一种钢筋加速腐蚀实验装置及方法

技术领域

本发明属于钢筋腐蚀速率检测领域，具体地说是一种钢筋加速腐蚀实验装置及方法，属于金属材料的腐蚀性能检测方法技术领域。

背景技术

随着钢筋混凝土材料的使用范围扩大以及使用年限增加，钢筋混凝土结构的耐久性逐渐成为研究人员的关注重点，其中钢筋锈蚀问题是导致钢筋混凝土结构耐久性不良的重要因素之一。钢筋的锈蚀会导致钢筋体积增大，混凝土开裂，承载能力下降，严重影响结构的安全性。因此针对锈蚀钢筋开展相关研究有着极为重要的意义。强加阳极电流的方法被广泛地应用于实验室钢筋的人工加速腐蚀，一般情况下实验所需钢筋试件较多无法使每根钢筋单独对应一个电源，故通常采用串联或并联的加速腐蚀连接形式批量对钢筋试件进行加速腐蚀。

采用串联的加速腐蚀连接形式批量对钢筋试件进行加速腐蚀的装置如图1所示，其等效电路如图2所示。多根钢筋(R1、R2、R3)通过导线首尾相连，置于一个大电化学池中。该装置在理想状态下串联电路中电流是平均分配，通过每根钢筋进入到电解质溶液到达阴极的电流大小是相同的；但实际情况中无法到达如此理想状态，电流通过第一根钢筋R1后部分电流进入电解液流Rs向阴极Rc，另一部分电流则流向后续电路，由于钢筋自身电阻、溶液电阻以及锈蚀产物的影响，必然导致每一部分的电流大小存在一定的差异。且该方法采用普通矩形铁丝网片作为阴极，这将导致钢筋表面的电流密度分布不均匀，钢筋面对阴极一侧电流密度偏大，背侧电流密度偏小，导致钢丝网背面和正面的钢筋表面的腐蚀情况不同。

采用并联的加速腐蚀连接形式批量对钢筋试件进行加速腐蚀的装置如图3所示，其等效电路如图4所示，各支路上电压必然相等，可以认为各支路中钢筋的电阻大小均一致，但电化学池中的电解液电阻Rs若存在差异势必影响通过各支路的电流大小。两电极之间的电阻Rs与电极之间的距离、电极面积以及电极形式都有密切的联系，电阻大小难以得到控制导致最终各支路电流大小不一致。并联的加速腐蚀连接形式批量对钢筋试件进行加速腐蚀的过程中，同样是采用矩形铁丝网片作为阴极，也将导致每根钢筋表面的电流分布不均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢筋加速腐蚀实验装置及方法，以解决现有串联或并联的加速腐蚀连接形式批量对钢筋试件进行加速腐蚀时无法保证通过各试样的电流大小完全相同，每根钢筋试样表面的电流分布不均等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种钢筋加速腐蚀实验装置，其包括直流电源、电化学池、若干钢筋试样以及与钢筋试样等量的环形钢丝网片；所述的钢筋试样和环形钢丝网片一一对应；所述的电化学池通过隔板分割成若干独立的空腔，空腔与钢筋试样等量，每个空腔内均设置一个钢筋试样和一个环形钢丝网片，钢筋试样位于对应环形钢丝网片内，且钢筋试样与对应环形钢丝网片同轴，钢筋试样的外圈与对应环形钢丝网片不接触；每个空腔内均设有电解液，电解液的液面高度至少高于钢筋试样和环形钢丝网片的底面高度；所述的钢筋试样均通过导线与直流电源的正极电连接；所述的环形钢丝网片均通过导线与直流电源的负极电连接。

优选地，所述的钢筋试样的直径和长度均相同，钢筋试样上下表面设有环氧树脂密封层，钢筋试样的顶端通过导线与直流电源的正极连接，导线的端部与钢筋试样焊接；所述的环形钢丝网片的网孔、内径、厚度和高度均相同；所述的空腔的形状和大小均相同，空腔内电解液的高度均相同；所述的钢筋试样和环形钢丝网片位于电解液内的位置均相同；所述的电解液的液面高度高于环形钢丝网片顶端和钢筋试样顶端的高度。

本发明还涉及一种钢筋加速腐蚀实验方法，其包括以下步骤：

1)将经过表面除锈处理的若干钢筋试样与直流电源的正极连接，将环形钢丝网片与直流电源的负极连接，将钢筋试样与环形钢丝网片一一对应并放入电化学池中各个装有电解液的独立的空腔中，保证钢筋试样与对应的环形钢丝网片同轴，保证所有钢筋试样浸入电解液的深度以及各环形钢丝网片浸入电解液的深度相同，开启直流电源为各钢筋试样提供直流电流；

2)提供直流电流一段时间后，通过测量钢筋试样的开路电位或/和测量计算钢筋试样的腐蚀电流密度或/和测量计算钢筋试样的质量损失或/和观察钢筋表面的微观形貌等方式来评价钢筋试样的腐蚀程度。

优选地，所述的步骤2)中通过测量钢筋试样的开路电位来评价钢筋试样的腐蚀程度的具体方法是：

利用电化学工作站中的开路电位测试功能对各钢筋试件的腐蚀电位进行检测，设置扫描时间600s，采样间隔0.1s，取扫描曲线后期数据稳定后读数作为该钢筋试件腐蚀电位，根据腐蚀电位判断钢筋试样的腐蚀程度。

当腐蚀电位大于-200mV时，无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定；当腐蚀电位在-200～-350mV时，有锈蚀活动性，可能坑蚀；当腐蚀电位在-350～-500mV，锈蚀活动性强，严重锈蚀可能性极大；当腐蚀电位小于-500mV，钢筋严重腐蚀构件出现开裂区域。

优选地，所述的步骤2)中测量计算钢筋试样的腐蚀电流密度来评价钢筋试样的腐蚀程度的具体方式是：

利用电化学工作站的线性极化测量得到的斜率获取极化电阻Rp，极化电阻Rp计算出钢筋的腐蚀电流密度Icorr；

式中，常数B为钢筋为活性时的取值，其为常数；S(cm

通过加速腐蚀前后钢筋试件的腐蚀电位和腐蚀电流密度的大小及变化情况了解其发生锈蚀的情况并评价其锈蚀严重程度。

当腐蚀电流密度小于0.1μA/cm

优选地，所述的步骤2)中测量计算钢筋试样的质量损失来评价钢筋试样的腐蚀程度的具体方式是：

在加速腐蚀前，钢筋试件完成清洗干燥后对其进行第一次称重，加速腐蚀结束后使用无水乙醇对钢筋表面进行清洗，除去铁锈和杂质后再对钢筋进行第二次称重，两次称重相减获得质量损失，根据质量损失情况评价其锈蚀严重程度。

当钢筋质量损失小于5％时，钢筋为轻度腐蚀状态；当钢筋质量损失在5％～10％之间，钢筋为中度腐蚀状态；当钢筋质量损失在大于10％时，钢筋为重度腐蚀状态。

优选地，所述的步骤2)中观察钢筋表面的微观形貌来评价钢筋试样的腐蚀程度的具体方式是：

借助扫描电镜观察钢筋试样表面的微观形貌，了解钢筋试样腐蚀产物的分布情况，根据钢筋试样腐蚀产物的分布情况评价钢筋加速腐蚀的效果。

当观测到钢筋表面锈蚀产物呈现均匀分布，各个方向锈蚀产物厚度基本一致，则加速腐蚀效果理想；当观测到钢筋表面锈蚀产物分散分布，各方向锈蚀产物厚度也存在不均匀，则加速腐蚀效果不佳。

优选地，所述的步骤1)中钢筋试样是从同一根钢筋上切取的，各钢筋试样的长度和直径均相同，各钢筋试样均经过表面除锈处理，在钢筋试样上下表面设置环氧树脂密封层。

优选地，所述的步骤1)中钢筋试样表面除锈处理的具体方法是：

利用砂纸对钢筋表面进行打磨去除其表面氧化层及杂质，并用无数乙醇进行清洗，干燥后形成钢筋试样。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.本发明涉及的钢筋加速腐蚀实验装置及方法针对每一个钢筋试样均配置一个环形钢丝网片，每个钢筋试样加速腐蚀所用的电解液都是独立的，各钢筋试样在实验过程中互不干扰，各钢筋试样与对应的环形钢丝网片之间的距离相同，进而确保两电极之间的电阻相同，经过各钢筋试样的电流完全相同。

2.本发明涉及的钢筋加速腐蚀实验装置及方法采用环形钢丝网片作为阴极，环形钢丝网片包围钢筋试样，使得钢筋试样表面的电流密度分布均匀，最终使得同一个钢筋试样表面的腐蚀情况基本相同。

附图说明

图1是串联式加速腐蚀连接形式对钢筋试件进行加速腐蚀的装置；

图2是串联式加速腐蚀连接形式对钢筋试件进行加速腐蚀的等效电路；

图3是并联式加速腐蚀连接形式对钢筋试件进行加速腐蚀的装置；

图4是并联式加速腐蚀连接形式对钢筋试件进行加速腐蚀的等效电路；

图5是本发明涉及的钢筋加速腐蚀实验装置及方法；

图6是采用本发明涉及的装置对钢筋试件进行加速腐蚀的等效电路。

标注说明：1-直流电源，2-钢筋试样，3-环形钢丝网片，4-电化学池，41-隔板，5-电解液，6-矩形铁丝网片。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照附图4所示，本发明涉及的钢筋加速腐蚀实验装置及方法包括直流电源1、电化学池4、若干的钢筋试样2以及与钢筋试样2等量的环形钢丝网片3。

所述各钢筋试样2的直径和长度均相同，钢筋试样2采用直径10mm的HPB235光圆钢筋，用钢筋切割机将钢筋切成长度为40mm、直径10mm的圆柱形试样，利用砂纸对钢筋表面进行打磨去除其表面氧化层及杂质，并用无数乙醇进行清洗，干燥后形成钢筋试样2。钢筋试样2均通过导线与直流电源1的正极电连接，即钢筋试样2的顶端通过导线与直流电源1的正极连接，导线的端部与钢筋试样2焊接；钢筋试样2上下表面设有环氧树脂密封层，用于防止钢筋试样2上、下面腐蚀。

所述环形钢丝网片3与钢筋试样2一一对应，环形钢丝网片3的网孔、内径、厚度和高度均相同，环形钢丝网片3的内径大于钢筋试样2的直径，环形钢丝网片3作为阴极，均通过导线与直流电源1的负极电连接。

所述的电化学池4通过隔板41分割成若干独立的空腔，空腔与钢筋试样2等量，各空腔的形状和大小均相同。每个空腔内均设置一个钢筋试样2和一个环形钢丝网片3，钢筋试样2位于对应环形钢丝网片3内，且钢筋试样2与对应环形钢丝网片3同轴，钢筋试样2的外圈与对应环形钢丝网片3不接触；每个空腔内均设有电解液5，空腔内电解液5的液面高度均相同；各空腔中，钢筋试样2和环形钢丝网片3位于电解液5内的位置均相同，且电解液5的液面高度至少高于钢筋试样2和环形钢丝网片3的底面高度，本实施例中，电解液5的液面高度高于环形钢丝网片3顶端和钢筋试样2顶端的高度。

本发明还涉及一种钢筋加速腐蚀实验方法，其包括以下步骤：

1)将经过表面除锈处理的若干钢筋试样2与直流电源1的正极连接，将环形钢丝网片3与直流电源1的负极连接，将钢筋试样2与环形钢丝网片3一一对应并放入电化学池4中各个装有电解液5的独立的空腔中，保证钢筋试样2与对应的环形钢丝网片3同轴，保证所有钢筋试样2浸入电解液5的深度以及各环形钢丝网片3浸入电解液的深度相同，开启直流电源1为各钢筋试样2提供直流电流；

所述的钢筋试样2是从同一根钢筋上切取的，各钢筋试样2的长度和直径均相同，各钢筋试样2均经过表面除锈处理，并在钢筋试样2上下表面设置环氧树脂密封层，钢筋试样2表面除锈处理的具体方法是：利用砂纸对钢筋表面进行打磨去除其表面氧化层及杂质，并用无数乙醇进行清洗，干燥后形成钢筋试样2。

2)提供直流电流一段时间后，通过测量钢筋试样2的开路电位或/和测量计算钢筋试样的腐蚀电流密度或/和测量计算钢筋试样的质量损失或/和观察钢筋表面的微观形貌等方式来评价钢筋试样的腐蚀程度；

通过测量钢筋试样2的开路电位评价钢筋试样2的腐蚀程度的具体方式是：利用上海辰华CHI660d电化学工作站中的开路电位测试功能对各钢筋试件的腐蚀电位进行检测，设置扫描时间600s，采样间隔0.1s，取扫描曲线后期数据稳定后读数作为该钢筋试件腐蚀电位，根据腐蚀电位判断钢筋试样2的腐蚀程度。

当腐蚀电位大于-200mV时，无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定；当腐蚀电位在-200～-350mV时，有锈蚀活动性，可能坑蚀；当腐蚀电位在-350～-500mV，锈蚀活动性强，严重锈蚀可能性极大；当腐蚀电位小于-500mV，钢筋严重腐蚀构件出现开裂区域。

测量计算钢筋试样2的腐蚀电流密度来评价钢筋试样2的腐蚀程度的具体方式是：利用电化学工作站的线性极化测量得到的斜率1/(Re+Rp)(在自由电势周围±10mV范围内以2.5mV/min的速度扫描)，由于没有混凝土包裹保护层电阻Re为0，直接得到极化电阻Rp，从而根据公式(1)算出钢筋的腐蚀电流密度Icorr；

式中常数B为26mV(钢筋为活性时的取值)；S(cm

当腐蚀电流密度小于0.1μA/cm

测量计算钢筋试样2的质量损失来评价钢筋试样2的腐蚀程度的具体方式是：在加速腐蚀前，钢筋试件完成清洗干燥后对其进行第一次称重，加速腐蚀结束后剔除钢筋上下表面的环氧树脂以及导线，使用无水乙醇对钢筋表面进行清洗，除去铁锈和杂质后再对钢筋进行第二次称重，两次称重相减获得质量损失，根据质量损失情况评价其锈蚀严重程度。

当钢筋质量损失小于5％时，钢筋为轻度腐蚀状态；当钢筋质量损失在5％～10％之间，钢筋为中度腐蚀状态；当钢筋质量损失在大于10％时，钢筋为重度腐蚀状态。

观察钢筋表面的微观形貌来评价钢筋试样2的腐蚀程度的具体方式是：借助TM3000台式扫描电镜，利用高能电子束在试样上扫描，激发出多种信号，扫描电镜设备通过这些信号得到信息，从而对样品进行分析；实验中选用×1500放大倍数对钢筋试样2进行观测分析，观察钢筋表面的微观形貌，了解钢筋腐蚀产物的分布情况，评价钢筋加速腐蚀的效果。

当观测到钢筋表面锈蚀产物呈现均匀分布，各个方向锈蚀产物厚度基本一致，则加速腐蚀效果理想；当观测到钢筋表面锈蚀产物分散分布，各方向锈蚀产物厚度也存在不均匀，则加速腐蚀效果不佳。

对比例1

参照附图1和2所示，该对照组采用串联式加速腐蚀连接形式对钢筋试件进行加速腐蚀是多根钢筋试样2(R1、R2、R3)通过导线首尾相连，置于一个大电化学池4中，为各钢筋试样2提供直流电流，加速钢筋试样的腐蚀。

对比例2

参照附图3和4所示，该对照组采用并联式加速腐蚀连接形式对钢筋试件进行加速腐蚀，每根钢筋试样2(R1、R2、R3)对应一条支路且置于同一个电化学池4中，为各钢筋试样2提供直流电流，加速钢筋试样的腐蚀。

实验例1

分别采用对照组1、对照组2和实施例1涉及的装置对三根钢筋试样进行加速腐蚀，控制直流电流的大小为1.00mA，加速腐蚀的过程中，通过对每24h对通过钢筋的电流进行测量发现实际情况中电流略有波动，各钢筋试件加速腐蚀期间中所通过的平均电流大小在表1所述。

表1加速腐蚀期间钢筋试件的平均电流大小

从加速腐蚀期间通过每根钢筋的平均电流大小中可以看出，串联与并联形式中三根钢筋试样的对应通过电流的差异性相对较大。而本实施例涉及的连接形式中由于独立电解池与环形铁丝网片的作用，有效地保证了各支路的电流稳定性，使通过各钢筋的电流均维持在1.00±0.02mA。

实验例2

本实验例通过COMSOL有限元分析软件分别模拟了三种连接方式下的加速腐蚀过程。在串联与并联形式中，由于通过钢筋试件的电流大小就存在差异，故各钢筋表面的电流密度分布大小也不同，同组不同钢筋距离阴极铁丝网片的距离存在差异也导致了电流大小的不同，钢筋表面电流密度集中于钢筋面对阴极的一侧，而另一侧电流分布较少，这也将导致钢筋锈蚀主要将发生在钢筋的一侧影响到锈蚀的均匀性。反观本发明涉及的连接形式中，环形的铁丝网片为加速锈蚀提供了一个良好的电流传递路径，使得电流到达钢筋试件后再钢筋表面均匀分布，这将更有利于获得均匀的锈蚀钢筋。

实验例3

本实验例在加速腐蚀完成后，再次对各组钢筋试件的腐蚀电位及腐蚀电流密度进行检测。通过初步对比前后两组电化学参数数据可以发现，钢筋试件在加速腐蚀过程中电化学参数明显发生改变。为更直观的了解腐蚀电位与腐蚀电流密度变化的差异，通过计算各组数据的标准差来反应其离散性，如表2所示。

表2腐蚀电位与腐蚀电流密度变化量

由上表可分析：在加速腐蚀后各组钢筋试件的腐蚀电位都发生了不同程度的增大，通过腐蚀电位变化量可以看出串联形式中同组三根钢筋的变化情况较大，腐蚀电势变化量的标准差到达10.11，而并联形式和本发明涉及的连接形式中同组的三根钢筋腐蚀电位变化差异性不明显腐，蚀电势变化量标准差分别为3.57、2.31；进一步分析腐蚀电流密度情况，与腐蚀电位情况类似，在加速腐蚀之前各组钢筋腐蚀电流密度均处于一个较低的水平，加速腐蚀后钢筋的腐蚀电流密度均有所增大。在串联、并联形式中同组三根钢筋的腐蚀电流密度偏差较大，其变化量标准差分别为0.09、0.12，说明其钢筋发生的腐蚀情况存在明显差异性，最终不能获得腐蚀情况相接近的钢筋样品。而加速腐蚀后本发明涉及的连接形式中的同组三根钢筋的腐蚀电流密度变化为0.28、0.35、0.36μA/cm

实验例4

本实验例通过在加速锈蚀前后进行质量的称量，计算各钢筋试件的质量损失情况，得到钢筋实际锈蚀率如表3所示：

表3钢筋锈蚀率

在理想状态下，按照法拉第定律可以计算出钢筋的锈蚀产物质量，进一步计算出理应达到的锈蚀率：

锈蚀产物质量：

式中M为铁的摩尔质量，I为腐蚀电流强度A，t为加速腐蚀试件s，Z为反应电极失去电子数，F为法拉第常数，计算锈蚀产物质量后将锈蚀产物质量除以原钢筋试件质量后可以求得钢筋试件的理论锈蚀率。

钢筋试件锈蚀率：

式中m为原钢筋试件质量g，i为钢筋表面电流密度μA/cm

根据实测数据发现，串联形式与并联形式中，加速腐蚀后各钢筋样品实际锈蚀率与理论锈蚀率之间存在较大的差异性。这也与通过各钢筋试件的电流情况相对应，通过电流越大锈蚀率也相应更高；而通过的电流越小锈蚀率则偏低。本发明涉及的连接形式中，三根钢筋试件的锈蚀率为1.02％、1.14％、1.09％，最大锈蚀率与最小锈蚀率之间仅相差0.12％，同时该组三根钢筋的实际锈蚀率与理论锈蚀率1.03％非常接近，可以认为通过混联形式的钢筋加速腐蚀方案可以有效的控制加速锈蚀率。

综上所述，比较分析串联或并联的加速腐蚀连接形式批量对钢筋试件进行加速腐蚀以及本发明涉及的钢筋加速腐蚀实验方法可知：

参照附图2所示，串联式加速腐蚀连接形式批量对钢筋试件进行加速腐蚀的方法在理想状态下串联电路中电流是平均分配的，通过每根钢筋试样2进入到电解液5到达阴极的电流大小相同；但实际情况中无法到达如此理想状态，电流通过第一根钢筋试样2R1后部分电流进入电解质液Rs流向阴极Rc，另一部分电流则流向后续电路，由于钢筋自身电阻、电解液5电阻以及锈蚀产物的影响，必然导致每一部分的电流大小存在一定的差异；串联式加速腐蚀连接形式对钢筋试件进行加速腐蚀时采用普通矩形铁丝网片6作为阴极，这将导致钢筋试样2表面的电流密度分布不均匀，钢筋试样2面对阴极一侧电流密度偏大，背侧电流密度偏小。因此，对于不同的钢筋试样2，其腐蚀状况不同；针对同一根钢筋试样2，正面和背面的腐蚀状况也不同。

参照附图4所示，并联式加速腐蚀连接形式批量对钢筋试件进行加速腐蚀的方法中，各支路上电压必然相等，可以认为各支路中钢筋的电阻大小均一致，但电解池中的电解液5电阻Rs若存在差异势必影响通过各支路的电流大小，而两电极之间的电阻Rs与电极之间的距离、电极面积以及电极形式都有密切的联系，因电极之间的距离很难保持相同，故电阻大小难以得到控制，导致最终各支路电流大小不一致。同样，并联式加速腐蚀连接形式对钢筋试件进行加速腐蚀时，也采用普通矩形铁丝网片6作为阴极，这将导致钢筋试样2表面的电流密度分布不均匀，钢筋试样2面对阴极一侧电流密度偏大，背侧电流密度偏小。因此，对于不同的钢筋试样2，其腐蚀状况不同；针对同一根钢筋试样2，正面和背面的腐蚀状况也不同。

参照附图5和6所示，相比于串联式、并联式加速腐蚀连接形式对钢筋试件进行加速腐蚀，采用本发明涉及的连接形式对钢筋试件进行加速腐蚀时，每根钢筋不仅单独对应一条支路，并拥有独立的电化学池4和环形铁网片作为阴极(Rc1、Rc2、Rc3)。加速腐蚀过程中各支路之间不会相互干扰，溶液电阻Rs1、Rs2、Rs3大小近似相同，最终使电流大小趋于一致。并且阴极采用环形铁丝网片，保证了在环形圆心处的钢筋表面电流密度分布均匀。

以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进，均仍属于本发明的涵盖范围之内。