CN114112890B - 一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定装置及方法，属于钢筋混凝土结构耐久性问题研究技术领域。测定装置主要包括潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置以及电渗试验装置；潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置包括储水箱、潮汐浪溅循环系统、试验箱，所述的储水箱、潮汐浪溅循环系统和试验箱通过防锈管依次连通；本发明能够模拟真实海洋侵蚀环境，有效缩短试验周期，同时以宏电池电流密度突变作为钢筋脱钝的判断依据，实现同时对多组试验试件钢筋状态的实时监测，获得比传统试验方法法更科学可靠的临界氯离子浓度值。
Description
技术领域
本发明属于钢筋混凝土结构耐久性问题研究技术领域，具体涉及一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定装置及方法。
背景技术
针对海洋环境下的钢筋混凝土锈蚀退化问题，通常认为当混凝土中钢筋表面的氯离子浓度达到某一阈值时，钢筋锈蚀开始，并将此时钢筋表面的氯离子浓度称为临界氯离子浓度。临界氯离子浓度是评估混凝土中钢筋开始锈蚀时间的最重要参数之一，因此，研究临界氯离子浓度对钢筋混凝土结构耐久性设计和已服役结构剩余寿命预测均具有重要意义。
目前，关于钢筋锈蚀临界氯离子浓度的测定通常采用自然暴露试验法、干湿循环试验法和电渗试验法等。其中，自然暴露试验法可将试验试件暴露在真实自然环境中，测试周期长达几年甚至十几年，实际应用价值低；干湿循环试验法通过干湿循环机制加速氯离子进入混凝土，缩短了试验周期，但是该方法无法模拟真实自然环境；电渗试验法利用外加电场加速溶液离子快速进入混凝土材料，通常仅需几天就能获得试验测试数据，已得到广泛应用。
现有技术中的测定设备，不能加速氯离子进入混凝土，试验周期较长；不能反映真实自然环境下混凝土中钢筋初锈过程；无法对钢筋状态进行实时监测。
基于上述分析，现有技术或试验周期较长，或无法反映真实海洋环境的暴露条件，因此迫切需要一种新的装置及方法能够使钢筋混凝土在复杂海洋环境下快速达到钢筋锈蚀的临界状态，以快速获取科学可靠的临界氯离子浓度。
发明内容
为了克服背景技术中现有技术中的测定设备，不能加速氯离子进入混凝土，试验周期较长；不能反映真实自然环境下混凝土中钢筋初锈过程；无法对钢筋状态进行实时监测的问题，本发明提供一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定装置及方法。
为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定装置，包括潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置以及电渗试验装置；
所述的潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置包括储水箱(1)、潮汐浪溅循环系统(2)、试验箱(6)，所述的储水箱(1)和试验箱(6)之间通过潮汐浪溅循环系统(2)连接形成一个封闭的循环导流系统；
所述的电渗试验装置包括稳压电流源(10)、不锈钢板(11)、吸水海绵(12)、试验试件(13)和塑料底板(14)，所述的试验试件(13)顶部和底部各设置一块不锈钢板(11)，所述的稳压电流源(10)的负、正极分别通过导线连通到两个不锈钢板(11)上；位于试验试件(13)顶部的不锈钢板(11)与试验试件(13)顶部之间设有吸水海绵(12)；不锈钢板(11)、吸水海绵(12)、试验试件(13)组成的试件组通过塑料底板(14)绝缘支撑放置在试验箱(6)内。
进一步，所述的试验箱(6)顶部设有喷淋装置(7)。
进一步，所述的潮汐浪溅循环系统(2)包括电磁阀(3)、水泵(4)、流量控制阀(5)、液位传感器(8)、控制器(16)和两根防锈管(9)，两根防锈管(9)将储水箱(1)和试验箱(6)连通形成封闭的循环导流系统，每根防锈管(9)上均安装有电磁阀(3)、水泵(4)、流量控制阀(5)，所述的液位传感器(8)安装在试验箱(6)底部位置，电磁阀(3)、水泵(4)、流量控制阀(5)和液位传感器(8)均与控制器(16)电连接。
进一步，所述的电渗试验装置还包括保水塑料布(15)，保水塑料布(15)包裹在不锈钢板(11)、吸水海绵(12)、试验试件(13)组成的试件组外侧。
进一步，所述的试验试件(13)包括浇筑为一体的测试钢筋(13-1)和不锈钢钢筋(13-2)；当试验试件置于潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置中的试验箱(6)进行真实海洋环境下的模拟试验时，测试钢筋(13-1)与不锈钢钢筋(13-2)通过导线与电阻(13-3)连通。
一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定方法，包括以下步骤：步骤1)将所述的试验试件(13)的两根钢筋与电阻(13-3)通过导线连接，然后放入潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置的试验箱(6)中，期间采用多通道电压采集仪监测试验试件(13)的测试钢筋(13-1)与不锈钢钢筋(13-2)之间的宏电池腐蚀电流密度，持续暴露，使之趋于稳定；
步骤2)将试验试件(13)取出，并与电阻(13-3)断开连接，置于电渗试验装置并通电，使得氯离子可以快速到达钢筋表面，通电过程中定期为吸水海绵(12)补充氯化钠溶液，并用保水塑料布(15)用于密封整个试件组；待达到预计通电时间t后，关闭稳压电流源(10)。
步骤3)待电渗试验结束后，将试验试件(13)的两根钢筋与电阻(13-3)连接后重新放回所述的潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置的试验箱(6)中，期间通过多通道电压采集仪持续监测试验试件(13)的测试钢筋(13-1)和不锈钢钢筋(13-2)之间的宏电池腐蚀电流密度；以宏电池腐蚀电流密度突变作为钢筋锈蚀开始的判别标准，监测钢筋初始锈蚀时间，待钢筋锈蚀后，将试验试件(13)取出，测定此时钢筋前沿混凝土的氯离子浓度，即为钢筋混凝土试件中钢筋锈蚀的临界氯离子浓度。
进一步，所述的步骤1)中的持续暴露时间为30-90天。
进一步，所述步骤2)的预计通电时间t通过式(M)计算：
式中，其中z为离子电价，F为法拉第常数，E为试验试件(13)两端电压，R为莫尔气体常量，T为阳极电解液初始和最终温度的平均值，L为试样的厚度；xd为保护层厚度；c0为吸水海绵(12)溶液中的氯离子浓度；cd为钢筋前沿混凝土的目标氯离子浓度；Dnssm为试验试件(13)的非稳态电迁移扩散系数。
本发明的有益效果：
本发明能够模拟真实海洋侵蚀环境，有效缩短试验周期，同时以宏电池电流密度突变作为钢筋脱钝的判断依据，实现同时对多组试验试件钢筋状态的实时监测，获得比传统试验方法法更科学可靠的临界氯离子浓度值。
附图说明
图1是本发明主视结构示意图；
图2是本发明俯视结构示意图；
图3是本发明电渗试验装置的结构示意图；
图4是本发明控制框图。
图中，1-储水箱、2-潮汐浪溅循环系统、3-电磁阀、4-水泵、5-流量控制阀、6-试验箱、7-喷淋装置、8-液位传感器、9-防锈管、10-稳压电流源、11-不锈钢板、12-吸水海绵、13-试验试件、13-1-测试钢筋、13-2-不锈钢钢筋、14-塑料底板、15-保水塑料布、16-控制器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。
一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定装置，包括潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置以及电渗试验装置；
所述的潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置包括储水箱1、潮汐浪溅循环系统2、试验箱1，所述的储水箱1和试验箱6之间通过潮汐浪溅循环系统2连接形成一个封闭的循环导流系统；
所述的电渗试验装置用于加速氯离子进入混凝土，包括稳压电流源10、不锈钢板11、吸水海绵12、试验试件13和塑料底板14，所述的试验试件13顶部和底部各设置一块不锈钢板11，所述的稳压电流源10的负、正极分别通过导线连通到两个不锈钢板11上，施加30V电压；位于试验试件13顶部的不锈钢板11与试验试件13顶部之间设有吸水海绵12，吸水海绵12通过一定浓度的NaCl溶液充分浸泡，期间定期为吸水海绵12补充NaCl溶液，在电渗试验过程中提供充足电解质；不锈钢板11、吸水海绵12、试验试件13组成的试件组通过塑料底板14绝缘支撑放置在试验箱6内。本发明能够模拟真实海洋侵蚀环境，有效缩短试验周期，同时以宏电池电流密度突变作为钢筋脱钝的判断依据，实现同时对多组试验试件钢筋状态的实时监测，获得比传统试验方法更科学可靠的临界氯离子浓度值。
所述的试验箱6顶部设有喷淋装置7，喷淋装置7进行浪溅区周期性喷洒，定期为吸水海绵12补充NaCl溶液，潮汐循环周期及浪溅喷洒周期可根据真实情况自行设定。
所述的潮汐浪溅循环系统2包括电磁阀3、水泵4、流量控制阀5、液位传感器8、控制器16和两根防锈管9，两根防锈管9将储水箱1和试验箱6连通形成封闭的循环导流系统，每根防锈管9上均安装有电磁阀3、水泵4、流量控制阀5，所述的液位传感器8安装在试验箱6底部位置，电磁阀3、水泵4、流量控制阀5和液位传感器8均与控制器16电连接，通过潮汐浪溅循环系统将储水箱1和试验箱6之间连通形成一个封闭的循环导流系统，并通过控制器16对电磁阀3、水泵4、流量控制阀5等进行控制，在试验过程中，通过液位传感器8对试验箱6内的液位进行检测，并将相关的液位信息反馈至控制器16，通过液位传感器8反馈的信息，控制器16可通过对流量控制阀5进行控制，实现循环系统的流量控制，通过对水泵4、电磁阀3等进行控制，完成循环系统的截流等工作，确保整个实验箱6内液位始终处于实验所需求的液位，通过控制器16的自动化控制，能够保证实验能够在稳定的实验环境中完成，确保实验的准确性，同时操作方便快捷，降低人力消耗。
所述的电渗试验装置还包括保水塑料布15，保水塑料布15包裹在不锈钢板11、吸水海绵12、试验试件13组成的试件组外侧，以减少水分蒸发流失。
所述的试验试件13包括浇筑为一体的测试钢筋13-1和不锈钢钢筋13-2；当试验试件置于潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置中的试验箱6进行真实海洋环境下的模拟试验时，测试钢筋13-1与不锈钢钢筋13-2通过导线与电阻13-3连通。
潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定方法，包括以下步骤：
步骤1)将所述的试验试件13的两根钢筋与电阻13-3通过导线连接，然后放入潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置的试验箱6中，持续暴露30-90天；进行第一阶段的人工模拟海洋环境下的暴露试验；潮汐区和浪溅区的模拟，所述的潮汐浪溅循环控制系统控制试验箱6所装溶液的高程进行潮汐变化，并控制喷淋装置7进行浪溅区周期性喷洒，潮汐循环周期及浪溅喷洒周期可根据真实情况自行设定；期间采用多通道电压采集仪监测试验试件13测试钢筋13-1与不锈钢钢筋13-2之间的宏电池腐蚀电流密度，并趋于稳定。
步骤2)将试验试件13取出，并与电阻13-3断开连接，置于电渗试验装置并通电，使得氯离子可以快速到达钢筋表面，通电过程中定期为吸水海绵12补充氯化钠溶液，保证其充分湿润，并用保水塑料布15用于密封整个试件组，以减少水分蒸发流失；待达到预计通电时间t后，关闭稳压电流源10。通电时间t通过式(M)计算：
式中，其中z为离子电价，氯离子电价为1，F为法拉第常数(9.648×104A·s/mol)，E为试验试件两端电压，电压维持在20-35V，R为莫尔气体常量(8.3145J/mol/K)，T为阳极电解液初始和最终温度的平均值(单位，K)，L为试样的厚度；xd为保护层厚度；c0为吸水海绵12溶液中的氯离子浓度；cd为钢筋前沿混凝土的目标氯离子浓度；Dnssm为试验试件13的非稳态电迁移扩散系数。
步骤3)待电渗试验结束后，将试验试件13的两根钢筋与电阻13-3连接后重新放回所述的潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置的试验箱6中，期间通过多通道电压采集仪持续监测试验试件13的测试钢筋13-1和不锈钢钢筋13-2之间的宏电池腐蚀电流密度；以宏电池腐蚀电流密度突变作为钢筋锈蚀开始的判别标准，监测钢筋初始锈蚀时间，待钢筋锈蚀后，将试验试件13取出，采用钻孔机在测试钢筋13-1前沿钻孔取粉，测定此时钢筋前沿混凝土的氯离子浓度，即为钢筋混凝土试件中钢筋锈蚀的临界氯离子浓度。
通过上述测定方法，本发明能够模拟真实海洋侵蚀环境，有效缩短试验周期，同时以宏电池电流密度突变作为钢筋脱钝的判断依据，实现同时对多组试验试件钢筋状态的实时监测，获得比传统试验方法法更科学可靠的临界氯离子浓度值。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)将试验试件(13)的两根钢筋与电阻(13-3)通过导线连接，然后放入潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置的试验箱(6)中，期间采用多通道电压采集仪监测试验试件(13)的测试钢筋(13-1)与不锈钢钢筋(13-2)之间的宏电池腐蚀电流密度，持续暴露，使之趋于稳定；
步骤2)将试验试件(13)取出，并与电阻(13-3)断开连接，置于电渗试验装置并通电，使得氯离子可以快速到达钢筋表面，通电过程中定期为吸水海绵(12)补充氯化钠溶液，并用保水塑料布(15)用于密封整个试件组；待达到预计通电时间t后，关闭稳压电流源(10)；
其中，预计通电时间t通过式(M)计算：
式中，其中z为离子电价，F为法拉第常数，E为试验试件(13)两端电压，R为莫尔气体常量，T为阳极电解液初始和最终温度的平均值，L为试样的厚度；xd为保护层厚度；c0为吸水海绵(12)溶液中的氯离子浓度；cd为钢筋前沿混凝土的目标氯离子浓度；Dnssm为试验试件(13)的非稳态电迁移扩散系数；
步骤3)待电渗试验结束后，将试验试件(13)的两根钢筋与电阻(13-3)连接后重新放回所述的潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置的试验箱(6)中，期间通过多通道电压采集仪持续监测试验试件(13)的测试钢筋(13-1)和不锈钢钢筋(13-2)之间的宏电池腐蚀电流密度；以宏电池腐蚀电流密度突变作为钢筋锈蚀开始的判别标准，监测钢筋初始锈蚀时间，待钢筋锈蚀后，将试验试件(13)取出，测定此时钢筋前沿混凝土的氯离子浓度，即为钢筋混凝土试件中钢筋锈蚀的临界氯离子浓度。
2.如权利要求1所述的一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定方法，其特征在于：所述的步骤1)中的持续暴露时间为30-90天。
3.如权利要求1或2所述的一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定方法，其特征在于：采用潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定装置进行测定；
所述的潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定装置包括潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置以及电渗试验装置；
所述的潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置包括储水箱(1)、潮汐浪溅循环系统(2)、试验箱(6)，所述的储水箱(1)和试验箱(6)之间通过潮汐浪溅循环系统(2)连接形成一个封闭的循环导流系统；
所述的电渗试验装置包括稳压电流源(10)、不锈钢板(11)、吸水海绵(12)、试验试件(13)和塑料底板(14)，所述的试验试件(13)顶部和底部各设置一块不锈钢板(11)，所述的稳压电流源(10)的负、正极分别通过导线连通到两个不锈钢板(11)上；位于试验试件(13)顶部的不锈钢板(11)与试验试件(13)顶部之间设有吸水海绵(12)；不锈钢板(11)、吸水海绵(12)、试验试件(13)组成的试件组通过塑料底板(14)绝缘支撑放置在试验箱(6)内。
4.如权利要求3所述的一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定方法，其特征在于：所述的试验箱(6)顶部设有喷淋装置(7)。
5.如权利要求3所述的一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定方法，其特征在于：所述的潮汐浪溅循环系统(2)包括电磁阀(3)、水泵(4)、流量控制阀(5)、液位传感器(8)、控制器(16)和两根防锈管(9)，两根防锈管(9)将储水箱(1)和试验箱(6)连通形成封闭的循环导流系统，每根防锈管(9)上均安装有电磁阀(3)、水泵(4)、流量控制阀(5)，所述的液位传感器(8)安装在试验箱(6)底部位置，电磁阀(3)、水泵(4)、流量控制阀(5)和液位传感器(8)均与控制器(16)电连接。
6.如权利要求3所述的一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定方法，其特征在于：所述的电渗试验装置还包括保水塑料布(15)，保水塑料布(15)包裹在不锈钢板(11)、吸水海绵(12)、试验试件(13)组成的试件组外侧。
7.如权利要求3所述的一种潮汐区和浪溅区钢筋混凝土临界氯离子浓度的测定方法，其特征在于：所述的试验试件(13)包括浇筑为一体的测试钢筋(13-1)和不锈钢钢筋(13-2)；当试验试件置于潮汐区和浪溅区真实海洋环境自动化模拟装置中的试验箱(6)进行真实海洋环境下的模拟试验时，测试钢筋(13-1)与不锈钢钢筋(13-2)通过导线与电阻(13-3)连通。
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2021
- 2021-11-12 CN CN202111339649.2A patent/CN114112890B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114112890A (zh) | 2022-03-01 |
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