CN108267491A - 测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测试角钢在大气‑混凝土界面腐蚀速率的装置及方法。目前，并没有系统成熟的方案对大气‑混凝土界面处角钢的腐蚀程度进行检测、评估。本发明的装置包括海绵基座，所述的海绵基座上设有一用于穿角钢的L形定位槽孔，所述的海绵基座上装有不与角钢直接接触的辅助电极及不与角钢接触的参比电极；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。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大气‑混凝土界面处角钢锈蚀检测中的应用。

Description

测试角钢在大气-混凝土界面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，具体地说是一种对处于大气-混凝土界面的角钢腐蚀速率进行电化学测试的装置及方法。
背景技术
输电铁塔作为高压输电线路的承重结构，是输电线路最重要的基础设施之一，其可靠运行对电力系统安全至关重要。工程实践发现，许多铁塔结构在投入使用后，都较早的出现了耐久性不足的问题，特别是环境侵蚀作用较为严重地区的铁塔塔脚，其耐久性失效问题更为显著，这不仅造成了经济损失和资源浪费，亦有可能引起塔脚的适用性和安全性上的问题。
而塔脚的耐久性问题主要由塔脚中钢筋锈蚀引起的，其钢筋锈蚀主要包括两类：一是混凝土内部角钢的吸氧腐蚀(或析氢腐蚀)；二是位于大气-混凝土界面处的角钢腐蚀，这类腐蚀是输电铁塔所有腐蚀的重点和难点，其具有如下特殊性：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，并且如若保护帽品质不良，还会因保护帽透水或表面积水而加剧腐蚀。2)腐蚀具有隐蔽性。塔脚包裹于保护帽中，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。与铁塔其他部位防腐不同，关于保护帽内塔脚防腐目前未有系统性成熟方案，常采用的方式也仅仅是发现塔脚严重锈蚀时进行被动性的更换，缺乏提前预防处理方案。
因此，对输电铁塔中钢筋锈蚀检测方法和技术提出了新的要求。目前，在工程实践中，对铁塔塔脚腐蚀检测评估的方法是凿开混凝土保护帽直接观察，这种方法费时费力，人力物力成本较高，且检测后不利于结构的持续使用。另外，在对混凝土钢筋锈蚀检测的方法和装置中，应用最多的是一种基于线性极化法测量混凝土结构钢筋锈蚀的三电极装置。该装置是通过在混凝土外表面放置参比电极a和辅助电极b，与混凝土内部钢筋(工作电极c)形成三电极装置，再通过屏蔽环d作用将辅助电极正对的角钢面积确定为阳极面积A，进而测得极化曲线，定量分析钢筋的腐蚀速率，如图1，参比电极放置在海绵e上，没有直接与混凝土表面接触。但该装置只适用于埋入混凝土中的钢筋，并不是适用于位于大气-混凝土界面的钢筋锈蚀，不能应用于实际工程来解决塔脚角钢的腐蚀检测问题。
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，提供一种对位于大气-混凝土界面处的角钢进行腐蚀速率检测的装置，以便于用电化学检测技术检测待测角钢的电化学参数。
为此，本发明采用如下的技术方案：测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置，包括海绵基座，
所述的海绵基座上设有一用于穿角钢的L形定位槽孔，所述的海绵基座上装有不与角钢直接接触的辅助电极及不与角钢接触的参比电极；
使用时，位于辅助电极下方的海绵基座底面与大气-混凝土界面接触，当海绵基座吸水后用于辅助电极与角钢之间的离子传输，角钢作为工作电极使用，辅助电极与角钢及海绵基座形成一回路；参比电极的测量探头直接与大气-混凝土界面接触，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；
还包括一用于连接角钢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L形定位槽孔的一端开口，另一端的一侧设所述的参比电极。利用定位槽孔的开口端及海绵基座本身的材料特性可以方便开合海绵基座，将海绵基座套在角钢上。
作为上述技术方案的补充，所述的辅助电极由两个分设在L形定位槽孔两侧的L形金属薄片组成，所述的两个L形金属薄片采用导线连接，海绵基座上设有用于放置辅助电极的定位槽。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，所述辅助电极的厚度为1-2mm，两个L形金属薄片的宽度相等。
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角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的方法，其包括如下步骤：
a、装置安装：在大气-混凝土界面用水润湿，根据待测角钢的位置放置海绵基座，所述的角钢为工作电极，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Eoc；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βa、βc，拟合直线的交点横坐标即为腐蚀电流Icorr，则：
式中，IC1、EC1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；IA1、EA1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Lc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Lc为待测角钢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+0.45Lc，
该式中：辅助电极宽度L的范围为5-50mm；混凝土边界宽度Lc的范围为60-200mm；
阳极面积由下式确定：
A＝2(l1+l2)d，
式中：l1,l2分别为角钢的长、短边长，当为等边角钢时，l1＝l2；
g、腐蚀电流密度icorr的计算
由腐蚀电流Icorr和阳极面积A得腐蚀电流密度icorr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-混凝土界面的角钢进行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大气-混凝土界面角钢锈蚀检测中的应用，从而解决铁塔塔脚腐蚀检测评估的工程实际问题。
附图说明
图1为现有测量混凝土结构钢筋锈蚀的三电极装置图；
图2为本发明测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置(以下简称三电极装置)的结构示意图；
图3为本发明三电极装置使用时的结构示意图；
图4为本发明三电极装置使用时的结构剖示图；
图5为本发明海绵基座的俯视图；
图6为本发明L形金属薄片的俯视图；
图7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为角钢(即工作电极)、4为辅助电极、5为参比电极、21为L形定位槽孔、22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角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置，即三电极装置，如图2-6所示。
海绵基座2上设有一用于穿角钢3的L形定位槽孔21，所述的海绵基座2上装有不与角钢直接接触的辅助电极4及不与角钢接触的参比电极5；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。所述L形定位槽孔21的一端开口，另一端的一侧设所述的参比电极5。所述的辅助电极4由两个分设在L形定位槽孔21两侧的L形金属薄片组成，所述两个L形金属薄片采用导线连接，海绵基座2上设有用于放置辅助电极4的定位槽22。海绵基座2与角钢3之间设有绝缘层，避免海绵基座2与角钢3直接接触而短路，采用塑料作为绝缘层材料。
所述辅助电极4的厚度为1-2mm，两个L形金属薄片的宽度相等。所述的参比电极5为甘汞电极。所述的辅助电极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。
使用时，大气-混凝土界面用水润湿，位于辅助电极4下方的海绵基座2底面与大气-混凝土界面接触，当海绵基座2吸水后用于辅助电极4与角钢3之间的离子传输，角钢作为工作电极使用，辅助电极4与角钢3及海绵基座2形成一回路；参比电极5的测量探头直接与大气-混凝土界面接触，通过混凝土与工作电极形成另一回路。
实施例2
本实施例提供一种测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的方法，其基于电位扫描法测极化曲线，针对于角钢在大气-混凝土界面处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)用于角钢在大气-混凝土界面的腐蚀检测的三电极装置
选用的混凝土试件为150×150×300mm，待测角钢(工作电极)的尺寸为L45×4mm；辅助电极为两个L形1mm厚铜片采用导线连接而成，铜片的宽度为25mm；参比电极采用银-氯化银电极。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。先在混凝土表面处用水润湿，再根据待测钢筋(工作电极)的位置放置基座，在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)＝70(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Eoc＝-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对测得的的极化曲线进行Tafel拟合并得到Tafel系数βa＝219.3mV/decade，βc＝129.3mV/decade拟合直线的交点横坐标即为腐蚀电流Icorr，如图7所示。
所以：
Icorr＝10∧(1.28)＝19.0μA，
f、阳极面积A的确定
d＝0.65L+0.45Lc＝0.65×25+0.45×60＝43.3mm，
A＝2(l1+l2)d＝2×(45+45)×43.3＝7794mm2，
g、腐蚀电流密度icorr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.测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置，包括海绵基座(2)，其特征在于，
所述的海绵基座(2)上设有一用于穿角钢(3)的L形定位槽孔(21)，所述的海绵基座(2)上装有不与角钢直接接触的辅助电极(4)及不与角钢接触的参比电极(5)；
使用时，位于辅助电极(4)下方的海绵基座(2)底面与大气-混凝土界面接触，当海绵基座(2)吸水后用于辅助电极(4)与角钢(3)之间的离子传输，角钢作为工作电极使用，辅助电极(4)与角钢(3)及海绵基座(2)形成一回路；参比电极(5)的测量探头直接与大气-混凝土界面接触，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；
还包括一用于连接角钢(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所述的测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置，其特征在于，所述L形定位槽孔(21)的一端开口，另一端的一侧设所述的参比电极(5)。
3.根据权利要求2所述的测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置，其特征在于，所述的辅助电极(4)由两个分设在L形定位槽孔(21)两侧的L形金属薄片组成，所述的两个L形金属薄片采用导线连接，海绵基座(2)上设有用于放置辅助电极(4)的定位槽(22)。
4.根据权利要求3所述的测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置，其特征在于，所述辅助电极(4)的厚度为1-2mm，两个L形金属薄片的宽度相等。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置，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所述的测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置，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所述的测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置，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所述的测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置，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.测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、装置安装：在大气-混凝土界面用水润湿，根据待测角钢的位置放置海绵基座，所述的角钢为工作电极，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Eoc；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βa、βc，拟合直线的交点横坐标即为腐蚀电流Icorr，则：
式中，IC1、EC1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；IA1、EA1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Lc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Lc为待测角钢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+0.45Lc，
该式中：辅助电极宽度L的范围为5-50mm；混凝土边界宽度Lc的范围为60-200mm；
阳极面积由下式确定：
A＝2(l1+l2)d，
式中：l1、l2分别为角钢的长、短边长，当为等边角钢时，l1＝l2；
g、腐蚀电流密度icorr的计算
由腐蚀电流Icorr和阳极面积A得腐蚀电流密度icorr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。
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