專利名稱：內(nèi)置電極模擬混凝土中鋼筋非均勻銹蝕的加速試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)方法，尤其是一種加速模擬氯鹽侵蝕環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋產(chǎn)生的非均勻銹蝕方法。

背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外在研究銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能所采用的試驗(yàn)方法主要有通電加速銹蝕方法、天然暴露試驗(yàn)方法、替換構(gòu)件方法、人工氣候環(huán)境方法、人工機(jī)械模擬方法等形式。
通電加速銹蝕方法是將混凝土內(nèi)待銹蝕鋼筋作為陽極，用不銹鋼或銅片作陰極，以混凝土作為介質(zhì)，為了降低混凝土的電阻率，通常將混凝土構(gòu)件浸泡在NaCl溶液內(nèi)或使混凝土保持潮濕，控制電流強(qiáng)度與通電時(shí)間，根據(jù)法拉第定律，可以確定鋼筋銹蝕量。由于通電法具有鋼筋銹蝕速度快，易于控制鋼筋的銹蝕程度的優(yōu)點(diǎn)，因此在以往的快速銹蝕試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)是使用通電法加速銹蝕的鋼筋往往呈現(xiàn)為均勻銹蝕，且混凝土表面銹脹裂縫開展較實(shí)際結(jié)構(gòu)情況中有所遲緩。
天然暴露試驗(yàn)方法是將鋼筋混凝土試件置于各種自然侵蝕環(huán)境，如大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、工業(yè)環(huán)境中，獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可信，是將科研成果應(yīng)用于工程實(shí)踐、轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力的極為有效的途徑，長期觀測(cè)后形成的對(duì)比性暴露試驗(yàn)成果可以彌補(bǔ)許多室內(nèi)試驗(yàn)的不足，從而會(huì)更具說服力及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，先進(jìn)的海洋國家普遍重視暴露試驗(yàn)基地建設(shè)，并通過科學(xué)布設(shè)暴露站站點(diǎn)逐步完善暴露試驗(yàn)研究工作向更具深度、廣度方向發(fā)展。其缺點(diǎn)是試驗(yàn)周期長，環(huán)境條件變化不定，需要將不同暴露環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果建立相應(yīng)的關(guān)系在目前仍具有一定的難度。
替換構(gòu)件方法是對(duì)長期處于各種環(huán)境尤其是嚴(yán)酷環(huán)境下的實(shí)際工程中的混凝土構(gòu)件從工作現(xiàn)場(chǎng)拆下來，進(jìn)行各種力學(xué)性能試驗(yàn)。此方法最接近于實(shí)際構(gòu)件劣化情況，能夠真實(shí)反映實(shí)際環(huán)境中銹蝕構(gòu)件的力學(xué)性能，其缺點(diǎn)是對(duì)于某一替換構(gòu)件只能局限于反映特定的劣化環(huán)境和受力情況，且構(gòu)件的原始設(shè)計(jì)資料往往不全，無法考證完好構(gòu)件的力學(xué)性能用于同銹蝕構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比。
人工氣候環(huán)境方法即在試驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)人工氣候環(huán)境，模擬自然環(huán)境的氣候過程，并通過強(qiáng)化氣候要素的老化作用，使混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕具有與自然環(huán)境相同的電化學(xué)機(jī)理，并達(dá)到加速銹蝕的目的，是定量分析鋼筋銹蝕率與結(jié)構(gòu)性能退化關(guān)系的有效耐久性試驗(yàn)方法。然而如何提高人工模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法模擬耐久性能劣化的準(zhǔn)確性是研究中的一個(gè)難點(diǎn)，需要深入研究人工模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)與結(jié)構(gòu)實(shí)際環(huán)境和結(jié)構(gòu)性能退化效應(yīng)的相似性，建立混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)。
人工機(jī)械模擬方法是將混凝土構(gòu)件中鋼筋或混凝土進(jìn)行一些人為的機(jī)械處理，用以模擬銹蝕后的鋼筋混凝土構(gòu)件，研究受損后混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能。該方法操作簡單，易于控制，可以定量的分析鋼筋銹蝕率對(duì)構(gòu)件性能的影響，不足之處是僅僅通過簡單的機(jī)械模擬不能真實(shí)的反映復(fù)雜的實(shí)際銹后鋼筋混凝土構(gòu)件性能，得出的結(jié)果與實(shí)際銹蝕情況勢(shì)必會(huì)存在一定的差距。
盡管對(duì)銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能研究已經(jīng)很長時(shí)間，但是目前仍然缺乏一種模擬周期短、成本低、與實(shí)際銹蝕情況相似度高的加速銹蝕試驗(yàn)方法，如何更加有效的模擬實(shí)際氯鹽侵蝕環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的非均勻銹蝕，已成為研究既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的一個(gè)關(guān)鍵問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種利用電滲原理，在電場(chǎng)的作用下使氯離子加速向混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)遷移，并使混凝土內(nèi)鋼筋提前達(dá)到銹蝕閾值，以模擬工程環(huán)境中氯離子侵入混凝土結(jié)構(gòu)的過程。用干濕循環(huán)過程外加微小腐蝕電流對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋加速銹蝕，并模擬實(shí)際銹脹裂縫的開展過程。
內(nèi)置電極模擬混凝土中鋼筋非均勻銹蝕的加速試驗(yàn)方法，包括如下步驟 (1)制備混凝土試件 在混凝土中預(yù)埋不銹鋼片制得混凝土試件； (2)電滲處理 在混凝土試件待銹蝕區(qū)域外依次包覆吸水材料和不銹鋼網(wǎng)，再用塑料布密封；將不銹鋼網(wǎng)與穩(wěn)壓直流電源負(fù)極連接，混凝土內(nèi)不銹鋼片與穩(wěn)壓直流電源正極連接；用NaCl溶液充分潤濕吸水材料，待銹蝕區(qū)域的混凝土充分浸濕后，開啟穩(wěn)壓直流電源通電，進(jìn)行電滲處理，電滲處理期間保持吸水材料濕潤；達(dá)到電滲通電時(shí)間后，關(guān)閉穩(wěn)壓直流電源； (3)干濕循環(huán)、恒電流通電處理 斷開混凝土內(nèi)不銹鋼片與穩(wěn)壓直流電源正極的連接，將不銹鋼網(wǎng)與穩(wěn)流直流電源負(fù)極連接，混凝土待銹蝕區(qū)域內(nèi)的鋼筋與穩(wěn)流直流電源正極連接；將吸水材料干燥，保持混凝土試件干燥，進(jìn)行干處理；干處理后，用NaCl溶液浸濕吸水材料，待銹蝕區(qū)域的混凝土充分浸濕后，開啟穩(wěn)流直流電源通電，進(jìn)行濕處理，濕處理期間保持吸水材料濕潤；干處理和濕處理循環(huán)交替進(jìn)行，待濕處理時(shí)間總和達(dá)到恒電流通電時(shí)間后，關(guān)閉穩(wěn)流直流電源。
步驟(2)中的預(yù)期通電時(shí)間根據(jù)下式確認(rèn) 式中，R為氣體常數(shù)，T為不銹鋼片處的電滲處理的初始和最終溫度的平均值(K)；z為氯離子電價(jià)的絕對(duì)值，取1；F為法拉第(Faraday)常數(shù)，取96500A·s；U為不銹鋼網(wǎng)和不銹鋼片(陰陽兩極)間的電壓；L為不銹鋼網(wǎng)和不銹鋼片(陰陽兩極)間的距離；t1為電滲通電時(shí)間(s)；xd為電滲處理中的凈保護(hù)層厚度(混凝土表面到待銹蝕鋼筋表面的距離)；cd為距混凝土表面xd深度處的目標(biāo)氯離子濃度；Dnssm為氯離子擴(kuò)散系數(shù)， 所述的穩(wěn)壓直流電源的電壓控制為10～80V，最優(yōu)選擇30V。
所述的Dnssm可通過本領(lǐng)域公知的RCM(混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定方法)方法測(cè)得。
所述的cd可通過下式計(jì)算 式中，c為鋼筋脫鈍時(shí)氯離子所占混凝土質(zhì)量百分比，一般取0.06％；ρcon為混凝土密度；φ為混凝土連通孔隙率，可通過壓汞試驗(yàn)測(cè)得；s為孔隙飽和度，對(duì)于飽和混凝土試件取1。
步驟(3)中的恒電流通電時(shí)間根據(jù)下式確認(rèn) 式中，i為恒電流通電電流密度；MFe為鐵的原子量，取56g；t2為恒電流通電時(shí)間(s)；ZFe為鐵的化合價(jià)，取2；Δds為鋼筋的目標(biāo)銹蝕深度(m)；γs為鋼筋密度(g/m3)；F為法拉第(Faraday)常數(shù)，取96500A·s。
所述的恒電流電流密度通常取1～10A/m2，最優(yōu)選取2A/m2。
所述的NaCl溶液的濃度一般選取0.5～5mol/L，最優(yōu)為2mol/L。
所述的干處理和濕處理的時(shí)間比例可根據(jù)待模擬環(huán)境狀況的具體情況而定，比如，模擬海洋環(huán)境中混凝土的銹蝕狀態(tài)，可采用干處理3天，濕處理4天的方法，符合海洋環(huán)境中混凝土的干濕循環(huán)比例。
本發(fā)明的原理是 A電滲原理 氯離子向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散需要化學(xué)和電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)。在氯離子擴(kuò)散前進(jìn)的方向加上一個(gè)電場(chǎng)E，那么非穩(wěn)態(tài)電遷移氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dnssm可以表示為 式中，R為氣體常數(shù)，取8.3145J/mol/K；T為不銹鋼片的初始和最終溫度的平均值(K)；z為離子的電價(jià)的絕對(duì)值，對(duì)于氯離子取1；F為法拉第(Faraday)常數(shù)，取96500A·s；U為不銹鋼網(wǎng)和不銹鋼片(陰陽兩極)間的電壓；L為不銹鋼網(wǎng)和不銹鋼片(陰陽兩極)間的距離；t1為通電時(shí)間(s)；xd為擴(kuò)散深度，電滲試驗(yàn)中取凈保護(hù)層厚度；cd為擴(kuò)散深度xd處的目標(biāo)氯離子濃度，c0為溶液中的氯離子濃度。Dnssm可通過RCM方法測(cè)得。
在外加電場(chǎng)E作用下，使氯離子擴(kuò)散至混凝土中xd深度所需的時(shí)間t1可表示為 在電滲試驗(yàn)中，通過上式控制電滲所需的通電時(shí)間。
B恒電流原理 腐蝕電流I可表示為 I＝iAs，0 式中，i為腐蝕電流密度，1A/m2～10A/m2；As，0為待銹蝕鋼筋原表面積(m2)，一般取目標(biāo)銹蝕區(qū)域所有鋼筋的表面積。
根據(jù)Faraday定律，鋼筋銹蝕引起的質(zhì)量損失Δws可以表示為 式中，MFe為鐵的原子量，取56g；t2為通電時(shí)間(s)；ZFe為鐵的化合價(jià)，取2。
鋼筋銹蝕引起的質(zhì)量損失Δws又可以表示為 Δws＝ΔdsAs，0γs 式中，Δds為鋼筋的銹蝕深度(m)；γs為鋼筋密度(g/m3)。
可得預(yù)期通電時(shí)間t2為 當(dāng)腐蝕電流密度i保持恒定時(shí)，鋼筋的腐蝕深度與通電時(shí)間成正比，只要有效控制通電時(shí)間，便可使鋼筋達(dá)到預(yù)期的銹蝕程度。
C干濕循環(huán)原理 干濕循環(huán)氯離子滲入即是毛細(xì)管作用和擴(kuò)散作用的組合，當(dāng)干透了的混凝土表層接觸溶液時(shí)，靠毛細(xì)管作用吸收溶液，一直吸到飽和的程度。如果外界環(huán)境又變得干燥，則混凝土中水流方向會(huì)逆轉(zhuǎn)，純水從毛細(xì)孔對(duì)大氣開放的那些端頭向外蒸發(fā)，使混凝土表層孔隙液中鹽分濃度增高，這樣在混凝土表層與內(nèi)部之間形成氯離子濃差，它驅(qū)使混凝土孔隙液中的鹽分靠擴(kuò)散機(jī)理向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散。
本方法可以模擬氯鹽侵蝕環(huán)境下氯子向混凝土中的擴(kuò)散過程，實(shí)現(xiàn)混凝土中鋼筋的非均勻銹蝕和單面銹蝕，真實(shí)的反映銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中銹脹裂縫的發(fā)展過程，為評(píng)估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹后性能提供了一種加速試驗(yàn)方法。



圖1為電場(chǎng)作用下氯離子遷移示意圖； 圖2為混凝土試件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為包覆吸水海綿、不銹鋼網(wǎng)和塑料布的混凝土試件的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為電滲處理示意圖； 圖5為干濕循環(huán)、恒電流通電處理示意圖。

具體實(shí)施例方式 模擬海洋環(huán)境中混凝土的非均勻銹蝕狀態(tài)。
(1)制備混凝土試件 在混凝土中預(yù)埋不銹鋼片2制得混凝土試件1。
混凝土(彎梁)尺寸為150×200×1500mm，受拉縱筋為2根直徑16mm的變形鋼筋，兩端均彎起100mm以保證錨固要求，箍筋為直徑8mm，間距100mm，上部架立鋼筋為2根直徑10mm的光圓鋼筋，梁中部布置一塊尺寸為30×1300×0.2mm的不銹鋼片。
(2)電滲處理 凈保護(hù)層厚度xd為0.03m；混凝土連通孔隙率φ為10％；氣體常數(shù)R取8.3145J/mol/K；不銹鋼片的電滲處理的初始和最終溫度的平均值T為298K；不銹鋼網(wǎng)和不銹鋼片(陰陽兩極)間的距離L為0.1m；不銹鋼網(wǎng)和不銹鋼片(陰陽兩極)間的電壓U為30V；z取1；法拉第常數(shù)F取96500A·s；RCM試驗(yàn)測(cè)得混凝土的非穩(wěn)態(tài)電遷移氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dnssm為6.67×10-12m2/s；溶液中的氯離子濃度c0為2mol/L；擴(kuò)散深度xd處的目標(biāo)氯離子濃度cd為0.4225mol/L。
計(jì)算電滲時(shí)間
如圖3、圖4所示，在混凝土試件1待銹蝕區(qū)域A外依次包覆吸水材料3——吸水海綿和不銹鋼網(wǎng)4，再用塑料布5密封，用導(dǎo)線將不銹鋼網(wǎng)4與穩(wěn)壓直流電源負(fù)極連接，混凝土內(nèi)不銹鋼片2與穩(wěn)壓直流電源正極連接；用2mol/L的NaCl溶液充份潤濕吸水海綿，待銹蝕區(qū)域A的混凝土充分浸濕后，開啟穩(wěn)壓直流電源進(jìn)行通電試驗(yàn)；達(dá)到預(yù)期電滲通電時(shí)間4.19天后，關(guān)閉穩(wěn)壓直流電源。
(3)干濕循環(huán)、恒電流通電處理 鐵的原子量MFe取56g；鐵的化合價(jià)ZFe取2；鋼筋密度γs為7.9×106g/m3；恒電流通電電流密度i為2A/m2，目標(biāo)銹蝕區(qū)域?yàn)榱旱撞靠v筋，待銹蝕鋼筋的目標(biāo)銹蝕率η分別為4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％和12％，將目標(biāo)銹蝕率換算面銹蝕深度深度Δds依次為0.162mm、0.203mm、0.244mm、0.285mm、0.327mm、0.368mm、0.411mm、0.453mm和0.495mm。
計(jì)算恒電流通電時(shí)間，見表1 表1
如圖5所示，斷開混凝土內(nèi)不銹鋼片2與穩(wěn)壓直流電源正極的連接，將不銹鋼網(wǎng)4與穩(wěn)流直流電源負(fù)極連接，混凝土待銹蝕區(qū)域A內(nèi)的鋼筋與穩(wěn)流直流電源正極連接；將吸水海綿干燥，保持混凝土試件干燥，進(jìn)行干處理，待混凝土表面充分干燥3天后，用濃度為2mol/L的NaCl溶液浸濕吸水海綿，待銹蝕區(qū)域A的混凝土充分浸濕后，開啟穩(wěn)流直流電源通電，進(jìn)行濕處理4天，如此干濕循環(huán)交替處理，待濕處理時(shí)間總和達(dá)到如表1中的預(yù)期恒電流通電時(shí)間后，關(guān)閉穩(wěn)流直流電源。試驗(yàn)結(jié)束。
銹蝕后得到的鋼筋實(shí)際銹蝕率、混凝土表面的平均銹脹裂縫寬度和最大銹脹裂縫寬度見表1。
銹蝕率定義為鋼筋銹后的平均重量損失率。
銹蝕深度定義為鋼筋銹后的平均半徑損失。
平均銹脹裂縫寬度定義為沿銹脹裂縫方向每50mm量取一次銹脹裂縫寬度后所有值的平均值。
最大銹脹裂縫寬度定義為沿銹脹裂縫方向每50mm量取一次銹脹裂縫寬度后所有值的最大值。
銹蝕率與銹蝕深度的換算公式為 式中，ds為目標(biāo)銹蝕鋼筋的直徑。
權(quán)利要求
1.內(nèi)置電極模擬混凝土中鋼筋非均勻銹蝕的加速試驗(yàn)方法，包括如下步驟
(1)制備混凝土試件
在混凝土中預(yù)埋不銹鋼片制得混凝土試件；
(2)電滲處理
在混凝土試件待銹蝕區(qū)域外依次包覆吸水材料和不銹鋼網(wǎng)，再用塑料布密封；將不銹鋼網(wǎng)與穩(wěn)壓直流電源負(fù)極連接，混凝土內(nèi)不銹鋼片與穩(wěn)壓直流電源正極連接；用NaCl溶液充分潤濕吸水材料，待銹蝕區(qū)域的混凝土充分浸濕后，開啟穩(wěn)壓直流電源通電，進(jìn)行電滲處理，電滲處理期間保持吸水材料濕潤；達(dá)到電滲通電時(shí)間后，關(guān)閉穩(wěn)壓直流電源；
(3)干濕循環(huán)、恒電流通電處理
斷開混凝土內(nèi)不銹鋼片與穩(wěn)壓直流電源正極的連接，將不銹鋼網(wǎng)與穩(wěn)流直流電源負(fù)極連接，混凝土待銹蝕區(qū)域內(nèi)的鋼筋與穩(wěn)流直流電源正極連接；將吸水材料干燥，保持混凝土試件干燥，進(jìn)行干處理；干處理后，用NaCl溶液浸濕吸水材料，待銹蝕區(qū)域的混凝土充分浸濕后，開啟穩(wěn)流直流電源通電，進(jìn)行濕處理，濕處理期間保持吸水材料濕潤；干處理和濕處理循環(huán)交替進(jìn)行，待濕處理時(shí)間總和達(dá)到恒電流通電時(shí)間后，關(guān)閉穩(wěn)流直流電源。
2.如權(quán)利要求1所述的加速試驗(yàn)方法，其特征在于步驟(2)中的電滲通電時(shí)間根據(jù)下式確認(rèn)
式中，R為氣體常數(shù)，T為不銹鋼片處的電滲處理的初始和最終溫度的平均值；z為氯離子電價(jià)的絕對(duì)值；F為法拉第常數(shù)；U為不銹鋼網(wǎng)和不銹鋼片間的電壓；L為不銹鋼網(wǎng)和不銹鋼片間的距離；t1為電滲通電時(shí)間；xd為凈保護(hù)層厚度；cd為距混凝土表面xd深度處的目標(biāo)氯離子濃度；c0為NaCl溶液中的氯離子濃度；Dnssm為氯離子擴(kuò)散系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的加速試驗(yàn)方法，其特征在于所述的穩(wěn)壓直流電源的電壓為10～60V。
4.如權(quán)利要求3所述的加速試驗(yàn)方法，其特征在于所述的穩(wěn)壓直流電源的電壓為30V。
5.如權(quán)利要求1所述的加速試驗(yàn)方法，其特征在于步驟(3)中的恒電流通電時(shí)間根據(jù)下式確認(rèn)
式中，i為恒電流通電電流密度；MFe為鐵的原子量；t2為恒電流通電時(shí)間；ZFe為鐵的化合價(jià)，取2；Δds為鋼筋的目標(biāo)銹蝕深度；γs為鋼筋密度；F為法拉第常數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的加速試驗(yàn)方法，其特征在于所述的恒電流電流密度為1～10A/m2。
7.如權(quán)利要求6所述的加速試驗(yàn)方法，其特征在于所述的恒電流電流密度為2A/m2。
8.如權(quán)利要求1所述的加速試驗(yàn)方法，其特征在于所述的NaCl溶液的濃度為0.5～5mol/L。
9.如權(quán)利要求8所述的加速試驗(yàn)方法，其特征在于所述的NaCl溶液的濃度為2mol/L。
全文摘要
本發(fā)明公開了內(nèi)置電極模擬混凝土中鋼筋非均勻銹蝕的加速試驗(yàn)方法，在混凝土中預(yù)埋不銹鋼片制得混凝土試件后，依次對(duì)混凝土試件進(jìn)行電滲處理和干濕循環(huán)、恒電流通電處理。在電場(chǎng)的作用下使氯離子加速向混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)遷移，并使混凝土內(nèi)鋼筋提前達(dá)到銹蝕閾值，以模擬工程環(huán)境中氯離子侵入混凝土結(jié)構(gòu)的過程。用干濕循環(huán)過程外加微小腐蝕電流對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋加速銹蝕，并模擬實(shí)際銹脹裂縫的開展過程。本發(fā)明方法可以模擬氯鹽侵蝕環(huán)境下氯子向混凝土中的擴(kuò)散過程，實(shí)現(xiàn)混凝土中鋼筋的非均勻銹蝕和單面銹蝕，真實(shí)的反映銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中銹脹裂縫的發(fā)展過程，為評(píng)估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹后性能提供了一種加速試驗(yàn)方法。
文檔編號(hào)G01N17/02GK101762453SQ201010039690
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者金偉良, 夏晉, 王海龍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)