CN112033885B - 一种测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的装置和方法，装置包括：待测试件、氯离子电迁移装置和电化学测试装置。方法包括：氯离子电迁移循环试验、腐蚀电流密度特征参数测定、钢筋电极测试面脱钝量化判定准则。利用氯离子电迁移装置开展氯离子电迁移循环试验，利用电化学测试装置测定并计算腐蚀电流密度特征参数，根据钢筋电极测试面脱钝量化判定准则判定水泥基材料中钢筋电极的测试面是否发生脱钝。本发明不仅能够加速氯离子在水泥基材料中的传输，显著缩短试验测试周期，而且可以同时量化判定待测试件中多根钢筋电极的测试面是否发生脱钝，从而快速准确地测定水泥基材料中钢筋脱钝的临界氯离子浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种水泥基材料中钢筋耐蚀性能测试的装置和方法。
背景技术
砂浆、混凝土等水泥基材料广泛应用于建筑、桥梁、大坝和港口等工程结构中。外部环境中的侵蚀性氯离子通过扩散、对流、迁移等方式不断地向水泥基材料内部传输，在氧气和水分充足的条件下，当水泥基材料中钢筋表面的氯离子浓度达到临界氯离子浓度时，钢筋钝化膜就会发生破坏，致使钢筋发生腐蚀，从而影响工程结构的正常使用功能和承载安全性。因此，准确测定水泥基材料中钢筋脱钝的临界氯离子浓度，对于工程结构的耐久性评估和服役寿命预测具有重要意义。
目前，国内外有关水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的试验测试方法主要包括自然暴露法、自然渗透法和电场加速法等。其中，自然暴露法将待测试件暴露在真实自然环境中，通常需要耗费几年甚至几十年时间才能获取测试数据，由于试验测试周期太长，实际应用较少；自然渗透法将待测试件浸泡在高浓度氯盐溶液中，通过提高浸泡溶液的氯离子浓度来加速氯离子向水泥基材料内部传输，由于氯离子的自然渗透过程非常缓慢，导致该方法的试验测试周期仍然较长，通常需要半年甚至更长时间才能获取测试数据，难以满足实际工程需求；电场加速法利用外加电场的方式加速外部溶液中的氯离子向水泥基材料内部迁移，通常仅需几天时间就可以获取测试数据，所以得到广泛应用。中国专利201010039690.3公开了一种内置电极模拟混凝土中钢筋非均匀锈蚀的加速试验方法，该方法利用预埋不锈钢片的混凝土试件作为待测试件，通过电渗处理、干湿循环和恒电流通电处理等方式加速氯离子传输和钢筋腐蚀，但是该方法无法测试钢筋脱钝的临界氯离子浓度；中国专利201710233766.8公开了一种外渗电加速钢筋锈蚀测试装置，该方法将预埋单根钢筋段的混凝土试件作为待测试件，在钢筋段内部的半圆形凹槽中粘贴应变片，在试件顶部预留凹槽盛装海水，整个待测试件放置在盛满自来水的玻璃凹槽内，将钢筋的环面作为测试面，该方法虽然可以通过应变片的测试数据来判断钢筋的腐蚀情况，但是无法测试钢筋脱钝的临界氯离子浓度；中国专利200810057844.4公开了一种快速测定钢筋锈蚀临界氯离子浓度的方法，该方法将预埋参比电极和钢筋电极的混凝土试件作为待测试件，在待测试件的左侧盛放阳极溶液，右侧盛放阴极溶液，将预埋在待测试件中的单根钢筋电极的环面作为工作电极测试面，根据工作电极和参比电极构成的宏电池电流来判别钢筋电极的腐蚀状态；类似地，中国专利200910152758.6公开了一种混凝土中钢筋脱钝氯离子阈值快速测定方法，该方法在测试试件顶部的小水槽盛放阴极溶液，在测试试件下侧的大水槽中盛放阳极溶液，并将预埋在测试试件中的单根钢筋电极的环面作为工作电极测试面，然后根据半电池电位的变化来判别钢筋电极的腐蚀状态。通过分析可知，上述测试方法存在以下技术缺陷：(1)由于钢筋电极环面上各点离待测试件暴露面的距离不同，导致工作电极测试面上各点的氯离子浓度和脱钝时刻不同，所以上述方法采用钢筋电极的环面作为工作电极的测试面，会显著降低钢筋脱钝临界氯离子浓度的测试精度；(2)由于砂浆、混凝土等水泥基材料为非均质材料，上述方法的每个待测试件仅预埋单根工作电极，利用单根工作电极的测试结果难以准确测定水泥基材料中钢筋脱钝的临界氯离子浓度；(3)上述方法根据所测参数的具体取值或变化趋势来定性判断钢筋的腐蚀状态，难以准确判断钢筋的真实腐蚀状况，因而无法准确测定水泥基材料中钢筋脱钝的临界氯离子浓度。因此，有必要研发一种能够快速准确测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的试验装置和方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种快速准确测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的试验装置和方法，从而能够快速准确地测定水泥基材料中钢筋的耐蚀性能。
为了解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：一种测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的装置，包括待测试件、氯离子电迁移装置以及电化学测试装置，具体结构和连接关系为：
所述待测试件为预埋多根钢筋电极的水泥基材料圆柱体试件，钢筋电极的测试面与待测试件的底面平行，且钢筋电极在圆柱体待测试件的横截面内均匀分布；
所述氯离子电迁移装置由直流电源、通电导线、电解质水槽、阳极导电板、阴极导电板、支撑架、橡胶套筒和不锈钢喉箍组成，利用不锈钢喉箍将待测试件固定在橡胶套筒中，且待测试件底面与橡胶套筒下端面平齐，待测试件和橡胶套筒二者整体放置在电解质水槽中的支撑架上，待测试件顶面放置阳极导电板，待测试件下侧的阴极溶液中放置阴极导电板，直流电源的正极和负极用通电导线分别与阳极导电板和阴极导电板相连接；
所述电化学测试装置由电化学工作站、饱和甘汞电极、测试导线、数据线、电脑主机和显示器组成，所述钢筋电极、饱和甘汞电极和阴极导电板通过测试导线分别与电化学工作站的工作电极WE、参比电极RE和辅助电极CE连接，电化学工作站通过数据线与电脑主机和显示器相连接，测试水泥基材料中钢筋电极的开路电位、极化电阻和腐蚀电流密度，对测试数据进行显示、存储和分析。
所述钢筋电极的上端面焊接有铜芯线，下端面采用水砂纸逐级打磨至镜面，下端面为测试面，其余钢筋表面采用环氧树脂封装。
所述的测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的装置的测定方法，包括如下步骤：
(1)氯离子电迁移循环试验：利用氯离子电迁移装置开展氯离子电迁移循环试验是选用外加电场电压为3～6V，每个氯离子电迁移循环的通电时间为24～72小时，静置时间为24～48小时；
(2)腐蚀电流密度特征参数测定：利用电化学测试装置测定并计算腐蚀电流密度特征参数，其计算公式为：
其中，C表示腐蚀电流密度特征参数，in表示第n个氯离子电迁移循环的腐蚀电流密测试结果，in-1表示第n-1个氯离子电迁移循环的腐蚀电流密度测试结果，i0表示开展氯离子电迁移循环试验之前的腐蚀电流密度测试结果。根据钢筋电极测试面脱钝量化判定准则判定水泥基材料中钢筋电极的测试面是否发生脱钝，从而快速准确地测定水泥基材料中钢筋脱钝的临界氯离子浓度；
(3)根据钢筋电极测试面脱钝量化判定准则判定水泥基材料中钢筋电极的测试面是否发生脱钝，钢筋电极测试面脱钝量化判定准则为：当腐蚀电流密度特征参数C≥5时钢筋电极测试面脱钝；当腐蚀电流密度特征参数C＜5时钢筋电极测试面未脱钝。
所述待测试件上侧的橡胶套筒中盛放有阳极溶液，待测试件下侧的电解质水槽中盛放有阴极溶液，阳极溶液液面与待测试件顶面和阳极导电板平行，阴极溶液液面与待测试件底面、钢筋电极测试面和阴极导电板平行。
本发明的优点在于：
不仅能够加速氯离子在水泥基材料中的传输，显著缩短试验测试周期，而且可以同时量化判定待测试件中多根钢筋电极的测试面是否发生脱钝，从而快速准确地测定水泥基材料中钢筋脱钝的临界氯离子浓度。
附图说明
图1是本发明所述的测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的装置的结构示意图；
图2是本发明钢筋电极在圆柱体待测试件横截面内均匀分布图。
图3本发明实施例的开路电位随着氯离子电迁移循环次数的变化规律图。
图4本发明实施例的腐蚀电流密度随着氯离子电迁移循环次数的变化规律图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
首先需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
如图1所示，本发明所述的测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的装置，包括待测试件、氯离子电迁移装置以及电化学测试装置。具体结构和连接关系为：
所述待测试件1为预埋多根钢筋电极2的水泥基材料圆柱体试件，钢筋电极2的上端面焊接有一根长度为20mm的铜芯线，下端面采用水砂纸逐级打磨至镜面，利用下端面作为测试工作面，其余钢筋表面采用环氧树脂封装，钢筋电极2的测试面与待测试件1的底面平行，且钢筋电极2在圆柱体待测试件的横截面内均匀分布，以预埋3根和4根钢筋电极为例，如图2中(a)和图2中(b)所示。
所述氯离子电迁移装置由直流电源3、通电导线4、电解质水槽5、阳极导电板6、阴极导电板7、支撑架8、橡胶套筒9和不锈钢喉箍10组成，利用不锈钢喉箍10将待测试件1固定在橡胶套筒9中，且待测试件1底面与橡胶套筒9下端面平齐，将二者整体放置在电解质水槽5中的支撑架8上，待测试件1顶面放置阳极导电板6，橡胶套筒9中装有阳极溶液12，电解质水槽5中装有阴极溶液11，待测试件1下侧的阴极溶液11中放置阴极导电板7，利用通电导线4将直流电源3的正极和负极分别与阳极导电板6和阴极导电板7相连接，利用氯离子电迁移装置使阴极溶液11中的氯离子通过待测试件1的底面向内部快速传输，加速水泥基材料中的钢筋电极2的测试面发生腐蚀。所述阳极溶液12为化学纯试剂配制的0.3mol/L的氢氧化钠溶液300mL；所述阴极溶液11为化学纯试剂配制的质量分数为5％的氯化钠溶液与浓度为0.3mol/L的氢氧化钠溶液7L。
所述阳极溶液12盛放在待测试件1顶面的橡胶套筒9中，阴极溶液11盛放在电解质水槽5中，阳极溶液液面和阴极溶液液面分别与待测试件的顶面和底面平行，且阴极导电板7和阳极导电板6分别与阴极溶液液面和阳极溶液液面平行；所述阳极溶液12为化学纯试剂配制的0.3mol/L的氢氧化钠溶液300mL；所述阴极溶液11为化学纯试剂配制的质量分数为5％的氯化钠溶液与浓度为0.3mol/L的氢氧化钠溶液7L。
所述电化学测试装置由电化学工作站13、饱和甘汞电极14、测试导线15、数据线16、电脑主机17和显示器18组成。所述钢筋电极2、饱和甘汞电极14和阴极导电板7通过测试导线15分别与电化学工作站13的工作电极WE、参比电极RE和辅助电极CE连接，电化学工作站13通过数据线16与电脑主机17和显示器18相连接，测试水泥基材料中钢筋电极2的开路电位、极化电阻和腐蚀电流密度，对测试数据进行显示、存储和分析。
实施例2
本实施例为本发明所述的测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的装置的测定方法的一个实例，包括如下步骤：
(1)利用氯离子电迁移装置开展氯离子电迁移循环试验
浇筑好预埋多根钢筋电极2的水泥基材料圆柱体待测试件1，一天后脱模并放入养护室养护28天。在测试之前将待测试件1真空饱水，然后利用不锈钢喉箍10将待测试件1固定在橡胶套筒9中，且待测试件1底面与橡胶套筒9下端面平齐，将二者整体放置在电解质水槽5中的支撑架8上，在待测试件1顶面放置阳极导电板6，向橡胶套筒9中注入阳极溶液12，向电解质水槽5中注入阴极溶液11，利用通电导线4将直流电源3的正极和负极分别与阳极导电板6和阴极导电板7相连接，利用氯离子电迁移装置可以使阴极溶液11中的氯离子通过待测试件1的底面向内部快速迁移，加速水泥基材料中钢筋电极2的测试面发生腐蚀。
(2)利用电化学测试装置测定并计算腐蚀电流密度特征参数
通电48小时后断开通电导线4，将待测试件1从电解质水槽5中取出静置24小时，然后分别利用钢筋电极2、饱和甘汞电极14和阴极导电板7作为工作电极WE、参比电极RE和辅助电极CE，测试水泥基材料中钢筋电极2的开路电位、极化电阻和腐蚀电流密度，通过电脑主机17和显示器18进行测试数据显示、存储和分析。通过电化学测试装置测定并计算腐蚀电流密度特征参数，其计算公式为：
其中，C表示腐蚀电流密度特征参数，in表示第n个氯离子电迁移循环的腐蚀电流密测试结果，in-1表示第n-1个氯离子电迁移循环的腐蚀电流密度测试结果，i0表示开展氯离子电迁移循环试验之前的腐蚀电流密度测试结果。
(3)根据钢筋电极测试面脱钝量化判定准则判定水泥基材料中钢筋电极的测试面是否发生脱钝，钢筋电极测试面脱钝量化判定准则为：当腐蚀电流密度特征参数C≥5时，钢筋电极测试面脱钝；当腐蚀电流密度特征参数C＜5时，钢筋电极测试面未脱钝。
如果钢筋电极测试面还未脱钝，则重复“通电、静置、测试”过程，直至钢筋电极发生脱钝。计算结果如表1所示。
表1不同钢筋电极的腐蚀电流密度特征参数随氯离子电迁移循环次数的变化规律
由表1计算结果看出，#1钢筋电极、#2钢筋电极和#4钢筋电极的腐蚀电流密度特征参数C都在第5次氯离子电迁移循环时超过5，说明上述钢筋电极在第5次氯离子电迁移循环后发生脱钝。而#3钢筋电极的腐蚀电流密度特征参数C在第8次氯离子电迁移循环时才超过5，说明#3钢筋电极在第8次氯离子电迁移循环后才发生脱钝。由此可见，由于水泥基材料为非均质材料，利用单根工作电极的测试结果难以准确测定水泥基材料中钢筋脱钝的临界氯离子浓度，而有必要同时测试待测试件中多根钢筋电极的腐蚀电流密度特征参数，从而准确测定水泥基材料中钢筋脱钝的临界氯离子浓度。
传统测试方法主要根据开路电位的变化规律来判别钢筋电极是否发生脱钝。开路电位随着氯离子电迁移循环次数的变化规律如图3所示。由图3可知，不同钢筋电极的开路电位差异较大，再次说明利用单根工作电极的测试结果难以准确测定水泥基材料中钢筋脱钝的临界氯离子浓度。同时，随着氯离子电迁移循环次数的增加，开路电位的变化波动性较大，难以根据开路电位的变化规律来准确判别钢筋电极是否发生脱钝。腐蚀电流密度随着氯离子电迁移循环次数的变化规律如图4所示。结合表1和图4可知，与传统方法根据开路电位的变化规律来判别钢筋电极是否发生脱钝相比，本发明利用钢筋电极测试面脱钝量化判定准则，可以根据腐蚀电流密度特征参数的变化规律快速准确地判别钢筋电极是否发生脱钝。
当钢筋电极2发生脱钝后，将待测试件1劈裂，取钢筋电极测试面附近的水泥基材料粉末，烘干至恒重后用氯离子选择电极法测定钢筋脱钝的临界氯离子浓度。临界氯离子浓度越高，说明钢筋的耐蚀性能越好；临界氯离子浓度越低，说明钢筋的耐蚀性能越差。根据钢筋电极2发生脱钝时的临界氯离子浓度，可以快速准确地测定水泥基材料中钢筋的耐蚀性能。
Claims (2)
1.一种测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的装置，其特征在于，包括待测试件、氯离子电迁移装置以及电化学测试装置，具体结构和连接关系为：
所述待测试件为预埋多根钢筋电极的水泥基材料圆柱体试件，钢筋电极的测试面与待测试件的底面平行，且钢筋电极在圆柱体待测试件的横截面内均匀分布；
所述氯离子电迁移装置由直流电源、通电导线、电解质水槽、阳极导电板、阴极导电板、支撑架、橡胶套筒和不锈钢喉箍组成，利用不锈钢喉箍将待测试件固定在橡胶套筒中，且待测试件底面与橡胶套筒下端面平齐，待测试件和橡胶套筒二者整体放置在电解质水槽中的支撑架上，待测试件顶面放置阳极导电板，待测试件下侧的阴极溶液中放置阴极导电板，直流电源的正极和负极用通电导线分别与阳极导电板和阴极导电板相连接；
所述电化学测试装置由电化学工作站、饱和甘汞电极、测试导线、数据线、电脑主机和显示器组成，所述钢筋电极、饱和甘汞电极和阴极导电板通过测试导线分别与电化学工作站的工作电极WE、参比电极RE和辅助电极CE连接，电化学工作站通过数据线与电脑主机和显示器相连接，测试水泥基材料中钢筋电极的开路电位、极化电阻和腐蚀电流密度，对测试数据进行显示、存储和分析；
所述钢筋电极的上端面焊接有铜芯线，下端面采用水砂纸逐级打磨至镜面，下端面为测试面，其余钢筋表面采用环氧树脂封装；
所述待测试件上侧的橡胶套筒中盛放有阳极溶液，待测试件下侧的电解质水槽中盛放有阴极溶液，阳极溶液液面与待测试件顶面和阳极导电板平行，阴极溶液液面与待测试件底面、钢筋电极测试面和阴极导电板平行。
2.根据权利要求书1所述的测定水泥基材料中钢筋脱钝临界氯离子浓度的装置的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）氯离子电迁移循环试验：利用氯离子电迁移装置开展氯离子电迁移循环试验是选用外加电场电压为3~6V，每个氯离子电迁移循环的通电时间为24~72小时，静置时间为24~48小时；
（2）腐蚀电流密度特征参数测定：利用电化学测试装置测定并计算腐蚀电流密度特征参数，其计算公式为：
其中，表示腐蚀电流密度特征参数，表示第n个氯离子电迁移循环的腐蚀电流密测试结果，表示第n-1个氯离子电迁移循环的腐蚀电流密度测试结果，表示开展氯离子电迁移循环试验之前的腐蚀电流密度测试结果；根据钢筋电极测试面脱钝量化判定准则判定水泥基材料中钢筋电极的测试面是否发生脱钝，从而快速准确地测定水泥基材料中钢筋脱钝的临界氯离子浓度；
（3）根据钢筋电极测试面脱钝量化判定准则判定水泥基材料中钢筋电极的测试面是否发生脱钝，钢筋电极测试面脱钝量化判定准则为：当腐蚀电流密度特征参数C≥5时钢筋电极测试面脱钝；当腐蚀电流密度特征参数C＜5时钢筋电极测试面未脱钝。
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