CN107328706A - 通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置及试验方法，装置中的电解质（2）放置在箱体（1）内部；阴极（3）放置在电解质（2）内部，通过电线（6）与直流电源（9）的负极相连；钢筋混凝土试件（4）由混凝土（10）与钢筋（11）组成，放置在木箱（1）内，钢筋（11）通过电线（6）与直流电源（9）的正极相连，作为通电阳极；湿度监测仪（5）探头放置在电解质（2）内部；电阻（7）与电线（6）焊接连接，串联于钢筋（11）与直流电源（9）之间；数据记录仪（8）通过电线（6）连接在电阻（7）两端。方法步骤为：制备钢筋混凝土试件，进行通电加速锈蚀试验，通过通电锈蚀效率计算与钢筋锈蚀产物测定综合评价试验装置与试验方法的可行性及实用性。

Description

通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土的测试技术，具体涉及通电加速锈蚀钢筋混凝土试验技术。

背景技术

钢筋锈蚀会导致混凝土保护层开裂和剥落，甚至造成结构构件的承载力不足而失效破坏，是在役钢筋混凝土结构性能劣化的主要原因之一。因此，研究钢筋锈蚀对于在役钢筋混凝土结构的承载力评估和服役寿命预测等具有重要意义。但是，通过自然暴露锈蚀的方法获取锈蚀钢筋构件进行研究，其周期太长，不利于研究开展。

为了能够尽快在实验室获取钢筋锈蚀构件进行研究，已有一些快速锈蚀试验方法，包括人工气候模拟加速锈蚀、通电加速锈蚀等方法，其中通电加速锈蚀的方法得到广泛应用。传统通电加速锈蚀过程中选用盐溶液作为电解质的浸泡法、半浸泡法或者贴面法，具有节省时间、可控制锈蚀率的特点，但是仍存在一些不足：以盐溶液作为电解质，当裂缝发展到贯通混凝土与钢筋表面的时候，盐溶液易到达钢筋表面，锈蚀产物易随溶液渗出，从而降低锈蚀产物对钢筋四周混凝土的应力作用，不利于混凝土表面裂缝的发展；浸泡试件由于锈蚀过程中缺氧，锈蚀产物主要呈黑色或者墨绿色。因此，传统通直流电加速混凝土内钢筋锈蚀方法，并不能很好的模拟钢筋自然锈蚀的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种通电加速锈蚀钢筋混凝土的试验装置及试验方法。

本发明是通电加速锈蚀钢筋混凝土的试验装置及试验方法，通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置，包括箱体1，电解质2，阴极3，钢筋混凝土试件4，湿度监测仪5，电线6，电阻7，数据记录仪8，直流电源9，混凝土10，钢筋11，所述箱体1为木质箱体；所述电解质2为湿盐砂，放置在箱体1内部；所述阴极3垂直放置在电解质2内部，通过电线6与直流电源9的负极相连；所述钢筋混凝土试件4由混凝土10与钢筋11组成，整体垂直放置在木箱1内；所述钢筋11通过电线6与直流电源9的正极相连，作为通电阳极；所述湿度监测仪5，其探头垂直放置在电解质2的内部；所述电阻7与电线6焊接连接，串联于钢筋11与直流电源9之间；所述数据记录仪8通过电线6连接在电阻7的两端。

本发明的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验方法，其步骤如下：

（1）钢筋混凝土试件制备；

（2）进行通电加速锈蚀试验；

（3）通电锈蚀效率计算；

（4）钢筋锈蚀产物测定方法。

本发明与现有试验装置及试验方法相比，本发明具有以下优点：选用湿盐砂（砂土中喷洒盐溶液）代替传统盐溶液作为电解质。选用湿盐砂代替传统的盐溶液作为通电加速锈蚀的电解质，与传统盐溶液相比，盐溶液砂粒径大，空隙率大，透气性好，符合现实环境，有利于氧的阴极去极化，可以有效加速锈蚀的进行，有效预防钢筋表面锈蚀产物的流失，而且湿盐砂自身与自然环境接近，更能反映钢筋混凝土实际锈蚀过程；本发明选用木箱放置湿盐砂，更有利于氧气的传输，可有效预防砂土中水分过多，孔隙堵塞，氧的渗入受阻。本发明结合通电锈蚀效率的计算与锈蚀产物光电子能谱分析，可以有效评价钢筋混凝土的锈蚀状态。

附图说明

图1为本发明的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置示意图，图2为本发明的钢筋混凝土试件制备正面示意图，图3为本发明的钢筋混凝土试件制备侧面示意图，图4为钢筋锈蚀产物的XPS粗扫描图谱，图5为钢筋锈蚀产物中Fe元素的特征图谱，图6为钢筋锈蚀产物中O元素的特征图谱，图7为钢筋锈蚀产物中C元素的特征图谱。附图标记及对应名称为：1−箱体、2−电解质、3−阴极、4−钢筋混凝土试件、5−湿度监测仪、6−电线、7−电阻、8−数据记录仪、9−直流电源、10−混凝土、11−钢筋。

具体实施方式

本发明是一种通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置及试验方法，如图1、图2、图3所示，本发明的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置，包括箱体1，电解质2，阴极3，钢筋混凝土试件4，湿度监测仪5，电线6，电阻7，数据记录仪8，直流电源9，混凝土10，钢筋11，所述箱体1为木质箱体；所述电解质2为湿盐砂，放置在箱体1内部；所述阴极3垂直放置在电解质2内部，通过电线6与直流电源9的负极相连；所述钢筋混凝土试件4由混凝土10与钢筋11组成，整体垂直放置在木箱1内；所述钢筋11通过电线6与直流电源9的正极相连，作为通电阳极；所述湿度监测仪5，其探头垂直放置在电解质2的内部；所述电阻7与电线6焊接连接，串联于钢筋11与直流电源9之间；所述数据记录仪8通过电线6连接在电阻7的两端。

如图1所示，所述电解质2为向砂土喷洒复合盐溶液的湿盐砂。

如图1所示，所述阴极3为石墨棒，直径12mm，长度450mm。

如图2、图3所示，所述钢筋混凝土试件4尺寸400mm×100mm×100mm，钢筋纵向放置在混凝土正中部位，直径8mm，长420mm。

如图1所示，通过向湿盐砂中喷洒水，保证电解质2的湿度，其湿度状态的判断标准为置于电解质2内的湿度监测仪6维持在同一水平。

如图1所示，所述电阻7阻值大小为10Ω。

如图1所示，所述数据记录仪8可监测并记录电阻7两端电压。

如图1所示，所述直流电源9量程为输出电压0~30V，输出电流0~2A。

本发明的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验方法，具体的方法步骤如下：

（1）钢筋混凝土试件制备；

（2）进行通电加速锈蚀试验；

（3）通电锈蚀效率计算；

（4）钢筋锈蚀产物测定方法。

上述方法的步骤（1）中钢筋混凝土试件制备，具体的步骤如下：

（1）切取所需长度钢筋，除去钢筋表面的油污、锈斑等杂质，确保钢筋表面干燥清洁无异物，用钢尺量取每根钢筋的实际长度l，称取钢筋实际重量，换算出放置在钢筋混凝土试件内部钢筋部分的质量，记为钢筋初始质量m ₀；

（2）采用木板自制钢筋混凝土试模，纵向正中部位放置钢筋，钢筋长度应略大于试模长度；

（3）根据设计配合比进行混凝土拌制，浇筑混凝土制成钢筋混凝土试件；

（4）试件标准养护24h后拆模，在试件其中一端外漏钢筋处环绕铜线，并对两端外漏钢筋部分均涂抹环氧树脂；

（5）试件标准养护28d，再次对两端外漏钢筋涂抹环氧树脂，之后在水中浸泡48~72h至饱水状态，即可得到通电加速锈蚀钢筋混凝土试件。

上述方法的步骤（2）进行通电加速锈蚀试验，具体的步骤如下：

（1）将钢筋混凝土试件竖立埋入电解质中；

（2）设定通电电流强度值，预设钢筋理论质量损失率；

（3）根据法拉第定理（式1）计算通电时间；

t=△m·Z·F/M _Fe·I； （式1）

t为通电时间s，△m为钢筋理论质量损失g，Z为反应电极化学价键+2，F为法拉第常数96500 C/mol，M _Fe为铁的原子量56g/mol，I为电流强度A；

（4）接通电源，开始通电加速锈蚀试验；

（5）通过观察湿度监测仪的数据变化，通电过程中对砂土进行洒水，确保整个过程中砂土的湿度保持在同一水平；

（6）通过观察数据记录仪的数据变化，调节直流电源，确保整个通电过程中通过钢筋混凝土试件的电流一致。

上述方法的步骤（3）通电锈蚀效率计算，具体的步骤如下：

（1）通电加速锈蚀试验结束后，将钢筋混凝土试件破型，取出内部锈蚀钢筋，清洗之后称取每根钢筋的实际重量m ₁；

（2）根据（式2）计算实际锈蚀率；

ω=（m ₀-m ₁）/m ₀×100%； （式2）

（3）根据数据记录仪记录所得数据，通过欧姆定律计算出通电加速锈蚀过程中每个钢筋混凝土试件上电流的平均值，重新利用法拉第定律计算出钢筋的理论锈蚀率，然后通过实际锈蚀率与理论锈蚀率的比值计算出通电锈蚀效率，根据通电锈蚀效率的大小评价通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置及试验方法的可行性。

上述方法的步骤（4）锈蚀产物测定方法，具体的步骤如下：

（1）钢筋混凝土试件破型后取出锈蚀钢筋，清除表面混凝土，迅速进行X射线光电子能谱分析；

（2）测试仪器选用美国PHI5702 VersaProbe X射线光电子能谱分析仪，其X射线激发源为Al靶，通过能为29.35eV，真空度为10^-7Pa；

（3）通过XPSpeak软件结合Origin对图谱进行分析；

（4）将通电加速锈蚀所得钢筋锈蚀产物与自然环境下的锈蚀产物进行对比，评价通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置及试验方法的可行性。

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方法不限于此。

本实施例为兰州地铁工程中的实施例，包括以下步骤：

根据兰州地铁地下土壤中腐蚀离子含量，配制5000mg/L硫酸镁与2000mg/L氯化钠的复合盐溶液，与砂土拌制成湿盐砂作为电解质，从而模拟西部实际盐渍土环境；

切取长420mm，直径为8mm的HRB335带肋钢筋，除去钢筋表面的油污、锈斑等杂质，称取每根钢筋实际重量，换算出400mm钢筋的质量，分别记为钢筋初始质量m ₀；

采用木板制成400mm×100 mm×100mm大小的试模，两端木板中正部位钻取直径8mm的圆孔，将钢筋对称放入；

按以下配合比进行混凝土拌制：水泥340g、矿粉72g、粉煤灰72g、砂737g、石子978g、水155g、减水剂14g、膨胀剂48g、抗硫阻锈剂39g，拌制好后浇筑成钢筋混凝土试件；

试件振捣成型，标准养护24h后拆模，在外伸两端钢筋的其中一端上环绕铜线以便通电连线，对两端外伸钢筋涂抹环氧树脂，然后标准养护至28d，再次对两端外漏钢筋涂抹环氧树脂，尽量消除外漏钢筋对整体试验的影响；

将钢筋混凝土试件在水中浸泡72h至饱水状态；

把钢筋混凝土与石墨棒一一对应竖立埋入湿盐砂中，且互相平行；

设置通电电流强度为20mA，电流密度为200μA/cm²，钢筋理论质量损失率15%，根据法拉第定理（式1）计算可知对应的通电时间为1110h；

通电过程中根据湿度监测仪数据的变化对砂土进行洒水，确保整个过程中砂土的湿度保持在同一水平；通过观察数据记录仪的数据变化，调节直流电源，确保整个通电过程中通过钢筋混凝土试件的电流一致；

通电加速锈蚀试验结束后，破型取出内部锈蚀钢筋，依据国标GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》要求，采用12%盐酸溶液进行酸洗，并经清水漂净后，用石灰水中和，再用清水冲洗干净，擦干后干燥器中干燥4h，然后称取每根钢筋的实际重量m ₁。

通过公式（2）计算实际锈蚀率；

根据数据记录仪记录所得数据，通过欧姆定律计算出通电加速锈蚀过程中每个钢筋混凝土试件上电流的平均值，结果见表1；

重新利用法拉第定律（式1）计算出钢筋的理论锈蚀率，然后通过实际锈蚀率与理论锈蚀率的比值计算出通电锈蚀效率，结果见表1；

表1 加速锈蚀试验电流效率：

从表1的结果可知在湿盐砂中加速锈蚀混凝土内钢筋，钢筋实际锈蚀率小于理论锈蚀率，但其锈蚀效率可高达法拉第定律计算所得的44.0~63.9%左右。

通电加速锈蚀试验结束后，钢筋混凝土试件破型取出锈蚀钢筋，清除表面混凝土，迅速通过X射线光电子能谱分析仪对其组成结构进行分析，利用XPSpeak软件进行拟合，根据峰值确定锈蚀产物的价键，根据峰的面积确定产物含量，结果见图4、5、6、7。

从图4可以看出，铁锈中主要有Fe、O和C三种元素，其含量分别为3.44%、20.5%和75.0%，同时存在少量其他元素，可以判断，钢筋锈蚀产物以铁的氧化物复合形式存在。

从图5中可以看出，锈蚀产物复合物中Fe主要以Fe³⁺（Fe₂O₃）的（711.4eV）的形式存在，或许存在Fe²⁺和Fe⁰，但数量较少，表明在这种加速试验环境下，O的供给是比较充足的，氧化产物接近钢筋的自然腐蚀产物。

从图6中可以看出，O的主要存在形式为O-C键（531.5eV）和FeO/Fe₂O₃（530.4eV），且含量分别为66.8%和33.2%。

从图7中可以看出，C是以C-C/C-H键（284.7eV）和C-O键（285.5eV）的形式存在于复合物中。

根据以上分析可知，通过该试验装置和方法，可以有效地对钢筋混凝土进行加速锈蚀试验，较好地模拟并反映钢筋混凝土在自然环境下的锈蚀情况，能准确地评价锈蚀效果及锈蚀产物对钢筋混凝土耐久性设计及寿命的预测具有重要意义。

Claims (10)

1.通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置，包括箱体（1），电解质（2），阴极（3），钢筋混凝土试件（4），湿度监测仪（5），电线（6），电阻（7），数据记录仪（8），直流电源（9），混凝土（10），钢筋（11），其特征在于所述箱体（1）为木质箱体；所述电解质（2）为湿盐砂，放置在箱体（1）内部；所述阴极（3）垂直放置在电解质（2）内部，通过电线（6）与直流电源（9）的负极相连；所述钢筋混凝土试件（4）由混凝土（10）与钢筋（11）组成，整体垂直放置在木箱（1）内；所述钢筋（11）通过电线（6）与直流电源（9）的正极相连，作为通电阳极；所述湿度监测仪（5），其探头垂直放置在电解质（2）的内部；所述电阻（7）与电线（6）焊接连接，串联于钢筋（11）与直流电源（9）之间；所述数据记录仪（8）通过电线（6）连接在电阻（7）的两端。

2.根据权利要求1所述的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置，其特征在于：所述电解质（2）为向砂土喷洒复合盐溶液所得的湿盐砂；所述阴极（3）为石墨棒，直径12mm，长度450mm。

3.根据权利要求1所述的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置，其特征在于：所述钢筋混凝土试件（4）的尺寸为400mm×100mm×100mm，钢筋纵向放置在混凝土正中部位，直径8mm，长420mm。

4.根据权利要求1所述的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置，其特征在于：通过向砂土中喷洒水，保证电解质2的湿度，其湿度状态的判断标准为置于电解质（2）内的湿度监测仪（6）维持在同一水平。

5.根据权利要求1所述的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置，其特征在于：所述直流电源（9）量程为输出电压0~30V，输出电流0~2A。

6.通电加速锈蚀钢筋混凝土试验方法，其特征在于，其步骤为：

（1）钢筋混凝土试件制备；

（2）进行通电加速锈蚀试验；

（3）通电锈蚀效率计算；

（4）钢筋锈蚀产物测定方法。

7.根据权利要求6所述的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验方法，其特征在于步骤（1）中钢筋混凝土试件制备，具体步骤如下：

（1）切取所需长度钢筋，除去钢筋表面的油污、锈斑等杂质，确保钢筋表面干燥清洁无异物，用钢尺量取每根钢筋的实际长度l，称取钢筋实际重量，换算出放置在钢筋混凝土试件内部钢筋部分的质量，记为钢筋初始质量m ₀；

（2）采用木板自制钢筋混凝土试模，纵向正中部位放置钢筋；

（3）根据设计配合比进行混凝土拌制，浇筑混凝土制成钢筋混凝土试件；

（4）试件标准养护24h后拆模，在试件其中一端外漏钢筋处环绕铜线，并对两端外漏钢筋部分均涂抹环氧树脂；

（5）试件标准养护28d，再次对两端外漏钢筋涂抹环氧树脂，之后在水中浸泡48~72h至饱水状态，即可得到通电加速锈蚀钢筋混凝土试件。

8.根据权利要求6所述的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验方法，其特征在于步骤（2）进行通电加速锈蚀试验，具体步骤如下：

（1）将权利要求10中制备所得钢筋混凝土试件竖立埋入电解质中；

（2）设定通电电流强度值，预设钢筋理论质量损失率；

（3）根据式1法拉第定理计算通电时间；

t=△m·Z·F/M _Fe·I； 式1

t为通电时间s，△m为钢筋理论质量损失g，Z为反应电极化学价+2，F为法拉第常数96500 C/mol，M _Fe为铁的原子量56g/mol，I为电流强度A；

（4）接通电源，开始通电加速锈蚀试验；

（5）通过观察湿度监测仪的数据变化，通电过程中对砂土进行洒水，确保整个过程中砂土的湿度保持在同一水平；

（6）通过观察数据记录仪的数据变化，调节直流电源，确保整个通电过程中通过钢筋混凝土试件的电流一致。

9.根据权利要求6所述的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验方法，其特征在于步骤（3）通电锈蚀效率计算，具体步骤如下：

（1）通电加速锈蚀试验结束后，将钢筋混凝土试件破型，取出内部锈蚀钢筋，清洗之后称取每根钢筋的实际重量m ₁；

（2）根据式2计算实际锈蚀率；

ω=（m ₀-m ₁）/m ₀×100%； 式2

（3）根据数据记录仪记录所得数据，通过欧姆定律计算出通电加速锈蚀过程中每个钢筋混凝土试件上电流的平均值，重新利用式1法拉第定律计算出钢筋的理论锈蚀率，然后通过实际锈蚀率与理论锈蚀率的比值计算出通电锈蚀效率，根据通电锈蚀效率的大小评价通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置及试验方法的可行性。

10.根据权利要求6所述的通电加速锈蚀钢筋混凝土试验方法，其特征在于步骤（4）锈蚀产物测定方法，具体步骤如下：

（1）钢筋混凝土试件破型后取出锈蚀钢筋，清除表面混凝土，迅速进行X射线光电子能谱分析；

（2）测试仪器选用美国PHI5702 VersaProbe X射线光电子能谱分析仪，其X射线激发源为Al靶，通过能为29.35eV，真空度为10^-7Pa；

（3）通过XPSpeak软件结合Origin对图谱进行分析；

（4）将通电加速锈蚀所得钢筋锈蚀产物与自然环境下的锈蚀产物进行对比，评价通电加速锈蚀钢筋混凝土试验装置及试验方法的可行性。