一种模拟不同环境下钢筋腐蚀的试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种模拟不同环境下钢筋腐蚀的试验装置及试验方法，包括密封箱，密封箱内设置多个带有模拟液的电解池，电解池内放置工作电极‑钢筋样品；电解池上方设置参比电极与辅助电极，定期测量钢筋腐蚀过程时，控制参比电极与辅助电极进入不同电解池；连接在电解池外部的稳压恒流器及电化学测试电脑采集设备，用以监测不同时期钢筋腐蚀的时变规律。本发明解决了因当下样品存放环境条件复杂性与不稳定性带来的试验结果差异性大、重复性差等问题；实现了通过控制外界条件变量法，准确把握钢筋腐蚀的关键因素，同时根据所需试验条件，选择性把控不同因素对钢筋腐蚀过程的影响程度。

说明书

技术领域

本发明涉及在模拟钢筋在针对性环境条件下的腐蚀监测技术，具体涉及一种 模拟不同环境下钢筋腐蚀的试验装置及试验方法。

背景技术

钢筋由于其自身良好的力学性能与工作性，在化学工业、石油化工、交通运 输等领域中成为了最广泛及最重要的工程材料，其主要组成成分为金属单质或合 金。然而，钢筋腐蚀是导致大型建筑结构，民用基础设施，运输设备、器械等是 失效的最主要与直接的原因。由此造成的年损失远远超过水灾、火灾等综合经济 损失。根据美国的一项调查，腐蚀在美国造成的成本是每1美元国内生产总值的 6美分。从全球来看，这相当于每年4万亿美元。不仅如此，因腐蚀造成的间接 损失诸如停工减产、物料流失、环境污染等比腐蚀本身的直接损失还要大很多。 由钢筋腐蚀带来的世界平均腐蚀损失约占全球国民生产总值(GNP)的3.4％。 这些管道都是用同样规格的钢材制造的，在类似的环境下使用了20年之后发生了失效现象，其原因是钢筋腐蚀——材料与环境发生化学或电化学反应而发生降 解。由此可见，由于钢筋与环境介质间发生的物理-化学作用导致钢筋性能发生 变化，并造成钢筋、环境及其构成体系的功能受到损失的现象只是腐蚀的体现， 而找出背后的原因才是防护它发生的关键所在。对于钢筋腐蚀机理知识的缺乏阻 碍了我们预防腐蚀的能力以及做出针对性的防护措施。石油泄漏、桥梁坍塌和其 他灾难继续发生。因此，采用模拟不同外界环境条件下钢筋的腐蚀机理的试验研 究，找到导致其腐蚀发生的关键性因素是最为有效的解决方法。

钢筋腐蚀是钢筋在环境的作用下所引起的破坏或变质。按腐蚀过程，主要有 化学腐蚀和电化学腐蚀；按钢筋腐蚀破坏形态与腐蚀区域，主要有全面腐蚀和局 部腐蚀；而按照腐蚀的环境条件把腐蚀分为高温腐蚀和常温腐蚀等。由此可见， 因钢筋应用的领域多样及复杂性，根据不同的应用领域需求，都有需要与其相适 应的环境特点。除此以外，也因外界自然环境条件波动性大，稳定性差，得到的 试验结果可重复差且无法判定外界条件中对腐蚀影响的关键性因素，不能够对钢 筋腐蚀机理探究与防护措施设计研究提供有效支撑。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种既能模拟不同外界特定自然环境条件， 又能针对性的控制变量，保证试验在有选择性、针对外界影响因素条件下研究钢 筋腐蚀机理的模拟不同环境下钢筋腐蚀的试验装置及试验方法。

技术方案：本发明的模拟不同环境下钢筋腐蚀的试验装置，包括密封箱，所 述密封箱内设置多个带有模拟液的电解池，电解池内放置用以试验的工作电极- 钢筋样品；所述密封箱内设置监测密封箱内部环境参数的监测装置；所述电解池 上方设置参比电极与辅助电极，定期测量钢筋腐蚀过程时，控制参比电极与辅助 电极进入不同电解池；所述电解池和密封箱外部的稳压恒流器连接，稳压恒流器 连接电化学测试电脑采集设备，稳压恒流器与电化学测试电脑采集设备监测不同 时期钢筋腐蚀的时变规律。

所述密封箱底部设有水溶液，多个电解池均置于水溶液中，水溶液中还放置 恒温控制计，通过水溶液与恒温控制计控制电解池温度，恒温控制计可以控制电 解池内工作电极-钢筋样品所需外界温度。

所述监测装置包括温度计和测氧仪，温度计一端放置在水溶液中，测氧仪设 置在水溶液上方；实现实时监测密封箱内部环境参数。

所述电解池上方设有轮滑带，轮滑带端部设有轮滑控制器，且轮滑带底面连 接参比电极与辅助电极，通过轮滑控制器控制轮滑带上的参比电极与辅助电极定 向进入不同电解池，能够根据需要实现定向投入。

所述轮滑带上放置洗气固体试剂，用以除去密封箱封口处混入的杂质气体。

所述密封箱入口处连接输气泵，密封箱出口处连接真空泵；外界环境气体通 过输气泵进入密封箱，通过真空泵将密封箱中的废气体外排。

所述输气泵与密封箱之间依次连接有洗气瓶、干燥器、指示剂以及流量控制 阀，可以向密封箱内输入干燥的纯净气体。

本发明还包括一种模拟不同环境下钢筋腐蚀的试验装置的试验方法，包括以 下步骤：

(一)以实际钢筋腐蚀演变过程中外界环境条件、钢筋样品的各项物理参数、 模拟液离子成分的化学参数为基础，建立相似体系；

(二)计算钢筋样品的腐蚀电流密度与极化电阻，并根据计算结果判定出钢 筋样品腐蚀开始的临界值，从而判定其有效电化学参数，再判断出钢筋样品的腐 蚀速率，腐蚀程度及腐蚀关键性因素；

(三)按照步骤(一)建立的相似体系确定模拟液离子成分、外界温度以及 密封箱中含氧量，预先制备出工作电极-钢筋样品并将其放入电解池；

(四)对工作电极-钢筋样品实际测试方法进行处理；

(五)对工作电极-钢筋样品、参比电极、辅助电极进行处理，将三者组成 用于电化学测试的三电极体系，之后定向选择性测试具体电解池；

(六)按照相似理论制备工作电极-钢筋样品并投入电解池，待其完全稳定 后，定期进行电化学测试试验，以此模拟特定环境条件下钢筋的腐蚀过程；

(七)按照相似体系建立定向选择性输入所需外界环境气体，搭设完整的储 存样品系统。

步骤(二)中，按照样品实际反应条件，并根据能斯特方程与等效电路模型， 计算钢筋样品的腐蚀电流密度与极化电阻。

步骤(二)中，通过动电位极化方法和交流阻抗谱法来判断出钢筋样品的腐 蚀速率，腐蚀程度及腐蚀关键性因素。

工作原理：本发明所述试验装置通过定向输入所需环境气体，经过洗气瓶选 择性洗涤不需要气体，再利用干燥器与指示剂分别干燥与验证所需气体，最终得 到干燥纯净气体进入样品储存的密封箱，模拟在所需外界环境变量条件下钢筋整 个腐蚀过程演变情况；将电解池放置在由恒温器控制的水溶液中，随时监测密封 箱中温度、含氧量及压力值。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：解决了由于钢筋应该 领域极为广泛，各个领域环境条件极为不同，且环境条件复杂性与不稳定性带来 的试验结果差异性大、重复性差等问题，实现了通过控制外界条件变量法，模拟 不同的腐蚀环境，采集多种腐蚀参数，准确把握钢筋腐蚀的关键因素，同时可以 根据所需试验条件，选择性把控不同因素对钢筋腐蚀过程的影响程度，有利于对 探究其腐蚀机理与设计有效的相关防护措施。

附图说明

图1为本发明所述试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细介 绍。

如图1所示，本发明的装置包括电化学测试电脑采集设备1、输气泵2、流 量表3、玻璃导管4、洗气瓶5、橡胶管6、干燥器7、指示剂8、流量控制阀9、 温度计10、水溶液11、模拟液12、电解池13、工作电极-钢筋样品14、恒温控 制计15、真空泵16、密封箱17、测氧仪18、压力阀19、洗气固体试剂20、轮 滑带21、辅助电极22、参比电极23、束线管24、轮滑控制器25、电极夹26、 测试线27、稳压恒流器28、连接线29。密封箱17内排列四个带有模拟液12的 电解池13。每一个电解池13内都放置工作电极-钢筋样品14，用于模拟特定环 境条件下钢筋腐蚀随时间的演变情况。密封箱17底部设有水溶液11，电解池13 置于水溶液11中，水溶液11中还放置恒温控制计15，工作电极-钢筋样品14 由恒温控制计15控制其所需外界温度，通过水溶液11与恒温控制计15控制电 解池13温度。密封箱17内设置温度计10、测氧仪18、压力阀19，温度计10 一端放置在水溶液11中，测氧仪18设置在水溶液11上方，压力阀19设置在密 封箱17出口处，运用温度计10、测氧仪18、压力阀19实时监测密封箱17内部 环境参数。

密封箱17内电解池13上方设有轮滑带21，轮滑带21端部设有轮滑控制器 25，且轮滑带21底面悬挂参比电极23与辅助电极22，定期监测钢筋腐蚀不同 时期相关的电化学参数，运用轮滑控制器25控制轮滑带21上参比电极23与辅 助电极22进入不同电解池13进行电化学三电极测试。每一电解池13内的工作 电极-钢筋样品14都连接一根测试线27，多根测试线27由束线管24整合后穿出 密封箱17与外界设备相连接。密封箱17外部的测试线27上设有电极夹26，测 试线27与稳压横流器28上的连接线29接通。稳压恒流器28与电化学测试电脑 采集设备1通过连接线29相连的，定期利用稳压恒流器28与电化学测试电脑采 集设备1进行电化学测试，采集相关电化学参数，能够实时监测不同时期钢筋腐 蚀的演变情况。轮滑带21上放置洗气固体试剂20，用以除去密封箱17封口处 混入的杂质气体。

密封箱17入口处依次连接输气泵2、洗气瓶5、干燥器7、指示剂8及流量 控制阀9，密封箱17出口处连接真空泵16，其中，输气泵2的出口处设有流量 表3。外界环境气体则自输气泵2分别通过洗气瓶5、干燥器7及指示剂8，由 流量控制阀9定量进入密封箱17内；在输送气体的同时，利用真空泵16定量输 出密封箱17中的废气体；所有器皿及输送仪器均用玻璃导管4与橡胶管6相连 接。

外界环境气体部分，则是由不同仪器、器皿及导管组成，各个部分相互独立， 均通过玻璃导管4与橡胶管6将输气泵2、洗气瓶5、干燥器7、指示剂8及真 空泵16相互连接，定向对密封箱17内输入所需干燥纯净气体，并通过流量控制 阀9控制气体输入与废弃输入的速率，同时利用流量表3、压力阀19以及测氧 仪18分别监测气体流量值、密封箱17中的压力值与含氧量，并验证该装置的气 密性。

本发明还包括一种模拟不同环境下钢筋腐蚀的试验方法，包括以下步骤：

(1)以实际钢筋腐蚀演变过程中外界环境条件(含氧量MO

(2)按照样品实际反应条件，根据能斯特方程与等效电路模型，计算得到 钢筋的腐蚀电流密度与极化电阻。将通过计算得到的腐蚀电流密度与极化电阻判 定出钢筋腐蚀开始的临界值，从而判定其有效电化学参数，进一步用动电位极化、 交流阻抗谱法等电化学手段详细与准确的判断腐蚀速率，腐蚀程度及腐蚀关键性 因素；

(3)按照相似体系确定模拟液(12)离子成分为Ca

(4)按照相似理论对工作电极-钢筋样品14实际测试方法进行处理，将工 作电极-钢筋样品14、参比电极23以及辅助电极22上的连接线27利用电极夹 26与稳压恒流器28的连接29相连接，并运用电化学测试电脑采集设备1进行 通路情况测试，以此确保试验的有效性；

(5)按照相似理论对工作电极-钢筋样品14、参比电极23、辅助电极22进 行处理，将其组成用于电化学测试的三电极体系，并利用轮滑控制器25控制轮 滑带21上悬挂的参比电极23与辅助电极22，定向选择性测试具体电解池13。 并再轮滑带21上表面铺设洗气固体试剂20(CaO)防护密封箱17开口处进入的 外界杂质气体，保证密封箱17内部环境气体不受影响发生改变；

(6)按照相似理论制备工作电极-钢筋样品14，将制备好后用万用表验证通 路的工作电极-钢筋电极14放入装有模拟液12的电解池14中，待其完全稳定后， 定期进行电化学测试试验，以此模拟特定环境条件下钢筋的腐蚀过程；

(7)按照相似体系建立定向选择性输入所需外界环境气体，搭设完整的储 存样品系统。利用玻璃导管4、橡胶管6将输气泵2(输入空气)、洗气瓶5(NaOH 溶液)、干燥器7(变色硅胶)、指示剂瓶8(饱和Ca(OH)