CN109211761B - 模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置及方法，所述的装置包括环境箱，交流电源、第一电阻箱、第二电阻箱、交流电流变送器、电流曲线记录仪以及温湿度控制仪，第一钛板、第二钛板、吸水海绵、混凝土试样，在混凝土试样中埋置有钢筋，可调式稳压交流电源的正极、负极分别电连接所述第二钛板的两端，且负极还分别与钢筋以及第一钛板连接；交流电流变送器与电流曲线记录仪连接，并使负极与钢筋连接的导线穿过交流电流变送器；所述的第一电阻箱串联在交流电源的正极、第二钛板之间，所述的第二电阻箱串联在交流电源的负极、第二钛板之间。本发明试验装置使用安全、成本低廉、结构简单、维护方便以及能完全达到试验设计要求。

Description

模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置和方法
技术领域
本发明属于材料腐蚀科学技术领域，具体涉及一种模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置和方法，用以在实验室进行钢筋混凝土结构受交流杂散电流腐蚀的相关研究。
背景技术
自电力牵引***应用到地铁轨道交通***中以来，在地铁运营过程中就出现过不少因杂散电流腐蚀引起的诸多问题：如上海打浦路隧道因渗漏封闭而大修，北京地铁隧道内部水管因腐蚀而穿孔，香港地铁因杂散电流腐蚀引起煤气罐穿孔泄露等；对于隧道和埋地管道这样的埋地结构，杂散电流是最严重的的损害形式之一。
在19世纪末20世纪初，随着电牵引技术革命的开展，世界面临着由于杂散电流而引起的加速腐蚀；1887年，美国第一起严重的杂散电流腐蚀案例在布鲁克林的一个有轨电车***中出现；1893年在英国和1916年在墨尔本报告了类似的由于电车运行引起的杂散电流腐蚀案例；1904年，电气化铁路的杂散电流影响导致了德国埋地结构的腐蚀；国外学者Santi通过现场试验验证了杂散电流对管道局部区域具有强烈的腐蚀作用。这些都表明地铁工程结构抗杂散电流腐蚀耐久性问题是一个十分重要而迫切需要加以解决的问题，有鉴于此，在实验室进行杂散电流对地铁钢筋混凝土结构受杂散电流腐蚀的研究，对于研发地铁结构抗杂散电流腐蚀新技术以及研究地铁结构耐久性问题具有重要意义。
现有技术中的杂散电流腐蚀地铁钢筋混凝土结构的试验装置均比较简单，虽然可以从宏观上进行模拟试验，但试验效果与实际情况有比较大的差距。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置和方法，试验环境更接近实际情况，从而使得试验效果与真实情况更加相符。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置，包括环境箱，环境箱外部设置有可调式稳压交流电源、第一电阻箱、第二电阻箱、穿孔式交流电流变送器、电流曲线记录仪以及温湿度控制仪，环境箱内部设置有第一钛板、第二钛板、吸水海绵，其中：
所述的环境箱中装有土壤，土壤上设置有混凝土试样，在混凝土试样中埋置有钢筋，混凝土试样下方的土壤中埋置所述的第一钛板，混凝土试样的顶面上设置所述的吸水海绵，吸水海绵处于饱水状态且完全覆盖混凝土试样顶面；所述的第二钛板放置在吸水海绵上部；所述的温湿度控制仪与环境箱连接，温湿度控制仪的探头设置于所述的土壤中；
所述的可调式稳压交流电源的正极、负极分别电连接所述第二钛板的两端，且可调式稳压交流电源的负极还分别与钢筋以及第一钛板连接；所述的穿孔式交流电流变送器与电流曲线记录仪连接，并使可调式稳压交流电源的负极与钢筋连接的导线穿过穿孔式交流电流变送器；所述的第一电阻箱串联在可调式稳压交流电源的正极、第二钛板之间，所述的第二电阻箱串联在可调式稳压交流电源的负极、第二钛板之间。
进一步地，所述的混凝土试样下部伸入所述土壤中，且土壤的表面高于混凝土试样底面的标高为10mm～20mm。
进一步地，所述的第一钛板与混凝土试样底面的间距为10mm～20mm，所述的吸水海绵的厚度为10mm～20mm。
进一步地，所述的环境箱为带有箱盖的空心矩形箱体。
一种模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验方法，包括以下步骤：
步骤1，制备混凝土试样，在制备时将钢筋埋设于混凝土试样中；
步骤2，打开环境箱的箱盖，向环境箱中充填土壤，并将第一钛板置于土壤中，然后将混凝土试样放置于土壤上，继续填充土壤，使土壤的表面高于混凝土试样底面的标高为10mm～20mm，第一钛板与混凝土试样底面的间距为10mm～20mm；
步骤3，将处于饱水状态的吸水海绵放置于混凝土试样上部，使吸水海绵完全覆盖混凝土试样顶面，然后再将第二钛板放置于吸水海绵之上；
步骤4，通过环境箱侧壁上的线孔，利用导线使可调式稳压交流电源的正极、负极分别连接所述第二钛板的两端，可调式稳压交流电源的负极还分别连接钢筋以及第一钛板；使穿孔式交流电流变送器与电流曲线记录仪连接，并使可调式稳压交流电源的负极与钢筋连接的导线穿过穿孔式交流电流变送器；所述的第一电阻箱串联在可调式稳压交流电源的正极、第二钛板之间，所述的第二电阻箱串联在可调式稳压交流电源的负极、第二钛板之间；将温湿度控制仪与环境箱连接，使温湿度控制仪的探头设置于所述的土壤中；
闭合箱盖并进行密封，同时对线孔处进行密封；
步骤5，利用温湿度控制仪调节环境箱中的温湿度达到温湿度设定值，启动可调式稳压交流电源，然后在电流曲线记录仪中观察杂散电流的电流强度变化曲线，同时调节第一电阻箱、第二电阻箱使交流杂散电流的变化曲线的波峰在电流设定值附近时，停止调节，保持该状态直至达到试验规定时间，然后断开稳压交流电源，取出混凝土试样。
进一步地，所述的制备混凝土试样，在制备时将钢筋埋设于混凝土试样中，包括：
试件设计为150mm×150mm×150mm的带钢筋的立方体混凝土试样，然后浇筑混凝土试样，使得钢筋平行于混凝土试样底面，并与距离混凝土试样底面45mm，钢筋直径为20mm，长度为20cm，在混凝土试样中，钢筋的上留有10cm长度的暴露面积，其余部分用热缩管密封处理，钢筋一端预接伸出混凝土试样的导线，再将钢筋的两个端部利用环氧树脂密封；
混凝土试样浇筑完成后，放入标准养护室养护28天，然后自然养护至90天，待强度稳定后取出，在混凝土试样的四个侧面上分别涂抹环氧树脂，待用。
进一步地，所述的电流设定值为30mA/dm2。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
1.本发明装置真实反映出实际情况中杂散电流的产生以及传输路径，突出体现了杂散电流从电力牵引***的专有回路中逸散出进入钢筋混凝土结构的过程以及在混凝土内部形成的电场形式，监控发现杂散电流的电流强度在设计值的附近来回小范围波动，与实际情况相符。
2.本发明可模拟实际工程中钢筋混凝土结构受地铁交流杂散电流腐蚀的过程。
3.本发明可测量杂散电流的电流强度变化规律以此来反映地铁结构受杂散电流腐蚀的危险性定量指标；具有结构简便、成本低廉、操作简单、使用安全以及检修容易的特点。
附图说明
图1为本发明试验装置的结构示意图；
图2为地铁轨道交通杂散电流传输路径图；
图3为地铁车辆运动时杂散电流的方向变化示意图；
图中：1可调式稳压交流电源，2可调式稳压交流电源的正极，3可调式稳压交流电源的负极，4第一电阻箱，5第二钛板，6吸水海绵，7混凝土试样，8钢筋，9土壤，10穿孔式交流电流变送器，11第二电阻箱，12第一钛板，13电流曲线记录仪，14温湿度控制仪，15环境箱。
具体实施方式
本发明公开了一种模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置，包括环境箱15，环境箱15外部设置有可调式稳压交流电源1、第一电阻箱4、第二电阻箱11、穿孔式交流电流变送器10、电流曲线记录仪13以及温湿度控制仪14，环境箱15内部设置有第一钛板12、第二钛板5、吸水海绵6，其中：
所述的环境箱15中装有土壤9，土壤9上设置有混凝土试样7，混凝土试样7下部伸入所述土壤9中，且土壤9的表面高于混凝土试样7底面的标高为10mm～20mm；在混凝土试样7中埋置有钢筋8，混凝土试样7下方的土壤9中埋置所述的第一钛板12，混凝土试样7的顶面上设置所述的吸水海绵6，吸水海绵6处于饱水状态且完全覆盖混凝土试样7顶面，所述的第二钛板5放置在吸水海绵6上部；位于混凝土试样7、第二钛板5间的吸水海绵6的厚度为10mm～20mm。所述的温湿度控制仪14与环境箱15连接，用于控制环境箱15中土壤9的温湿度，温湿度控制仪14的探头设置于所述的土壤9中；
所述的可调式稳压交流电源的正极、负极分别连接所述第二钛板5的两端，且可调式稳压交流电源的负极3还分别与钢筋8以及第一钛板12连接；所述的穿孔式交流电流变送器10与电流曲线记录仪13连接，并使可调式稳压交流电源的负极3与钢筋8连接的导线穿过穿孔式交流电流变送器10；所述的第一电阻箱4串联在可调式稳压交流电源的正极、第二钛板5之间，所述的第二电阻箱11串联在可调式稳压交流电源的负极3、第二钛板5之间。本方案中，利用变送器10和记录仪13可在环境想外监测试件中杂散电流的强度大小，方便使其达到试验设计值，并验证试件中杂散电流的形式与实际检测出的曲线相符。其中，第一电阻箱4、第二电阻箱11的作用是精确调节通过杂散电流的电流强度达到设计值，会在记录仪13上发现从专用电路中逸散出的杂散电流的电流强度大小在设计值的附近来回波动。
本发明的实施例中，可调式稳压交流电源采用AC-305D型电源，最大输出为AC30V/5A,150W,50Hz；第一电阻箱、第二电阻箱采用ZX 38A/10型交直流电阻箱，穿孔式交流电流变送器采用MIK-DJI-0-5A-1200A型号的变送器，电流曲线记录仪采用ECR7100型号多通道无纸记录仪，温湿度控制仪采用TDK-0302型号的温湿度控制器，其中温湿度控制范围，即所述的温湿度设定值为温度：-25℃～70℃，湿度：45～85％RH；环境箱的内部尺寸为560mm*360mm*330mm。
本发明进一步公开了一种模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验方法，包括以下步骤：
步骤1，制备混凝土试样，在制备时将钢筋埋设于混凝土试样中；
具体地，本实施例中，试件设计为150mm×150mm×150mm的带钢筋的立方体混凝土试样，然后浇筑混凝土试样，使得钢筋平行于混凝土试样底面，并与距离混凝土试样底面45mm，钢筋直径为20mm，长度为20cm，在混凝土试样中，钢筋的上留有10cm长度的暴露面积，其余部分用热缩管密封处理，钢筋一端预接伸出混凝土试样的导线，以便于和可调式稳压交流电源连接，再将钢筋的两个端部利用环氧树脂密封；
混凝土试样浇筑完成后，放入标准养护室养护28天，然后自然养护至90天，待强度稳定后取出，在混凝土试样的四个侧面上分别涂抹环氧树脂，待用。
步骤2，打开环境箱的箱盖，向环境箱中充填土壤，并将第一钛板置于土壤中，然后将混凝土试样放置于土壤上，继续填充土壤，使土壤的表面高于混凝土试样底面的标高为10mm～20mm，第一钛板与混凝土试样底面的间距为10mm～20mm；
步骤3，将处于饱水状态的吸水海绵放置于混凝土试样上部，使吸水海绵完全覆盖混凝土试样顶面，然后再将第二钛板放置于吸水海绵之上；
步骤4，通过环境箱侧壁上的线孔，利用导线使可调式稳压交流电源的正极、负极分别连接所述第二钛板的两端，可调式稳压交流电源的负极还分别连接钢筋以及第一钛板；使穿孔式交流电流变送器与电流曲线记录仪连接，并使可调式稳压交流电源的负极与钢筋连接的导线穿过穿孔式交流电流变送器；所述的第一电阻箱串联在可调式稳压交流电源的正极、第二钛板之间，所述的第二电阻箱串联在可调式稳压交流电源的负极、第二钛板之间；将温湿度控制仪与环境箱连接，使温湿度控制仪的探头设置于所述的土壤中；
闭合箱盖并进行密封，同时对线孔处进行密封；
步骤5，利用温湿度控制仪调节环境箱中的温湿度达到试验要求的温湿度设定值，启动可调式稳压交流电源，然后在电流曲线记录仪中观察从钛板中散逸出后通过混凝土试样中钢筋的杂散电流的电流强度变化曲线，同时调节第一电阻箱、第二电阻箱使交流杂散电流的变化曲线的波峰在电流设定值附近时，会发现波峰高度并非不变，而是在设定值附近来回波动，符合实际中杂散电流产生的变化形式，此时停止调节，保持该状态直至达到试验规定时间，然后断开稳压交流电源，取出混凝土试样，即可使用常规方法分析出受地铁杂散电流腐蚀的试样的相关研究结果。
本发明中，杂散电流的产生方式及传输路径，以及受腐蚀试件所处的环境更为符合实际情况，具体说明如下：
根据本发明的图1，本发明的试验装置中，专有的电流回路为：回路①：2-4-5-11-3(数字表示图1中的标号)，散逸出的杂电流通过的电路为回路②：2-4-5-6-7-8-3以及回路③：2-4-5-6-7-8-9-12-3两条逸散电路。
①号回路表示的是电力牵引***中电流从接触网经过车辆回到走行轨流向变电所的电路，②号回路表示的是从①号回路中的走行轨上逸散出来的杂散电流流经混凝土后汇集到结构钢筋中然后从钢筋中流出经过混凝土回到走行轨流向变电站的电路，③回路径表示的是从①号回路中的走行轨上逸散出来的杂散电流流经混凝土后汇集到钢筋上以外的部分，再经过钢筋下方混凝土后进入环境中的土壤然后回到变电所的杂散电流部分，与图2的地铁轨道交通杂散电流传输路径相同，符合地铁杂散电流的传输路径。本实施例中从多通道电流曲线记录仪中观测到的电流变化曲线特征符合实际杂散电流的变化特征，在设定值附近来回波动，与2017年上海申通地铁集团有限公司对上海地铁杂散电流测试子项目报告中测出的钢筋极化电位变化曲线随地铁列车运行时间的变化图相符。
本实施例采用的杂散电流强度大小为《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中规定的电腐蚀危险性的直接定量指标限制0.6mA/dm2，试验时取限值的50倍数值为设计值30mA/dm2，故根据钢筋在混凝土中的暴露的表面积0.03dm2可得到设计的杂散电流强度值1mA。
本实施例在试验过程中为保持试件所处土壤环境中含水率及NaCl不变，对其进行密封处理，并利用温湿度控制器进行控制。待混凝土试样达到预定腐蚀状态后，关闭电源，打开环境箱，将混凝土试样拿出，对混凝土试样进行线性极化法测试钢筋是否达到腐蚀状态，对于达到腐蚀状态的试件进行破损取样，取钢筋上方和下方的混凝土样品利用滴定法测定氯离子浓度，对破损截面利用彩虹试剂测定氢氧根离子浓度分布，发现离子分布与实际情况相符，并且发现钢筋的锈蚀特征是局部发生溶解，跟实际情况中杂散电流腐蚀钢筋混凝土结构的腐蚀情况相同，试验效果良好，测得的钢筋截面损失速率也与实际相符，该模拟地铁杂散电流作用钢筋混凝土的装置与方法被证明是效果良好。以上展示的本发明试验装置经试制试用被证明效果良好、使用安全、成本低廉、结构简单、维护方便以及能完全达到试验设计要求。

Claims (8)

1.一种模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置，其特征在于，包括环境箱(15)，环境箱(15)外部设置有可调式稳压交流电源(1)、第一电阻箱(4)、第二电阻箱(11)、穿孔式交流电流变送器(10)、电流曲线记录仪(13)以及温湿度控制仪(14)，环境箱(15)内部设置有第一钛板(12)、第二钛板(5)、吸水海绵(6)，其中：
所述的环境箱(15)中装有土壤(9)，土壤(9)上设置有混凝土试样(7)，在混凝土试样(7)中埋置有钢筋(8)，混凝土试样(7)下方的土壤(9)中埋置所述的第一钛板(12)，混凝土试样(7)的顶面上设置所述的吸水海绵(6)，吸水海绵(6)处于饱水状态且完全覆盖混凝土试样(7)顶面；所述的第二钛板(5)放置在吸水海绵(6)上部；所述的温湿度控制仪(14)与环境箱(15)连接，温湿度控制仪(14)的探头设置于所述的土壤(9)中；
所述的可调式稳压交流电源的正极(2)、负极(3)分别电连接所述第二钛板(5)的两端，且可调式稳压交流电源的负极(3)还分别与钢筋(8)以及第一钛板(12)连接；所述的穿孔式交流电流变送器(10)与电流曲线记录仪(13)连接，并使可调式稳压交流电源的负极(3)与钢筋(8)连接的导线穿过穿孔式交流电流变送器(10)；所述的第一电阻箱(4)串联在可调式稳压交流电源的正极(2)、第二钛板(5)之间，所述的第二电阻箱(11)串联在可调式稳压交流电源的负极(3)、第二钛板(5)之间。
2.如权利要求1所述的模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置，其特征在于，所述的混凝土试样(7)下部伸入所述土壤(9)中，且土壤(9)的表面高于混凝土试样(7)底面的标高为10mm～20mm。
3.如权利要求1所述的模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置，其特征在于，所述的第一钛板(12)与混凝土试样(7)底面的间距为10mm～20mm，所述的吸水海绵(6)的厚度为10mm～20mm。
4.如权利要求1所述的模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验装置，其特征在于，所述的环境箱(15)为带有箱盖的空心矩形箱体。
5.一种模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验方法，其特征在于，使用权利要求1至4任一项所述的装置，该方法包括以下步骤：
步骤1，制备混凝土试样，在制备时将钢筋埋设于混凝土试样中；
步骤2，打开环境箱的箱盖，向环境箱中充填土壤，并将第一钛板置于土壤中，然后将混凝土试样放置于土壤上，继续填充土壤，使土壤的表面高于混凝土试样底面的标高为10mm～20mm，第一钛板与混凝土试样底面的间距为10mm～20mm；
步骤3，将处于饱水状态的吸水海绵放置于混凝土试样上部，使吸水海绵完全覆盖混凝土试样顶面，然后再将第二钛板放置于吸水海绵之上；
步骤4，通过环境箱侧壁上的线孔，利用导线使可调式稳压交流电源的正极、负极分别连接所述第二钛板的两端，可调式稳压交流电源的负极还分别连接钢筋以及第一钛板；使穿孔式交流电流变送器与电流曲线记录仪连接，并使可调式稳压交流电源的负极与钢筋连接的导线穿过穿孔式交流电流变送器；所述的第一电阻箱串联在可调式稳压交流电源的正极、第二钛板之间，所述的第二电阻箱串联在可调式稳压交流电源的负极、第二钛板之间；将温湿度控制仪与环境箱连接，使温湿度控制仪的探头设置于所述的土壤中；
闭合箱盖并进行密封，同时对线孔处进行密封；
步骤5，利用温湿度控制仪调节环境箱中的温湿度达到温湿度设定值，启动可调式稳压交流电源，然后在电流曲线记录仪中观察杂散电流的电流强度变化曲线，同时调节第一电阻箱、第二电阻箱使交流杂散电流的变化曲线的波峰在电流设定值附近时，停止调节，保持该状态直至达到试验规定时间，然后断开稳压交流电源，取出混凝土试样。
6.如权利要求5所述的模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验方法，其特征在于，所述的制备混凝土试样，在制备时将钢筋埋设于混凝土试样中，包括：
试件设计为150mm×150mm×150mm的带钢筋的立方体混凝土试样，然后浇筑混凝土试样，使得钢筋平行于混凝土试样底面，并与距离混凝土试样底面45mm，钢筋直径为20mm，长度为20cm，在混凝土试样中，钢筋上留有10cm长度的暴露面积，其余部分用热缩管密封处理，钢筋一端预接伸出混凝土试样的导线，再将钢筋的两个端部利用环氧树脂密封；
混凝土试样浇筑完成后，放入标准养护室养护28天，然后自然养护至90天，待强度稳定后取出，在混凝土试样的四个侧面上分别涂抹环氧树脂，待用。
7.如权利要求5所述的模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验方法，其特征在于，所述的电流设定值为30mA/dm2。
8.如权利要求5所述的模拟地铁杂散电流对混凝土耐久性影响的试验方法，其特征在于，所述的温湿度设定值为：温度：-25℃～70℃，湿度：45～85％RH。
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