CN108254423A - 测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置及方法。目前，并没有系统成熟的方案对钢筋预埋件的腐蚀程度进行检测、评估。本发明的测试装置包括海绵基座，所述海绵基座的中央有一用于穿圆形钢筋预埋件的圆形通孔，所述的海绵基座上装有不与圆形钢筋预埋件直接接触的辅助电极及不与圆形钢筋预埋件接触的参比电极。本发明的三电极装置，便于用电化学检测技术检测待测钢筋的电化学参数，并通过数值模拟提出了阳极面积的确定方式，通过极化曲线法原理以及理论分析得到锈蚀电流密度，定量分析钢筋锈蚀状况，实现电化学检测技术在混凝土浅埋区圆形钢筋预埋件锈蚀检测中的应用。

Description

测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置及方法

技术领域

本发明属于钢筋混凝土结构电化学腐蚀测试技术领域，具体地说是一种对圆形钢筋预埋件在混凝土浅埋区(即大气—混凝土界面处)腐蚀速率进行电化学测试的装置及方法。

背景技术

广泛使用的混凝土结构中存在大量钢筋预埋件，且多为圆形结构，多用于外围结构/设备的安装固定，在混凝土结构的长期服役过程中，因预埋件被腐蚀导致混凝土结构部分功能失效的案例日渐增多，有时甚至危及工程结构/设备的安全使用，钢筋预埋件的长期安全性能逐渐引起了人们的重视。

钢筋预埋件一般由埋在混凝土内部区段和暴露在大气环境区段两部分组成。在正常条件下,混凝土内部碱性环境可使埋在混凝土内部区段钢筋钝化而不被腐蚀；对于暴露在大气环境区段钢筋，采用涂料或涂层等方法亦可对其进行有效的腐蚀防护，即便发生腐蚀也较容易观测，并采取相关应对措施。然而，在混凝土浅埋区(即大气—混凝土界面处)，由于混凝土保护厚度不足，此区域钢筋预埋件受环境影响比较显著,特别是潮湿环境下(如建筑物地下室、露天环境等)钢筋预埋件往往容易出现被腐蚀现象。

混凝土内浅埋区钢筋的腐蚀有其特殊性：1)腐蚀环境复杂恶劣。腐蚀部位易发生氧浓差腐蚀、缝隙腐蚀。2)腐蚀具有隐蔽性。其内部腐蚀形态及腐蚀程度无法直观观察，易被忽略而导致腐蚀隐蔽发展恶化。3)防腐工作难度较大，并没有系统成熟的方案对钢筋预埋件的腐蚀程度进行检测、评估。

因此，有必要提出一种对圆形钢筋预埋件腐蚀进行检测的方法和装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种测试圆形钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，以便于用电化学检测技术检测待测圆形钢筋预埋件的电化学参数。

为此，本发明采用如下的技术方案：测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，包括海绵基座，

所述海绵基座的中央有一用于穿圆形钢筋预埋件的圆形通孔，所述的海绵基座上装有不与圆形钢筋预埋件直接接触的辅助电极及不与圆形钢筋预埋件接触的参比电极；

使用时，位于辅助电极下方的海绵基座底面与混凝土浅埋区表面接触，当海绵基座吸水后用于辅助电极与圆形钢筋预埋件之间的离子传输，圆形钢筋预埋件作为工作电极使用，辅助电极与圆形钢筋预埋件及海绵基座形成一回路；参比电极的测量探头直接与混凝土浅埋区表面接触，通过混凝土与工作电极形成另一回路；

所述的辅助电极及参比电极各通过一导线与相应极化曲线测量仪器的接口连接；

还包括一用于连接圆形钢筋预埋件与相应极化曲线测量仪器接口的工作电极导线。

作为上述技术方案的补充，所述海绵基座的中部设有一贯穿圆形通孔的开口槽，该开口槽的一端开口。利用该开口槽及海绵基座本身的材料特性可以方便开合海绵基座，将海绵基座套在圆形钢筋预埋件上。

作为上述技术方案的补充，所述的辅助电极由两个半环形金属片用导线连接而成，该两个半环形金属片之间形成的间隙即为开口槽和圆形通孔，海绵基座上设有用于放置半环形金属片的定位槽。采用上述结构的辅助电极，可以方便其安装在海绵基座上。

作为上述技术方案的补充，两个半环形金属片对称，宽度相等，厚度为1-2mm，等宽便于确定阳极面积。

作为上述技术方案的补充，所述的参比电极为铜-硫酸铜电极、银-氯化银电极或甘汞电极。

作为上述技术方案的补充，所述的辅助电极采用铂片、不锈钢片、铜片或石墨片。

作为上述技术方案的补充，距离辅助电极1-2mm处布置参比电极。

作为上述技术方案的补充，位于辅助电极下方的海绵基座的厚度为4-6mm。

本发明还提供一种测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的方法，其包括如下步骤：

a、装置安装：在混凝土浅埋区测量表面用水润湿，根据待测的圆形钢筋预埋件的位置放置海绵基座，所述的圆形钢筋预埋件为工作电极，在海绵基座的预留位置处分别放置辅助电极和参比电极，在工作电极上引出导线，形成三电极装置；

b、仪器连接：将三电极各导线接到相应极化曲线测量仪器的接口上，极化曲线测量仪器通过USB接口与电脑相连；

c、打开恒电位仪，输入参数，包括开始电位、终端电位、扫描频率、采样间隔和灵敏度，开始进行电位扫描；

d、先测量开路电位，待开路电位稳定后，记录开路电位值E_oc；再开始电位扫描，测量弱极化区的极化曲线；

e、曲线分析：通过曲线分析软件对测得的极化曲线进行Tafel拟合并得到Tafel系数β_a、β_c，拟合直线的交点横坐标即为腐蚀电流I_corr，则：

式中，I_C1、E_C1分别表示弱极化区极化曲线进行Tafel拟合时阴极曲线上选定点C1的电流值以及对应的电位值；I_A1、E_A1分别表示弱极化区极化曲线进行Tafel拟合时阳极曲线上选定点A1的电流值以及对应的电位值；

f、电力线影响的阳极面积A的确定

利用有限元方法模拟不同辅助电极宽度L和混凝土边界宽度L_C下电位扫描法对工作电极作用范围的影响，混凝土边界宽度L_C为待测圆形钢筋预埋件的外边缘到混凝土边缘的距离，取通过工作电极电流大小90％的区域作为阳极影响深度d，通过多元参数回归分析获得阳极影响深度d，由下式确定：

d＝0.65L+0.45L_c，

该式中：辅助电极宽度L的范围为5-50mm；混凝土边界宽度L_C的范围为60-200mm；

阳极面积由下式确定：

A＝πDd，

式中：D为待测圆形钢筋预埋件的直径；

g、腐蚀电流密度i_corr的计算

由腐蚀电流I_corr和阳极面积A得腐蚀电流密度i_corr为：

作为上述测试方法的补充，所述的终端电位选用参比电极电位为参考值或开路电位为参考值。

目前，在工程实践中，对混凝土内钢筋的腐蚀检测中，电化学方法应用较多，而线性极化法是一种通过测量极化曲线，计算腐蚀电流密度，以定量分析腐蚀状况的简单、快速、无损的检测技术。

本发明提出并设计了一种基于线性极化法用于对在大气—混凝土界面的圆形钢筋预埋件进行钢筋锈蚀检测的三电极装置，便于用电化学检测技术检测待测钢筋的电化学参数，并通过数值模拟提出了阳极面积的确定方式，通过极化曲线法原理以及理论分析得到锈蚀电流密度，定量分析钢筋锈蚀状况，实现电化学检测技术在混凝土浅埋区圆形钢筋预埋件锈蚀检测中的应用。

附图说明

图1为本发明测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置(以下简称三电极装置)的结构示意图；

图2为本发明三电极装置使用时的结构示意图；

图3为本发明三电极装置使用时的结构剖示图；

图4为本发明海绵基座的俯视图；

图5为本发明半环形金属片的俯视图；

图6为本发明弱极化区极化曲线图。

图示说明：1为混凝土、2为海绵基座、3为圆形钢筋预埋件(即工作电极)、4为辅助电极、5为参比电极、21为圆形通孔、22为开口槽、23为定位槽。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例提供一种测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，即三电极装置，如图1-5所示。

海绵基座2的中央有一用于穿圆形钢筋预埋件3的圆形通孔21，海绵基座2上装有不与圆形钢筋预埋件直接接触的辅助电极4及不与圆形钢筋预埋件接触的参比电极5。

使用时，混凝土1浅埋区表面用水润湿，位于辅助电极4下方的海绵基座2底面与混凝土1浅埋区表面接触，当海绵基座2吸水后用于辅助电极4与圆形钢筋预埋件3之间的离子传输，圆形钢筋预埋件3作为工作电极使用，辅助电极4与圆形钢筋预埋件3及海绵基座2形成一回路；参比电极5的测量探头直接与混凝土1浅埋区表面接触，通过混凝土与工作电极形成另一回路。

所述的辅助电极4及参比电极5各通过一导线与相应极化曲线测量仪器的接口连接；圆形钢筋预埋件3通过工作电极导线与相应极化曲线测量仪器接口连接。

所述海绵基座2的中部设有一贯穿圆形通孔21的开口槽22，该开口槽22的一端开口。辅助电极4由两个对称半环形金属片用导线连接而成，该两个半环形金属片之间形成的间隙即为开口槽22和圆形通孔21，海绵基座2上设有用于放置半环形金属片的定位槽23。圆形钢筋预埋件3外套一绝缘层，避免圆形钢筋预埋件3直接与海绵基座和辅助电极接触而短路，绝缘层的材料为非导电材料，如塑料等。

两个半环形金属片的宽度相等，厚度为1-2mm。所述的参比电极5为甘汞电极，辅助电极4采用铜片。距离辅助电极1-2mm处布置参比电极。位于辅助电极下方的海绵基座的厚度为4-6mm。

实施例2

本实施例提供一种测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的方法，其基于电位扫描法测极化曲线，针对于圆形钢筋预埋件在混凝土浅埋区的腐蚀检测的三电极装置(即实施例1所述的三电极装置)，确定钢筋锈蚀电流密度的步骤如下：

(1)用于圆形钢筋预埋件在混凝土浅埋区的腐蚀检测的三电极装置

选用的混凝土试件为250×250×250mm，圆形钢筋预埋件(工作电极)的直径为25mm；辅助电极的材料为两半环形1mm厚铜片采用导线连接而成，半环形铜片的宽度为30mm；参比电极采用甘汞电极。海绵基座上按尺寸分别预留辅助电极和参比电极位置，海绵选用易含水的类型，便于两电极间的离子传输。

(2)测量过程

a、装置安装。先在混凝土浅埋区表面处用水润湿，再根据待测圆形钢筋预埋件(工作电极)的位置放置海绵基座，在海绵基座预留位置处分别放置辅助电极和参比电极，在工作电极上引出导线，形成三电极装置。

b、仪器连接。将三电极各导线接到相应极化曲线测量仪器的接口上，仪器通过USB接口与电脑相连。

c、打开恒电位仪，输入参数，包括开始电位(mV)＝-70、终端电位(mV)＝90(模式选择：以开路电位为参考值)、扫描频率(mV/s)＝0.2、采样间隔(mV)1、灵敏度(A/V)为1.0e-5(或者设置为自动精度，保证数据不溢出)等，开始进行电位扫描。

d、先测量开路电位，待开路电位稳定后，记录开路电位值E_oc＝-120.0mV；再开始电位扫描，测量弱极化区的极化曲线。

e、曲线分析。通过曲线分析软件如origin对测得的极化曲线进行Tafel拟合并得到Tafel系数β_a＝309.1mV/decade，β_c＝129.6mV/decade拟合直线的交点横坐标即为腐蚀电流I_corr，如图6所示。

所以：

I_corr＝10∧(0.98)＝9.55μA，

f、腐蚀电流密度i_corr的计算

1)阳极面积A的确定

d＝0.65L+0.45L_c＝0.65×30+0.45×112.5＝70.1mm，

A＝πDd＝3.14×25×70.1＝5502.9mm²，

2)腐蚀电流密度i_corr为：

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，并不能因此理解为对本发明范围的限制，也并非对本发明的结构作任何形式上的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，包括海绵基座(2)，其特征在于，

所述海绵基座(2)的中央有一用于穿圆形钢筋预埋件(3)的圆形通孔(21)，所述的海绵基座(2)上装有不与圆形钢筋预埋件直接接触的辅助电极(4)及不与圆形钢筋预埋件接触的参比电极(5)；

使用时，位于辅助电极(4)下方的海绵基座(2)底面与混凝土(1)浅埋区表面接触，当海绵基座(2)吸水后用于辅助电极(4)与圆形钢筋预埋件(3)之间的离子传输，圆形钢筋预埋件作为工作电极使用，辅助电极(4)与圆形钢筋预埋件(3)及海绵基座(2)形成一回路；参比电极(5)的测量探头直接与混凝土(1)浅埋区表面接触，通过混凝土与工作电极形成另一回路；

所述的辅助电极(4)及参比电极(5)各通过一导线与相应极化曲线测量仪器的接口连接；

还包括一用于连接圆形钢筋预埋件(3)与相应极化曲线测量仪器接口的工作电极导线。

2.根据权利要求1所述的测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，其特征在于，所述海绵基座(2)的中部设有一贯穿圆形通孔(21)的开口槽(22)，该开口槽(22)的一端开口。

3.根据权利要求2所述的测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，其特征在于，所述的辅助电极(4)由两个半环形金属片用导线连接而成，该两个半环形金属片之间形成的间隙即为开口槽(22)和圆形通孔(21)，海绵基座(2)上设有用于放置半环形金属片的定位槽(23)。

4.根据权利要求3所述的测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，其特征在于，两个半环形金属片对称，宽度相等，厚度为1-2mm。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，其特征在于，所述的参比电极(5)为铜-硫酸铜电极、银-氯化银电极或甘汞电极。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，其特征在于，所述的辅助电极(4)采用铂片、不锈钢片、铜片或石墨片。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，其特征在于，距离辅助电极1-2mm处布置参比电极。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的装置，其特征在于，位于辅助电极下方的海绵基座的厚度为4-6mm。

9.测试钢筋预埋件在混凝土浅埋区腐蚀速率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、装置安装：在混凝土浅埋区测量表面用水润湿，根据待测的圆形钢筋预埋件的位置放置海绵基座，所述的圆形钢筋预埋件为工作电极，在海绵基座的预留位置处分别放置辅助电极和参比电极，在工作电极上引出导线，形成三电极装置；

b、仪器连接：将三电极各导线接到相应极化曲线测量仪器的接口上，极化曲线测量仪器通过USB接口与电脑相连；

c、打开恒电位仪，输入参数，包括开始电位、终端电位、扫描频率、采样间隔和灵敏度，开始进行电位扫描；

d、先测量开路电位，待开路电位稳定后，记录开路电位值E_oc；再开始电位扫描，测量弱极化区的极化曲线；

e、曲线分析：通过曲线分析软件对测得的极化曲线进行Tafel拟合并得到Tafel系数β_a、β_c，拟合直线的交点横坐标即为腐蚀电流I_corr，则：

式中，I_C1、E_C1分别表示弱极化区极化曲线进行Tafel拟合时阴极曲线上选定点C1的电流值以及对应的电位值；I_A1、E_A1分别表示弱极化区极化曲线进行Tafel拟合时阳极曲线上选定点A1的电流值以及对应的电位值；

f、电力线影响的阳极面积A的确定

利用有限元方法模拟不同辅助电极宽度L和混凝土边界宽度L_C下电位扫描法对工作电极作用范围的影响，混凝土边界宽度L_C为待测圆形钢筋预埋件的外边缘到混凝土边缘的距离，取通过工作电极电流大小90％的区域作为阳极影响深度d，通过多元参数回归分析获得阳极影响深度d，由下式确定：

d＝0.65L+0.45L_c，

该式中：辅助电极宽度L的范围为5-50mm；混凝土边界宽度L_C的范围为60-200mm；

阳极面积由下式确定：

A＝πDd，

式中：D为待测圆形钢筋预埋件的直径；

g、腐蚀电流密度i_corr的计算

由腐蚀电流I_corr和阳极面积A得腐蚀电流密度i_corr为：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的终端电位选用参比电极电位为参考值或开路电位为参考值。