模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置的制造方法
专利名称:模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置的制造方法
【专利摘要】模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的加速试验装置，模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，包括模具单元、施力单元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模具内，所述的待测试件内部埋置钢筋和不锈钢丝，所述的施力单元卡在待测试件的不锈钢丝上；所述的通电单元的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件的不锈钢丝电连。本实用新型的有益效果是：试验周期短、能有效模拟钢筋自然非均匀锈蚀；且可以有效控制钢筋沿圆周方向不均匀锈蚀的位置、锈蚀范围和锈蚀程度，以及沿钢筋长度方向的不均匀锈蚀；减少了由于混凝土电阻而产生的能量损失，预测结果精确度高。
【专利说明】
模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置。
【背景技术】
[0002] 由于混凝±结构在取材、成本、维护方面的优势，一直在±建工程中占有主导地 位，在重大±木工程(大型建筑工程、桥梁工程、水工与港工工程）中有着非常广泛的应用。 处于海洋环境和除冰盐环境条件下的混凝±结构，钢筋腐蚀是影响混凝±结构耐久性的主 要因素。由混凝±结构耐久性所带来的经济损失，无论对发达国家还是发展中国家，均带来 了巨大的经济损失，已引起国内外的广泛关注。针对钢筋诱蚀导致混凝±保护层诱胀开裂 的研究，已经涌现出了大量的成果。试验研究是理论研究深入的辅助手段，而试验技术决定 了试验研究的准确性。
[0003] 钢筋诱蚀会对混凝±产生诱胀力，由此导致混凝±开裂从而降低混凝±结构的服 役性能。研究不同钢筋、混凝±和诱蚀程度对混凝±诱胀开裂的影响具有重要意义。针对混 凝±结构诱胀开裂过程的研究，目前所采用的试验方法主要有：自然诱蚀法、人工环境加速 诱蚀法和基于电化学的通电加速诱蚀法。
[0004] 自然诱蚀法通常需要在海洋环境中建立自然侵蚀暴露站，将钢筋混凝±构件或缩 尺结构模型置于自然侵蚀环境，在不同时间对混凝±中钢筋诱蚀情况进行检测或检测，从 而采集自然条件下钢筋诱蚀的一手数据。然而，通常情况下钢筋混凝±结构的设计寿命为 几十年甚至上百年，要研究混凝±结构整个生命周期的钢筋诱蚀问题，需要几代人的共同 努力，显然不能满足完善设计方法的需求。因此，采用强度等级较低的混凝±材料或降低混 凝±保护层厚度W加快钢筋诱蚀速率的方法广为采用。采用自然诱蚀法存在很多困难，难 W在短期内取得系统的研究成果。
[0005] 环境条件是影响混凝±中侵蚀介质传输和钢筋诱蚀速率的重要因素。为了改善自 然诱蚀法的不足，增加试验的可行性，通过人工气候环境法在试验室内加速侵蚀介质的传 输，W达到缩短钢筋诱蚀时间的目的，进而建立人工加速诱蚀与自然诱蚀的关系。该方法仍 然基于自然诱蚀的机理，所采用的加速侵蚀方法主要有:提高侵蚀介质的浓度、环境溫度， W及通过盐雾环境或干湿循环环境改善混凝±内部的饱和度等。通过人工气候环境法所获 取的数据对建立用于混凝±结构服役寿命预测的方法或模型具有很好的参考价值，试验时 间通常为几个月至几年的时间，试验周期仍然较长，且人工模拟环境试验箱造价较高，仍然 限制试验研究的广泛开展。
[0006] 可见，根据钢筋诱蚀发展的自然规律，基于自然诱蚀的试验方法只能在一定范围 内加速钢筋诱蚀速率，缩短研究周期。将电化学电解原理应用到加速混凝±中钢筋诱蚀试 验，建立基于电化学的通电加速诱蚀法，无疑是大大缩短试验周期的有效途径。通电加速诱 蚀方法是将混凝±中待诱蚀钢筋作为阳极，用不诱钢或铜片作阴极，结合混凝±材料的多 孔性特征，W混凝±中的孔溶液为介质，通过控制电流强度与通电时间，根据法拉第定律， 人为控制钢筋的目标诱蚀量。由于通电法具有钢筋诱蚀速度快，易于控制钢筋诱蚀程度的 优点，因此在钢筋诱蚀试验中得到了广泛的应用。然而，根据电化学原理，将钢筋混凝±构 件置于盐水溶液中进行通电加速诱蚀，会使得钢筋产生均匀诱蚀，运与自然条件下面向混 凝±保护层一边首先出现半月形的诱蚀并导致保护层一边混凝±开裂的事实不符。显然， 基于此试验方法的研究成果不能有效的用于钢筋混凝±结构耐久性预测。
[0007]所谓非均匀诱蚀，主要存在两种情况：（1)为了研究混凝±的诱胀开裂过程，通常 将钢筋混凝±切片，作为平面应变问题进行研究。自然诱蚀条件下侵蚀介质到达钢筋表面 引起钢筋脱纯，钢筋诱蚀速率则是由氧气传输控制。混凝±诱胀开裂时，面向保护层一边的 钢筋只有少量诱蚀。亦即，自然条件下钢筋非均匀诱蚀是沿着钢筋圆周方向存在非均匀诱 蚀；（2)混凝±是一种多孔非均匀材料。因此，在沿着钢筋长度方向上，每个诱蚀截面的诱蚀 率是随机变量，诱蚀程度大小取决于混凝±的孔隙率大小。沿着钢筋长度方向存在非均匀 诱蚀。研究沿着钢筋长度方向的非均匀诱蚀，有助于统计钢筋随机诱蚀的数据，用于结构承 载力预测分析。
[000引中国专利申请公布号CN101762453A、申请公布日是2010年6月30号，名称为"内置 电极模拟混凝±中钢筋非均匀诱蚀的加速试验方法"，中国专利授权公告号CN101782500B， 授权公告日是2011年11月2号，名称为"外置电极模拟混凝±中钢筋非均匀诱蚀的加速试验 方法"，两件发明申请中均利用电渗原理使钢筋加速产生非均匀诱蚀。此方法虽然在一定程 度上能实现钢筋的非均匀诱蚀，但不能使钢筋产生沿钢筋圆周方向的非均匀诱蚀和沿钢筋 长度的非均匀诱蚀，且不能使铁诱产生于面向混凝±保护层一侧，不能真实反映自然诱蚀 由于氯离子、氧气和水分向钢筋表面传输导致的诱蚀形态。并且根据电化学理论，电极与钢 筋之间的距离越远，混凝±的电阻越大，从而产生较大的热效应，导致普遍采用法拉第定律 预测钢筋诱蚀量的预测结果不准确。
[0009] 可见，找到一种试验周期短、成本低、能有效模拟自然环境下钢筋混凝±中钢筋非 均匀诱蚀的加速诱蚀方法并建立相应的测试装置，提高采用法拉第定律预测诱蚀量的准确 性，对钢筋诱蚀引起混凝±结构退化研究的不断深入至关重要。
【发明内容】
[0010] 本实用新型的目的是克服现有技术的缺点，提供一种周期短、成本低、可W快速产 生钢筋非均匀诱蚀、能有效模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置。
[0011] 本实用新型所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置，其特征在于： 包括模具单元、施力单元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模 具内，所述的待测试件内部埋置钢筋和不诱钢丝，所述的施力单元卡在待测试件的不诱钢 丝上;所述的通电单元的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件 的阴极电连；
[0012] 所述模具单元包括用于诱筑待测试件的模具和通孔螺栓，模具对称的两个侧面预 留用于贯穿钢筋的第一孔桐和用于贯穿不诱钢丝的第二孔桐;所述的通孔螺栓与所述的第 二孔桐螺接，所述的通孔螺栓的轴向设有用于不诱钢丝贯穿的通孔，实现模具内外腔的连 通;所述的通孔螺栓头部设有防止不诱钢丝回缩的第一顶紧螺栓；
[0013] 所述施力单元包括支架和加载螺杆，所述的支架包括第一连杆、第二连杆，所述的 第一连杆的前端设有用于卡在不诱钢丝上的上支点，所述的第一连杆的末端与所述的第二 连杆较接;所述的第二连杆的前端设有用于卡在不诱钢丝上的下支点，所述的第二连杆的 末端W及所述的第一连杆分别与加载螺杆螺接形成=角几何结构，通过所述的加载螺杆调 整第一连杆和第二连杆之间夹角大小；
[0014] 所述待测试件包括混凝±基体、钢筋和不诱钢丝，所述的钢筋和不诱钢丝平行埋 置于混凝±基体内部；
[0015] 所述通电单元采用稳压稳流直流电源，并且直流电源的阳极与待测试件的钢筋电 连，直流电源的阴极与待测试件的不诱钢丝电连。
[0016] 所述模具包括底模和矩形侧模，所述的侧模由两片L型钢板围成，两片L型钢板首 尾通过固定螺栓固接;并且所述的侧模的L型钢板通过紧固螺栓固定在底模上。
[0017] 所述的上支点和所述的下支点上各设有用于穿过不诱钢丝的预留孔，其中上支点 的预留孔处配有用于固定不诱钢丝的第二顶紧螺栓。
[0018] 所述待测试块为多孔水泥基材料，待诱蚀的钢筋和不诱钢丝具有不同直径和截面 积比，根据试验目的确定不诱钢丝表面是否设置绝缘层，W实现沿钢筋长度或沿钢筋长度 和圆周方向的非均匀诱蚀，并通过确定钢筋和不诱钢丝的净距W实现钢筋圆周方向的诱蚀 区域大小。
[0019] 所述通电单元将室内220V交流电转换为稳压稳流直流电源，控制直流电压0~ 30V。
[0020] 本实用新型所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验方法，包括W下步 骤：
[0021] 1)模具的准备:将不诱钢丝贯穿模具侧面并锁紧，并使得不诱钢丝的两端落在模 具之外，调整好不诱钢丝的张紧度W及长度后，将待诱蚀的钢筋装在在模具内；所述的不诱 钢丝根据试验目的确定其表面是否设置绝缘层；
[0022] 2)制备混凝±试件:在模具中诱筑混凝±，1天龄期后拆模，然后将混凝±试件养 护到计划龄期;其中拆模前先放松不诱钢丝；
[0023] 3)恒电流通电诱蚀:根据预期诱蚀率或诱层厚度分布，设定通电电流并计算通电 时间；将不诱钢丝一端与稳压直流电源负极连接，将待诱蚀钢筋与稳压稳流直流电源正极 连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流大小，记录通电电流和通电时间进行通电 诱蚀，达到预计通电时间后，关闭电源；
[0024] 4)根据公式（1)计算钢筋诱层厚度:诱层厚度与电流密度、通电时间和角度之间的 关系式：
[0025]
(1)
[0026] 式中，Tr为诱层分布厚度(mm); i为腐蚀电流密度(A/mm2) ;!为钢筋半径(mm); t为通 电时间（S); 0为角度；当钢筋半径确定，只要有效控制腐蚀电流密度i和通电时间t，便可使 钢筋达到预期诱蚀率，并能够预测非均匀分布的诱层在角度0处的诱层厚度Tr。
[0027] 本实用新型所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的加速试验方法，其工作原 理和非均匀诱蚀诱层厚度分布的预测方法如下：
[002引 A电化学原理
[0029] 在电解池中，阳极失电子发生氧化反应，阴极得电子发生还原反应。由于电子的运 动速度大于电极的反应速度，阴极产生富电子现象。当阳极面积远远大于阴极面积时，若阴 极离阳极距离较小，由于库伦作用力，离阴极越近的阳极部分，电子受斥力作用沿导线优先 失去，金属离子受引力作用优先进入孔溶液，表现形式为阳极产生不均匀诱蚀。
[0030] 在本实用新型中，待诱蚀钢筋作为阳极，不诱钢丝作为阴极。
[0031] B恒电流原理
[0032] 采用传统的通电诱蚀试验方法，通电诱蚀的目标诱蚀区域为钢筋的整个表面积， 而在自然条件下，混凝±保护层开裂前，钢筋面向保护层一边首先出现半月形的诱蚀，背向 保护层一边基本不诱蚀。本方法认为钢筋在不诱钢丝与其的切线范围内先发生诱蚀，切线 夹角为最大诱蚀区域范围。
[0033] 根据化raday定律，钢筋诱蚀引起的质量损失A Ws可表示为：
[0034]
[00对式中，MFe为铁的原子量，取56g/mol; t为通电时间（S); ZFe为铁的化合价，取2;F为 法拉第常数(C/mol); I为所加电流大小(A)。
[0036] 假设钢筋最大诱蚀区域范围内发生的是均匀诱蚀，诱蚀率为P，则钢筋诱蚀引起的 质量损失A Ws又可W表示为：
[0037] Vws = AopL y s
[0038] 式中，Ao为钢筋原始截面积(mm2) ;P为平均诱蚀率;L为钢筋诱蚀段长度(mm); 丫 S为 钢筋密度，取7.85 X I(r3g/mm3。
[0039] 可建立通电时间与诱蚀率的关系：
[0040]
[0041] 但根据本实用新型试验，诱层在最大诱蚀区域范围内分布不均匀。建立极坐标系， 假设诱层厚度最大处圆屯、角为0，角度W顺时针为正，认为混凝±开裂时诱层分布为：
[0042]
[0043] 式中，Tr为诱层分布厚度(mm) ;ai为诱层的不均匀系数;32为诱层沿钢筋周长的扩 展系数，e为角度。
[0044] 由诱层分布公式可知，诱层面积As为：
[0045]
[0046] 其中，a为切线与不诱钢丝一钢筋圆屯、连线的夹角。
[0047]
#溜溢±开裂前，角度[-a，a ]范围外钢筋不诱蚀，诱层厚度T r为0。故 [004引且As = npA0，n为铁诱膨胀系数，一般取2.26~3.00。
[0049] 旨[
I通过换元，最终得ai = npA0。
[0050] 根据日2的含义，可知日2与不诱钢丝与钢筋的直径比、距离两个变量相关。
[0051] 通电电流与电流密度之间的关系为：
[0052] I=Qr^Li
[0053] 综上得到诱层厚度分布的预测公式：
[0化4]
[0055] 钢筋自然不均匀诱蚀的统计结果，混凝±保护层初裂时，诱层圆屯、角可达到120 度，此时有32 = 0.444。
[0056] 因此，可W简化为诱层厚度与电流密度、通电时间和角度之间的关系式：
[0化7]
[005引当钢筋半径确定，只要有效控制腐蚀电流密度i和通电时间t，便可使钢筋达到预 期诱蚀率，并能够预测非均匀分布的诱层在角度0处的诱层厚度Tr。
[0059] 通过内置不诱钢丝电极，并且控制不诱钢丝的直径可W实现阳极面积远大于阴极 面积，并且控制两极距离，可W有效地模拟钢筋混凝±中的钢筋自然非均匀诱蚀。通过改变 不诱钢丝与钢筋的距离、不诱钢丝电极的数量、不诱钢丝与钢筋的直径比，可W有效控制钢 筋沿圆周方向不均匀诱蚀的位置、诱蚀范围和诱蚀程度。通过对不诱钢丝沿长度方向进行 局部绝缘处理，可W有效控制沿钢筋长度方向的不均匀诱蚀;不诱钢丝与待诱钢筋的距离 近，混凝±电阻消耗的能量少，可W大大提高利用化raday定律计算钢筋诱蚀损失质量的精 确度;模具单元两端布置通孔螺栓，且通孔螺栓上设置有顶紧螺栓，可W有效、方便的固定 和放松不诱钢丝。加载单元采用简单的=角形几何关系，通过改变两条边之间的夹角增大 第=条边的长度，从而实现不诱钢丝张拉，结构简单。
[0060] 具体的，所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置的使用方法，包括 W下步骤：
[0061] 1)模具的准备:组装模具，将通孔螺栓梓入模具的第二孔桐内，不诱钢丝穿过通孔 螺栓的轴向通孔进而贯穿模具，利用通孔螺栓头部的第一顶紧螺栓固定不诱钢丝，不诱钢 丝一端穿出通孔螺栓后依次穿过施力单元的上下支点预留孔，并通过上支点处的第二顶紧 螺栓固定锁紧，使模具、不诱钢丝和施力单元组成一个自平衡系统，转动施力单元的旋转加 载螺杆张拉不诱钢丝，不诱钢丝张紧后将模具施力单元一侧的通孔螺栓上的顶紧螺栓梓 紧，W固定不诱钢丝防止回缩;剪断多余的不诱钢丝后移除施力单元，最后穿入待诱蚀钢 筋；
[0062] 2)混凝±试件的制备:在模具中诱筑混凝±，1天龄期后拆模;拆模前先放松模具 两侧通孔螺栓上的顶紧螺栓，从而放松不诱钢丝，将混凝±试件拆模养护到计划龄期；
[0063] 3)恒电流通电诱蚀:根据预期诱蚀率或诱层厚度分布，设定通电电流并计算通电 时间；将不诱钢丝与稳压直流电源负极连接，将待诱蚀钢筋与稳压稳流直流电源正极连接， 打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流大小，记录通电电流和通电时间进行通电诱蚀， 达到预计通电时间后，关闭电源。
[0064] 本实用新型可W通过改变钢丝与钢筋的相对位置来控制钢筋沿周长方向不均匀 诱蚀的位置，也可W通过对钢丝进行局部绝缘胶带的包裹进行纵向非均匀诱蚀。
[0065] 本实用新型的有益效果主要表现在：
[0066] 1.通过内置不诱钢丝电极，并且控制不诱钢丝的直径可W实现阳极面积远大于阴 极面积，并且控制两极距离，可W有效地模拟钢筋混凝±中的钢筋自然非均匀诱蚀，且试验 成本低、操作简单、试验周期短。
[0067] 2.通过改变不诱钢丝与钢筋的距离、不诱钢丝电极的数量、不诱钢丝与钢筋的直 径比，可W有效控制钢筋沿圆周方向不均匀诱蚀的位置、诱蚀范围和诱蚀程度。
[0068] 3.通过对不诱钢丝沿长度方向进行局部绝缘处理，可W有效控制沿钢筋长度方向 的不均匀诱蚀。
[0069] 4.不诱钢丝与待诱钢筋的距离近，混凝±电阻消耗的能量少，可W大大提高利用 化raday定律计算钢筋诱蚀损失质量的精确度。
[0070] 5.模具单元两端布置通孔螺栓，且通孔螺栓上设置有顶紧螺栓，可W有效、方便的 固定和放松不诱钢丝。
[0071] 6.加载单元采用简单的=角形几何关系，通过改变两条边之间的夹角增大第=条 边的长度，从而实现不诱钢丝张拉，结构简单。
【附图说明】
[0072] 图1为本实用新型的混凝±中电解反应原理示意图（其中，I表示电流，V表示电 压）；
[0073] 图2为本实用新型的钢筋圆周方向不均匀诱蚀径示意图（21代表诱蚀区域;211代 表诱层边界;212代表诱蚀前钢筋轮廓线；213代表诱蚀后钢筋轮廓线其中，r表示钢筋原始 半径，d表示不诱钢丝与钢筋间的净距，a表示诱蚀层与钢筋圆屯、一不诱钢丝连线的最大角 度)；
[0074] 图3为本实用新型的模具主视图；
[0075] 图4为本实用新型的模具俯视图；
[0076] 图5为本实用新型的模具右视图；
[0077] 图6为本实用新型的施力单元结构图；
[0078] 图7为本实用新型的施力单元的上支点放大图；
[0079] 图8为本实用新型的施力单元的下支点放大图；
[0080] 图9为本实用新型的混凝±试件示意图；
[0081 ]图10为本实用新型的混凝±试件侧视图；
[0082] 图11为通电加速非均匀诱蚀钢筋沿圆周方向的铁诱分布。
【具体实施方式】
[0083] 下面结合附图进一步说明本实用新型
[0084] 参照附图：
[0085] 实施例1本实用新型所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置，包括 模具单元、施力单元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模具 内，所述的待测试件内部埋置钢筋2和不诱钢丝3,所述的施力单元卡在待测试件的不诱钢 丝上;所述的通电单元的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件 的阴极电连；
[0086] 所述模具单元包括用于诱筑待测试件的模具和通孔螺栓7,模具对称的两个侧面 预留用于贯穿钢筋2的第一孔桐9和用于贯穿不诱钢丝3的第二孔桐10;所述的通孔螺栓7与 所述的第二孔桐10螺接，所述的通孔螺栓7的轴向设有用于不诱钢丝3贯穿的通孔，实现模 具内外腔的连通;所述的通孔螺栓7头部设有防止不诱钢丝3回缩的第一顶紧螺栓11;
[0087] 所述施力单元包括支架13和加载螺杆16,所述的支架13包括第一连杆、第二连杆， 所述的第一连杆的前端设有用于卡在不诱钢丝上的上支点15,所述的第一连杆的末端与所 述的第二连杆较接;所述的第二连杆的前端设有用于卡在不诱钢丝上的下支点14,所述的 第二连杆的末端W及所述的第一连杆分别与加载螺杆16螺接，通过所述的加载螺杆16调整 第一连杆和第二连杆之间夹角大小；
[0088] 所述待测试件包括混凝±基体1、钢筋2和不诱钢丝3,所述的钢筋2和不诱钢丝3平 行埋置于混凝±基体1内部；
[0089] 所述通电单元采用稳压稳流直流电源4,并且直流电源4的正极与待测试件的钢筋 2电连，直流电源4的负极与待测试件的不诱钢丝3电连。
[0090] 所述模具包括底模6和矩形侧模，所述的侧模由两片L型钢板5围成，两片L型钢板5 首尾通过固定螺栓固接;并且所述的侧模的L型钢板5通过紧固螺栓8固定在底模6上。
[0091] 所述的上支点15和所述的下支点14上各设有用于穿过不诱钢丝3的预留孔，其中 上支点15的预留孔处配有用于固定不诱钢丝的第二顶紧螺栓17。
[0092] 所述待测试块为多孔水泥基材料，待诱蚀的钢筋和不诱钢丝具有不同直径和截面 积比，根据试验目的确定不诱钢丝表面是否设置绝缘层，W实现沿钢筋长度或沿钢筋长度 和圆周方向的非均匀诱蚀，并通过确定钢筋和不诱钢丝的净距W实现钢筋圆周方向的诱蚀 区域大小。
[0093] 所述通电单元将室内220V交流电转换为稳压稳流直流电源，控制直流电压0~ 30V。
[0094] 实施例2本实用新型所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验方法，包括 W下步骤：
[0095] 1)模具的准备:将不诱钢丝贯穿模具侧面并锁紧，并使得不诱钢丝的两端落在模 具之外，调整好不诱钢丝的张紧度W及长度后，将待诱蚀的钢筋装在在模具内；所述的不诱 钢丝根据试验目的确定其表面是否设置绝缘层；
[0096] 2)制备混凝±试件:在模具中诱筑混凝±，1天龄期后拆模，然后将混凝±试件养 护到计划龄期;其中拆模前先放松不诱钢丝；
[0097] 3)恒电流通电诱蚀:根据预期诱蚀率或诱层厚度分布，设定通电电流并计算通电 时间；将不诱钢丝一端与稳压直流电源负极连接，将待诱蚀钢筋与稳压稳流直流电源正极 连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流大小，记录通电电流和通电时间进行通电 诱蚀，达到预计通电时间后，关闭电源；
[0098] 4)根据公式（1)计算钢筋诱层厚度:诱层厚度与电流密度、通电时间和角度之间的 关系式：
[0099]
(I)
[0100] 式中，Tr为诱层分布厚度(mm); i为腐蚀电流密度(A/mm2) ;r为钢筋半径(mm); t为通 电时间（S); 0为角度；当钢筋半径确定，只要有效控制腐蚀电流密度i和通电时间t，便可使 钢筋达到预期诱蚀率，并能够预测非均匀分布的诱层在角度0处的诱层厚度Tr。
[0101] 步骤3的通电时间根据公式(2)计算：
[0102] (2)
[010：3]式中，t为通电时间（S);ZFe为铁的化合价，取2;F为法拉第常数(C/m〇l);MFe为铁的 原子量，取56g/mol; I为所加电流大小(A); Ao为钢筋原始截面积(mm2);L为钢筋诱蚀段长度 (mm); 丫 S为钢筋密度，取7.85 X l〇-3g/mm3 ;p为平均诱蚀率。
[0104] 实施例3下面W测定水灰比0.53、配合比为水泥:水:砂子:粗骨料=1:0.53:2.0: 3.0的混凝±在内置不诱钢丝后通电诱蚀为例，对本实用新型的工作做具体说明。
[0105] 该实施例拌制混凝±的原材料为:水泥为P. I 52.5级波特兰水泥，砂采用细度模 数2.5~2.6的河砂，粗骨料采用连续级配的碎石(最大粒径20mm)，水采用自来水。试件尺寸 为100 X 100 X 400,在试件中预埋待诱蚀钢筋和不诱钢丝。钢筋型号采用HPB300,保护层厚 度为20mm。钢筋和不诱钢丝直径分别为12mm和1mm，两者净距为6mm。此时，诱层圆屯、角为 120。。
[0106] 在诱注混凝±前，按图3~图5组装模具。将不诱钢丝3穿过通孔螺栓7贯穿模具，利 用通孔螺栓7上的顶紧螺栓11固定不诱钢丝3的一端，另一端钢丝依次穿过施力单元的上下 支点预留孔，采用上支点15处的第二顶紧螺栓17固定不诱钢丝3的另一端，使模具、不诱钢 丝和施力单元组成一个自平衡系统，转动施力单元的旋转加载螺杆16张拉不诱钢丝3，不诱 钢丝3张紧后将模具施力单元一侧的通孔螺栓7上的第一顶紧螺栓11梓紧，W固定不诱钢丝 3防止回缩。剪断多余的不诱钢丝后移除施力单元，最后穿入钢筋2。
[0107] 在模具中诱筑混凝±，1天龄期后拆模。拆模前先放松模具两侧通孔螺栓7上的第 一顶紧螺栓11，从而放松不诱钢丝3，将拆模后的混凝±试件侵泡在浓度为3.5 %的盐水中， 在养护室中养护28d后，取出试块，惊干其表面水份。
[0108] 在面向保护层一侧，沿试块长度方向粘贴长度为50mm的应变片，共8片。应变片与 应变仪相连，应变仪数据采集频率为2次/min，用W检测通电诱蚀过程中，混凝±保护层是 否开裂。设定钢筋的目标诱蚀率为1 %。
[0109] 将不诱钢丝3与稳压直流电源4负极连接，将待诱蚀钢筋2与稳压稳流直流电源4正 极连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流I大小为0.03A。根据公式计算通电时间 为：
[0110]
[0111] 达到预计通电时间后，关闭电源。
[0112] 沿垂直于钢筋长度方向切割钢筋混凝±试件，切割为厚度IOmm的片状试件。采用 环境扫描电子显微镜的背散射技术，测定沿钢筋圆周方向的诱层厚度分布。W钢筋截面圆 屯、与保护层最小厚度方向的角度定位O度，则诱层厚度沿角度分布的试验结果如图11所示。 从图中可W发现，钢筋在正对不诱钢丝处（即模拟钢筋保护层最小处)诱层厚度最大。随角 度增加，诱层厚度逐渐减小，背向保护层一侧，钢筋几乎不诱蚀，与自然诱蚀情况符合。
[0113] 具体实现时，本实用新型对具体的器件型号不做限制，对混凝±试件尺寸、钢筋和 不诱钢丝直径及两者净距不做限制，只要能完成上述功能的加载装置和混凝±试件均可。
[0114] 本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新 型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包 括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
【主权项】
1. 模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于:包括模具单元、施力单 元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模具内，所述的待测试件 内部埋置钢筋和不锈钢丝，所述的施力单元卡在待测试件的不锈钢丝上;所述的通电单元 的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件的阴极电连； 所述模具单元包括用于浇筑待测试件的模具和通孔螺栓，模具对称的两个侧面预留用 于贯穿钢筋的第一孔洞和用于贯穿不锈钢丝的第二孔洞;所述的通孔螺栓与所述的第二孔 洞螺接，所述的通孔螺栓的轴向设有用于不锈钢丝贯穿的通孔，实现模具内外腔的连通;所 述的通孔螺栓头部设有防止不锈钢丝回缩的第一顶紧螺栓； 所述施力单元包括支架和加载螺杆，所述的支架包括第一连杆、第二连杆，所述的第一 连杆的前端设有用于卡在不锈钢丝上的上支点，所述的第一连杆的末端与所述的第二连杆 铰接;所述的第二连杆的前端设有用于卡在不锈钢丝上的下支点，所述的第二连杆的末端 以及所述的第一连杆分别与加载螺杆螺接形成三角几何结构，通过所述的加载螺杆调整第 一连杆和第二连杆之间夹角大小； 所述待测试件包括混凝土基体、钢筋和不锈钢丝，所述的钢筋和不锈钢丝平行埋置于 混凝土基体内部； 所述通电单元采用稳压稳流直流电源，并且直流电源的正极与待测试件的钢筋电连， 直流电源的负极与待测试件的不锈钢丝电连。2. 如权利要求1所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于： 所述模具包括底模和矩形侧模，所述的侧模由两片L型钢板围成，两片L型钢板首尾通过固 定螺栓固接;并且所述的侧模的L型钢板通过紧固螺栓固定在底模上。3. 如权利要求2所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于:所 述的上支点和所述的下支点上各设有用于穿过不锈钢丝的预留孔，其中上支点的预留孔处 配有用于固定不锈钢丝的第二顶紧螺栓。4. 如权利要求3所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于:所 述待测试件为多孔水泥基材料，待锈蚀的钢筋和不锈钢丝具有不同直径和截面积比。5. 如权利要求1所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于:所 述通电单元将室内220V交流电转换为稳压稳流直流电源，控制直流电压0~30V。
【文档编号】G01N17/02GK205719896SQ201620173681
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年3月8日
【发明人】付传清, 刘佳敏, 梁坚凝, 金贤玉, 裴华富, 金南国
【申请人】浙江工业大学
【专利摘要】模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的加速试验装置，模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，包括模具单元、施力单元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模具内，所述的待测试件内部埋置钢筋和不锈钢丝，所述的施力单元卡在待测试件的不锈钢丝上；所述的通电单元的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件的不锈钢丝电连。本实用新型的有益效果是：试验周期短、能有效模拟钢筋自然非均匀锈蚀；且可以有效控制钢筋沿圆周方向不均匀锈蚀的位置、锈蚀范围和锈蚀程度，以及沿钢筋长度方向的不均匀锈蚀；减少了由于混凝土电阻而产生的能量损失，预测结果精确度高。
【专利说明】
模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置。
【背景技术】
[0002] 由于混凝±结构在取材、成本、维护方面的优势，一直在±建工程中占有主导地 位，在重大±木工程(大型建筑工程、桥梁工程、水工与港工工程）中有着非常广泛的应用。 处于海洋环境和除冰盐环境条件下的混凝±结构，钢筋腐蚀是影响混凝±结构耐久性的主 要因素。由混凝±结构耐久性所带来的经济损失，无论对发达国家还是发展中国家，均带来 了巨大的经济损失，已引起国内外的广泛关注。针对钢筋诱蚀导致混凝±保护层诱胀开裂 的研究，已经涌现出了大量的成果。试验研究是理论研究深入的辅助手段，而试验技术决定 了试验研究的准确性。
[0003] 钢筋诱蚀会对混凝±产生诱胀力，由此导致混凝±开裂从而降低混凝±结构的服 役性能。研究不同钢筋、混凝±和诱蚀程度对混凝±诱胀开裂的影响具有重要意义。针对混 凝±结构诱胀开裂过程的研究，目前所采用的试验方法主要有：自然诱蚀法、人工环境加速 诱蚀法和基于电化学的通电加速诱蚀法。
[0004] 自然诱蚀法通常需要在海洋环境中建立自然侵蚀暴露站，将钢筋混凝±构件或缩 尺结构模型置于自然侵蚀环境，在不同时间对混凝±中钢筋诱蚀情况进行检测或检测，从 而采集自然条件下钢筋诱蚀的一手数据。然而，通常情况下钢筋混凝±结构的设计寿命为 几十年甚至上百年，要研究混凝±结构整个生命周期的钢筋诱蚀问题，需要几代人的共同 努力，显然不能满足完善设计方法的需求。因此，采用强度等级较低的混凝±材料或降低混 凝±保护层厚度W加快钢筋诱蚀速率的方法广为采用。采用自然诱蚀法存在很多困难，难 W在短期内取得系统的研究成果。
[0005] 环境条件是影响混凝±中侵蚀介质传输和钢筋诱蚀速率的重要因素。为了改善自 然诱蚀法的不足，增加试验的可行性，通过人工气候环境法在试验室内加速侵蚀介质的传 输，W达到缩短钢筋诱蚀时间的目的，进而建立人工加速诱蚀与自然诱蚀的关系。该方法仍 然基于自然诱蚀的机理，所采用的加速侵蚀方法主要有:提高侵蚀介质的浓度、环境溫度， W及通过盐雾环境或干湿循环环境改善混凝±内部的饱和度等。通过人工气候环境法所获 取的数据对建立用于混凝±结构服役寿命预测的方法或模型具有很好的参考价值，试验时 间通常为几个月至几年的时间，试验周期仍然较长，且人工模拟环境试验箱造价较高，仍然 限制试验研究的广泛开展。
[0006] 可见，根据钢筋诱蚀发展的自然规律，基于自然诱蚀的试验方法只能在一定范围 内加速钢筋诱蚀速率，缩短研究周期。将电化学电解原理应用到加速混凝±中钢筋诱蚀试 验，建立基于电化学的通电加速诱蚀法，无疑是大大缩短试验周期的有效途径。通电加速诱 蚀方法是将混凝±中待诱蚀钢筋作为阳极，用不诱钢或铜片作阴极，结合混凝±材料的多 孔性特征，W混凝±中的孔溶液为介质，通过控制电流强度与通电时间，根据法拉第定律， 人为控制钢筋的目标诱蚀量。由于通电法具有钢筋诱蚀速度快，易于控制钢筋诱蚀程度的 优点，因此在钢筋诱蚀试验中得到了广泛的应用。然而，根据电化学原理，将钢筋混凝±构 件置于盐水溶液中进行通电加速诱蚀，会使得钢筋产生均匀诱蚀，运与自然条件下面向混 凝±保护层一边首先出现半月形的诱蚀并导致保护层一边混凝±开裂的事实不符。显然， 基于此试验方法的研究成果不能有效的用于钢筋混凝±结构耐久性预测。
[0007]所谓非均匀诱蚀，主要存在两种情况：（1)为了研究混凝±的诱胀开裂过程，通常 将钢筋混凝±切片，作为平面应变问题进行研究。自然诱蚀条件下侵蚀介质到达钢筋表面 引起钢筋脱纯，钢筋诱蚀速率则是由氧气传输控制。混凝±诱胀开裂时，面向保护层一边的 钢筋只有少量诱蚀。亦即，自然条件下钢筋非均匀诱蚀是沿着钢筋圆周方向存在非均匀诱 蚀；（2)混凝±是一种多孔非均匀材料。因此，在沿着钢筋长度方向上，每个诱蚀截面的诱蚀 率是随机变量，诱蚀程度大小取决于混凝±的孔隙率大小。沿着钢筋长度方向存在非均匀 诱蚀。研究沿着钢筋长度方向的非均匀诱蚀，有助于统计钢筋随机诱蚀的数据，用于结构承 载力预测分析。
[000引中国专利申请公布号CN101762453A、申请公布日是2010年6月30号，名称为"内置 电极模拟混凝±中钢筋非均匀诱蚀的加速试验方法"，中国专利授权公告号CN101782500B， 授权公告日是2011年11月2号，名称为"外置电极模拟混凝±中钢筋非均匀诱蚀的加速试验 方法"，两件发明申请中均利用电渗原理使钢筋加速产生非均匀诱蚀。此方法虽然在一定程 度上能实现钢筋的非均匀诱蚀，但不能使钢筋产生沿钢筋圆周方向的非均匀诱蚀和沿钢筋 长度的非均匀诱蚀，且不能使铁诱产生于面向混凝±保护层一侧，不能真实反映自然诱蚀 由于氯离子、氧气和水分向钢筋表面传输导致的诱蚀形态。并且根据电化学理论，电极与钢 筋之间的距离越远，混凝±的电阻越大，从而产生较大的热效应，导致普遍采用法拉第定律 预测钢筋诱蚀量的预测结果不准确。
[0009] 可见，找到一种试验周期短、成本低、能有效模拟自然环境下钢筋混凝±中钢筋非 均匀诱蚀的加速诱蚀方法并建立相应的测试装置，提高采用法拉第定律预测诱蚀量的准确 性，对钢筋诱蚀引起混凝±结构退化研究的不断深入至关重要。
【发明内容】
[0010] 本实用新型的目的是克服现有技术的缺点，提供一种周期短、成本低、可W快速产 生钢筋非均匀诱蚀、能有效模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置。
[0011] 本实用新型所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置，其特征在于： 包括模具单元、施力单元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模 具内，所述的待测试件内部埋置钢筋和不诱钢丝，所述的施力单元卡在待测试件的不诱钢 丝上;所述的通电单元的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件 的阴极电连；
[0012] 所述模具单元包括用于诱筑待测试件的模具和通孔螺栓，模具对称的两个侧面预 留用于贯穿钢筋的第一孔桐和用于贯穿不诱钢丝的第二孔桐;所述的通孔螺栓与所述的第 二孔桐螺接，所述的通孔螺栓的轴向设有用于不诱钢丝贯穿的通孔，实现模具内外腔的连 通;所述的通孔螺栓头部设有防止不诱钢丝回缩的第一顶紧螺栓；
[0013] 所述施力单元包括支架和加载螺杆，所述的支架包括第一连杆、第二连杆，所述的 第一连杆的前端设有用于卡在不诱钢丝上的上支点，所述的第一连杆的末端与所述的第二 连杆较接;所述的第二连杆的前端设有用于卡在不诱钢丝上的下支点，所述的第二连杆的 末端W及所述的第一连杆分别与加载螺杆螺接形成=角几何结构，通过所述的加载螺杆调 整第一连杆和第二连杆之间夹角大小；
[0014] 所述待测试件包括混凝±基体、钢筋和不诱钢丝，所述的钢筋和不诱钢丝平行埋 置于混凝±基体内部；
[0015] 所述通电单元采用稳压稳流直流电源，并且直流电源的阳极与待测试件的钢筋电 连，直流电源的阴极与待测试件的不诱钢丝电连。
[0016] 所述模具包括底模和矩形侧模，所述的侧模由两片L型钢板围成，两片L型钢板首 尾通过固定螺栓固接;并且所述的侧模的L型钢板通过紧固螺栓固定在底模上。
[0017] 所述的上支点和所述的下支点上各设有用于穿过不诱钢丝的预留孔，其中上支点 的预留孔处配有用于固定不诱钢丝的第二顶紧螺栓。
[0018] 所述待测试块为多孔水泥基材料，待诱蚀的钢筋和不诱钢丝具有不同直径和截面 积比，根据试验目的确定不诱钢丝表面是否设置绝缘层，W实现沿钢筋长度或沿钢筋长度 和圆周方向的非均匀诱蚀，并通过确定钢筋和不诱钢丝的净距W实现钢筋圆周方向的诱蚀 区域大小。
[0019] 所述通电单元将室内220V交流电转换为稳压稳流直流电源，控制直流电压0~ 30V。
[0020] 本实用新型所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验方法，包括W下步 骤：
[0021] 1)模具的准备:将不诱钢丝贯穿模具侧面并锁紧，并使得不诱钢丝的两端落在模 具之外，调整好不诱钢丝的张紧度W及长度后，将待诱蚀的钢筋装在在模具内；所述的不诱 钢丝根据试验目的确定其表面是否设置绝缘层；
[0022] 2)制备混凝±试件:在模具中诱筑混凝±，1天龄期后拆模，然后将混凝±试件养 护到计划龄期;其中拆模前先放松不诱钢丝；
[0023] 3)恒电流通电诱蚀:根据预期诱蚀率或诱层厚度分布，设定通电电流并计算通电 时间；将不诱钢丝一端与稳压直流电源负极连接，将待诱蚀钢筋与稳压稳流直流电源正极 连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流大小，记录通电电流和通电时间进行通电 诱蚀，达到预计通电时间后，关闭电源；
[0024] 4)根据公式（1)计算钢筋诱层厚度:诱层厚度与电流密度、通电时间和角度之间的 关系式：
[0025]
(1)
[0026] 式中，Tr为诱层分布厚度(mm); i为腐蚀电流密度(A/mm2) ;!为钢筋半径(mm); t为通 电时间（S); 0为角度；当钢筋半径确定，只要有效控制腐蚀电流密度i和通电时间t，便可使 钢筋达到预期诱蚀率，并能够预测非均匀分布的诱层在角度0处的诱层厚度Tr。
[0027] 本实用新型所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的加速试验方法，其工作原 理和非均匀诱蚀诱层厚度分布的预测方法如下：
[002引 A电化学原理
[0029] 在电解池中，阳极失电子发生氧化反应，阴极得电子发生还原反应。由于电子的运 动速度大于电极的反应速度，阴极产生富电子现象。当阳极面积远远大于阴极面积时，若阴 极离阳极距离较小，由于库伦作用力，离阴极越近的阳极部分，电子受斥力作用沿导线优先 失去，金属离子受引力作用优先进入孔溶液，表现形式为阳极产生不均匀诱蚀。
[0030] 在本实用新型中，待诱蚀钢筋作为阳极，不诱钢丝作为阴极。
[0031] B恒电流原理
[0032] 采用传统的通电诱蚀试验方法，通电诱蚀的目标诱蚀区域为钢筋的整个表面积， 而在自然条件下，混凝±保护层开裂前，钢筋面向保护层一边首先出现半月形的诱蚀，背向 保护层一边基本不诱蚀。本方法认为钢筋在不诱钢丝与其的切线范围内先发生诱蚀，切线 夹角为最大诱蚀区域范围。
[0033] 根据化raday定律，钢筋诱蚀引起的质量损失A Ws可表示为：
[0034]
[00对式中，MFe为铁的原子量，取56g/mol; t为通电时间（S); ZFe为铁的化合价，取2;F为 法拉第常数(C/mol); I为所加电流大小(A)。
[0036] 假设钢筋最大诱蚀区域范围内发生的是均匀诱蚀，诱蚀率为P，则钢筋诱蚀引起的 质量损失A Ws又可W表示为：
[0037] Vws = AopL y s
[0038] 式中，Ao为钢筋原始截面积(mm2) ;P为平均诱蚀率;L为钢筋诱蚀段长度(mm); 丫 S为 钢筋密度，取7.85 X I(r3g/mm3。
[0039] 可建立通电时间与诱蚀率的关系：
[0040]
[0041] 但根据本实用新型试验，诱层在最大诱蚀区域范围内分布不均匀。建立极坐标系， 假设诱层厚度最大处圆屯、角为0，角度W顺时针为正，认为混凝±开裂时诱层分布为：
[0042]
[0043] 式中，Tr为诱层分布厚度(mm) ;ai为诱层的不均匀系数;32为诱层沿钢筋周长的扩 展系数，e为角度。
[0044] 由诱层分布公式可知，诱层面积As为：
[0045]
[0046] 其中，a为切线与不诱钢丝一钢筋圆屯、连线的夹角。
[0047]
#溜溢±开裂前，角度[-a，a ]范围外钢筋不诱蚀，诱层厚度T r为0。故 [004引且As = npA0，n为铁诱膨胀系数，一般取2.26~3.00。
[0049] 旨[
I通过换元，最终得ai = npA0。
[0050] 根据日2的含义，可知日2与不诱钢丝与钢筋的直径比、距离两个变量相关。
[0051] 通电电流与电流密度之间的关系为：
[0052] I=Qr^Li
[0053] 综上得到诱层厚度分布的预测公式：
[0化4]
[0055] 钢筋自然不均匀诱蚀的统计结果，混凝±保护层初裂时，诱层圆屯、角可达到120 度，此时有32 = 0.444。
[0056] 因此，可W简化为诱层厚度与电流密度、通电时间和角度之间的关系式：
[0化7]
[005引当钢筋半径确定，只要有效控制腐蚀电流密度i和通电时间t，便可使钢筋达到预 期诱蚀率，并能够预测非均匀分布的诱层在角度0处的诱层厚度Tr。
[0059] 通过内置不诱钢丝电极，并且控制不诱钢丝的直径可W实现阳极面积远大于阴极 面积，并且控制两极距离，可W有效地模拟钢筋混凝±中的钢筋自然非均匀诱蚀。通过改变 不诱钢丝与钢筋的距离、不诱钢丝电极的数量、不诱钢丝与钢筋的直径比，可W有效控制钢 筋沿圆周方向不均匀诱蚀的位置、诱蚀范围和诱蚀程度。通过对不诱钢丝沿长度方向进行 局部绝缘处理，可W有效控制沿钢筋长度方向的不均匀诱蚀;不诱钢丝与待诱钢筋的距离 近，混凝±电阻消耗的能量少，可W大大提高利用化raday定律计算钢筋诱蚀损失质量的精 确度;模具单元两端布置通孔螺栓，且通孔螺栓上设置有顶紧螺栓，可W有效、方便的固定 和放松不诱钢丝。加载单元采用简单的=角形几何关系，通过改变两条边之间的夹角增大 第=条边的长度，从而实现不诱钢丝张拉，结构简单。
[0060] 具体的，所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置的使用方法，包括 W下步骤：
[0061] 1)模具的准备:组装模具，将通孔螺栓梓入模具的第二孔桐内，不诱钢丝穿过通孔 螺栓的轴向通孔进而贯穿模具，利用通孔螺栓头部的第一顶紧螺栓固定不诱钢丝，不诱钢 丝一端穿出通孔螺栓后依次穿过施力单元的上下支点预留孔，并通过上支点处的第二顶紧 螺栓固定锁紧，使模具、不诱钢丝和施力单元组成一个自平衡系统，转动施力单元的旋转加 载螺杆张拉不诱钢丝，不诱钢丝张紧后将模具施力单元一侧的通孔螺栓上的顶紧螺栓梓 紧，W固定不诱钢丝防止回缩;剪断多余的不诱钢丝后移除施力单元，最后穿入待诱蚀钢 筋；
[0062] 2)混凝±试件的制备:在模具中诱筑混凝±，1天龄期后拆模;拆模前先放松模具 两侧通孔螺栓上的顶紧螺栓，从而放松不诱钢丝，将混凝±试件拆模养护到计划龄期；
[0063] 3)恒电流通电诱蚀:根据预期诱蚀率或诱层厚度分布，设定通电电流并计算通电 时间；将不诱钢丝与稳压直流电源负极连接，将待诱蚀钢筋与稳压稳流直流电源正极连接， 打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流大小，记录通电电流和通电时间进行通电诱蚀， 达到预计通电时间后，关闭电源。
[0064] 本实用新型可W通过改变钢丝与钢筋的相对位置来控制钢筋沿周长方向不均匀 诱蚀的位置，也可W通过对钢丝进行局部绝缘胶带的包裹进行纵向非均匀诱蚀。
[0065] 本实用新型的有益效果主要表现在：
[0066] 1.通过内置不诱钢丝电极，并且控制不诱钢丝的直径可W实现阳极面积远大于阴 极面积，并且控制两极距离，可W有效地模拟钢筋混凝±中的钢筋自然非均匀诱蚀，且试验 成本低、操作简单、试验周期短。
[0067] 2.通过改变不诱钢丝与钢筋的距离、不诱钢丝电极的数量、不诱钢丝与钢筋的直 径比，可W有效控制钢筋沿圆周方向不均匀诱蚀的位置、诱蚀范围和诱蚀程度。
[0068] 3.通过对不诱钢丝沿长度方向进行局部绝缘处理，可W有效控制沿钢筋长度方向 的不均匀诱蚀。
[0069] 4.不诱钢丝与待诱钢筋的距离近，混凝±电阻消耗的能量少，可W大大提高利用 化raday定律计算钢筋诱蚀损失质量的精确度。
[0070] 5.模具单元两端布置通孔螺栓，且通孔螺栓上设置有顶紧螺栓，可W有效、方便的 固定和放松不诱钢丝。
[0071] 6.加载单元采用简单的=角形几何关系，通过改变两条边之间的夹角增大第=条 边的长度，从而实现不诱钢丝张拉，结构简单。
【附图说明】
[0072] 图1为本实用新型的混凝±中电解反应原理示意图（其中，I表示电流，V表示电 压）；
[0073] 图2为本实用新型的钢筋圆周方向不均匀诱蚀径示意图（21代表诱蚀区域;211代 表诱层边界;212代表诱蚀前钢筋轮廓线；213代表诱蚀后钢筋轮廓线其中，r表示钢筋原始 半径，d表示不诱钢丝与钢筋间的净距，a表示诱蚀层与钢筋圆屯、一不诱钢丝连线的最大角 度)；
[0074] 图3为本实用新型的模具主视图；
[0075] 图4为本实用新型的模具俯视图；
[0076] 图5为本实用新型的模具右视图；
[0077] 图6为本实用新型的施力单元结构图；
[0078] 图7为本实用新型的施力单元的上支点放大图；
[0079] 图8为本实用新型的施力单元的下支点放大图；
[0080] 图9为本实用新型的混凝±试件示意图；
[0081 ]图10为本实用新型的混凝±试件侧视图；
[0082] 图11为通电加速非均匀诱蚀钢筋沿圆周方向的铁诱分布。
【具体实施方式】
[0083] 下面结合附图进一步说明本实用新型
[0084] 参照附图：
[0085] 实施例1本实用新型所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验装置，包括 模具单元、施力单元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模具 内，所述的待测试件内部埋置钢筋2和不诱钢丝3,所述的施力单元卡在待测试件的不诱钢 丝上;所述的通电单元的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件 的阴极电连；
[0086] 所述模具单元包括用于诱筑待测试件的模具和通孔螺栓7,模具对称的两个侧面 预留用于贯穿钢筋2的第一孔桐9和用于贯穿不诱钢丝3的第二孔桐10;所述的通孔螺栓7与 所述的第二孔桐10螺接，所述的通孔螺栓7的轴向设有用于不诱钢丝3贯穿的通孔，实现模 具内外腔的连通;所述的通孔螺栓7头部设有防止不诱钢丝3回缩的第一顶紧螺栓11;
[0087] 所述施力单元包括支架13和加载螺杆16,所述的支架13包括第一连杆、第二连杆， 所述的第一连杆的前端设有用于卡在不诱钢丝上的上支点15,所述的第一连杆的末端与所 述的第二连杆较接;所述的第二连杆的前端设有用于卡在不诱钢丝上的下支点14,所述的 第二连杆的末端W及所述的第一连杆分别与加载螺杆16螺接，通过所述的加载螺杆16调整 第一连杆和第二连杆之间夹角大小；
[0088] 所述待测试件包括混凝±基体1、钢筋2和不诱钢丝3,所述的钢筋2和不诱钢丝3平 行埋置于混凝±基体1内部；
[0089] 所述通电单元采用稳压稳流直流电源4,并且直流电源4的正极与待测试件的钢筋 2电连，直流电源4的负极与待测试件的不诱钢丝3电连。
[0090] 所述模具包括底模6和矩形侧模，所述的侧模由两片L型钢板5围成，两片L型钢板5 首尾通过固定螺栓固接;并且所述的侧模的L型钢板5通过紧固螺栓8固定在底模6上。
[0091] 所述的上支点15和所述的下支点14上各设有用于穿过不诱钢丝3的预留孔，其中 上支点15的预留孔处配有用于固定不诱钢丝的第二顶紧螺栓17。
[0092] 所述待测试块为多孔水泥基材料，待诱蚀的钢筋和不诱钢丝具有不同直径和截面 积比，根据试验目的确定不诱钢丝表面是否设置绝缘层，W实现沿钢筋长度或沿钢筋长度 和圆周方向的非均匀诱蚀，并通过确定钢筋和不诱钢丝的净距W实现钢筋圆周方向的诱蚀 区域大小。
[0093] 所述通电单元将室内220V交流电转换为稳压稳流直流电源，控制直流电压0~ 30V。
[0094] 实施例2本实用新型所述的模拟混凝±中钢筋自然非均匀诱蚀的试验方法，包括 W下步骤：
[0095] 1)模具的准备:将不诱钢丝贯穿模具侧面并锁紧，并使得不诱钢丝的两端落在模 具之外，调整好不诱钢丝的张紧度W及长度后，将待诱蚀的钢筋装在在模具内；所述的不诱 钢丝根据试验目的确定其表面是否设置绝缘层；
[0096] 2)制备混凝±试件:在模具中诱筑混凝±，1天龄期后拆模，然后将混凝±试件养 护到计划龄期;其中拆模前先放松不诱钢丝；
[0097] 3)恒电流通电诱蚀:根据预期诱蚀率或诱层厚度分布，设定通电电流并计算通电 时间；将不诱钢丝一端与稳压直流电源负极连接，将待诱蚀钢筋与稳压稳流直流电源正极 连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流大小，记录通电电流和通电时间进行通电 诱蚀，达到预计通电时间后，关闭电源；
[0098] 4)根据公式（1)计算钢筋诱层厚度:诱层厚度与电流密度、通电时间和角度之间的 关系式：
[0099]
(I)
[0100] 式中，Tr为诱层分布厚度(mm); i为腐蚀电流密度(A/mm2) ;r为钢筋半径(mm); t为通 电时间（S); 0为角度；当钢筋半径确定，只要有效控制腐蚀电流密度i和通电时间t，便可使 钢筋达到预期诱蚀率，并能够预测非均匀分布的诱层在角度0处的诱层厚度Tr。
[0101] 步骤3的通电时间根据公式(2)计算：
[0102] (2)
[010：3]式中，t为通电时间（S);ZFe为铁的化合价，取2;F为法拉第常数(C/m〇l);MFe为铁的 原子量，取56g/mol; I为所加电流大小(A); Ao为钢筋原始截面积(mm2);L为钢筋诱蚀段长度 (mm); 丫 S为钢筋密度，取7.85 X l〇-3g/mm3 ;p为平均诱蚀率。
[0104] 实施例3下面W测定水灰比0.53、配合比为水泥:水:砂子:粗骨料=1:0.53:2.0: 3.0的混凝±在内置不诱钢丝后通电诱蚀为例，对本实用新型的工作做具体说明。
[0105] 该实施例拌制混凝±的原材料为:水泥为P. I 52.5级波特兰水泥，砂采用细度模 数2.5~2.6的河砂，粗骨料采用连续级配的碎石(最大粒径20mm)，水采用自来水。试件尺寸 为100 X 100 X 400,在试件中预埋待诱蚀钢筋和不诱钢丝。钢筋型号采用HPB300,保护层厚 度为20mm。钢筋和不诱钢丝直径分别为12mm和1mm，两者净距为6mm。此时，诱层圆屯、角为 120。。
[0106] 在诱注混凝±前，按图3~图5组装模具。将不诱钢丝3穿过通孔螺栓7贯穿模具，利 用通孔螺栓7上的顶紧螺栓11固定不诱钢丝3的一端，另一端钢丝依次穿过施力单元的上下 支点预留孔，采用上支点15处的第二顶紧螺栓17固定不诱钢丝3的另一端，使模具、不诱钢 丝和施力单元组成一个自平衡系统，转动施力单元的旋转加载螺杆16张拉不诱钢丝3，不诱 钢丝3张紧后将模具施力单元一侧的通孔螺栓7上的第一顶紧螺栓11梓紧，W固定不诱钢丝 3防止回缩。剪断多余的不诱钢丝后移除施力单元，最后穿入钢筋2。
[0107] 在模具中诱筑混凝±，1天龄期后拆模。拆模前先放松模具两侧通孔螺栓7上的第 一顶紧螺栓11，从而放松不诱钢丝3，将拆模后的混凝±试件侵泡在浓度为3.5 %的盐水中， 在养护室中养护28d后，取出试块，惊干其表面水份。
[0108] 在面向保护层一侧，沿试块长度方向粘贴长度为50mm的应变片，共8片。应变片与 应变仪相连，应变仪数据采集频率为2次/min，用W检测通电诱蚀过程中，混凝±保护层是 否开裂。设定钢筋的目标诱蚀率为1 %。
[0109] 将不诱钢丝3与稳压直流电源4负极连接，将待诱蚀钢筋2与稳压稳流直流电源4正 极连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流I大小为0.03A。根据公式计算通电时间 为：
[0110]
[0111] 达到预计通电时间后，关闭电源。
[0112] 沿垂直于钢筋长度方向切割钢筋混凝±试件，切割为厚度IOmm的片状试件。采用 环境扫描电子显微镜的背散射技术，测定沿钢筋圆周方向的诱层厚度分布。W钢筋截面圆 屯、与保护层最小厚度方向的角度定位O度，则诱层厚度沿角度分布的试验结果如图11所示。 从图中可W发现，钢筋在正对不诱钢丝处（即模拟钢筋保护层最小处)诱层厚度最大。随角 度增加，诱层厚度逐渐减小，背向保护层一侧，钢筋几乎不诱蚀，与自然诱蚀情况符合。
[0113] 具体实现时，本实用新型对具体的器件型号不做限制，对混凝±试件尺寸、钢筋和 不诱钢丝直径及两者净距不做限制，只要能完成上述功能的加载装置和混凝±试件均可。
[0114] 本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新 型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包 括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
【主权项】
1. 模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于:包括模具单元、施力单 元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模具内，所述的待测试件 内部埋置钢筋和不锈钢丝，所述的施力单元卡在待测试件的不锈钢丝上;所述的通电单元 的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件的阴极电连； 所述模具单元包括用于浇筑待测试件的模具和通孔螺栓，模具对称的两个侧面预留用 于贯穿钢筋的第一孔洞和用于贯穿不锈钢丝的第二孔洞;所述的通孔螺栓与所述的第二孔 洞螺接，所述的通孔螺栓的轴向设有用于不锈钢丝贯穿的通孔，实现模具内外腔的连通;所 述的通孔螺栓头部设有防止不锈钢丝回缩的第一顶紧螺栓； 所述施力单元包括支架和加载螺杆，所述的支架包括第一连杆、第二连杆，所述的第一 连杆的前端设有用于卡在不锈钢丝上的上支点，所述的第一连杆的末端与所述的第二连杆 铰接;所述的第二连杆的前端设有用于卡在不锈钢丝上的下支点，所述的第二连杆的末端 以及所述的第一连杆分别与加载螺杆螺接形成三角几何结构，通过所述的加载螺杆调整第 一连杆和第二连杆之间夹角大小； 所述待测试件包括混凝土基体、钢筋和不锈钢丝，所述的钢筋和不锈钢丝平行埋置于 混凝土基体内部； 所述通电单元采用稳压稳流直流电源，并且直流电源的正极与待测试件的钢筋电连， 直流电源的负极与待测试件的不锈钢丝电连。2. 如权利要求1所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于： 所述模具包括底模和矩形侧模，所述的侧模由两片L型钢板围成，两片L型钢板首尾通过固 定螺栓固接;并且所述的侧模的L型钢板通过紧固螺栓固定在底模上。3. 如权利要求2所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于:所 述的上支点和所述的下支点上各设有用于穿过不锈钢丝的预留孔，其中上支点的预留孔处 配有用于固定不锈钢丝的第二顶紧螺栓。4. 如权利要求3所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于:所 述待测试件为多孔水泥基材料，待锈蚀的钢筋和不锈钢丝具有不同直径和截面积比。5. 如权利要求1所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于:所 述通电单元将室内220V交流电转换为稳压稳流直流电源，控制直流电压0~30V。
【文档编号】G01N17/02GK205719896SQ201620173681
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年3月8日
【发明人】付传清, 刘佳敏, 梁坚凝, 金贤玉, 裴华富, 金南国
【申请人】浙江工业大学
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