本发明涉及土木工程技术领域，特别是涉及一种精确控制坑蚀的通电加速模拟系统和方法。
背景技术：
核电站是指通过适当的装置将核能转变成电能的设施。与传统的火力发电站相比，核能发电无碳排放，不会加重地球温室效应，也不会造成空气污染，且核燃料的能量密度比起化石燃料高很多，因而核能发电得到了越来越广泛的应用。
核电站通常建在海边，其周围的空气中氯离子浓度较高。由于核电站反应堆结构的内层为钢板，外层为混凝土保护壳，内层和外层的界面在高氯离子浓度环境下很可能产生坑蚀，并且坑蚀是影响混凝土结构安全性和耐久性的关键因素。
研究发现，混凝土里面钢筋锈蚀通常是由于钢筋表面局部钝化膜发生破坏，使这些部位露出铁基体与尚完好的钝化膜区域形成电位差而导致的。小部分钝化膜失效区域的外露铁基体作为阳极，大面积完好的钝化膜作为阴极。腐蚀电池作用的结果是：在钢筋表面产生的蚀坑，由于大阴极对应小阳极，锈蚀坑的发展十分迅速。当检测到钢筋锈蚀时，基本上已经由锈蚀坑转为大面积锈蚀了。因此，需要一种用于实验的模拟系统和方法，从一开始只有蚀坑的试件开始全程追踪追踪锈蚀的演变过程，用于研究腐蚀电池机理。
自然锈蚀，特别是氯离子引发的钢筋混凝土锈蚀，其产生锈蚀的时间周期长。目前，为了加速实验室锈蚀过程，一般是采用干湿循环和通电的方法。干湿循环条件下，由于样品本身存在较大的差异，而且实验过程受环境因素影响较大，最终导致实验结果差异性较大，即锈蚀位置难以控制，锈蚀参数难以准确量化。通电加速条件下，目前所施加的电流都比较大，与真实锈蚀情况下的腐蚀电流大小存在较大差别。而且目前的通电加速方法导致的钢筋锈蚀均为均匀锈蚀，其锈蚀形态、锈蚀率、膨胀率等多个关键参数都与自然锈蚀不同。根据以往的研究状况，仅仅运用普通的通电方式来精确控制钢筋或钢板表面产生坑蚀，难度较大。
因此，如何提供一种精确控制坑蚀的通电加速模拟系统和方法，用以模拟核电站反应堆结构的内层钢材和外层混凝土在高氯离子浓度环境下的锈蚀过程，并为核电站反应堆结构中的锈蚀提供指导，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种精确控制坑蚀的通电加速模拟系统和方法，以解决上述现有技术存在的技术问题，使钢结构和混凝土的界面产生可控的坑蚀。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种精确控制坑蚀的通电加速模拟系统，包括钢结构、混凝土、不锈钢中空管、微流控装置和可编程交流电源，所述钢结构和所述不锈钢中空管浇筑于所述混凝土内，所述不锈钢中空管位于所述钢结构的正上方且与所述钢结构互不接触，所述钢结构和所述不锈钢中空管均具有伸出所述混凝土外的伸出端，所述可编程交流电源的阳极通过导线与所述钢结构的伸出端相连，所述可编程交流电源的阴极通过导线与所述不锈钢中空管的伸出端相连，所述微流控装置通过橡胶导管与所述不锈钢中空管的伸出端相连，所述微流控装置用以控制流入所述不锈钢中空管内的氯化钠溶液的量。
优选地，所述钢结构和所述不锈钢中空管的伸出端均焊接有金属丝，所述可编程交流电源的阳极通过导线与所述钢结构的伸出端上的所述金属丝相连，所述可编程交流电源的阴极通过导线与所述不锈钢中空管的伸出端上的所述金属丝相连，所述金属丝外缠绕有绝缘胶布。
优选地，所述钢结构为钢筋。
优选地，所述钢筋的直径为8-16mm。
优选地，所述钢结构为钢板。
优选地，所述钢板的厚度为5-10mm。
优选地，所述不锈钢中空管的轴向垂直于所述钢结构的长度方向。
优选地，所述不锈钢中空管竖直放置，所述钢结构水平放置，所述橡胶导管为直角橡胶导管，所述橡胶导管包括一水平部和一竖直部，所述竖直部套在所述不锈钢中空管外侧，所述橡胶导管的水平部与所述的微流控装置的尾部连接。
本发明还公开了一种精确控制坑蚀的通电加速模拟方法，包括如下步骤：
S1、将混凝土浇筑于钢结构和不锈钢中空管上，形成组合构件，钢结构和不锈钢中空管均具有伸出混凝土外的伸出端，将经标准条件养护好的组合构件放入干燥箱里干燥48小时；
S2、取出组合构件，在钢结构的伸出端焊上金属丝，在不锈钢中空管的伸出端焊上金属丝；将可编程交流电源的阳极用导线与钢结构伸出端的金属丝连接，将可编程交流电源的阴极用导线与不锈钢中空管上的金属丝连接，并用绝缘胶布缠绕金属丝；然后将微流控制装置、橡胶导管和不锈钢中空管依次相互连接；
S3、通过微流控装置向不锈钢中空管内缓慢滴入氯化钠溶液，待充分浸润不锈钢中空管的管底混凝土后，进行通电测试；
S4、通电锈蚀过程中需做相关测试时，暂停通电，取下绝缘胶布；进行完相关测试后，重复上述步骤S3，重新接通可编程交流电源通电。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明可以精确控制微小腐蚀电流，以便准确控制钢筋坑蚀程度，避免了一般通电加速实验产生的均匀锈蚀形态，并且可以重复实验，实验操作简便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为钢结构为钢板时本发明精确控制坑蚀的通电加速模拟系统的正视图；
图2为钢结构为钢板时本发明精确控制坑蚀的通电加速模拟系统的左视图；
图3为钢结构为钢筋时本发明精确控制坑蚀的通电加速模拟系统的左视图；
附图标记说明：1、钢板；2、钢筋；3、不锈钢中空管；4、微流控装置；5、可编程交流电源；6、导线；7、氯化钠溶液；8、锈蚀产物；9、金属丝；10、混凝土；11、橡胶导管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种精确控制坑蚀的通电加速模拟系统，以解决上述现有技术存在的技术问题，使钢结构和混凝土的界面产生可控的坑蚀。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图3所示，本实施例提供一种精确控制坑蚀的通电加速模拟系统，包括钢结构、混凝土10、不锈钢中空管3、微流控装置4和可编程交流电源5。钢结构和不锈钢中空管3浇筑于混凝土10内，不锈钢中空管3位于钢结构的正上方且互不接触，钢结构和不锈钢中空管3均具有伸出混凝土10外的伸出端。可编程交流电源5的阳极通过导线6与钢结构的伸出端相连，可编程交流电源5的阴极通过导线6与不锈钢中空管3的伸出端相连，微流控装置4通过橡胶导管11与不锈钢中空管3的伸出端相连。微流控装置4为带有量程的精确控制注射器，用以精确控制流入不锈钢中空管3内的氯化钠溶液7的量。
使用时，氯化钠溶液7在微流控装置4的控制下流动至不锈钢中空管3的管底，浸湿不锈钢中空管3与钢结构之间的混凝土10，形成电解质溶液。打开可编程交流电源5，即可以钢结构为阳极、以不锈钢中空管3为阴极进行电解，从而模拟钢结构的锈蚀过程，形成锈蚀产物8。电解过程中使用的氯化钠溶液7是利用无水氯化钠晶体加水溶解而成的，其浓度为10％，加入的量为5-10mL。
为了电路连接的方便、可靠，本实施例中，钢结构和不锈钢中空管3的伸出端处均焊接有金属丝9，可编程交流电源5的阳极通过导线6与钢结构的伸出端上的金属丝9相连，可编程交流电源5的阴极通过导线6与不锈钢中空管3的伸出端上的金属丝9相连，金属丝9外缠绕有绝缘胶布。
钢结构的伸出端的长度为3-5cm。钢结构可以是钢筋2，也可以是钢板1。钢筋2的直径为8-16mm，钢板1的厚度为5-10mm。
为了便于混凝土10的浇筑和后期计算，不锈钢中空管3竖直放置，钢结构水平放置，不锈钢中空管3下端距钢结构0.5-1.5cm。橡胶导管11为直角橡胶导管，优选为橡胶材质。橡胶导管11包括一水平部和一竖直部，竖直部伸入不锈钢中空管3内，水平部与微流控装置4连接。
本实施例还提供一种精确控制坑蚀的通电加速模拟方法，包括如下步骤：
S1、将混凝土10浇筑于钢结构和不锈钢中空管3上，形成组合构件，钢结构和不锈钢中空管3均具有伸出混凝土10外的伸出端，将经标准条件养护好的组合构件放入干燥箱里干燥48小时；
S2、取出组合构件，在钢结构的伸出端焊上金属丝9，在不锈钢中空管3的伸出端焊上金属丝9；将可编程交流电源5的阳极用导线6与钢结构伸出端的金属丝9连接，将可编程交流电源5的阴极用导线6与不锈钢中空管3上的金属丝9连接，并用绝缘胶布缠绕金属丝9；然后将微流控制装置4、橡胶导管11和不锈钢中空管3依次相互连接；
S3、通过微流控装置4向不锈钢中空管3内缓慢滴入氯化钠溶液7，待充分浸润不锈钢中空管3的管底混凝土10后，进行通电测试；
S4、通电锈蚀过程中需做相关测试时，可暂停通电，取下绝缘胶布；进行完相关测试后，可重复上述步骤S3，重新接通可编程交流电源5通电。
上述步骤中的组合构件是用钢筋腐蚀实验配套制样的特定模具浇筑而成，并且24小时后拆模然后放在标准条件下养护28天的试件。步骤S4中，每通电6小时断电一次，进行相关测试，直至实验完成，中止通电锈蚀。
上述实验过程遵循法拉第定律：Δm＝M·I·t/n/F，其中Δm为通电锈蚀过程中铁的质量损失，M为铁的原子量，I为通电锈蚀电流(单位:A)，t为通电时间(单位：s)，n为单个铁原子发生锈蚀时的失电子数，F法拉第常数。本实施例中，n＝2，F＝9.65×104A·s。根据上述公式，可通过控制通电电流的大小控制锈蚀速度。
另外，又有公式：I＝icorr·A，其中，icorr为腐蚀电流密度，A为腐蚀钢板1或者钢筋2的局部通电区域侧面积(即不锈钢中空管3下方被氯化钠溶液7润湿的钢板1或者钢筋2)。本实施例中，锈蚀电流密度为100uA/cm2；A取值范围为0.5-3cm2，优选1.5cm2。计算得到对应的电流I的范围为0.050-0.300mA，优选为0.150mA。
由于锈蚀过程中，电阻会增大，所以一般以恒电流输出来控制稳定的锈蚀速率。具体地，打开电源开关，将电流大小设定为选定值(例如0.150mA)，打开电脑上的恒电流仪配套电流记录软件，设置“面板控制”通过可编程交流电源5配套软件监测锈蚀电路电流变化，可编程交流电源5可实时监控与调节锈蚀电流变化，减小实验电流施加过程中的误差。
需要说明的是，本实施例以钢筋2和钢板1作为钢结构，钢结构与不锈钢中空管3垂直，本领域技术人员也可选用其它类型的钢结构，并根据需要调整钢结构与不锈钢中空管3的位置关系；本实施例对结构尺寸、电流等各项实验数据进行了举例说明，本领域技术人员也可根据实际需要调整实验数据。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。