CN113295513A - 一种钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统及试验方法，属于排水管道服役性能评估技术领域。该系统包括钢筋混凝土管道、透明耐腐蚀内衬、封堵环板、应力加载装置和腐蚀溶液循环系统。钢筋混凝土管道横卧在支座上，内部设置透明耐腐蚀内衬，二者之间形成间隙，腐蚀溶液聚集在管身截面下部分间隙。应力加载装置通过钢条、拉杆和配置力传感器的高强螺栓进行固定。腐蚀溶液循环系统通过循环管道与封堵环板相连接。该系统可以在确保腐蚀效果的前提下，大幅度减少腐蚀溶液的用量；同时，内衬的透明特性可使得直接观测管道内壁腐蚀过程的特性演化规律成为可能，而应力加载装置可以实现腐蚀和受力同步进行，更为有效模拟实际服役环境。

Description

一种钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统及试验方法
技术领域
本发明涉及排水管道服役性能评估技术领域，特别是指一种钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统及试验方法。
背景技术
作为城镇排水管网的重要组成部分之一，钢筋混凝土管道内部的生活污水在微生物的作用下不可避免地会不断产生并溢出硫化氢气体，其与管壁附着的水珠结合所形成的硫酸，会不断与混凝土水化物发生中和反应，造成管道不断被腐蚀。特别是管道顶部，持续腐蚀会引起管道壁厚明显变薄，造成管道性能严重降低，影响管道的服役寿命。因此，有效模拟钢筋混凝土管道的服役环境、深入探索其腐蚀特性规律以及准确预估其残余服役寿命，对城镇现役排水管网服役状态评价、维修技术方案和时机选择、维护计划制定等具有重要意义。
现有针对钢筋混凝土排水管道腐蚀特性的相关研究，主要侧重于从材料角度对水泥混凝土试件进行腐蚀并研究其性能演化规律，但是从足尺管道构件角度所展开的腐蚀及力学性能等相关研究并不丰富。有研究针对常用于排水管网支线的内径200mm管道构件，对其注入半管身截面稀硫酸进行腐蚀试验，但是针对排水管网主干线的大管径管道，例如1.5m、2m等，相关腐蚀研究鲜见报道。若进一步采用注入全/半管身截面稀硫酸或其他溶液的形式，则会消耗大量的腐蚀溶液，考虑到相关化学试剂的安全性、易制毒等管制因素，运用如此大量硫酸等腐蚀溶液开展试验的可能性十分有限。因此，需要设计一套试验装置，在尽可能减少硫酸等腐蚀溶液用量的前提下，达到相同的腐蚀效果，这对于足尺钢筋混凝土管道腐蚀研究至关重要。
现役钢筋混凝土排水管道在其周围覆土的作用下，管身不可避免会出现一定程度的缺陷，例如裂缝和变形，而该缺陷的存在则会进一步加速管道的腐蚀。现阶段暂无相关国家试验规范对足尺管道构件腐蚀特性的试验研究作出明确要求和指导。因此，如何在足尺排水管道腐蚀试验中考虑结构缺陷的影响，尽可能模拟管道服役过程中所处状态，这对于研究此类问题具有重要意义。
据此，为有效模拟足尺钢筋混凝土排水管道的腐蚀服役环境，同时考虑减少腐蚀溶液用量和管道结构缺陷等因素，有必要开发一种钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统并形成相应的试验方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统及试验方法，以实现对足尺钢筋混凝土排水管道腐蚀服役环境的有效模拟，在大幅度减少腐蚀溶液的基础上确保腐蚀效果，充分模拟管道结构缺陷，同时实现对排水管道腐蚀特性及服役性能等演化规律进行有效评价。
该试验系统包括钢筋混凝土管道、透明耐腐蚀内衬、两端封堵装置、应力加载装置和腐蚀溶液循环系统，钢筋混凝土管道横卧在支座上，钢筋混凝土管道内部设置透明耐腐蚀内衬，二者之间形成间隙，腐蚀溶液聚集在管身截面下部分间隙，透明耐腐蚀内衬内部为空腔，两端封堵装置包括封堵环板和密封橡胶圈，封堵环板通过拉杆和配置力传感器的高强螺栓固定于钢筋混凝土管道的两端，封堵环板与钢筋混凝土管道之间设置密封橡胶圈；应力加载装置包括橡胶垫和钢梁，两根钢梁放置于钢筋混凝土管道顶部和底部，钢梁和钢筋混凝土管道之间设置橡胶垫，钢梁通过钢条、拉杆和配置力传感器的高强螺栓进行固定；腐蚀溶液循环系统包括腐蚀溶液、腐蚀溶液调控系统和循环泵，腐蚀溶液调控系统内盛装腐蚀溶液，腐蚀溶液调控系统通过循环泵和循环管道与位于钢筋混凝土管道下部间隙位置处的封堵环板相连接，循环管道上设置阀门。
其中，间隙设置为5cm，环状间隙的顶部与底部均设置通过阀门控制的循环管道，顶部用于排气，底部用于腐蚀溶液的循环流动。
透明耐腐蚀内衬通过密封橡胶圈辅助固定于封堵环板中间位置，透明耐腐蚀内衬内部空腔处设置光源，通过钢筋混凝土管道两端直接观测内侧管壁腐蚀情况。
钢梁由配置力传感器的高强螺栓直接与钢条固定，通过拉杆将顶部和底部钢条连接，实现向钢筋混凝土管道施加应力，通过配置力传感器的高强螺栓对所施加应力进行实时调控。
应力加载装置沿钢筋混凝土管道长度方向设置3套。
腐蚀溶液调控系统设置监测传感器，实时测试腐蚀溶液循环系统中的腐蚀溶液浓度或pH值，自动调节并补充新鲜腐蚀溶液。
应用该系统的试验方法，包括步骤如下：
S1：打开钢筋混凝土管道与透明耐腐蚀内衬之间上部和下部间隙处循环管道的阀门，通过腐蚀溶液循环系统向钢筋混凝土管道间隙注入腐蚀溶液，直至液面上升至半管身截面处，依次关闭下部和上部间隙处阀门以及循环泵，实现腐蚀溶液的灌注；
S2：调节配置力传感器的高强螺栓松紧程度，通过实时显示的应力数值，调控通过钢梁施加于钢筋混凝土管道的应力大小；
S3：通过腐蚀溶液循环系统定期补充新鲜腐蚀溶液，确保钢筋混凝土管道内部腐蚀溶液的浓度或pH值始终维持稳定状态；
S4：腐蚀试验结束后，通过腐蚀溶液循环系统将钢筋混凝土管道内部的腐蚀溶液进行排空，在用水进行清洗后，依次测试管道内壁腐蚀特性及残余力学性能。
S2中钢梁向钢筋混凝土管道施加的应力大小始终控制为管道构件80％裂缝荷载。
S4中钢筋混凝土管道的内壁腐蚀特性指标包括腐蚀层的形貌特征、厚度、化学成分变化，力学性能指标包括裂缝荷载、破坏荷载、裂缝发展过程。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)本发明钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统采用内衬形式进行腐蚀溶液的灌注，相较于直接向管道灌注半截面管身的腐蚀溶液，内衬形式的设置可以在确保腐蚀溶液与管内壁充分接触的前提下，大幅度减少腐蚀溶液用量，使得采用硫酸等易制毒化学试剂对足尺大管径管道进行腐蚀的试验方案具备可行性。
(2)本发明设置耐腐蚀内衬选取透明材质，在管道内部空腔中放置光源，可借助高精度摄像技术实现对管道内部腐蚀层发育演化规律进行实时监测。
(3)本发明采用应力加载装置对钢筋混凝土管道施加荷载，可实现综合腐蚀程度和结构缺陷程度两种因素共同对管道影响的研究，所模拟环境与管道真实服役环境更为接近。
附图说明
图1为本发明的钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统侧立面示意图；
图2为本发明的钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统正立面示意图；
图3为本发明实施例中腐蚀溶液循环系统局部放大图。
其中：1-钢筋混凝土管道；2-封堵环板；3-密封橡胶圈；4-透明耐腐蚀内衬；5-间隙；6-空腔；7-腐蚀溶液；8-拉杆；9-配置力传感器的高强螺栓；10-钢梁；11-橡胶垫；12-钢条；13-腐蚀溶液循环系统；14-循环管道；15-阀门；16-支座；17-循环泵；18-腐蚀溶液调控系统。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统及试验方法。
如图1和图2所示，该系统包括钢筋混凝土管道1、透明耐腐蚀内衬4、两端封堵装置、应力加载装置和腐蚀溶液循环系统，钢筋混凝土管道1横卧在支座16上，钢筋混凝土管道1内部设置透明耐腐蚀内衬4，二者之间形成间隙5，腐蚀溶液7聚集在管身截面下部分间隙5，透明耐腐蚀内衬4内部为空腔6，两端封堵装置包括封堵环板2和密封橡胶圈3，封堵环板2通过拉杆8和配置力传感器的高强螺栓9固定于钢筋混凝土管道1的两端，封堵环板2与钢筋混凝土管道1之间设置密封橡胶圈3；应力加载装置包括橡胶垫11和钢梁10，两根钢梁10放置于钢筋混凝土管道1顶部和底部，钢梁10和钢筋混凝土管道1之间设置橡胶垫11，钢梁10通过钢条12、拉杆8和配置力传感器的高强螺栓9进行固定；如图3所示，腐蚀溶液循环系统13包括腐蚀溶液7、腐蚀溶液调控系统18和循环泵17，腐蚀溶液调控系统18内盛装腐蚀溶液7，腐蚀溶液调控系统18通过循环泵17和循环管道14与位于钢筋混凝土管道1下部间隙5位置处的封堵环板2相连接，循环管道14上设置阀门15。
应用该系统的方法，包括步骤如下：
S1：打开钢筋混凝土管道1与透明耐腐蚀内衬4之间上部和下部间隙6处循环管道的阀门，通过腐蚀溶液循环系统13向钢筋混凝土管道间隙注入腐蚀溶液7，直至液面上升至半管身截面处，依次关闭下部和上部间隙处阀门以及循环泵17，实现腐蚀溶液的灌注；
S2：调节配置力传感器的高强螺栓9松紧程度，通过实时显示的应力数值，调控通过钢梁施加于钢筋混凝土管道1的应力大小；
S3：通过腐蚀溶液循环系统13定期补充新鲜腐蚀溶液，确保钢筋混凝土管道内部腐蚀溶液的浓度或pH值始终维持稳定状态；
S4：腐蚀试验结束后，通过腐蚀溶液循环系统13将钢筋混凝土管道1内部的腐蚀溶液7进行排空，在用水进行清洗后，依次测试管道内壁腐蚀特性及残余力学性能。
下面结合具体实施例予以说明。
在具体试验中，钢筋混凝土管道1的内径设置为1.5m，管长设置为3m。选取5％稀硫酸作为腐蚀溶液。钢筋混凝土管道1与透明耐腐蚀内衬4之间的间隙5设置为5cm，环状间隙5的顶部与底部均设置通过阀门15控制的循环管道14，顶部用于排气，底部用于腐蚀溶液7的循环流动。透明耐腐蚀内衬4通过密封橡胶圈3辅助固定于封堵环板2中间位置，在其内部空腔6处设置光源，实现通过钢筋混凝土管道1两端即可直接观测其内测管壁腐蚀情况。钢梁10由高强螺栓直接与钢条12固定，通过拉杆8将顶部和底部钢条12连接，实现向钢筋混凝土管道1施加应力，并通过配置力传感器的高强螺栓9对所施加应力进行实时调控，本发明沿钢筋混凝土管道1长度方向设置3套应力加载装置。通过腐蚀溶液调控系统13不断补充新鲜腐蚀溶液7，实现对循环流动腐蚀溶液7的浓度或pH值进行实施调控。
具体的试验过程如下：
(1)打开钢筋混凝土管道1与透明耐腐蚀内衬4之间上部和下部间隙5处循环管道14的阀门15，通过腐蚀溶液循环系统13向钢筋混凝土管道1间隙5注入腐蚀溶液7，直至液面上升至半管身截面处，依次关闭下部和上部间隙7处阀门15以及循环泵17，实现腐蚀溶液7的灌注；
(2)调节配置力传感器的高强螺栓9松紧程度，通过实时显示的应力数值，调控通过钢梁10施加于钢筋混凝土管道1的应力大小；
(3)通过腐蚀溶液循环系统13定期补充新鲜腐蚀溶液7，确保钢筋混凝土管道1内部腐蚀溶液7的浓度或pH值始终维持稳定状态；
(4)腐蚀试验结束后，通过腐蚀溶液循环系统13将钢筋混凝土管道1内部的腐蚀溶液7进行排空，在用水进行清洗后，依次测试管道内壁腐蚀特性及残余力学性能。
本发明中，采用透明耐腐蚀内衬4的形式，可以在确保腐蚀效果的前提下，大幅度减少腐蚀溶液7的用量，使得针对足尺大管径钢筋混凝土管道1采用硫酸等易制毒化学试剂进行腐蚀的试验方案具备可行性；同时，透明耐腐蚀内衬4的透明特性可使得直接观测管道1内壁腐蚀过程的特性演化规律成为可能，而应力加载装置可以实现腐蚀和受力同步进行，更为有效模拟实际服役环境。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统，其特征在于：包括钢筋混凝土管道(1)、透明耐腐蚀内衬(4)、两端封堵装置、应力加载装置和腐蚀溶液循环系统，钢筋混凝土管道(1)横卧在支座(16)上，钢筋混凝土管道(1)内部设置透明耐腐蚀内衬(4)，二者之间形成间隙(5)，腐蚀溶液(7)聚集在管身截面下部分间隙(5)，透明耐腐蚀内衬(4)内部为空腔(6)，两端封堵装置包括封堵环板(2)和密封橡胶圈(3)，封堵环板(2)通过拉杆(8)和配置力传感器的高强螺栓(9)固定于钢筋混凝土管道(1)的两端，封堵环板(2)与钢筋混凝土管道(1)之间设置密封橡胶圈(3)；应力加载装置包括橡胶垫(11)和钢梁(10)，两根钢梁(10)放置于钢筋混凝土管道(1)顶部和底部，钢梁(10)和钢筋混凝土管道(1)之间设置橡胶垫(11)，钢梁(10)通过钢条(12)、拉杆(8)和配置力传感器的高强螺栓(9)进行固定；腐蚀溶液循环系统(13)包括腐蚀溶液(7)、腐蚀溶液调控系统(18)和循环泵(17)，腐蚀溶液调控系统(18)内盛装腐蚀溶液(7)，腐蚀溶液调控系统(18)通过循环泵(17)和循环管道(14)与位于钢筋混凝土管道(1)下部间隙(5)位置处的封堵环板(2)相连接，循环管道(14)上设置阀门(15)。
2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统，其特征在于：所述间隙(5)为5cm，环状间隙的顶部与底部均设置通过阀门控制的循环管道，顶部用于排气，底部用于腐蚀溶液的循环流动。
3.根据权利要求1所述的钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统，其特征在于：所述透明耐腐蚀内衬(4)通过密封橡胶圈(3)辅助固定于封堵环板(2)中间位置，透明耐腐蚀内衬(4)内部空腔(6)处设置光源，通过钢筋混凝土管道(1)两端直接观测内侧管壁腐蚀情况。
4.根据权利要求1所述的钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统，其特征在于：所述钢梁(10)由配置力传感器的高强螺栓(9)直接与钢条(12)固定，通过拉杆(8)将顶部和底部钢条连接，实现向钢筋混凝土管道(1)施加应力，通过配置力传感器的高强螺栓(9)对所施加应力进行实时调控。
5.根据权利要求1所述的钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统，其特征在于：所述应力加载装置沿钢筋混凝土管道(1)长度方向设置3套。
6.根据权利要求1所述的钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统，其特征在于：所述腐蚀溶液调控系统(18)设置监测传感器，实时测试腐蚀溶液循环系统(13)中的腐蚀溶液浓度或pH值，自动调节并补充新鲜腐蚀溶液。
7.应用权利要求1所述的钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验系统的试验方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：打开钢筋混凝土管道(1)与透明耐腐蚀内衬(4)之间上部和下部间隙(6)处循环管道的阀门，通过腐蚀溶液循环系统(13)向钢筋混凝土管道间隙注入腐蚀溶液(7)，直至液面上升至半管身截面处，依次关闭下部和上部间隙处阀门以及循环泵(17)，实现腐蚀溶液的灌注；
S2：调节配置力传感器的高强螺栓(9)松紧程度，通过实时显示的应力数值，调控通过钢梁施加于钢筋混凝土管道(1)的应力大小；
S3：通过腐蚀溶液循环系统(13)定期补充新鲜腐蚀溶液，确保钢筋混凝土管道内部腐蚀溶液的浓度或pH值始终维持稳定状态；
S4：腐蚀试验结束后，通过腐蚀溶液循环系统(13)将钢筋混凝土管道(1)内部的腐蚀溶液(7)进行排空，在用水进行清洗后，依次测试管道内壁腐蚀特性及残余力学性能。
8.根据权利要求7所述的钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验方法，其特征在于：所述S2中钢梁向钢筋混凝土管道施加的应力大小始终控制为管道构件80％裂缝荷载。
9.根据权利要求7所述的钢筋混凝土排水管道应力腐蚀试验方法，其特征在于：所述S4中钢筋混凝土管道的内壁腐蚀特性指标包括腐蚀层的形貌特征、厚度、化学成分变化，力学性能指标包括裂缝荷载、破坏荷载、裂缝发展过程。
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