CN109211763A - 一种微型锈蚀钢筋力学性能测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型锈蚀钢筋力学性能测试方法及系统。该方法包括：采用通电的方式对试样进行锈蚀，并记录锈蚀的时间以及电流大小；根据法拉第定律，由锈蚀时间以及电流大小，计算试样的锈蚀率；通过圆锥三爪楔形夹具以及圆孔模具对锈蚀后的试样进行黏结试验，记录锈蚀后的试样的第一参数；根据锈蚀率以及第一参数，建立钢筋混凝土黏结强度与锈蚀率的关系曲线；通过圆锥三爪楔形夹具对锈蚀后的试样进行拉拔试验，记录锈蚀后的试样的第二参数；根据锈蚀率以及第二参数，建立钢筋混凝土拉拔强度与锈蚀率的关系曲线；完成微型锈蚀钢筋的力学性能测试。本发明能够对具有一定锈蚀率的微型钢筋试件进行可靠有效的力学检测。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程领域，特别是涉及一种微型锈蚀钢筋力学性能测试方法及系统。
背景技术
导致锈蚀钢筋混凝土承载力下降的原因如下：钢筋截面积减小，锈蚀钢筋屈服强度减小。钢筋锈蚀以后，不仅仅造成截面面积减小，而且因为种种原因使其力学性能发生变化，这些变化可能导致服役的中老年结构的耐久性抗力破坏形态发生重大变化。根据试验研究结果可以看出：锈蚀以后塑性变差，锈蚀越严重，截面损失率越大，塑性降低越厉害。锈蚀钢筋的屈服强度降低，其降低程度与截面损失率成线性变化。锈蚀钢筋屈服强度的降低直接影响服役结构的抗力，严重时可能造成结构倒塌。但是现有研究没有明确定量锈蚀钢筋的强度降低与损失率关系，更没有相关试验方法和配套试验条件。
目前有文献给出了锈蚀钢筋粘结强度计算公式，一般是在试验基础上给定一个粘结力降低系数，该系数体现了钢筋锈蚀对粘结力的影响，但目前的研究成果都是基于各自的试验，成果并不统一。钢筋与混凝土之间的粘结性能受到多种因素的综合影响，且各影响因素与粘结力之间是复杂的非线性关系，目前还缺乏既适于计算又便于工程实际应用的计算模型。有研究学者对长期受氯化物腐蚀的结构中替换下来的钢筋混凝土构件进行了试验研究，试验表明锈蚀后钢筋与混凝土之间的粘结力降低幅度达20％～50％。但没有给出锈蚀率与粘结力之间的关系，更没有相关试验方法和配套试验条件。
现有加速锈蚀研究方法有采用电化学方法实现钢筋加速锈蚀，根据电化学原理，国内外学者发展出通过使用直流电源正极连接钢筋使其作为阳极，从而加速钢筋锈蚀的方法。通电加速锈蚀的方法有很多种，分为全浸泡法、半浸泡法等，但上述通电加速锈蚀的方法所施加的电流都比较大，如0.1A以上，与真实锈蚀情况下的腐蚀电流大小差距较大，因此无法对锈蚀速度进行有效控制，另外基于浸泡法中水的存在，导致因电子迁移而导致的锈蚀产物流失现象严重，不利于对锈蚀程度的定量化的表征。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种微型锈蚀钢筋力学性能测试方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微型锈蚀钢筋力学性能测试方法，所述方法包括：
制备钢筋混凝土的试样；
采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，并记录锈蚀的时间以及电流大小；
根据法拉第定律，由所述锈蚀时间以及所述电流大小，计算所述试样的锈蚀率；
通过圆锥三爪楔形夹具以及圆孔模具对锈蚀后的试样进行黏结试验，记录所述锈蚀后的试样的第一参数，所述第一参数包括黏结过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移；
根据所述锈蚀率以及所述第一参数，建立钢筋混凝土黏结强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第一关系曲线；
通过两个圆锥三爪楔形夹具对锈蚀后的试样进行拉拔试验，记录所述锈蚀后的试样的第二参数，所述第二参数包括拉拔过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移；
根据所述锈蚀率以及所述第二参数，建立钢筋混凝土拉拔强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第二关系曲线；
根据所述第一关系曲线以及所述第二关系曲线，完成微型锈蚀钢筋的力学性能测试。
可选的，所述制备钢筋混凝土的试样，具体包括：
将水泥、标准砂以及水按照1：2：0.5的比例混合于搅拌机进行搅拌，然后导入直径为10mm、高为10mm的圆柱体模具中，将试样表面抹平，并进行振捣、密实以及成型；24小时后进行拆模，然后放置在养护室内养护28天，取出干燥后作为测试的试样；所述养护室相对湿度>95％，室温为23℃。
可选的，所述采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，具体包括：
将所述试样置于恒温恒湿箱中，通过可编程直流电源进行通电；所述恒温恒湿箱的温度为25℃，湿度为95％。
可选的，还包括：
使用X射线计算机断层扫描技术对所述锈蚀后的试样进行成像；
根据所述锈蚀后的试样的成像，通过定量化分析，确定所述锈蚀后的试样的锈蚀面积以及锈蚀深度；
根据所述锈蚀面积以及所述锈蚀深度，确定所述试样的锈蚀率。
一种微型锈蚀钢筋力学性能测试系统，所述系统包括：
制备模块，用于制备钢筋混凝土的试样；
锈蚀模块，用于采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，并记录锈蚀的时间以及电流大小；
计算模块，用于根据法拉第定律，由所述锈蚀时间以及所述电流大小，计算所述试样的锈蚀率；
拉拔试验模块，用于通过两个圆锥三爪楔形夹具对锈蚀后的试样进行拉拔试验，记录所述锈蚀后的试样的第二参数，所述第二参数包括拉拔过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移；
第一关系曲线建立模块，用于根据所述锈蚀率以及所述第二参数，建立钢筋混凝土拉拔强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第二关系曲线；
黏结试验模块，用于通过圆锥三爪楔形夹具以及圆孔模具对锈蚀后的试样进行黏结试验，记录所述锈蚀后的试样的第一参数，所述第一参数包括黏结过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移；
第二关系曲线建立模块，用于根据所述锈蚀率以及所述第一参数，建立钢筋混凝土黏结强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第一关系曲线；
测试模块，用于根据所述第一关系曲线以及所述第二关系曲线，完成微型锈蚀钢筋的力学性能测试。
可选的，所述制备模块制备试样的具体过程为：
将水泥、标准砂以及水按照1：2：0.5的比例混合于搅拌机进行搅拌，然后导入直径为10mm、高为10mm的圆柱体模具中，将试样表面抹平，并进行振捣、密实以及成型；24小时后进行拆模，然后放置在养护室内养护28天，取出干燥后作为测试的试样；所述养护室相对湿度>95％，室温为23℃。
可选的，所述采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，具体包括：
将所述试样置于恒温恒湿箱中，通过可编程直流电源进行通电；所述恒温恒湿箱的温度为25℃，湿度为95％。
可选的，还包括：
成像模块，用于使用X射线计算机断层扫描技术对所述锈蚀后的试样进行成像；
定量化分析模块，用于根据所述锈蚀后的试样的成像，通过定量化分析，确定所述锈蚀后的试样的锈蚀面积以及锈蚀深度；
锈蚀率确定模块，用于根据所述锈蚀面积以及所述锈蚀深度，确定所述试样的锈蚀率。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明根据所述锈蚀率以及所述第一参数，建立钢筋混凝土拉拔强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第一关系曲线；根据所述锈蚀率以及所述第二参数，建立钢筋混凝土黏结强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第二关系曲线；然后根据所述第一关系曲线以及所述第二关系曲线，完成微型锈蚀钢筋的力学性能测试。通过采集数据和回归分析可以建立锈蚀率与钢筋力学性能的联系，可为实际工程的微型锈蚀钢筋的评估提供了有效的数据和方法。本发明针对微型钢筋或者具有一定锈蚀率的微型钢筋试件能够进行可靠有效的力学检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例微型锈蚀钢筋力学性能测试方法的流程图；
图2为本发明实施例圆锥三爪楔形夹具的结构示意图；
图3为本发明实施例圆孔夹的结构示意图；
图4为本发明实施例微型锈蚀钢筋力学性能测试系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种微型锈蚀钢筋力学性能测试方法包括：
步骤101：制备钢筋混凝土的试样。将水泥、标准砂以及水按照1：2：0.5的比例混合于搅拌机进行搅拌，然后导入直径为10mm、高为10mm的圆柱体模具中，将试样表面抹平，并进行振捣、密实以及成型；24小时后进行拆模，然后放置在养护室内养护28天，取出干燥后作为测试的试样；所述养护室相对湿度>95％，室温为23℃。
步骤102：采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，并记录锈蚀的时间以及电流大小。将所述试样置于恒温恒湿箱中，通过可编程直流电源进行通电；所述恒温恒湿箱的温度为25℃，湿度为95％。
步骤103：根据法拉第定律，由所述锈蚀时间以及所述电流大小，计算所述试样的锈蚀率。铁的损失质量为Δm＝M·I·t/z/F，其中m为铁损失质量；M为铁原子量；I为通电锈蚀电流(单位为A)；t为通电时间(单位为S)；Z为单个铁原子发生锈蚀时的损失电子数Z＝2；F为法拉第常数，为F＝9.65×104A·S。然后锈蚀率可以用锈蚀损失质量除以未锈蚀时铁的总质量。
步骤104：通过圆锥三爪楔形夹具以及圆孔模具对锈蚀后的试样进行黏结试验，记录所述锈蚀后的试样的第一参数，所述第一参数包括黏结过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移。如图3所示，圆孔模具由外套圈圆孔8、外套圈9、圆孔模具腹腔10、连接杆11(与实验机相连)组成。其圆孔模具腹腔10容许试样1放进，然后试样1外露的钢筋从外套圈圆孔8伸出。将圆孔模具的连接杆11与万能试验机上端相连，试样置于圆孔模具腹腔10中，试样1外露钢筋从外套圈圆孔8伸出，然后通过操控万能试验机使上面的圆孔模具下降到适合位置，待钢筋进入下面圆锥三抓楔形夹具夹口一定距离，扭紧下面圆锥三抓楔形夹具旋转螺母4。
步骤105：根据所述锈蚀率以及所述第一参数，建立钢筋混凝土黏结强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第一关系曲线。
步骤106：通过两个圆锥三爪楔形夹具对锈蚀后的试样进行拉拔试验，记录所述锈蚀后的试样的第二参数，所述第二参数包括拉拔过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移。如图2所示，圆锥三爪楔形夹具由三爪钳块2、钳体3、旋转螺母4、连接杆5(与实验机相连)、钳块升降螺杆6、外套圈7组成。通过连接杆将5将2个三爪楔形夹具装于万能试验机上下端，将锈蚀试样1的一端置于其中第1个夹具上，通过旋转螺母4拧好，通过万能试验机使第2个夹具升降到合适位置，此时试样1的另一端伸进第2个夹具一定长度，拧紧旋转螺母4。打开电脑配套软件，设置参数，记录曲线与数据。数据回归处理，得出关系式。
步骤107：根据所述锈蚀率以及所述第二参数，建立钢筋混凝土拉拔强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第二关系曲线。
步骤108：根据所述第一关系曲线以及所述第二关系曲线，完成微型锈蚀钢筋的力学性能测试。
还包括：
使用X射线计算机断层扫描技术对所述锈蚀后的试样进行成像；根据所述锈蚀后的试样的成像，通过定量化分析，确定所述锈蚀后的试样的锈蚀面积以及锈蚀深度；根据所述锈蚀面积以及所述锈蚀深度，确定所述试样的锈蚀率。使用XCT技术又名X射线计算机断层扫描技术将微型钢筋独立的进行成像，因而可以精确、清晰的显示微型钢筋或微型锈蚀钢筋的内部结构组成、物质分布以及微小缺陷，具有准确度高、无损、数字化及原位监测等特点，因此可以定量化分析钢筋的锈蚀面积以及锈蚀深度，从而得出准确的钢筋锈蚀率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明根据根据所述锈蚀率以及所述第一参数，建立钢筋混凝土黏结强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第一关系曲线；所述锈蚀率以及所述第二参数，建立钢筋混凝土拉拔强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第二关系曲线；然后根据所述第一关系曲线以及所述第二关系曲线，完成微型锈蚀钢筋的力学性能测试。通过采集数据和回归分析可以建立锈蚀率与钢筋力学性能的联系，可为实际工程的微型锈蚀钢筋的评估提供了有效的数据和方法。本发明针对微型钢筋或者具有一定锈蚀率的微型钢筋试件能够进行可靠有效的力学检测检测。
如图4所示，一种微型锈蚀钢筋力学性能测试系统包括：
制备模块401，用于制备钢筋混凝土的试样。所述制备模块401制备试样的具体过程为：
将水泥、标准砂以及水按照1：2：0.5的比例导入直径为10mm、高为10mm的圆柱体模具中，将试样表面抹平，并进行振捣、密实以及成型；24小时后进行拆模，然后放置在养护室内养护28天，取出干燥后作为测试的试样；所述养护室相对湿度>95％，室温为23℃。
锈蚀模块402，用于采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，并记录锈蚀的时间以及电流大小。所述采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，具体包括：
将所述试样置于恒温恒湿箱中，通过可编程直流电源进行通电；所述恒温恒湿箱的温度为25℃，湿度为95％。
计算模块403，用于根据法拉第定律，由所述锈蚀时间以及所述电流大小，计算所述试样的锈蚀率。
黏结试验模块404，用于通过圆锥三爪楔形夹具以及圆孔模具对锈蚀后的试样进行黏结试验，记录所述锈蚀后的试样的第一参数，所述第一参数包括黏结过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移。
第二关系曲线建立模块405，用于根据所述锈蚀率以及所述第一参数，建立钢筋混凝土黏结强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第一关系曲线。
拉拔试验模块406，用于通过两个圆锥三爪楔形夹具对锈蚀后的试样进行拉拔试验，记录所述锈蚀后的试样的第二参数，所述第二参数包括拉拔过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移。
第一关系曲线建立模块407，用于根据所述锈蚀率以及所述第二参数，建立钢筋混凝土拉拔强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第二关系曲线。
测试模块408，用于根据所述第一关系曲线以及所述第二关系曲线，完成微型锈蚀钢筋的力学性能测试。
所述系统还包括：
成像模块，用于使用X射线计算机断层扫描技术对所述锈蚀后的试样进行成像；
定量化分析模块，用于根据所述锈蚀后的试样的成像，通过定量化分析，确定所述锈蚀后的试样的锈蚀面积以及锈蚀深度；
锈蚀率确定模块，用于根据所述锈蚀面积以及所述锈蚀深度，确定所述试样的锈蚀率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种微型锈蚀钢筋力学性能测试方法，其特征在于，所述方法包括：
制备钢筋混凝土的试样；
采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，并记录锈蚀的时间以及电流大小；
根据法拉第定律，由所述锈蚀时间以及所述电流大小，计算所述试样的锈蚀率；
通过圆锥三爪楔形夹具以及圆孔模具对锈蚀后的试样进行黏结试验，记录所述锈蚀后的试样的第一参数，所述第一参数包括黏结过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移；
根据所述锈蚀率以及所述第一参数，建立钢筋混凝土黏结强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第一关系曲线；
通过两个圆锥三爪楔形夹具对锈蚀后的试样进行拉拔试验，记录所述锈蚀后的试样的第二参数，所述第二参数包括拉拔过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移；
根据所述锈蚀率以及所述第二参数，建立钢筋混凝土拉拔强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第二关系曲线；
根据所述第一关系曲线以及所述第二关系曲线，完成微型锈蚀钢筋的力学性能测试。
2.根据权利要求1所述的微型锈蚀钢筋力学性能测试方法，其特征在于，所述制备钢筋混凝土的试样，具体包括：
将水泥、标准砂以及水按照1：2：0.5的比例混合于搅拌机进行搅拌，然后导入直径为10mm、高为10mm的圆柱体模具中，将试样表面抹平，并进行振捣、密实以及成型；24小时后进行拆模，然后放置在养护室内养护28天，取出干燥后作为测试的试样；所述养护室相对湿度>95％，室温为23℃。
3.根据权利要求1所述的微型锈蚀钢筋力学性能测试方法，其特征在于，所述采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，具体包括：
将所述试样置于恒温恒湿箱中，通过可编程直流电源进行通电；所述恒温恒湿箱的温度为25℃，湿度为95％。
4.根据权利要求1所述的微型锈蚀钢筋力学性能测试方法，其特征在于，还包括：
使用X射线计算机断层扫描技术对所述锈蚀后的试样进行成像；
根据所述锈蚀后的试样的成像，通过定量化分析，确定所述锈蚀后的试样的锈蚀面积以及锈蚀深度；
根据所述锈蚀面积以及所述锈蚀深度，确定所述试样的锈蚀率。
5.一种微型锈蚀钢筋力学性能测试系统，其特征在于，所述系统包括：
制备模块，用于制备钢筋混凝土的试样；
锈蚀模块，用于采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，并记录锈蚀的时间以及电流大小；
计算模块，用于根据法拉第定律，由所述锈蚀时间以及所述电流大小，计算所述试样的锈蚀率；
拉拔试验模块，用于通过两个圆锥三爪楔形夹具对锈蚀后的试样进行拉拔试验，记录所述锈蚀后的试样的第二参数，所述第二参数包括拉拔过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移；
第一关系曲线建立模块，用于根据所述锈蚀率以及所述第二参数，建立钢筋混凝土拉拔强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第二关系曲线；
黏结试验模块，用于通过圆锥三爪楔形夹具以及圆孔模具对锈蚀后的试样进行黏结试验，记录所述锈蚀后的试样的第一参数，所述第一参数包括黏结过程中所述锈蚀后的试样的应力、应变以及位移；
第二关系曲线建立模块，用于根据所述锈蚀率以及所述第一参数，建立钢筋混凝土黏结强度与所述锈蚀率的关系曲线，为第一关系曲线；
测试模块，用于根据所述第一关系曲线以及所述第二关系曲线，完成微型锈蚀钢筋的力学性能测试。
6.根据权利要求5所述的微型锈蚀钢筋力学性能测试系统，其特征在于，所述制备模块制备试样的具体过程为：
将水泥、标准砂以及水按照1：2：0.5的比例混合于搅拌机进行搅拌，然后导入直径为10mm、高为10mm的圆柱体模具中，将试样表面抹平，并进行振捣、密实以及成型；24小时后进行拆模，然后放置在养护室内养护28天，取出干燥后作为测试的试样；所述养护室相对湿度>95％，室温为23℃。
7.根据权利要求5所述的微型锈蚀钢筋力学性能测试系统，其特征在于，所述采用通电的方式对所述试样进行锈蚀，具体包括：
将所述试样置于恒温恒湿箱中，通过可编程直流电源进行通电；所述恒温恒湿箱的温度为25℃，湿度为95％。
8.根据权利要求5所述的微型锈蚀钢筋力学性能测试系统，其特征在于，还包括：
成像模块，用于使用X射线计算机断层扫描技术对所述锈蚀后的试样进行成像；
定量化分析模块，用于根据所述锈蚀后的试样的成像，通过定量化分析，确定所述锈蚀后的试样的锈蚀面积以及锈蚀深度；
锈蚀率确定模块，用于根据所述锈蚀面积以及所述锈蚀深度，确定所述试样的锈蚀率。
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