CN117169291A - 基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，包括以下步骤：将制备的钢筋混凝土样品真空干燥处理后放置在试验装置中，与电解质溶液组成串联电路，采用无电极电阻率仪测试得到系统总电阻，再测试得到电解质溶液电阻，通过计算得到混凝土中钢筋的电阻。通过不同养护龄期下混凝土中钢筋电阻的变化情况，计算得到混凝土中钢筋的锈蚀速率，与相关标准进行比较判别，得到混凝土中钢筋锈蚀状态。本发明采用无电极非接触的方法，消除了电极和混凝土间接触电阻、接触电容对测量的影响，不会产生电极极化等问题，操作方便快捷，结果以钢筋锈蚀深度速率表示，结果更加直观明了，与现行国标中的钢筋锈蚀失重率结果一致，判别钢筋状态相同。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料检测领域，更具体地说，涉及一种基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法。
背景技术
混凝土钢筋锈蚀造成的经济损失巨大，许多混凝土结构在投入使用后，都较早出现了耐久性不足从而造成钢筋锈蚀的问题，这就导致在服役期内混凝土结构开裂、剥落、甚至失效的风险大大增加。为了解决混凝土结构中钢筋锈蚀的问题，需要对结构投入大量的人力、物力和财力进行检测、评估和维修加固等，不仅造成了经济损失和资源浪费，也有可能引起结构可靠性和安全性的问题。
检测混凝土中钢筋锈蚀情况最直观的方法是将混凝土劈开，直接测得钢筋锈蚀失重率，如国家标准《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》(GB/T50082)中关于混凝土中钢筋锈蚀失重率测试。但这种方法不仅繁琐，还对钢筋混凝土造成破坏，故现在多借助电化学技术表征钢筋锈蚀情况。现有的混凝土中钢筋锈蚀状态电化学检测方法有半电位法、线性极化法、交流阻抗法、电阻率法等，这些方法从钢筋混凝土不同的电化学特征参数表征混凝土中钢筋锈蚀速率，从而判断钢筋在混凝土中锈蚀的状况，这些方法在检测速度、测量参数、干扰程度、适用条件方面差异较大。中国专利CN102706933A《一种混凝土中钢筋锈蚀程度的电化学检测方法》采用三电极测试系统，通过在自然电位附近进行极化扫描测得瞬时极化电流值，根据经验公式计算出钢筋锈蚀电流密度，从而判断钢筋锈蚀程度。该方法虽然选择弱极化区进行极化扫描，尽可能减少极化带来的不利影响，但由于该方法基于极化原理，依然会对钢筋产生不可逆的扰动，另外自然电位受混凝土湿度、孔结构等因素较大，采用以自然电位作为极化扫描的起点也会造成结果误差较大。中国专利CN109374519A《一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法》以交流阻抗谱法测试得到奈奎斯特曲线，通过软件拟合电学参数，得到混凝土中钢筋的电荷转移电阻值，根据电荷转移电阻值大小判断钢筋锈蚀速率。由于该方法采用线性极化的方式获得极化电阻，依然存在极化对钢筋造成不可逆扰动的问题，而且测试过程繁琐，测试之后钢筋混凝土试样不可再次检测，每个测试龄期均需要成型一组混凝土构件，以电荷转移电阻值表示钢筋锈蚀速率不够直观明了。
因此，需要一种操作简便、结果直观且对钢筋混凝土影响少的钢筋检测方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种操作简便、结果直观且对钢筋混凝土影响少的基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态的检测方法，包括以下步骤：
(1)在规定规格尺寸的模具中制备钢筋混凝土样品，硬化后对钢筋混凝土进行拆模；
(2)对钢筋混凝土样品真空干燥处理；
(3)将预处理后钢筋混凝土样品表面清理干净后放置在环形模具装置中，并在样品的底面、内侧面和外侧面涂抹凡士林，使样品与装置贴合紧密，将电解质溶液倒入装置其余部分，使液面高度低于钢筋混凝土样品上表面；
(4)启动无电极电阻率仪，开始测试，经过一段时间使数据稳定，得到系统的总电阻R0，测试完成后，将钢筋混凝土样品和电解质溶液取出，并将装置清理干净；
(5)装置内再装入一定量的与步骤(3)相同的电解质溶液，液面高度与步骤(3)中一致，启动无电极电阻率仪，开始测试，经过一段时间使数据稳定，得到电解质溶液电阻R2；
(6)计算出混凝土中钢筋的初始状态电阻R1；
(7)在特定试验环境养护t小时后，按照步骤(2)～(5)进行测试，根据步骤(6)中的公式得到t小时后混凝土中的钢筋电阻Rt，计算出混凝土中钢筋的锈蚀速率V，并根据判别标准得到混凝土中钢筋锈蚀状态；
进一步地，步骤(1)中，规定规格的模具为无电极电阻率仪适配的环形模具，规定的尺寸为占模具1/8的环长，混凝土中的钢筋沿环长布置并在混凝土样品两端平齐，钢筋半径为d毫米，混凝土成型后加盖密封养护24～48h。
进一步地，步骤(3)中，电解质溶液为氯化钠、硫酸钠两种中的一种，质量分数为5％。
进一步地，步骤(4)中，测试时间为5～15min。
进一步地，步骤(5)中，测试时间为1～3min。
进一步地，步骤(6)中，混凝土中钢筋电阻R1的计算见公式1：
R1＝R0-0.875R2 公式1
当环形模具中存在钢筋混凝土和电解质溶液时，可视为钢筋电阻R1与混凝土电阻R砼并联后再与电解质电阻R2’串联，则有公式3：
由于钢筋电阻R1远小于混凝土电阻R砼，公式3可简化为公式4：
R1+R′2＝R0 公式4
当环形模具中仅有电解质溶液时，测试的总电阻即为电解质溶液电阻R2，由于电解质溶液与钢筋混凝土一起测试时，占有长度为7/8环长，此时有公式5：
R′2＝0.875R2 公式5
故，得到钢筋电阻R1的计算公式1：
R1＝R0-0.875R2 公式1
进一步地，步骤(7)中，钢筋锈蚀速率V的计算见公式2：
混凝土中钢筋发生锈蚀时，钢筋自身电阻率不会变化，但由于横截面积减小从而电阻增大。钢筋混凝土在硬化拆模后，此时钢筋电阻R1见公式6：
式中，ρ为钢筋电阻率，L为钢筋长度，S为钢筋横截面积；在经过t小时后，此时钢筋电阻Rt见公式7：
将上述两式相除、变换，得到公式8：
钢筋初始状态下半径为d毫米，假设经过t小时后钢筋的腐蚀深度为X毫米，用d和X表示上式中的S1和St，则腐蚀深度X见公式9：
因此，经历t小时后，钢筋的腐蚀速率V(mm/a)可用公式2表示：
判别标准为：当V值<0.0023mm/a，钢筋未锈蚀，处于钝化状态；当V值在0.0023～0.0059mm/a时，钢筋锈蚀速率低；当V值在0.0059～0.0117mm/a时，钢筋锈蚀速率中等；当V值在0.0117～0.1173mm/a时，钢筋锈蚀速率高；当V值>0.1173mm/a时，钢筋锈蚀速率极高。
因此，本发明通过采用无电极电阻率仪表征混凝土中钢筋电阻的变化，从而得到钢筋锈蚀速率，并以此为依据判别混凝土中钢筋锈蚀状态。
本发明原理如下：
本发明提供了一种基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态的检测方法，采用无电极电阻率仪对体系的电阻进行测试，得到混凝土中钢筋的电阻值，通过钢筋在环境中电阻值的变化，计算出钢筋的锈蚀速率，表征的结果以毫米/年(mm/a)显示。
无电极电阻率仪由信号发生器、放大器、信号感应装置、样品模具和数据采集系统组成，由信号发生器和放大器在信号感应装置的初级线圈上产生一定电压的交变电压信号，交变电压信号随即被铁芯感应形成交变磁场，由环形的水泥试样构成的次级线圈产生相应感应，测出次级线圈即环形模具感应的环电压U，通过数据采集装置测得相应的换电流I，根据欧姆定律即可测得样品的电阻值。由于采用无电极非接触的方法，消除了电极和混凝土间接触电阻、接触电容对测量的影响，不会产生电极极化等问题。
实施本发明的基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，具有以下有益效果：
(1)采用无电极电阻率仪表征混凝土中钢筋的电阻。由于非接触和无电极的特点，消除了电极与混凝土间的接触电阻、接触电容对测量的影响，不会产生电极极化等问题，结果精准。同时，本发明不仅可以保持钢筋混凝土样品结构完整性，还避免了极化反应对钢筋产生的不可逆扰动，可在不同龄期下研究同一样品，结果更可靠准确。
(2)检测前对钢筋混凝土样品进行预处理，消除了混凝土样品湿度的差异对结果可能的影响。整个检测过程仅需5～20min，操作方便快捷。
(3)相比于电化学参数表示钢筋锈蚀情况，本发明的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法结果以钢筋锈蚀深度速率表示，结果更加直观明了，与国标中直接将混凝土劈开测得的钢筋锈蚀失重率结果一致，判别钢筋状态相同，但本发明的检测方法不需将混凝土劈开破坏，以无损检测的方式得到与劈开法一致的结果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是无电极电阻率仪的结构示意图；
图2是无电极电阻率仪的实物图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1
一种基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，包括以下步骤：
(1)在规定规格尺寸的模具中制备钢筋混凝土样品，硬化后对钢筋混凝土进行拆模；
(2)对钢筋混凝土样品真空干燥处理2h；
(3)将预处理后钢筋混凝土样品表面清理干净后放置在环形模具装置2中，并在样品的底面、内侧面和外侧面涂抹凡士林，使样品与装置贴合紧密，将电解质溶液倒入装置其余部分，使液面高度低于钢筋混凝土样品上表面5mm；
(4)启动无电极电阻率仪1，开始测试，经过一段时间使数据稳定，得到系统的总电阻R0，测试完成后，将钢筋混凝土样品和电解质溶液取出，并将装置清理干净；
(5)装置内再装入一定量的与步骤(3)相同的电解质溶液，液面高度与步骤(3)中一致，启动无电极电阻率仪1，开始测试，经过一段时间使数据稳定，得到电解质溶液电阻R2；
(6)根据公式计算出混凝土中钢筋的初始状态电阻R1；
(7)在氯化钠盐雾干湿循环环境养护2400小时后，按照步骤(2)～(5)进行测试，根据步骤(6)中的公式得到2400小时后混凝土中的钢筋电阻Rt，通过公式计算出混凝土中钢筋的锈蚀速率V，与相关标准进行比较判别，得到混凝土中钢筋锈蚀状态。
所述步骤(1)中，规定规格的模具为无电极电阻率仪1适配的环形模具，规定的尺寸为占模具1/8的环长，混凝土中的钢筋沿环长布置并在混凝土样品两端平齐，钢筋半径为3毫米，混凝土成型后加盖密封养护24h；
所述步骤(3)中，电解质溶液为氯化钠，质量分数为5％；
所述步骤(4)中，测试时间为5～15min；
所述步骤(5)中，测试时间为1～3min；
所述步骤(6)中，混凝土中钢筋电阻R1的计算公式为：
R1＝R0-0.875R2
所述步骤(7)中，钢筋锈蚀速率V的计算公式为：
判别标准为：当V值<0.0023mm/a，钢筋未锈蚀，处于钝化状态；当V值在0.0023～0.0059mm/a时，钢筋锈蚀速率低；当V值在0.0059～0.0117mm/a时，钢筋锈蚀速率中等；当V值在0.0117～0.1173mm/a时，钢筋锈蚀速率高；当V值>0.1173mm/a时，钢筋锈蚀速率极高。
本实施例中混凝土中钢筋锈蚀速率测试结果见表1。
实施例2
一种基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，包括以下步骤：
(1)在规定规格尺寸的模具中制备钢筋混凝土样品，硬化后对钢筋混凝土进行拆模；
(2)对钢筋混凝土样品真空干燥处理2h；
(3)将预处理后钢筋混凝土样品表面清理干净后放置在环形模具装置2中，并在样品的底面、内侧面和外侧面涂抹凡士林，使样品与装置贴合紧密，将电解质溶液倒入装置其余部分，使液面高度低于钢筋混凝土样品上表面5mm；
(4)启动无电极电阻率仪1，开始测试，经过一段时间使数据稳定，得到系统的总电阻R0，测试完成后，将钢筋混凝土样品和电解质溶液取出，并将装置清理干净；
(5)装置内再装入一定量的与步骤(3)相同的电解质溶液，液面高度与步骤(3)中一致，启动无电极电阻率仪1，开始测试，经过一段时间使数据稳定，得到电解质溶液电阻R2；
(6)根据公式计算出混凝土中钢筋的初始状态电阻R1；
(7)在50℃、100％二氧化碳浓度、气压0.4MPa的环境养护24小时后，又在户外大气环境养护720小时后，按照步骤(2)～(5)进行测试，根据步骤(6)中的公式得到744小时后混凝土中的钢筋电阻Rt，通过公式计算出混凝土中钢筋的锈蚀速率V，与相关标准进行比较判别，得到混凝土中钢筋锈蚀状态。
所述步骤(1)中，规定规格的模具为无电极电阻率仪1适配的环形模具，规定的尺寸为占模具1/8的环长，混凝土中的钢筋沿环长布置并在混凝土样品两端平齐，钢筋半径为6毫米，混凝土成型后加盖密封养护48h；
所述步骤(3)中，电解质溶液为硫酸钠，质量分数为5％；
所述步骤(4)中，测试时间为5～15min；
所述步骤(5)中，测试时间为1～3min；
所述步骤(6)中，混凝土中钢筋电阻R1的计算公式为：
R1＝R0-0.875R2
所述步骤(7)中，钢筋锈蚀速率V的计算公式为：
判别标准为：当V值<0.0023mm/a，钢筋未锈蚀，处于钝化状态；当V值在0.0023～0.0059mm/a时，钢筋锈蚀速率低；当V值在0.0059～0.0117mm/a时，钢筋锈蚀速率中等；当V值在0.0117～0.1173mm/a时，钢筋锈蚀速率高；当V值>0.1173mm/a时，钢筋锈蚀速率极高。
本实施例中混凝土中钢筋锈蚀速率测试结果见表1。
对比例1
本对比例采用与实施例1相同的原材料和配合比成型钢筋混凝土，并在相同试验环境下养护2400小时，采用《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》(GB/T50082)中关于混凝土中钢筋锈蚀试验进行钢筋锈蚀失重率测试，并将钢筋锈蚀失重率结果换算成钢筋锈蚀速率。
本对比例中钢筋锈蚀速率测试结果见表1。
对比例2
本对比例采用与实施例2相同的原材料和配合比成型钢筋混凝土，并在相同试验环境下养护744小时，采用《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》(GB/T50082)中关于混凝土中钢筋锈蚀试验进行钢筋锈蚀失重率测试，并将钢筋锈蚀失重率结果换算成钢筋锈蚀速率。
本对比例中钢筋锈蚀速率测试结果见表1。
表1实施例1～2和对比例1～2的性能测试结果
从上述性能测试结果可以看出，本发明的实施例1～2与采取直接劈开测钢筋锈蚀失重的对比例1～2得到的钢筋锈蚀速率接近，两种方法的结果仅相差5％左右，根据标准判别的钢筋锈蚀状态一致。
综上所述，本发明的一种基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法与国标《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》(GB/T50082)中的钢筋锈蚀失重率方法结果一致，判别混凝土中钢筋锈蚀状态相同，但并不需要将混凝土劈开破坏。由于非接触和无电极，本发明消除了电极与混凝土之间的接触电阻、接触电容对测量的影响，也不会产生电极极化等问题，结果精准。同时，本发明不仅可以保持钢筋混凝土样品结构完整性，还避免了极化反应对钢筋产生的不可逆扰动，可在不同龄期下研究同一样品，操作简便快捷。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在规定规格尺寸的模具中制备钢筋混凝土样品，硬化后对钢筋混凝土进行拆模；
(2)对钢筋混凝土样品真空干燥处理；
(3)将预处理后钢筋混凝土样品表面清理干净后放置在环形模具装置中，并在样品的底面、内侧面和外侧面涂抹凡士林，使样品与装置贴合紧密，将电解质溶液倒入装置其余部分，使液面高度低于钢筋混凝土样品上表面；
(4)启动无电极电阻率仪，开始测试，经过一段时间使数据稳定，得到系统的总电阻R0，测试完成后，将钢筋混凝土样品和电解质溶液取出，并将装置清理干净；
(5)装置内再装入一定量的与步骤(3)相同的电解质溶液，液面高度与步骤(3)中一致，启动无电极电阻率仪，开始测试，经过一段时间使数据稳定，得到电解质溶液电阻R2；
(6)计算出混凝土中钢筋的初始状态电阻R1；
(7)养护t小时后，按照步骤(2)～(5)进行测试，根据步骤(6)中的公式得到t小时后混凝土中的钢筋电阻Rt，计算出混凝土中钢筋的锈蚀速率V，并根据判别标准得到混凝土中钢筋锈蚀状态。
2.根据权利要求1所述的基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，规定规格的模具为无电极电阻率仪适配的环形模具，规定的尺寸为占模具1/8的环长，混凝土中的钢筋沿环长布置并在混凝土样品两端平齐，钢筋半径为d毫米，混凝土成型后加盖密封养护24～48h。
3.根据权利要求1所述的基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，电解质溶液为氯化钠或硫酸钠，质量分数为5％。
4.根据权利要求1所述的基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，测试时间为5～15min。
5.根据权利要求1所述的基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，测试时间为1～3min。
6.根据权利要求1所述的基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，混凝土中钢筋电阻R1的计算公式为：
R1＝R0-0.875R2 (1)。
7.根据权利要求1所述的基于无电极电阻率的混凝土中钢筋锈蚀状态检测方法，其特征在于，在所述步骤(7)中，钢筋锈蚀速率V的计算公式为：
判别标准为：当V值<0.0023mm/a，钢筋未锈蚀，处于钝化状态；当V值在0.0023～0.0059mm/a时，钢筋锈蚀速率低；当V值在0.0059～0.0117mm/a时，钢筋锈蚀速率中等；当V值在0.0117～0.1173mm/a时，钢筋锈蚀速率高；当V值>0.1173mm/a时，钢筋锈蚀速率极高。
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