CN109100293A - 双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置及腐蚀控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置，包括设于衬砌结构外侧且为封闭型的腐蚀水槽、浓度传感器、压力传感器、第一增压泵、第二增压泵、第三增压泵、高浓度腐蚀液储箱、设计浓度腐蚀液储箱、控制器和盐雾箱，腐蚀水槽和盐雾箱分别从衬砌结构的内外两侧进行腐蚀。本发明还公开了一种双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置采用的腐蚀控制方法，通过控制器控制三个增压泵以使腐蚀水槽内的腐蚀液的浓度和压力达到设定值。本发明实现了盾构隧道衬砌结构内、外双侧同时加速锈蚀的效果，可以更加准确地研究该条件下隧道衬砌结构的侵蚀劣化规律，具有研究探索意义与工程实用价值。

Description

双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置及腐蚀控制方法

技术领域

本发明涉及一种衬砌结构腐蚀试验装置，尤其涉及一种双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置及腐蚀控制方法。

背景技术

对于处于侵蚀环境中的隧道，其衬砌结构长期处于地下或水下侵蚀环境中，衬砌结构不可避免地受到各种侵蚀离子的侵蚀作用，其中以氯离子的侵蚀对混凝土管片的危害最大。一方面，在衬砌结构的迎水面即外侧，氯离子侵入混凝土衬砌内部到达钢筋表面，在达到一定浓度后造成混凝土内钢筋快速锈蚀，从而使隧道衬砌结构的材料性能发生弱化、劣化，并可进一步地导致衬砌开裂、渗漏水、乃至混凝土保护层剥落及管片掉块现象；另一方面，在隧道衬砌结构的背水面即内侧，由于运营时盐雾进入隧道内部附着于衬砌结构表面，引起的衬砌结构内侧锈蚀劣化问题时有发生。这种隧道衬砌结构内外两侧同时侵蚀劣化的现象严重危害着隧道运营及人员安全。而目前对于隧道衬砌结构侵蚀劣化研究主要集中在单侧侵蚀或者全域侵蚀研究，未见对于衬砌结构两侧同时采用不同方式侵蚀劣化规律的研究。

对于钢筋混凝土结构的劣化规律研究一般采用加速锈蚀的试验方法，在隧道衬砌结构加速腐蚀劣化试验研究方面，现有室内加速腐蚀试验中，出于利于腐蚀溶液与外加直流系统构成通电回路的考虑，普遍采用浸泡式的试验装置，其试验结果往往体现为全域腐蚀劣化特点，这与实际工程中隧道衬砌特别是海底盾构隧道，其外部受Cl^-离子、OH^-离子、SO₄ ^2-离子等侵蚀、内部同时受盐雾等侵蚀的双侧同时侵蚀劣化的特征存在较大差异，而目前还没有适于用来进行盾构隧道衬砌结构双侧同时侵蚀劣化的试验装置，所以难以准确模拟长期处于地下或水下侵蚀环境中的衬砌结构的实际腐蚀效果。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置及腐蚀控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置，包括设于衬砌结构外侧且为封闭型的腐蚀水槽，还包括浓度传感器、压力传感器、第一增压泵、第二增压泵、第三增压泵、高浓度腐蚀液储箱、设计浓度腐蚀液储箱、控制器和盐雾箱，所述浓度传感器和所述压力传感器置于所述腐蚀水槽内，所述第一增压泵的入口通过液管与所述设计浓度腐蚀液储箱的出口连接，所述第二增压泵的入口和所述第三增压泵的入口分别通过液管与所述高浓度腐蚀液储箱的出口连接，所述第一增压泵的出口、所述第二增压泵的出口和所述第三增压泵的出口分别通过液管与所述腐蚀水槽相通连接，所述第二增压泵的出口和所述第三增压泵的出口分别通过液管与所述腐蚀水槽的侧壁和顶板相通连接，所述浓度传感器的信号输出端和所述压力传感器的信号输出端分别与所述控制器的信号输入端连接，所述控制器的控制信号输出端分别与所述第一增压泵的控制信号输入端、所述第二增压泵的控制信号输入端和所述第三增压泵的控制信号输入端对应连接；所述盐雾箱设于所述衬砌结构的内侧表面附近位置并用于对所述衬砌结构的内侧表面喷洒盐雾。

上述结构中，腐蚀水槽用于储存腐蚀液，一般为盐水；浓度传感器用于实时检测腐蚀水槽内的腐蚀液的浓度并将该浓度信息传送给控制器；压力传感器用于检测腐蚀水槽内的腐蚀液的压力并将该压力信息传送给控制器；第一增压泵用于在控制器的控制下将设计浓度腐蚀液储箱内的设计浓度腐蚀液泵至腐蚀水槽；第二增压泵和第三增压泵用于在控制器的控制下将高浓度腐蚀液储箱内的高浓度腐蚀液泵至腐蚀水槽；第二增压泵和第三增压泵与腐蚀水槽之间的液管分别与腐蚀水槽的侧壁和顶板相通连接，可以避免泵入高浓度腐蚀液时改变腐蚀水槽内腐蚀液对压力传感器的压力，从而避免压力传感器输出信号的变化；设计浓度腐蚀液储箱用于储存浓度等于加速腐蚀试验设计浓度的设计浓度腐蚀液，以便于在用于增加腐蚀液压力时不改变腐蚀液浓度；高浓度腐蚀液储箱用于储存浓度高于加速腐蚀试验设计浓度的高浓度腐蚀液，以便于在需要时能够增加腐蚀液的浓度至设计浓度；控制器用于采集浓度传感器和压力传感器信息并以此控制三个增压泵，以实现浓度和压力的自动调节；盐雾箱用于向衬砌结构的内侧表面喷洒盐雾，实现衬砌结构的双侧腐蚀效果。

进一步，为了更好地实现加速腐蚀效果，所述衬砌结构的外侧表面和内侧表面处分别设有钢丝网片，外侧的所述钢丝网片位于所述腐蚀水槽内的底部，内侧的所述钢丝网片位于所述盐雾箱和所述衬砌结构之间，外侧和内侧的所述钢丝网片分别与稳流直流电源的负极连接，所述衬砌结构内靠近外侧和内侧的钢筋分别与所述稳流直流电源的正极连接。这样就在衬砌结构的外侧和内侧分别构成电流回路，实现加速腐蚀效果。

一种双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置采用的腐蚀控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据实际工程获取隧道衬砌结构所在位置的参考水压P^*、衬砌结构外侧的腐蚀液中氯离子浓度C₁ ^*、衬砌结构内侧的盐雾中氯离子浓度C₂ ^*；

步骤二、根据实际工程的调研结果和试验条件选择加速系数n，则加速腐蚀试验中腐蚀液压力P＝nP^*，腐蚀液中氯离子浓度C₁＝nC₁ ^*，盐雾中氯离子浓度C₂＝nC₂ ^*；

步骤三、控制器根据压力传感器检测到的腐蚀液的压力信息，当腐蚀液的压力低于P时，控制器控制第一增压泵启动，将设计浓度腐蚀液储箱内的设计浓度腐蚀液泵入腐蚀水槽中，直到腐蚀液的压力等于P为止，关闭第一增压泵；控制器根据浓度传感器检测到的腐蚀液的浓度信息，当腐蚀液的浓度低于C₁时，控制器控制第二增压泵和第三增压泵启动且第二增压泵和第三增压泵的流速相同，将高浓度腐蚀液储箱内的高浓度腐蚀液泵入腐蚀水槽中，直到腐蚀液的浓度等于C₁为止，关闭第二增压泵和第三增压泵；盐雾箱内的盐雾浓度直接设定为C₂，并根据实际试验需要对盐雾喷洒速度及喷洒时间来实现盐雾作用对衬砌结构的侵蚀作用。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在隧道衬砌结构外侧构建腐蚀溶液环境并同时在衬砌结构内侧构建盐雾环境，实现了盾构隧道衬砌结构内、外双侧同时加速锈蚀的效果，使其更加接近处于侵蚀环境中的隧道衬砌结构的真实状态，从而可以更加准确地研究该条件下隧道衬砌结构的侵蚀劣化规律，为准确、科学地评判隧道衬砌结构全寿命周期内的安全可靠性能提供重要支撑，具有研究探索意义与工程实用价值。

附图说明

图1是本发明所述双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置的主视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置包括设于衬砌结构15的外侧且为封闭型的腐蚀水槽2、浓度传感器12、压力传感器11、第一增压泵5、第二增压泵4、第三增压泵3、高浓度腐蚀液储箱7、设计浓度腐蚀液储箱8、控制器1、盐雾箱9、钢丝网片13、挡板10和稳流直流电源16，浓度传感器12和压力传感器11置于腐蚀水槽2内，第一增压泵5的入口通过液管6与设计浓度腐蚀液储箱8的出口连接，第二增压泵4的入口和第三增压泵3的入口分别通过液管6与高浓度腐蚀液储箱7的出口连接，第一增压泵5的出口、第二增压泵4的出口和第三增压泵3的出口分别通过液管6与腐蚀水槽2相通连接，第二增压泵4的出口和第三增压泵3的出口分别通过液管6与腐蚀水槽2的侧壁和顶板相通连接，浓度传感器12的信号输出端和压力传感器11的信号输出端分别与控制器1的信号输入端连接，控制器1的控制信号输出端分别与第一增压泵5的控制信号输入端、第二增压泵4的控制信号输入端和第三增压泵3的控制信号输入端对应连接；衬砌结构15的外侧表面和内侧表面处分别设有钢丝网片13，盐雾箱9设于衬砌结构15内侧的钢丝网片13的外侧并用于对衬砌结构15的内侧表面喷洒盐雾，挡板10设于衬砌结构15内侧的钢丝网片13的外侧并用于使盐雾箱9内喷洒的盐雾聚集在衬砌结构15的内侧表面，外侧的钢丝网片13位于腐蚀水槽2内的底部，外侧和内侧的钢丝网片13分别与稳流直流电源16的负极连接，衬砌结构15内靠近外侧和内侧的钢筋14分别与稳流直流电源16的正极连接，这样就在衬砌结构15的内、外侧均形成电流回路，进一步实现加速腐蚀效果。

如图1所示，本发明所述双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置采用的腐蚀控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据实际工程获取隧道衬砌结构15所在位置的参考水压P^*、衬砌结构15外侧的腐蚀液中氯离子浓度C₁ ^*、衬砌结构15内侧的盐雾中氯离子浓度C₂ ^*；

步骤二、根据实际工程的调研结果和试验条件选择加速系数n，则加速腐蚀试验中腐蚀液压力P＝nP^*，腐蚀液中氯离子浓度C₁＝nC₁ ^*，盐雾中氯离子浓度C₂＝nC₂ ^*；

步骤三、控制器1根据压力传感器11检测到的腐蚀液的压力信息，当腐蚀液的压力低于P时，控制器1控制第一增压泵5启动，将设计浓度腐蚀液储箱8内的设计浓度腐蚀液泵入腐蚀水槽2中，直到腐蚀液的压力等于P为止，关闭第一增压泵5；控制器1根据浓度传感器12检测到的腐蚀液的浓度信息，当腐蚀液的浓度低于C₁时，控制器1控制第二增压泵4和第三增压泵3启动且第二增压泵4和第三增压泵3的流速相同，将高浓度腐蚀液储箱7内的高浓度腐蚀液泵入腐蚀水槽2中，直到腐蚀液的浓度等于C₁为止，关闭第二增压泵4和第三增压泵3；盐雾箱9内的盐雾浓度直接设定为C₂，并根据实际试验需要对盐雾喷洒速度及喷洒时间来实现盐雾作用对衬砌结构15的侵蚀作用。

本发明所述双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置的工作原理如下：

在海洋环境中，衬砌结构管片外侧迎水面氯离子以溶液的形式与管片接触，由于水压的存在，侵蚀主要通过扩散和渗透作用侵入管片内部，引起钢筋的锈蚀；而在管片背水面，氯离子主要以盐雾的形式存在，吸附在管片内侧表面，主要通过扩散作用侵入混凝土，引起钢筋的锈蚀。

渗透作用是指在静水压力的作用下氯离子随溶液向混凝土内部迁移的过程。对于混凝土等多孔材料，可以根据达西定律描述压力作用下液体在材料中的渗透规律：可见，当其他条件不变的情况下，可通过增大渗透压力的方式来增大单位时间腐蚀溶液渗入混凝土的流量Q，从而实现混凝土管片的加速腐蚀。

扩散作用指自由分子或离子在浓度差驱动下从高浓度区向低浓度区的迁移过程。氯离子在混凝土中扩散最基本的依据为基于Fick第二定律推导得到扩散方程：由于混凝土内部初始氯离子浓度C₀为定值，对流区深度Δx基本不变，混凝土的氯离子扩散系数D不可改变，则t时刻距混凝土表面深度为x处的氯离子浓度C(x,t)主要与混凝土表面氯离子浓度C_s有关，即可通过增大表面氯离子浓度的方式来提高混凝土内氯离子含量，从而加快氯离子对混凝土的侵蚀作用。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (3)

1.一种双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置，包括设于衬砌结构外侧且为封闭型的腐蚀水槽，其特征在于：还包括浓度传感器、压力传感器、第一增压泵、第二增压泵、第三增压泵、高浓度腐蚀液储箱、设计浓度腐蚀液储箱、控制器和盐雾箱，所述浓度传感器和所述压力传感器置于所述腐蚀水槽内，所述第一增压泵的入口通过液管与所述设计浓度腐蚀液储箱的出口连接，所述第二增压泵的入口和所述第三增压泵的入口分别通过液管与所述高浓度腐蚀液储箱的出口连接，所述第一增压泵的出口、所述第二增压泵的出口和所述第三增压泵的出口分别通过液管与所述腐蚀水槽相通连接，所述第二增压泵的出口和所述第三增压泵的出口分别通过液管与所述腐蚀水槽的侧壁和顶板相通连接，所述浓度传感器的信号输出端和所述压力传感器的信号输出端分别与所述控制器的信号输入端连接，所述控制器的控制信号输出端分别与所述第一增压泵的控制信号输入端、所述第二增压泵的控制信号输入端和所述第三增压泵的控制信号输入端对应连接；所述盐雾箱设于所述衬砌结构的内侧表面附近位置并用于对所述衬砌结构的内侧表面喷洒盐雾。

2.根据权利要求1所述的双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置，其特征在于：所述衬砌结构的外侧表面和内侧表面处分别设有钢丝网片，外侧的所述钢丝网片位于所述腐蚀水槽内的底部，内侧的所述钢丝网片位于所述盐雾箱和所述衬砌结构之间，外侧和内侧的所述钢丝网片分别与稳流直流电源的负极连接，所述衬砌结构内靠近外侧和内侧的钢筋分别与所述稳流直流电源的正极连接。

3.一种如权利要求1所述的双侧腐蚀型衬砌结构加速腐蚀试验装置采用的腐蚀控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、根据实际工程获取隧道衬砌结构所在位置的参考水压P^*、衬砌结构外侧的腐蚀液中氯离子浓度C₁ ^*、衬砌结构内侧的盐雾中氯离子浓度C₂ ^*；

步骤二、根据实际工程的调研结果和试验条件选择加速系数n，则加速腐蚀试验中腐蚀液压力P＝nP^*，腐蚀液中氯离子浓度C₁＝nC₁ ^*，盐雾中氯离子浓度C₂＝nC₂ ^*；

步骤三、控制器根据压力传感器检测到的腐蚀液的压力信息，当腐蚀液的压力低于P时，控制器控制第一增压泵启动，将设计浓度腐蚀液储箱内的设计浓度腐蚀液泵入腐蚀水槽中，直到腐蚀液的压力等于P为止，关闭第一增压泵；控制器根据浓度传感器检测到的腐蚀液的浓度信息，当腐蚀液的浓度低于C₁时，控制器控制第二增压泵和第三增压泵启动且第二增压泵和第三增压泵的流速相同，将高浓度腐蚀液储箱内的高浓度腐蚀液泵入腐蚀水槽中，直到腐蚀液的浓度等于C₁为止，关闭第二增压泵和第三增压泵；盐雾箱内的盐雾浓度直接设定为C₂，并根据实际试验需要对盐雾喷洒速度及喷洒时间来实现盐雾作用对衬砌结构的侵蚀作用。