CN109557017B - 热带海洋大气环境混凝土结构用钢筋耐腐蚀性实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热带海洋大气环境混凝土结构用钢筋耐腐蚀性实验方法，该方法包括：统计和分析泰国沿海地区气候环境条件与变化规律，建立环境腐蚀参数载荷谱；依照环境腐蚀参数载荷谱，拟定多种混凝土配比和混凝土厚度，设计不同实验方案，优选一套混凝土配比及确定混凝土厚度，并按照钢筋试样尺寸和混凝土厚度设计模具；钢筋试样固定于模具内部，将混凝土浆料浇筑进去，浆料固化后拆模，制得钢筋混凝土试样；将钢筋混凝土试样固定于试样架进行室外大气暴露实验，通过分析不同取样周期钢筋试样的腐蚀动力学及宏观形貌，对钢筋试样的耐蚀性能进行评价。采用该方法能短期时间内评定钢筋耐蚀性能，从而优选出耐蚀性能好的钢筋。

Description

热带海洋大气环境混凝土结构用钢筋耐腐蚀性实验方法
技术领域
本发明属于钢筋混凝土在大气腐蚀过程的技术领域，具体涉及热带海洋大气环境混凝土结构用钢筋耐腐蚀性实验方法。
背景技术
热带海洋大气环境具有高湿、高温、高氯离子含量、高辐照特征，属于极严酷腐蚀环境，对基础设施钢材及防护措施耐蚀性要求尤为严格。近年来，我国在热带海洋大气地区修建了一定数量的钢筋混凝土结构建筑，然而在使用这些建筑过程中发现，建筑物并没有达到设计使用年限却发生结构破坏，耐久性失效。究其原因，一方面是由于环境中氯离子侵蚀和混凝土的碳化导致钢筋混凝土结构过早失效，另一方面是由于混凝土结构中钢筋母材耐蚀性差而造成的。因此有必要针对热带海洋大气苛刻腐蚀环境，预先对混凝土结构用钢筋进行耐蚀性评价及寿命预测。
目前混凝土结构用钢筋耐蚀性评定的实验方法为人工模拟环境加速实验法和自然暴露实验。对于人工模拟环境加速实验法的公开专利已有很多，如专利申请号201610129924.0公开了“模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法及试验装置”，专利申请号201711313926.6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”。这些专利能模拟自然环境腐蚀，但仍然存在一定的弊端，如：室内实验参数没有完全真实模拟大气腐蚀的环境因素，与现场实际情况存在较大的偏差；研究结果只能作为一种相对耐蚀性的比较，并不能明确反映材料在自然环境中的真实服役情况；大气环境复杂多样，各种材料对环境因子腐蚀的敏感性存在差异。自然暴露实验法是将钢筋试样直接放置于大气环境中，它能真实反映服役地点的腐蚀状况，但是钢筋并没有被混凝土覆盖暴露，不能真实反应钢筋在混凝土腐蚀状况，而且现场暴露试验周期很长，现场评价耗时费力，至少需要3～5年，无法满足工艺、生产的迫切需要，科研效率较低。
基于以上原因，需要对混凝土结构用钢筋耐蚀性能的评价方法进一步优化，以解决室内模拟实验结果带来的偏差和现场暴露试验周期长的的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供热带海洋大气环境混凝土结构用钢筋耐腐蚀性实验方法。在自然大气环境现场暴露试验的基础上，将钢筋包裹在混凝土中，并且对钢筋混凝土试样进行改进，混凝土块上下表面有孔径相同的加速孔，这样既能真实反映钢筋在混凝土中的腐蚀情况，又能短期时间内快速评价钢筋的耐蚀性。
热带海洋大气环境混凝土结构用钢筋耐腐蚀性实验方法，包括以下步骤：S1:统计和分析热带海洋大气环境气候环境条件与变化规律，建立环境腐蚀参数载荷谱；S2:依照环境腐蚀参数载荷谱，拟定多种混凝土配比和混凝土厚度，设计不同实验方案，即在相同温度、湿度和固化时间等条件下进行对比实验，优选一套混凝土配比及确定混凝土厚度，并按照钢筋试样尺寸和混凝土厚度设计模具；S3:钢筋试样固定于模具内部，将混凝土浆料浇筑进去，浆料固化后拆模，制得钢筋混凝土试样；S4:将钢筋混凝土试样固定于试样架进行室外大气暴露实验，通过分析不同取样周期钢筋试样的腐蚀动力学及宏观腐蚀形貌，对钢筋试样的耐蚀性能进行综合评价，从而优选出耐蚀性能好的钢筋。
进一步地，所述环境腐蚀载荷谱包括温度、相对湿度、降雨量、Cl-沉积率、辐照量。
进一步地，按重量百分比计，所述混凝土包括5～15％的水泥、25～35％的砂、50～60％的石子及5～15％的水。
进一步地，按重量百分比计，所述混凝土包括9～12％的水泥、27～30％的砂、52～55％的石子及5～8％的水，
进一步地，所述混凝土中水泥采用硅酸盐水泥，砂的细度模数为2.4～3.0，石子粒径为10～35mm。
进一步地，所述钢筋试样为长方体，长度为95～105mm，宽度为45～55mm，厚度为4～6mm。
进一步地，所述模具包括上压板、下压板、侧板、连接孔、加速孔、塑料螺柱。
进一步地，所述模具上压板长120～125mm、宽70～74mm、厚7～9mm。
进一步地，所述模具连接孔位于上压板侧边中心，数量为4个，直径为3～5mm。
进一步地，所述模具加速孔为直径3～5mm的通孔，数量为9～12个。
进一步地，所述模具上压板四个角的加速孔距离长侧边15～18mm，距离短侧边20～22mm，加速孔之间水平距离17～19mm，垂直距离37～41mm。
进一步地，所述下压板中连接孔与加速孔的位置、尺寸和上压板相互对应。
进一步地，所述安装在加速孔上的塑料螺柱高度11～13mm。
进一步地，所述模具短侧板内表面左右两侧有凹槽，凹槽尺寸与长侧板侧壁尺寸相配合。
进一步地，所述钢筋混凝土试样固定于试样架，试样正面朝南与地面成45°角进行暴晒，暴晒周期为3个月、7个月、15个月、30个月。
进一步地，所述钢筋混凝土试样经一定周期暴晒后取回，用机械法除去钢筋表面的混凝土，对宏观腐蚀形貌进行观察，酸洗后得到腐蚀速率。
根据本发明的另一方面，提供了一种钢筋混凝土试样制备方法，其包括以下步骤：用螺丝钉将下压板与侧板联接，塑料螺柱固定于下压板加速孔位置，将钢筋试样置于模具内部塑料螺柱之上；配置好的混凝土浆料沿模具的内壁缓缓注入，直到混凝土与模具侧板上表面齐平时，停止注入；用螺丝钉通过连接孔将上压板与侧板固定，塑料螺柱固定于模具上压板加速孔；25～28℃固化时效24h，去除模具，取出固化后的钢筋混凝土试样。
进一步地，所述钢筋混凝土试样分为三层，表层与底层为混凝土，中间为钢筋试样，混凝土厚度均为5mm。
本发明具有以下优点及有益效果的一种或多种：
(1)本发明中，根据环境腐蚀参数载荷谱设计混凝土配比及厚度，为现场钢筋混凝土配置提供了理论指导。
(2)本发明中，采用混凝土将钢筋包裹起来，能反映钢筋在混凝土中的真实服役条件的腐蚀情况。
(3)本发明中，采用自然大气暴露试验，既可以真实反映服役地点的腐蚀状况，又能减小室内模拟实验带来的误差。
(4)本发明中，钢筋混凝土试样上下表面有孔径相同的加速孔，能短期时间内快速评价钢筋的耐蚀性。
附图说明
图1是本发明的钢筋混凝土试样所用模具图
图2是本发明的钢筋混凝土标准试样图
图3是本发明的钢筋混凝土试样固定于试样架示意图
图4是实施例1和2两种试样腐蚀速率柱状图
图5是实施例1钢筋试样腐蚀宏观形貌图
图6是实施例2钢筋试样腐蚀宏观形貌图
图中：1—上压板，2—下压板，3—侧板，4—连接孔，5—加速孔，6—塑料螺柱，7—混凝土，8—钢筋试样，9—钢筋混凝土试样，10—试样架，11—塑料圆柱，12—螺钉。
具体实施方式
为了对本发明的目的和有益效果有更加清楚的理解，下述附图详细地描述了本发明热带海洋大气环境混凝土结构用钢筋耐腐蚀性实验方法，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
图1是本发明的钢筋混凝土试样所用模具图，其中，(a)为模具构造图，(b)为模具俯视图，(c)为模具A-A剖面图，(d)为模具B-B剖面图。
如图1所示，钢筋混凝土试样模具包括上压板(1)、下压板(2)、侧板(3)、连接孔(4)、加速孔(5)、塑料螺柱(6)。
根据本发明的一个实施例，模具尺寸优选为：上压板(1)长122mm、宽72mm、厚8mm；连接孔(4)位于上压板(1)侧边中心，数量为4个，直径为4mm；加速孔(5)为直径3的通孔，数量为9个，上压板(1)四个角的加速孔(5)距离长侧边17mm，距离短侧边21mm，加速孔之间水平距离40mm，垂直距离19mm；下压板(2)中连接孔与加速孔的位置、尺寸和上压板相互对应；安装在加速孔上的塑料螺柱(6)高度13mm；侧板(3)高度为15mm，短侧板内表面左右两侧有凹槽，凹槽尺寸与长侧板侧壁尺寸相配合。
图2是本发明的钢筋混凝土标准试样图，其中(a)为钢筋混凝土试样的俯视图，(b)为钢筋混凝土试样的正视图。
如图2所示，钢筋混凝土试样分为三层，表层与底层为混凝土，中间为钢筋试样，混凝土厚度均为5mm。
根据本发明的一个实施例，钢筋混凝土试样尺寸优选为：长为122mm，宽为72mm，高为15mm，其中钢筋试样为长方体，长度为100mm，宽度为50mm，厚度为5mm。
图3是本发明的钢筋混凝土试样固定于试样架示意图，其中(a)为俯视图，(b)为正视图。
如图3所示，(10)为试样架，钢筋混凝土试样(9)底部有两个直径为6mm，高度为80mm的塑料圆柱(11)，塑料圆柱的作用是将钢筋混凝土试样与试样架隔离，防止发生电偶腐蚀。试样顶部塑料螺柱与试样架底部塑料螺柱用螺丝将其配合，用来固定钢筋混凝土试样。
下面将结合具体的实施例来进一步解释本发明的热带海洋大气环境混凝土结构用钢筋耐腐蚀性实验方法，这些实施例仅用于解释测试目的，验证测试目标。本发明从腐蚀速率、腐蚀深度及腐蚀宏观形貌对测试结果进行分析。
测试准备
采用两种钢筋作为试样，其化学成分见表1所示。其中，1#钢筋是工业生产的普碳钢钢筋，2#钢筋是在普碳钢成分基础上添加一定量合金元素制得的低合金钢筋。
表1钢筋试样的化学成分(wt％)
编号 C Si Mn P S Cu Ni Mo Cr Ti V
1# 0.21 0.39 1.48 0.035 / / / / / / 0.052
2# 0.18 0.57 1.01 0.01 0.002 0.3 0.2 0.14 1.60 0.02 0.053
现场暴露前对钢筋试样表面进行清理，除去毛刺及孔内杂物，再进行清洗。清洗时先使用石油醚，再用无水乙醇，最后用丙酮，清洗后用热风吹干。测量并记录试样的试样尺寸(精确到0.01mm)和原始质量(精确到0.1mg)。依据公式(1)计算钢筋的腐蚀速率：
Figure GDA0002902191590000061
其中，v表示腐蚀速率，单位为mm/y；W表示试样腐蚀前后的质量差，单位为g；S表示钢筋试样表面积，单位为cm2；t表示腐蚀进行时间，单位为h；ρ表示试样密度，单位为g/cm3；。
依据公式(2)计算钢筋的平均腐蚀深度：
Figure GDA0002902191590000062
其中，h表示平均腐蚀深度，单位为mm；W表示试样腐蚀前后的质量差，单位为g；S表示钢筋试样表面积，单位为cm2；ρ表示试样密度，单位为g/cm3。
实施例1泰国沿海A实验站
将准备好的两种钢筋混凝土试样，参照标准GB11112-89进行现场大气暴露测试，测试地点为泰国沿海A实验站。A实验站所在地区年平均温度29～31℃，相对湿度80～90％RH，降雨量1500～2000mm，辐照量96～120mW/m2。测试时间为7个月，测试结束后将钢筋混凝土试样取回，去除表面混凝土后观察宏观腐蚀形貌，然后按GB/T16545-1996对试样去腐蚀产物，得到腐蚀速率和平均腐蚀深度。
两种钢筋试样腐蚀速率、平均腐蚀深度结果见表2所示。另外两种钢筋试样宏观腐蚀形貌如图5。
表2 A实验站两种钢筋试样的腐蚀结果
Figure GDA0002902191590000063
实施例2泰国沿海B实验站
将准备好的钢筋混凝土试样，参照标准GB11112-89进行现场大气暴露测试，测试地点为泰国沿海B实验站。B实验站所在地区年平均温度28～30℃，相对湿度75～85％RH，降雨量1200～1500mm，辐照量90～115mW/m2。测试时间为7个月，测试结束后将钢筋混凝土试样取回，去除表面混凝土后观察宏观腐蚀形貌，然后按GB/T16545-1996对试样去腐蚀产物，得到腐蚀速率和平均腐蚀深度。
两种钢筋试样腐蚀速率、平均腐蚀深度结果见表3所示。另外两种钢筋试样宏观腐蚀形貌如图6。
表3 B实验站两种钢筋试样的腐蚀结果
Figure GDA0002902191590000071
从以上的描述中，可以看出，本发明的上述实施例实现了如下技术效果：根据环境参数载荷谱设计混凝土配比及厚度，为现场钢筋混凝土配置提供了理论指导；采用混凝土将钢筋包裹起来，能反映钢筋在混凝土中的真实服役情况；采用自然暴露试验，既可以真实反映服役地点的腐蚀状况，又能减小室内模拟实验带来的误差；钢筋混凝土试样上下表面有孔径相同的加速孔，能短期时间内快速评价钢筋的耐蚀性。

Claims (2)

1.一种热带海洋大气环境混凝土结构用钢筋耐腐蚀性实验方法，其特征在于，所述实验方法包括下述步骤：
S1:统计和分析泰国沿海地区气候环境条件与变化规律，建立环境腐蚀参数载荷谱；
S2:依照环境腐蚀参数载荷谱，拟定多种混凝土配比和混凝土厚度，设计不同实验方案，即在相同温度、湿度、固化时间条件下进行对比实验，优选一套混凝土配比及确定混凝土厚度，并按照钢筋试样尺寸和混凝土厚度设计模具；
S3:钢筋试样固定于模具内部，将混凝土浆料浇筑进去，浆料固化后拆模，制得钢筋混凝土试样；
S4:将钢筋混凝土试样固定于试样架进行室外大气暴露实验，通过分析不同取样周期钢筋试样的腐蚀动力学及宏观形貌，对钢筋试样的耐蚀性能进行评价，从而优选出耐蚀性能好的钢筋；
所述的步骤S1中，所述环境腐蚀参数载荷谱为温度、相对湿度、降雨量、Cl-沉积率和辐照量；
所述的步骤S2中，所述模具包括上压板(1)、下压板(2)、侧板(3)、连接孔(4)、加速孔(5)、塑料螺柱(6)；上压板(1)长120～125mm、宽70～74mm、厚7～9mm；连接孔(4)位于上压板(1)侧边中心，数量为4个，直径为3～5mm；加速孔(5)为直径3～5mm的通孔，数量为9～12个，上压板(1)四个角的加速孔(5)距离长侧边15～18mm，距离短侧边20～22mm，加速孔之间水平距离37～41mm，垂直距离17～19mm；下压板(2)中连接孔与加速孔的位置、尺寸和上压板相互对应；安装在加速孔上的塑料螺柱(6)高度11～13mm；侧板(3)高度为13～15mm，短侧板内表面左右两侧有凹槽，凹槽尺寸与长侧板侧壁尺寸相配合；
所述的步骤S2中，所述钢筋试样为长方体，长度为95～105mm，宽度为45～55mm，厚度为4～6mm；
所述的步骤S3中，所述钢筋混凝土试样制作包括以下步骤：
S3-1：用螺丝钉将下压板与侧板联接，塑料螺柱固定于下压板加速孔位置，将钢筋试样置于模具内部塑料螺柱之上；
S3-2：配置好的混凝土浆料沿模具的内壁缓缓注入，直到混凝土与模具侧板上表面齐平时，停止注入；
S3-3：用螺丝钉通过连接孔将上压板与侧板固定，塑料螺柱固定于模具上压板加速孔；
S3-4：25～28℃固化时效24h，去除模具，取出固化后的钢筋混凝土试样；
所述的步骤 S3-4 中，所述钢筋混凝土试样分为三层，表层与底层为混凝土，中间为钢筋试样，混凝土厚度均为 5mm ；
所述的步骤S4中，所述钢筋混凝土试样固定于试样架，试样正面朝南与地面成45°角进行暴晒，暴晒周期为3个月、7个月、15个月、30个月。
2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述的步骤S4中，所述钢筋混凝土试样经一定周期暴晒后取回，用机械法除去钢筋表面的混凝土，对宏观腐蚀形貌进行观察，酸洗后得到腐蚀速率。
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