离子浓度，继续保持钢筋电位不变。此时钢筋点蚀电位会因氯离子浓度提高而下降，如钢筋点蚀电位依然高于钢筋控制电位，则电流仍不会急剧上升。如此不断提高溶液氯离子浓度，当溶液氯离子浓度达到某一值时，钢筋点蚀电位已经低于钢筋控制电位，则一段时间后阳极电流会迅速上升。以此近似的认为钢筋控制电位就是对应于此时溶液中氯离子浓度的点蚀电位。此方法主要存在的问题为：在试件中的不锈钢钢筋表面可能未形成完好的钝化层，未能真实体现不锈钢钢筋在混凝土中的暴露情况，例如未考虑不锈钢钢筋和砂浆之间的界面影响、氧气的扩散、和砂浆或混凝土的电阻率等关键因素。
2.先掺法：在水溶液中加入一定含量的氯盐配制浇筑用的溶液，按一定配合比将胶凝材料和骨料浇筑制作试件。浇筑完毕后，保持砂浆试样在模中硬化二十四小时，然后放入饱和的氢氧化钙溶液中，在室温下养护二十四小时。脱模后，将试样放在充满饱和氢氧化钙溶液的烧杯中。测量钢筋电位和腐蚀电流，当腐蚀电流超过0.025mA/cm2并且持续两个小时后，停止测量，随后取出试件待其表面干燥后，打开试件并暴露出钢筋，检测钢筋腐蚀并测量氯离子临界浓度值。此方法主要存在的问题为：先掺法会破坏混凝土的微观结构、钢筋一开始就接触到氯盐，使得钢筋局部未形成完好的钝化层、并且钢筋表面没有氯离子的累积。因此未能真实反映氯离子在试件中传输的实际情况。
3.干湿循环试验：在制作好的含钢筋试件其中一表面安装无底器皿，并用高效防水胶粘结，一段时间后在器皿中加入已经配制好的氯盐溶液，进行干湿循环，加速氯离子在试件中的迁移；此方法主要存在问题是整个试验过程包括腐蚀诱发期和扩展期耗时太长，一般需要二至三年时间。
4.外接电场加速氯离子迁移试验：试件制作过程中预先放置电极和钢筋，且将电极放置在紧贴钢筋上表面位置，试件顶部安装无底器皿，在器皿中加入氯盐溶液和放入电极，然后通过外接电源，将电源负极与溶液中的电极相连，正极与试件中的电极相连，通过外接电场的作用加速氯离子迁移到钢筋表面；现有的这种方法主要存在的缺点在于试件尺寸偏小、并且正极太小和太靠近钢筋表面，导致氯离子不均匀传输到不锈钢钢筋表面。同时，正极和负极之间距离小，而外加电压大(该电压通常是15V到20V，为溶液中的电极和紧贴钢筋表面的电极之间的电压值)，破坏了混凝土的微观结构，也做成氯离子的迁移速度过快，导致测量获得的氯离子临界浓度普遍偏低。尽管该方法的试验时间缩短，但不适合研究不锈钢钢筋的腐蚀诱发和扩展特性。
因此，基于以上各种方法的不足，有必要发展一种优化的用于研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验装置及方法，真实反映不锈钢钢筋的暴露条件，并缩短不锈钢钢筋的腐蚀诱发期和腐蚀扩展期。
发明内容
本发明提供一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验装置及方法，真实反应不锈钢钢筋的暴露条件，并缩短不锈钢钢筋的腐蚀诱发期和腐蚀扩展期。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。
一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验方法，包括以下步骤：
1)试件制作，所述试件包括试件本体、试验钢筋、试验钛网及试验器皿，所述试件本体由水泥、粉煤灰、水、标准砂、粗骨料(卵石或碎石)按一定的配合比浇筑而成，所述试验钛网包括第一钛网以及置于第二钛网，所述第一钛网内嵌在试件本体内，并预留连接段用于连接外加电压；所述试验钢筋包括不锈钢钢筋本体及热缩塑料管，所述不锈钢钢筋本体包括试验内嵌段及外露段，所述不锈钢钢筋本体中部内嵌在试件本体内为试验内嵌段；所述不锈钢钢筋本体两端外露在试件本体外为外露段；所述热缩塑料管设置在外露段与试件本体交界面处，外露在试件本体的部分为外露包裹段，内嵌在试件本体内的部分为内嵌包裹段，所述外露包裹段包裹部分外露连接段，内嵌包裹段包裹部分试验内嵌段；
所述试验器皿为无底开口器皿，通过防水胶将所述试验器皿粘结在试件本体表面，所述第二钛网设置在试验器皿内；
2)试件的养护，试件制作完成后放入温度为20±2℃，相对湿度大于95％的标准养护室中养护四十五天，然后再将试件放置在温度为20±2℃，相对湿度为70％实验室下十五天；
3)干湿循环试验，将完成步骤2)的试件放置在温度为37.8℃的高温室内采用干湿循环加速氯离子传输120天，一个干湿循环周期为7天，其中3天为干循环，所述试验器皿内无氯化钠溶液，4天为湿循环，所述试验器皿内装有氯化钠溶液，氯化钠溶液的浓度为20％；在干湿循环试验中，采用半电位法、性线极化电阻法以及电化学阻抗谱监测钢筋的腐蚀状态；
4)第二阶段试验，第二阶段试验包括试件的喷水处理及加速腐蚀处理；
喷水处理：将完成干湿循环试验的试件放置在温度为20±2℃、相对湿度为90％的潮湿箱中，所述潮湿箱中底部设有若干支撑条，试件放置在支撑条上，并在所述潮湿箱中装入高度不超过支撑条的水，试件完成干湿循环试验后，转移到潮湿箱中后，向试件表面连续喷水7天；
加速腐蚀处理：试件进行完喷水处理后，对试件施加外加电场，外加电场的正极与第一钛网预留的连接段连接，外加电场的负极与第二钛网连接，并在试验器皿内装入淹没第二钛网的氯化钠溶液，外加电场施加20V电压，第二钛网与试验钢筋之间的电压为3.5V，在加速腐蚀处理过程中，间隙地停止外加电场，然后采用半电位法、性线极化电阻法以及电化学阻抗谱监测钢筋的腐蚀状态。
进一步地，钢筋本体的外露段长度为2.5cm，外露包裹段的长度为2cm，内嵌包裹段的长度为0.5cm。
进一步地，所述第一钛网及第二钛网大小相同。
进一步地，所述高温室内设有自动控温系统及循环风扇，所述自动控温系统维持高温室内温度在其设定值上，循环风扇用于循环高温室内空气。
本发明的有益效果为：本发明使钢筋与置于氯化钠溶液中第二钛网之间的电压约为3.5V，该数值远远小于其他方法所采用的15～20V，避免或最大限度地减少了混凝土微观结构的变化，同时加速了氯离子在混凝土中的传输，将腐蚀诱发期及扩展阶段由原来的两年以上缩短到六个月，极大地缩短了试验时间；所述无底器皿中氯化钠溶液中的氯离子较均匀的往钢筋表面迁移，避免了氯离子不均匀迁移的问题。本发明用于研究氯盐环境下混凝土中不锈钢钢筋的腐蚀诱发及扩展特性。
附图说明
图1为本发明中所述试件结构示意图。
图2为本发明中所述试件A-A的剖面图。
图3为本发明中所述试件B-B的剖面图。
图4为本发明中试件放置在潮湿箱中的结构示意图。
图5为本发明中在加速腐蚀试验阶段中结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1
参照图1～图5，一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验方法，包括以下步骤：
1)试件制作，所述试件包括试件本体1、试验钢筋、试验钛网及试验器皿9，所述试件本体1由水泥、粉煤灰、水、标准砂、碎石按一定的配合比浇筑而成，其中试件几何尺寸：长30厘米、宽30厘米、高15厘米，混凝土的质量组成：水泥351份、粉煤灰38份、水161份、标准砂720份、碎石950分，钢筋保护层厚度2.5厘米；
所述试验钛网包括第一钛网3及第二钛网8，所述第一钛网3内嵌在试件本体1内，并预留连接段；所述试验钢筋包括钢筋本体2及热缩塑料管4，所述钢筋本体2包括试验内嵌段21及外露段22，所述钢筋本体2中部内嵌在试件本体1内为试验内嵌段21；所述钢筋本体2两端外露在试件本体1外为外露段22；所述热缩塑料管4设置在外露段22与试件本体1交界面处，外露在试件本体1的部分为外露包裹段41，内嵌在试件本体1内的部分为内嵌包裹段42，所述外露包裹段41包裹部分外露连接段，内嵌包裹段42包裹部分试验内嵌段21；其中钢筋本体选用钢号为UNS S32101的不锈钢筋；
所述试验器皿9为无底开口器皿，通过防水胶将所述试验器皿9粘结在试件本体表面，第二钛网8设置在试验器皿9内；
其中，钢筋本体2的外露段22长度为2.5cm，外露包裹段41的长度为2cm，内嵌包裹段42的长度为0.5cm；
2)试件的养护，试件完成制作后放入温度为20±2℃，相对湿度大于95％的标准养护室中养护四十五天，然后再将试件放置在温度为20±2℃，相对湿度为70％实验室下十五天；
3)干湿循环试验，将完成步骤2)的试件放置在温度为37.8℃的高温室内采用干湿循环加速氯离子传输120天，一个干湿循环周期为7天，其中3天为干循环，所述试验器皿9内无氯化钠溶液，4天为湿循环，所述试验器皿9内装有氯化钠溶液，氯化钠溶液的浓度为20％；在干湿循环试验中，采用半电位法、性线极化电阻法以及电化学阻抗谱监测钢筋的腐蚀状态；
4)第二阶段试验，第二阶段试验包括试件的喷水处理及加速腐蚀处理；
喷水处理：将完成第一试验阶段的试件放置在实验室温度下的潮湿箱5中，所述潮湿箱5中底部设有若干支撑条51，试件放置在支撑条51上，并在所述潮湿箱5中装入高度不超过支撑条51的水，试件完成干湿循环试验后，转移到潮湿箱5中后，向试件表面连续喷水7天；
加速腐蚀处理：试件进行完喷水处理后，对试件施加外加电场6，外加电场6的正极与第一钛网3预留的连接段连接，外加电场6的负极与第二钛网8连接，并在试验器皿9内装入淹没第二钛网8的氯化钠溶液，外加电场产生20V电压，第二钛网8与试验钢筋之间的电压为3.5V，在加速腐蚀处理过程中，间隙地停止外加电场，然后采用半电位法、性线极化电阻法以及电化学阻抗谱监测钢筋的腐蚀状态。
进一步地，钢筋本体2的外露段22长度为2.5cm，外露包裹段41的长度为2cm，内嵌包裹段42的长度为0.5cm。
进一步地，所述第一钛网及第二钛网大小相同。
进一步地，所述高温室内设有自动控温系统及循环风扇，所述自动控温系统维持高温室内温度在其设定值上，循环风扇用于循环高温室内空气。
试验结果测定：A.测定氯离子临界浓度，监测到试验钢筋发生腐蚀后，立即中断电源并取出试件。待试件本体1表面干燥后，打开试件本体1并暴露出试验钢筋中的试验内嵌段21，在未发生腐蚀并靠近腐蚀的钢筋上方的试件本体1取1mm深度的试样，测量氯离子浓度，得出钢筋发生腐蚀时的氯离子临界浓度值。
B.测定腐蚀失重率，当试验钢筋腐蚀导致的裂缝出现在试件本体1表面的时候，立即中断电源并取出试件。打开试件本体1并暴露出试验钢筋及移去热缩塑料管4，将试验钢筋表面清洗干净(去除所有粘结物和铁锈)，多次清洗称重，直至钢筋重量不发生变化为止。计算试验钢筋试验前和试验后的重量差，除以试验钢筋试验前的重量，得出钢筋的腐蚀失重率。
实施例2
参照图1～图5，一种研究不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验方法，包括以下步骤：
1)试件制作，所述试件包括试件本体1、试验钢筋、试验钛网及试验器皿9，所述试件本体1由水泥、粉煤灰、水、标准砂、碎石按一定的配合比浇筑而成，其中试件几何尺寸：长30厘米、宽30厘米、高15厘米，混凝土的质量组成：水泥351份、粉煤灰38份、水161份、标准砂720份、碎石950分，钢筋保护层厚度2.5厘米；
所述试验钛网包括第一钛网3以及第二钛网8，所述第一钛网3内嵌在试件本体1内，并预留连接端；所述试验钢筋包括钢筋本体2及热缩塑料管4，所述钢筋本体2包括试验内嵌段21及外露段22，所述钢筋本体2中部内嵌在试件本体1内为试验内嵌段21；所述钢筋本体2两端外露在试件本体1外为外露段22；所述热缩塑料管4设置在外露段22与试件本体1交界面处，外露在试件本体1的部分为外露包裹段41，内嵌在试件本体1内的部分为内嵌包裹段42，所述外露包裹段41包裹部分外露连接段，内嵌包裹段42包裹部分试验内嵌段21；其中钢筋本体选用钢号为UNS S32304的不锈钢筋；
所述试验器皿9为无底开口器皿，通过防水胶将所述试验器皿9粘结在试件本体表面，所述第二钛网8设置在试验器皿9内；
其中，钢筋本体2的外露段22长度为2.5cm，外露包裹段41的长度为2cm，内嵌包裹段42的长度为0.5cm；
2)试件的养护，试件完成制作后放入温度为20±2℃，相对湿度大于95％的标准养护室中养护四十五天，然后再将试件放置在温度为20±2℃，相对湿度为70％实验室下十五天；
3)干湿循环试验，将完成步骤2)的试件放置在温度为37.8℃的高温室内采用干湿循环加速氯离子传输120天，一个干湿循环周期为7天，其中3天为干循环，所述试验器皿9内无氯化钠溶液，4天为湿循环，所述试验器皿9内装有氯化钠溶液，氯化钠溶液的浓度为20％；在干湿循环试验中，采用半电位法、性线极化电阻法以及电化学阻抗谱监测钢筋的腐蚀状态；
4)第二阶段试验，第二阶段试验包括试件的喷水处理及加速腐蚀处理；
喷水处理：将完成第一试验阶段的试件放置在实验室温度下的潮湿箱5中，所述潮湿箱5中底部设有若干支撑条51，试件放置在支撑条51上，并在所述潮湿箱5中装入高度不超过支撑条51的水，试件完成干湿循环试验后，转移到潮湿箱5中后，向试件表面连续喷水7天；
加速腐蚀处理：试件进行完喷水处理后，对试件施加外加电场6，外加电场6的正极与试验钛网3的连接段连接，外加电场6的负极与第二钛网8连接，所述第二钛网8设置在试验器皿9内，并在试验器皿9内装入淹没第二钛网8的氯化钠溶液，外加电场产生20V电压，第二钛网8与试验钢筋之间的电压为3.5V，在加速腐蚀处理过程中，间隙地停止外加电场，然后采用半电位法、性线极化电阻法以及电化学阻抗谱监测钢筋的腐蚀状态。
进一步地，钢筋本体2的外露段22长度为2.5cm，外露包裹段41的长度为2cm，内嵌包裹段42的长度为0.5cm。
进一步地，所述第一钛网及第二钛网大小相同。
进一步地，所述高温室内设有自动控温系统及循环风扇，所述自动控温系统维持高温室内温度在其设定值上，循环风扇用于循环高温室内空气。
试验结果测定：A.测定氯离子临界浓度，监测到试验钢筋发生腐蚀后，立即中断电源并取出试件。待试件本体1表面干燥后，打开试件本体1并暴露出试验钢筋中的试验内嵌段21，在未发生腐蚀并靠近腐蚀的钢筋上方的试件本体1取1mm深度的试样，测量氯离子浓度，得出钢筋发生腐蚀时的氯离子临界浓度值。
B.测定腐蚀失重率，当试验钢筋腐蚀导致的裂缝出现在试件本体1表面的时候，立即中断电源并取出试件。打开试件本体1并暴露出试验钢筋及移去热缩塑料管4，将试验钢筋表面清洗干净(去除所有粘结物和铁锈)，多次清洗称重，直至钢筋重量不发生变化为止。计算试验钢筋试验前和试验后的重量差，除以试验钢筋试验前的重量，得出钢筋的腐蚀失重率。
表1为通过本试验得到不锈钢筋UNS S32101(实施例1)和UNS S32304(实施例2)试验结果，包括钢筋腐蚀导致混凝土裂纹出现在试件表面时间、氯离子临界浓度值以及钢筋腐蚀失重量比率。可以看到采用该试验方法进行混凝土中不锈钢钢筋加速腐蚀试验，使试验时间由原来两年以上的时间缩短到158至185天范围，大大的缩短了试验时间。同时，可以看到氯离子临界浓度值并不是传统意义上的单一的值，而是在一定范围内的系列值；不锈钢筋UNS S32101的氯离子临界浓度与UNS S32304的氯离子临界浓度非常近似，但不锈钢钢筋UNS S32101的腐蚀失重量比率高于UNS S32304的腐蚀失重量比率，这表明在相同的混凝土材料配合比和暴露环境下，UNS S32304的抗腐蚀性能高于UNS S32101。这些研究结果具有十分重要的科学价值。
表1 混凝土中不锈钢筋UNS S32101(实施例1)和UNS S32304(实施例2)的试件结果
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)试件制作，所述试件包括试件本体、试验钢筋、试验钛网及试验器皿，所述试件本体由水泥、粉煤灰、水、标准砂、粗骨料按一定的配合比浇筑而成，所述试验钛网包括第一钛网以及置于第二钛网，所述第一钛网内嵌在试件本体内，并预留连接段用于连接外加电压；所述试验钢筋包括不锈钢钢筋本体及热缩塑料管，所述不锈钢钢筋本体包括试验内嵌段及外露段，所述不锈钢钢筋本体中部内嵌在试件本体内为试验内嵌段；所述不锈钢钢筋本体两端外露在试件本体外为外露段；所述热缩塑料管设置在外露段与试件本体交界面处，外露在试件本体的部分为外露包裹段，内嵌在试件本体内的部分为内嵌包裹段，所述外露包裹段包裹部分外露连接段，内嵌包裹段包裹部分试验内嵌段；
所述试验器皿为无底开口器皿，通过防水胶将所述试验器皿粘结在试件本体表面，所述第二钛网设置在试验器皿内；
2)试件的养护，试件制作完成后放入温度为20±2℃，相对湿度大于95％的标准养护室中养护四十五天，然后再将试件放置在温度为20±2℃，相对湿度为70％实验室下十五天；
3)干湿循环试验，将完成步骤2)的试件放置在温度为37.8℃的高温室内采用干湿循环加速氯离子传输120天，一个干湿循环周期为7天，其中3天为干循环，所述试验器皿内无氯化钠溶液，4天为湿循环，所述试验器皿内装有氯化钠溶液，氯化钠溶液的浓度为20％；在干湿循环试验中，采用半电位法、性线极化电阻法以及电化学阻抗谱监测钢筋的腐蚀状态；
4)第二阶段试验，第二阶段试验包括试件的喷水处理及加速腐蚀处理；
喷水处理：将完成干湿循环试验的试件放置在温度为20±2℃、相对湿度为90％的潮湿箱中，所述潮湿箱中底部设有若干支撑条，试件放置在支撑条上，并在所述潮湿箱中装入高度不超过支撑条的水，试件完成干湿循环试验后，转移到潮湿箱中后，向试件表面连续喷水7天；
加速腐蚀处理：试件进行完喷水处理后，对试件施加外加电场，外加电场的正极与第一钛网预留的连接段连接，外加电场的负极与第二钛网连接，并在试验器皿内装入淹没第二钛网的氯化钠溶液，外加电场施加20V电压，第二钛网与试验钢筋之间的电压为3.5V，在加速腐蚀处理过程中，间隙地停止外加电场，然后采用半电位法、性线极化电阻法以及电化学阻抗谱监测钢筋的腐蚀状态。
2.根据权利要求1所述的一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验方法，其特征在于，钢筋本体的外露段长度为2.5cm，外露包裹段的长度为2cm，内嵌包裹段的长度为0.5cm。
3.根据权利要求1所述的一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验方法，其特征在于，所述第一钛网及第二钛网大小相同。
4.根据权利要求1所述的一种研究氯盐环境下不锈钢钢筋混凝土腐蚀的加速试验方法，其特征在于，所述高温室内设有自动控温系统及循环风扇，所述自动控温系统维持高温室内温度在其设定值上，循环风扇用于循环高温室内空气。
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