CN203117069U

CN203117069U - 钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置

Info

Publication number: CN203117069U
Application number: CN 201320130013
Authority: CN
Inventors: 王士民; 何川; 卢岱岳
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2023-03-21

Abstract

本实用新型公开了一种钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置，包括电源模块、控制器、供电接口、信号采集器、试验槽和阴极板，供电接口包括多个正极电源输出端和一个负极电源输出端，信号采集器用于采集供电接口的各正极电源输出端的电流/电压信息及对应的供电时间信息，试验槽用于内装锈蚀液和试件，阴极板置于试验槽内并与供电接口中的负极电源输出端连接，信号采集器的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的电源输出端与供电接口的电源输出端的内端连接。本实用新型能够实现同时对40组钢筋混凝土结构中的钢筋进行试验，并对其分别进行实时控制监测，实现钢筋的加速锈蚀和对其腐蚀失重率的实时显示。

Description

钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀度的监测装置，尤其涉及一种钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置。

背景技术

近年来，混凝土结构的耐久性问题日益显现，可以预见土木工程即将进入高维护阶段，进行混凝土结构的耐久性试验研究已成为热点。而钢筋锈蚀引起的混凝土结构胀裂及力学性能劣化作为耐久性研究的核心问题，愈来愈受到工程界的普遍关注和重视。水泥水化形成的碱性环境使钢筋表面生成一层致密的钝化薄膜，保护内部钢筋不发生锈蚀破坏，但该钝化薄膜在两种情况下将会发生破坏，一种情况是混凝土结构中性化，造成钝化膜存在的条件——碱性环境丧失；另一种情况是氯离子深入到钢筋保护层附近，并达到临界浓度，直接破坏钝化薄膜。我国存在大范围的盐渍土地区，该地区以氯盐和硫酸盐为主，东部滨海地区以氯盐腐蚀为主。

因此，提出一种可实时控制及监测钢筋锈蚀程度的试验装置，以快速评价钢筋混凝土的钢筋锈蚀状况是非常必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单但控制、监测精确的钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置。

为了达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

本实用新型所述钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置包括电源模块、控制器、供电接口、信号采集器、试验槽和阴极板，其中，所述电源模块用于将交流电源转变为直流电源，所述供电接口用于输出多个不同电压的直流电源，所述供电接口包括多个正极电源输出端和一个负极电源输出端，所述信号采集器用于采集所述供电接口的各正极电源输出端的电流/电压信息及对应的供电时间信息，所述试验槽用于内装锈蚀液和试件，所述阴极板置于所述试验槽内并与所述供电接口中的负极电源输出端连接，所述信号采集器的信号输出端与所述控制器的信号输入端连接，所述控制器的电源输出端与所述供电接口的电源输出端的内端连接。

应用时，将氯化钠盐水放入试验槽内，将多个试件置于试验槽内并使试件的置于盐水液面下，将试件上端位于盐水液面以上，试件中的钢筋端部出露于混凝土之外，并与供电接口的正极电源输出端对应连接，通过电路控制器控制每一试件的电路联通与否及电压大小，达到精确控制试件中钢筋加速锈蚀的目的。由信号采集器采集供电接口的各正极电源输出端的电流信息及对应的供电时间信息并将这些信息传输给控制器，通过理论公式计算并采用影响因子修正后，准确实时显示钢筋的锈蚀程度，便于对试验进程的控制及试验动态的掌控。

具体地，所述供电接口的正极电源输出端同时提供40个通路，所述供电接口的各正极电源输出端分别串联有由所述控制器控制的开关。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型所述钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置具有多达40个试验通道，能够实现同时对40组钢筋混凝土结构中的钢筋进行试验，并对其分别进行实时控制监测，通过控制器控制每一组试验的输入电压及通电时间等，能够实现钢筋的加速锈蚀和对其腐蚀失重率的实时显示，便于管理者简单、直观、快速地了解钢筋混凝土结构中的精确钢筋实际腐蚀失重率，对于混凝土结构的耐久性问题研究具有极其重要的作用。

附图说明

图1是本实用新型所述钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置的应用结构示意图；

图2是本实用新型所述电源模块、控制器、信号采集器和供电接口的结构示意图；

图3是本实用新型具体实施方式中所述通电时间影响因素的影响因子λ₁随量值变化的拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步具体描述：

如图1和图2所示，图1中的控制器、信号采集器和供电接口集成于主控板内，-60V电源模块和+5V电源模块构成总的电源模块；图1中的40个正极电源输出端分别用了1、2、3…38、39、40来表示，但这里的数字仅代表对应的正极电源输出端，与下述内容的1、2、3、4、5、6代表的含义不同；图2中的电源模块、控制器和信号采集器则采用了框图形式，供电接口采用结构示意图。

如图1和图2所示，本实用新型所述钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置包括电源模块、控制器、供电接口107、信号采集器、试验槽104和阴极板106，其中，电源模块用于将交流电源转变为直流电源，供电接口107用于输出多个不同电压的直流电源，供电接口107包括40个正极电源输出端108和一个负极电源输出端109，信号采集器用于采集供电接口107的各正极电源输出端108的电流信息及对应的供电时间信息，试验槽104用于内装一定浓度的氯化钠溶液105和试件102，阴极板106置于试验槽104内并与供电接口107中的负极电源输出端109连接，信号采集器的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的电源输出端与供电接口107的电源输出端的内端连接。图1中的阴极板106与-60V电源模块的负极电源输出端GND连接，未与图2中的供电接口107中的负极电源输出端109连接，这是因为整个装置的负极全部连接在一起，所以上述两种关于阴极板106的连接方式实际上是完全相同的；供电接口107的40个正极电源输出端108和负极电源输出端109分别串联有由控制器控制的开关K1…Kn，也可直接由控制器内的软件控制供电接口107的正极电源输出端108的电压有无和高低。图1中还示出了设置于主控板上的USB接口，以及与主控板连接的LED指示灯控制板，USB接口用于与外部计算机连接，便于监控和管理，所有电力电子设备集中置于控制柜内，便于操作。

如图1和图2所示，应用时，先要制作试件102：采用一对完全相同的有机玻璃模板配合钢模完成混凝土成型过程中钢筋的定位，试件成型完成后，移入标准养护室养护至28天，然后将容易出现腐蚀产物漏出的薄弱区域采用环氧树脂封堵，作为待测的试件102。试验槽104内盛有盐水105，盐水105采用氯盐（即NaCl）或硫酸盐均可，本例中采用浓度为3-5%的NaCl溶液。将多个试件102（最多为40个，图1中为6个）置于试验槽104内并将试件102的下端置于盐水液面103以下，将试件102的上端置于盐水液面103以上，每一个试件102上端的钢筋101露出混凝土并与供电接口107的正极电源输出端108对应连接，阴极板106与-60V电源模块的负极电源输出端GND连接（效果等同于与供电接口107的负极电源输出端109连接）。

连接之后，在钢筋101与阴极板106之间通过NaCl溶液形成电流通路，通过控制器可直接换算出钢筋失重率。

下面对上述过程中钢筋的锈蚀原理进行说明：

埋在混凝土内的钢筋腐蚀是一种复杂的电化学腐蚀现象。氯化物侵入使钢筋表面局部去钝化成为阳极区，并发生阳极反应，即钢筋腐蚀（铁离子化，溶于混凝土孔隙液），同时放出自由电子；而仍然钝化的钢筋其余表面，则成为阴极区，与上述阳极区构成腐蚀电池。可以简单描述为以下四个过程：

（1）破坏钝化膜；

（2）形成“活化——钝化”腐蚀电池；

（3）去极化作用；

（4）导电作用；

方程式表示为：

Fe+2Cl^-→Fe²⁺+2Cl^-+2e

阳极反应：Fe²⁺+2OH^-→Fe(OH)₂

阴极反应：O₂+2H₂O+4e→4OH^-

若已知试验过程中的总电量（电流×时间），可采用法拉第定律计算钢筋的腐蚀失重率。法拉第定律公式在下文中具体描述。

但理论计算的钢筋失重率与实测钢筋失重率有差别，通常来说实测钢筋失重率小于理论计算值，少数情况下也会发生实测钢筋失重率大于理论值的情况。这是因为实际条件与理论计算时“阳极只发生确定原子价金属溶解而没有其他物质析出”这一假设不符。

为解决上述理论值与实际值的偏差，采用以下方法：

对钢筋的理论腐蚀失重率进行修正，其修正公式如下：

W_实际=W_理论·λ₁·λ₂·λ₃·λ₄·λ₅·λ₆ （式I）

式I中，W_实际为钢筋的实际腐蚀失重率；W_理论为钢筋的理论腐蚀失重率；λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆依次表示通电时间影响因子、测试电压影响因子、锈蚀液浓度影响因子、试件尺寸影响因子、试件与负极板之间的间距影响因子和混凝土强度影响因子；

式I中，W_理论的计算公式为：

式II中，M为铁的摩尔质量；n为阳极反应铁的价态变化；F为法拉第常数；I为流过钢筋的电流；t为电流持续时间；W₀为钢筋初始重量；

式I中，影响因子λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆的获取方法如下：

（1）在其它影响因素取值相同的情况下，对影响因素i设置不同因素水平分别进行试验，试验结束后测出该试件中钢筋的实际腐蚀失重率W_i实际，由下述式III计算出影响因素i在各因素水平下的影响因子λ_i：

λ_i=W_i实际W_理论(i=1,2,…,6) （式III）

式III中，λ_i表示与影响因素i对应的影响因子，W_i实际表示在其它影响因素取值相同的情况下，影响因素i在不同因素水平下对试件破形后检测获得的钢筋实际腐蚀失重率；

（2）对影响因素i不同因素水平对应的钢筋实际腐蚀失重率进行曲线拟合，从而得到影响因素i的影响因子λ_i随量值变化的拟合曲线；

（3）采用上述方法，通过试验分别得到所述影响因素的影响因子λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆随量值变化的拟合曲线；

（4）在进行新的试验之前，根据试验中影响因素的量值对照该影响因素的影响因子随量值变化的拟合曲线，由系统相关对话框为该影响因素的影响因子设置相应量值，从而获得对应的影响因子λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆，实现对每个影响因素进行修正处理的目的；

（5）在试验过程中，当影响因素的量值发生变化时，如为系统能够自动探测到的影响因素，由系统根据该影响因素的即时量值与影响因子随量值变化的拟合曲线自动调整，自动更新其相应影响因子；如为系统无法自动探测到的影响因素，则由试验操作人员手动暂停试验，通过系统相关对话框更改相应影响因素的影响因子后，继续试验。具体而言，所述“系统能够自动探测到的影响因素”对应的影响因子有通电时间影响因子和测试电压影响因子，所述“系统无法自动探测到的影响因素”对应的影响因子有锈蚀液浓度影响因子、试件尺寸影响因子、试件与负极板之间的间距影响因子和混凝土强度影响因子。

下面以测试通电时间影响因子λ₁的获取为例进行举例说明：

以配比C20混凝土在12V直流电压下进行电化学加速腐蚀为例，为保证试验结果的真实性和可靠性，不同通电时间试件个数均为3个，分别记录各试件试验的通电记录及通电时间，计算出各试件的钢筋理论腐蚀失重率；并在相应时间停止试验，对试件破形、酸洗及称重，得到各试件的钢筋实际腐蚀失重率；将钢筋实际腐蚀失重率与钢筋理论腐蚀失重率相比，从而得到各通电时间下的通电时间影响因子，并对同一通电时间下的通电时间影响因子取平均作为该通电时间下的通电时间影响因子λ₁，具体如下表所示：

由上表可制作通电时间影响因素的影响因子λ₁随量值变化的拟合曲线，见图3所示。其它影响因素与上述方法类似，不再赘述。

在获得λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆影响因子的取值范围及取值方法后，在新的试验中，即可由式I直接计算出准确的钢筋实际腐蚀失重率，非常快捷、直观地获取精确的钢筋实际腐蚀失重率。

在试验过程中，如有影响因素的量值发生变化，系统能够自动探测到的影响因素，由系统根据该影响因素的影响因子随量值变化的拟合曲线自动调整，获得新的影响因子；系统无法自动探测到的影响因素，人工暂停试验，由操作员通过系统相关对话框更改相应影响因素的量值后，系统获得新的影响因子，继续试验。

可见，采用本实用新型，可以保守的得出试件102内钢筋101的锈蚀质量，量化显示钢筋101的锈蚀程度，并通过预设阀值自动控制锈蚀过程的启停。

Claims

1.一种钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置，其特征在于：包括电源模块、控制器、供电接口、信号采集器、试验槽和阴极板，其中，所述电源模块用于将交流电源转变为直流电源，所述供电接口用于输出多个不同电压的直流电源，所述供电接口包括多个正极电源输出端和一个负极电源输出端，所述信号采集器用于采集所述供电接口的各正极电源输出端的电流/电压信息及对应的供电时间信息，所述试验槽用于内装锈蚀液和试件，所述阴极板置于所述试验槽内并与所述供电接口中的负极电源输出端连接，所述信号采集器的信号输出端与所述控制器的信号输入端连接，所述控制器的电源输出端与所述供电接口的电源输出端的内端连接。

2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置，其特征在于：所述供电接口的正极电源输出端同时提供40个通路，所述供电接口的各正极电源输出端分别串联有由所述控制器控制的开关。