專利名稱：內置電極模擬混凝土中鋼筋非均勻銹蝕的加速試驗方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種混凝土結構耐久性試驗方法，尤其是一種加速模擬氯鹽侵蝕環(huán)境中鋼筋混凝土結構中鋼筋產生的非均勻銹蝕方法。

背景技術：
目前，國內外在研究銹蝕鋼筋混凝土結構性能所采用的試驗方法主要有通電加速銹蝕方法、天然暴露試驗方法、替換構件方法、人工氣候環(huán)境方法、人工機械模擬方法等形式。
通電加速銹蝕方法是將混凝土內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，為了降低混凝土的電阻率，通常將混凝土構件浸泡在NaCl溶液內或使混凝土保持潮濕，控制電流強度與通電時間，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，因此在以往的快速銹蝕試驗中得到了廣泛的應用。缺點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際結構情況中有所遲緩。
天然暴露試驗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，獲取的試驗數(shù)據(jù)真實可信，是將科研成果應用于工程實踐、轉化成生產力的極為有效的途徑，長期觀測后形成的對比性暴露試驗成果可以彌補許多室內試驗的不足，從而會更具說服力及實際應用價值，先進的海洋國家普遍重視暴露試驗基地建設，并通過科學布設暴露站站點逐步完善暴露試驗研究工作向更具深度、廣度方向發(fā)展。其缺點是試驗周期長，環(huán)境條件變化不定，需要將不同暴露環(huán)境下的試驗結果建立相應的關系在目前仍具有一定的難度。
替換構件方法是對長期處于各種環(huán)境尤其是嚴酷環(huán)境下的實際工程中的混凝土構件從工作現(xiàn)場拆下來，進行各種力學性能試驗。此方法最接近于實際構件劣化情況，能夠真實反映實際環(huán)境中銹蝕構件的力學性能，其缺點是對于某一替換構件只能局限于反映特定的劣化環(huán)境和受力情況，且構件的原始設計資料往往不全，無法考證完好構件的力學性能用于同銹蝕構件進行對比。
人工氣候環(huán)境方法即在試驗室內實現(xiàn)人工氣候環(huán)境，模擬自然環(huán)境的氣候過程，并通過強化氣候要素的老化作用，使混凝土內鋼筋銹蝕具有與自然環(huán)境相同的電化學機理，并達到加速銹蝕的目的，是定量分析鋼筋銹蝕率與結構性能退化關系的有效耐久性試驗方法。然而如何提高人工模擬環(huán)境實驗方法模擬耐久性能劣化的準確性是研究中的一個難點，需要深入研究人工模擬環(huán)境實驗與結構實際環(huán)境和結構性能退化效應的相似性，建立混凝土結構耐久性試驗方法與標準。
人工機械模擬方法是將混凝土構件中鋼筋或混凝土進行一些人為的機械處理，用以模擬銹蝕后的鋼筋混凝土構件，研究受損后混凝土構件的力學性能。該方法操作簡單，易于控制，可以定量的分析鋼筋銹蝕率對構件性能的影響，不足之處是僅僅通過簡單的機械模擬不能真實的反映復雜的實際銹后鋼筋混凝土構件性能，得出的結果與實際銹蝕情況勢必會存在一定的差距。
盡管對銹蝕鋼筋混凝土結構性能研究已經很長時間，但是目前仍然缺乏一種模擬周期短、成本低、與實際銹蝕情況相似度高的加速銹蝕試驗方法，如何更加有效的模擬實際氯鹽侵蝕環(huán)境中鋼筋混凝土結構中鋼筋的非均勻銹蝕，已成為研究既有鋼筋混凝土結構力學性能的一個關鍵問題。


發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種利用電滲原理，在電場的作用下使氯離子加速向混凝土結構內遷移，并使混凝土內鋼筋提前達到銹蝕閾值，以模擬工程環(huán)境中氯離子侵入混凝土結構的過程。用干濕循環(huán)過程外加微小腐蝕電流對混凝土結構中鋼筋加速銹蝕，并模擬實際銹脹裂縫的開展過程。
內置電極模擬混凝土中鋼筋非均勻銹蝕的加速試驗方法，包括如下步驟 (1)制備混凝土試件 在混凝土中預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，再用塑料布密封；將不銹鋼網與穩(wěn)壓直流電源負極連接，混凝土內不銹鋼片與穩(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，進行電滲處理，電滲處理期間保持吸水材料濕潤；達到電滲通電時間后，關閉穩(wěn)壓直流電源； (3)干濕循環(huán)、恒電流通電處理 斷開混凝土內不銹鋼片與穩(wěn)壓直流電源正極的連接，將不銹鋼網與穩(wěn)流直流電源負極連接，混凝土待銹蝕區(qū)域內的鋼筋與穩(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)交替進行，待濕處理時間總和達到恒電流通電時間后，關閉穩(wěn)流直流電源。
步驟(2)中的預期通電時間根據(jù)下式確認 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為氯離子電價的絕對值，取1；F為法拉第(Faraday)常數(shù)，取96500A·s；U為不銹鋼網和不銹鋼片(陰陽兩極)間的電壓；L為不銹鋼網和不銹鋼片(陰陽兩極)間的距離；t1為電滲通電時間(s)；xd為電滲處理中的凈保護層厚度(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深度處的目標氯離子濃度；Dnssm為氯離子擴散系數(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可通過本領域公知的RCM(混凝土氯離子擴散系數(shù)快速測定方法)方法測得。
所述的cd可通過下式計算 式中，c為鋼筋脫鈍時氯離子所占混凝土質量百分比，一般取0.06％；ρcon為混凝土密度；φ為混凝土連通孔隙率，可通過壓汞試驗測得；s為孔隙飽和度，對于飽和混凝土試件取1。
步驟(3)中的恒電流通電時間根據(jù)下式確認 式中，i為恒電流通電電流密度；MFe為鐵的原子量，取56g；t2為恒電流通電時間(s)；ZFe為鐵的化合價，取2；Δds為鋼筋的目標銹蝕深度(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 氯離子向混凝土內部擴散需要化學和電勢差的驅動。在氯離子擴散前進的方向加上一個電場E，那么非穩(wěn)態(tài)電遷移氯離子擴散系數(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為離子的電價的絕對值，對于氯離子取1；F為法拉第(Faraday)常數(shù)，取96500A·s；U為不銹鋼網和不銹鋼片(陰陽兩極)間的電壓；L為不銹鋼網和不銹鋼片(陰陽兩極)間的距離；t1為通電時間(s)；xd為擴散深度，電滲試驗中取凈保護層厚度；cd為擴散深度xd處的目標氯離子濃度，c0為溶液中的氯離子濃度。Dnssm可通過RCM方法測得。
在外加電場E作用下，使氯離子擴散至混凝土中xd深度所需的時間t1可表示為 在電滲試驗中，通過上式控制電滲所需的通電時間。
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為通電時間(s)；ZFe為鐵的化合價，取2。
鋼筋銹蝕引起的質量損失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)。
可得預期通電時間t2為 當腐蝕電流密度i保持恒定時，鋼筋的腐蝕深度與通電時間成正比，只要有效控制通電時間，便可使鋼筋達到預期的銹蝕程度。
C干濕循環(huán)原理 干濕循環(huán)氯離子滲入即是毛細管作用和擴散作用的組合，當干透了的混凝土表層接觸溶液時，靠毛細管作用吸收溶液，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逆轉，純水從毛細孔對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部之間形成氯離子濃差，它驅使混凝土孔隙液中的鹽分靠擴散機理向混凝土內部擴散。
本方法可以模擬氯鹽侵蝕環(huán)境下氯子向混凝土中的擴散過程，實現(xiàn)混凝土中鋼筋的非均勻銹蝕和單面銹蝕，真實的反映銹蝕鋼筋混凝土結構中銹脹裂縫的發(fā)展過程，為評估鋼筋混凝土結構銹后性能提供了一種加速試驗方法。



圖1為電場作用下氯離子遷移示意圖； 圖2為混凝土試件結構示意圖； 圖3為包覆吸水海綿、不銹鋼網和塑料布的混凝土試件的結構示意圖； 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；不銹鋼網和不銹鋼片(陰陽兩極)間的距離L為0.1m；不銹鋼網和不銹鋼片(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試驗測得混凝土的非穩(wěn)態(tài)電遷移氯離子擴散系數(shù)Dnssm為6.67×10-12m2/s；溶液中的氯離子濃度c0為2mol/L；擴散深度xd處的目標氯離子濃度cd為0.4225mol/L。
計算電滲時間
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4，再用塑料布5密封，用導線將不銹鋼網4與穩(wěn)壓直流電源負極連接，混凝土內不銹鋼片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)壓直流電源進行通電試驗；達到預期電滲通電時間4.19天后，關閉穩(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，目標銹蝕區(qū)域為梁底部縱筋，待銹蝕鋼筋的目標銹蝕率η分別為4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％和12％，將目標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。
計算恒電流通電時間，見表1 表1
如圖5所示，斷開混凝土內不銹鋼片2與穩(wěn)壓直流電源正極的連接，將不銹鋼網4與穩(wěn)流直流電源負極連接，混凝土待銹蝕區(qū)域A內的鋼筋與穩(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，進行濕處理4天，如此干濕循環(huán)交替處理，待濕處理時間總和達到如表1中的預期恒電流通電時間后，關閉穩(wěn)流直流電源。試驗結束。
銹蝕后得到的鋼筋實際銹蝕率、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為目標銹蝕鋼筋的直徑。
權利要求
1.內置電極模擬混凝土中鋼筋非均勻銹蝕的加速試驗方法，包括如下步驟
(1)制備混凝土試件
在混凝土中預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，再用塑料布密封；將不銹鋼網與穩(wěn)壓直流電源負極連接，混凝土內不銹鋼片與穩(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，進行電滲處理，電滲處理期間保持吸水材料濕潤；達到電滲通電時間后，關閉穩(wěn)壓直流電源；
(3)干濕循環(huán)、恒電流通電處理
斷開混凝土內不銹鋼片與穩(wěn)壓直流電源正極的連接，將不銹鋼網與穩(wěn)流直流電源負極連接，混凝土待銹蝕區(qū)域內的鋼筋與穩(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)交替進行，待濕處理時間總和達到恒電流通電時間后，關閉穩(wěn)流直流電源。
2.如權利要求1所述的加速試驗方法，其特征在于步驟(2)中的電滲通電時間根據(jù)下式確認
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為氯離子電價的絕對值；F為法拉第常數(shù)；U為不銹鋼網和不銹鋼片間的電壓；L為不銹鋼網和不銹鋼片間的距離；t1為電滲通電時間；xd為凈保護層厚度；cd為距混凝土表面xd深度處的目標氯離子濃度；c0為NaCl溶液中的氯離子濃度；Dnssm為氯離子擴散系數(shù)。
3.如權利要求1所述的加速試驗方法，其特征在于所述的穩(wěn)壓直流電源的電壓為10～60V。
4.如權利要求3所述的加速試驗方法，其特征在于所述的穩(wěn)壓直流電源的電壓為30V。
5.如權利要求1所述的加速試驗方法，其特征在于步驟(3)中的恒電流通電時間根據(jù)下式確認
式中，i為恒電流通電電流密度；MFe為鐵的原子量；t2為恒電流通電時間；ZFe為鐵的化合價，取2；Δds為鋼筋的目標銹蝕深度；γs為鋼筋密度；F為法拉第常數(shù)。
6.如權利要求5所述的加速試驗方法，其特征在于所述的恒電流電流密度為1～10A/m2。
7.如權利要求6所述的加速試驗方法，其特征在于所述的恒電流電流密度為2A/m2。
8.如權利要求1所述的加速試驗方法，其特征在于所述的NaCl溶液的濃度為0.5～5mol/L。
9.如權利要求8所述的加速試驗方法，其特征在于所述的NaCl溶液的濃度為2mol/L。
全文摘要
本發(fā)明公開了內置電極模擬混凝土中鋼筋非均勻銹蝕的加速試驗方法，在混凝土中預埋不銹鋼片制得混凝土試件后，依次對混凝土試件進行電滲處理和干濕循環(huán)、恒電流通電處理。在電場的作用下使氯離子加速向混凝土結構內遷移，并使混凝土內鋼筋提前達到銹蝕閾值，以模擬工程環(huán)境中氯離子侵入混凝土結構的過程。用干濕循環(huán)過程外加微小腐蝕電流對混凝土結構中鋼筋加速銹蝕，并模擬實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散過程，實現(xiàn)混凝土中鋼筋的非均勻銹蝕和單面銹蝕，真實的反映銹蝕鋼筋混凝土結構中銹脹裂縫的發(fā)展過程，為評估鋼筋混凝土結構銹后性能提供了一種加速試驗方法。
文檔編號G01N17/02GK101762453SQ201010039690
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月15日 優(yōu)先權日2010年1月15日
發(fā)明者金偉良, 夏晉, 王海龍 申請人:浙江大學