一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验装置及实验方法

摘要

一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验装置及实验方法，属于混凝土建筑锈蚀测试实验领域，本发明为了解决现有钢筋混凝土结构在进行锈蚀实验时由于钢筋混凝土框架结构体积较大，在进行锈蚀需要很大尺寸的锈蚀池，占地区域较大，且在锈蚀时钢筋混凝土框架结构整体浸泡在水中，容易导致结构中的其他区域也进行锈蚀，无法保证实验结束后结构中其他区域刚度的问题，本发明所述装置包括钢筋混凝土框架、密封防护外罩组、N个不锈钢板、直流电源和Z根引出导线，N为正整数，Z为正整数，通过对钢筋混凝土中需要进行锈蚀的部分进行外罩护罩处理利用电锈蚀的原理对预设区域内的钢筋进行准确高效的锈蚀。

说明书

技术领域

本发明属于混凝土建筑锈蚀测试实验领域，具体涉及一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验装置及实验方法。

背景技术

长期以来，人们过于重视结构在建造过程中的施工质量问题，而忽视了结构暴露在恶劣的环境中长期服役而造成的耐久性问题，而钢筋锈蚀正是引起混凝土结构抗震性能退化的重要原因。为研究混凝土结构锈蚀后的抗震性能，在构件角度如梁、柱、节点、板等的研究有很多，而将钢筋混凝土框架结构作为研究整体，其锈蚀后的抗震能力退化程度目前是土木工程领域研究的一大热点。

目前，通过加速锈蚀由实验室制备试件主要有两种途径，一是人工环境模拟实验室制备，二是氯盐浸泡加钢筋通电锈蚀制备，而氯盐浸泡加钢筋通电锈蚀方法因为其较人工环境模拟实验室制备成本低、试件尺寸灵活等优点应用最广。氯盐浸泡加通电锈蚀的主流做法是制备锈蚀池将钢筋混凝土试件浸泡氯盐溶液中通电锈蚀。这种制备方法缺点明显，由于钢筋混凝土框架结构体积极大，若采用该方法对钢筋混凝土柱进行锈蚀就需要很大尺寸的锈蚀池，此外，钢筋混凝土框架结构的底座若同时浸泡在水中，其随同结构一起锈蚀后，试验过程中无法保证结构底座的刚度。因此研发一种可以针对于钢筋混凝土结构进行局部锈蚀的装置及方法是很符合实际需要的。

发明内容

本发明为了解决现有钢筋混凝土结构在进行锈蚀实验时由于钢筋混凝土框架结构体积较大，在进行锈蚀时需要很大尺寸的锈蚀池，占地区域较大，且在锈蚀时钢筋混凝土框架结构整体浸泡在水中，容易导致结构中的其他区域也进行锈蚀，无法保证实验结束后结构中其他区域刚度的问题，进而提供一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验装置及实验方法；

一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验装置，所述实验装置包括钢筋混凝土框架、密封防护外罩组、N个不锈钢板、直流电源和Z根引出导线，N为正整数，Z为正整数；

所述密封防护外罩组扣装在钢筋混凝土框架外侧，且密封防护外罩组与钢筋混凝土框架的外侧壁密封固定连接，N个不锈钢板布置在密封防护外罩组内，且每个不锈钢板与密封防护外罩组的内壁固定连接，直流电源设置在密封防护外罩组的外侧，直流电源的正极与每根引出导线的一端相连，每根引出导线的另一端与钢筋混凝土框架中预锈蚀区域内的需要锈蚀的钢筋相连，直流电源的负极通过导线与每个不锈钢板相连；

所述钢筋混凝土框架包括钢筋混凝土底座、四根钢筋混凝土立柱、M个钢筋混凝土横梁组和M个钢筋混凝土板，M为正整数；

所述钢筋混凝土底座包括四个钢筋混凝土底座支撑梁和四个连接节点，四个连接节点呈矩形的四角点分布，每两个连接节点之间设有一个钢筋混凝土底座支撑梁，且每个钢筋混凝土底座支撑梁的两端分别与对应的一个连接节点固定连接；

所述每个钢筋混凝土底座支撑梁的外侧均包覆有防水卷材；

每个连接节点的外侧均包覆有防水卷材；

每个钢筋混凝土板的外侧均包覆有防水卷材；

所述钢筋混凝土横梁组包括四个钢筋混凝土横梁；

每根钢筋混凝土立柱沿竖直方向设置在一个连接节点的上表面上，且每根钢筋混凝土立柱与一个连接节点固定连接，M个钢筋混凝土横梁组沿钢筋混凝土立柱的高度方向由上至下依次等距设置，且位于最上方的钢筋混凝土横梁组的上表面与钢筋混凝土立柱的顶面共面设置，每个钢筋混凝土横梁组中一个钢筋混凝土横梁对应设置在两根相邻的钢筋混凝土立柱之间，且每个钢筋混凝土横梁的两端分别与对应的一个钢筋混凝土立柱的侧壁固定连接，每个钢筋混凝土板对应嵌装在一个钢筋混凝土横梁组内，且钢筋混凝土板中的每个侧壁与对应的钢筋混凝土横梁固定连接；

所述密封防护外罩组包括四个立柱外罩和4M个横梁外罩，每个立柱外罩对应包裹在一个钢筋混凝土立柱的外侧，且每个立柱外罩与所在的钢筋混凝土立柱密封固定连接，每个横梁外罩对应包裹在一个钢筋混凝土横梁的外侧，且每个横梁外罩与所在的钢筋混凝土横梁密封固定连接，每个横梁外罩与位于其两端的立柱外罩固定连接，且横梁外罩与立柱外罩的连接处为密封设置，每个不锈钢板对应设置在一个立柱外罩或一个横梁外罩中，且不锈钢板与对应的一个立柱外罩的内侧壁或一个横梁外罩的内侧壁固定连接；

进一步地，所述连接节点中的两个外侧面上分别延伸出一个钢筋混凝土支脚；

进一步地，所述位于最下方的钢筋混凝土横梁组与钢筋混凝土底座之间设有支架；

进一步地，所述支架包括四个支撑结构，每个支撑结构对应设置在位于最下方钢筋混凝土横梁组中的一个钢筋混凝土横梁与一个钢筋混凝土底座支撑梁之间，且每个支撑结构的顶部与对应的钢筋混凝土横梁固定连接，每个支撑结构的底部与对应的钢筋混凝土底座支撑梁固定连接；

进一步地，所述支撑结构包括多个支撑立柱，多个支撑立柱沿钢筋混凝土底座支撑梁的长度方向等距设置在位于最下方钢筋混凝土横梁组中的一个钢筋混凝土横梁与一个钢筋混凝土底座支撑梁之间，每个支撑立柱的顶部与对应的钢筋混凝土横梁固定连接，每个支撑立柱的底部与对应的钢筋混凝土底座支撑梁固定连接；

进一步地，所述钢筋混凝土框架中需要锈蚀的钢筋与普通钢筋的连接处设有绝缘垫，且需要锈蚀的钢筋与普通钢筋的连接处通过塑料扎带紧固；

一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验方法，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：制作钢筋混凝土框架，并确定需要锈蚀的钢筋位置，在制作过程中将需要锈蚀的钢筋与普通钢筋的连接处设有绝缘垫，通过塑料扎带将需要锈蚀的钢筋与普通钢筋紧固；

步骤二：对钢筋混凝土框架中不需要进行锈蚀的区域进行防水处理，在每个钢筋混凝土板、每个钢筋混凝土底座支撑梁及每个连接节点的外侧包覆防水布；

步骤三：将密封防护外罩套组装在钢筋混凝土框架的外侧，并在需要进行锈蚀区域内的立柱外罩或横梁外罩中注入氯化钠溶液，并保证氯化钠溶液充满所在型腔；

步骤四：选取直流电源及确定锈蚀处理的参数，并将直流电源的正极与所要锈蚀区域的需要锈蚀的钢筋通过引出导线相连，将直流电源的负极与需要锈蚀的钢筋所在密封防护外罩组中对应的不锈钢板通过导线相连，连接后打开直流电源，对预锈蚀区域内需要锈蚀的钢筋进行锈蚀处理；

步骤五：待需要锈蚀的钢筋达到试验方案规定锈蚀率后，可关闭直流电源，使用水泵将氯化钠溶液抽出密封防护外罩组，并将密封防护外罩组由钢筋混凝土结构上卸除；

进一步地，所述步骤四中选取直流电源及确定锈蚀处理的参数是根据以下公式选取的：

式中：

F为法拉第常数，F=96485C/mol；

M为铁的原子量，56；

根据预计的锈蚀时间

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验装置及实验方法，能够精准快速地对钢筋混凝土框架结构的梁柱构件进行锈蚀，可以依据构想对想要的构件进行锈蚀，对所有不需要锈蚀的部分进行多步处理可以使其免于锈蚀，提高了锈蚀实验的准确性，且极大的保证了锈蚀实验后钢筋混凝土结构其他区域的刚度和强度，使后续对锈蚀后的结构进行强度测试时数据更加准确。

2、本发明提供的一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验装置及实验方法，其装置结构简单且均为依附在钢筋混凝土结构上进行锈蚀的，可以同时对结构中不同区域的梁体或立柱进行锈蚀，极大的节约了锈蚀装置的占地面积。

3、本发明提供的一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验装置及实验方法，有效避免将混凝土板和底座锈蚀后，影响试验过程中的可靠性和安全性，同时锈蚀过程是在溶液环境中进行，稳定可靠，在锈蚀过程中无需担心结构的浸泡状态，只需偶尔关注锈蚀发展过程即可，极大节省后续人力物力。

附图说明

图1是本发明的轴测图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明中需要锈蚀的钢筋与普通钢筋的连接示意图；

图5是本发明中直流电源与需要锈蚀的钢筋及不锈钢板的连接示意图；

图中1密封防护外罩组、2钢筋混凝土立柱、3钢筋混凝土横梁、4钢筋混凝土板、5钢筋混凝土底座支撑梁、6连接节点、7支架、8不锈钢板、9直流电源、10引出导线、11需要锈蚀的钢筋、12绝缘垫和13塑料扎带。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式提供一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验装置，所述实验装置包括钢筋混凝土框架、密封防护外罩组1、N个不锈钢板8、直流电源9和Z根引出导线10，N为正整数，Z为正整数；

所述密封防护外罩组1扣装在钢筋混凝土框架外侧，且密封防护外罩组1与钢筋混凝土框架的外侧壁密封固定连接，N个不锈钢板8布置在密封防护外罩组1内，且每个不锈钢板8与密封防护外罩组1的内壁固定连接，直流电源9设置在密封防护外罩组1的外侧，直流电源9的正极与一根引出导线10的一端相连，每根引出导线10的另一端与钢筋混凝土框架中预锈蚀区域内的需要锈蚀的钢筋11相连，直流电源9的负极通过导线与一个不锈钢板8相连。

本实施方式中，钢筋混凝土框架制作包括布置应变片、连接电线，搭钢筋笼、支模及浇筑四部分；

在布置应变片时应考虑到结构的部分构件会浸泡于氯化钠溶液中，因此应变片必须要做防水绝缘处理。应变片的整体操作步骤如下：

（1）用角磨机或胶带机将目标位置处的钢筋打磨出可以贴应变片的平面；

（2）用酒精清理平面；

（3）用502胶水或707胶水或防水AB胶将应变片贴在打磨出来的平面处；

（4）使用纱布包裹应变片；

（5）将环氧树脂涂抹在纱布上，保证浸润；

（6）静置直到环氧树脂结成硬块；

（7）外侧包裹防水绝缘自粘带；

（8）外侧包裹电工胶带；

在进行搭建筋笼时注意部分中的部分结构不能进行锈蚀，其中包括钢筋混凝土底座、钢筋混凝土板以及部分不需要进行锈蚀的钢筋结构，因此在搭建筋笼时应注意在需要锈蚀的钢筋与普通钢筋处进行绝缘处理；

在支模时要注意预留出应变片和电线的走线孔；

在浇筑过程中对于期望高锈蚀率的构件，可以在浇筑时，使用掺有一定量氯化钠的盐水进行浇筑，但是盐水会使得混凝土早强，需要尽快完成浇筑。此外，振捣时注意尽量避免触碰钢筋，避免破坏前述步骤中的防水绝缘措施；

本实施方式中密封防护外罩组1原则上应全面笼罩在钢筋混凝土框架外部，可以有效避免氯化钠溶液泄露，保证锈蚀质量，但是根据需要也可以逐一对钢筋混凝土结构中的某一部分进行布置，根据实际需要可以进行调整，不锈钢板8的个数应与每个钢筋混凝土结构中的梁体个数和立柱个数总和相同，且保证每个不锈钢板8与一个梁体或一个立柱进行对应，引出导线10的个数与需要锈蚀的钢筋的个数相同，而在进行锈蚀过程中，并非对每个不锈钢板8均与直流电源9的负极相连，而是需要进行锈蚀的钢筋对应的不锈钢板8才与直流电源9的负极相连，本实施方式中每根钢筋中引出一根导线的目的是为使得锈蚀更加均匀。

具体实施方式二：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的钢筋混凝土框架作进一步限定，本实施方式中所述钢筋混凝土框架包括钢筋混凝土底座、四根钢筋混凝土立柱2、M个钢筋混凝土横梁组和M个钢筋混凝土板4，M为正整数；

所述钢筋混凝土底座包括四个钢筋混凝土底座支撑梁5和四个连接节点6，四个连接节点6呈矩形的四角点分布，每两个连接节点6之间设有一个钢筋混凝土底座支撑梁5，且每个钢筋混凝土底座支撑梁5的两端分别与对应的一个连接节点6固定连接；

所述每个钢筋混凝土底座支撑梁5的外侧均包覆有防水卷材；

每个连接节点6的外侧均包覆有防水卷材；

每个钢筋混凝土板4的外侧均包覆有防水卷材；

所述钢筋混凝土横梁组包括四个钢筋混凝土横梁3；

每根钢筋混凝土立柱2沿竖直方向设置在一个连接节点6的上表面上，且每根钢筋混凝土立柱2与一个连接节点6固定连接，M个钢筋混凝土横梁组沿钢筋混凝土立柱2的高度方向由上至下依次等距设置，且位于最上方的钢筋混凝土横梁组的上表面与钢筋混凝土立柱2的顶面共面设置，每个钢筋混凝土横梁组中一个钢筋混凝土横梁3对应设置在两根相邻的钢筋混凝土立柱2之间，且每个钢筋混凝土横梁3的两端分别与对应的一个钢筋混凝土立柱2的侧壁固定连接，每个钢筋混凝土板4对应嵌装在一个钢筋混凝土横梁组内，且钢筋混凝土板4中的每个侧壁与对应的钢筋混凝土横梁3固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，对钢筋混凝土板4、钢筋混凝土底座支撑梁5和连接节点6的外表面包覆防水卷材时后应用橡胶锤砸实，保证防水卷材的包裹性，如此设置，防止上述部件被锈蚀，M的个数根据实验需要进行调整，一般情况大于2，以下具体实施方式中钢筋混凝土横梁组的个数也以2为例。

具体实施方式三：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的连接节点6作进一步限定，本实施方式中所述连接节点6中的两个外侧面上分别延伸出一个钢筋混凝土支脚。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。

如此设置，便于提高结构的底部支撑性。

具体实施方式四：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的密封防护外罩组1作进一步限定，本实施方式中所述密封防护外罩组1包括四个立柱外罩和4M个横梁外罩，每个立柱外罩对应包裹在一个钢筋混凝土立柱2的外侧，且每个立柱外罩与所在的钢筋混凝土立柱2密封固定连接，每个横梁外罩对应包裹在一个钢筋混凝土横梁3的外侧，且每个横梁外罩与所在的钢筋混凝土横梁3密封固定连接，每个横梁外罩与位于其两端的立柱外罩固定连接，且横梁外罩与立柱外罩的连接处为密封设置，每个不锈钢板8对应设置在一个立柱外罩或一个横梁外罩中，且不锈钢板8与对应的一个立柱外罩的内侧壁或一个横梁外罩的内侧壁固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。

如此设置，在进行外罩设计时，要计算好外罩与梁体或立柱之间的间隙，用于盛放氯化钠溶液，此间隙宽度一般为4cm-6cm，外罩由多个密封板拼接组装而成，用板材专用胶或者角钉将所有的板组装，使之形成一个仅包裹目标梁柱的箱体。注意顶层开口，除顶层以外横梁处均需上盖板材，在板材与混凝土连接处粘接有防水垫，并用乳胶漆和沥青作防水处理，防水垫为橡胶垫，橡胶垫的长度与板材开口端外边缘的长度相等，橡胶垫的宽度大于侧板的厚度。

具体实施方式五：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的钢筋混凝土横梁组与钢筋混凝土底座作进一步限定，本实施方式中所述位于最下方的钢筋混凝土横梁组与钢筋混凝土底座之间设有支架7。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的支架7作进一步限定，本实施方式中所述支架7包括四个支撑结构，每个支撑结构对应设置在位于最下方钢筋混凝土横梁组中的一个钢筋混凝土横梁3与一个钢筋混凝土底座支撑梁5之间，且每个支撑结构的顶部与对应的钢筋混凝土横梁3固定连接，每个支撑结构的底部与对应的钢筋混凝土底座支撑梁5固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的支撑结构作进一步限定，本实施方式中所述支撑结构包括多个支撑立柱，多个支撑立柱沿钢筋混凝土底座支撑梁5的长度方向等距设置在位于最下方钢筋混凝土横梁组中的一个钢筋混凝土横梁3与一个钢筋混凝土底座支撑梁5之间，每个支撑立柱的顶部与对应的钢筋混凝土横梁3固定连接，每个支撑立柱的底部与对应的钢筋混凝土底座支撑梁5固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。

结合具体实施方式五至七，支架7是为了对最下方处的板材提供支撑，提高其承载能力。

具体实施方式八：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述的钢筋混凝土框架作进一步限定，本实施方式中所述钢筋混凝土框架中需要锈蚀的钢筋11与普通钢筋的连接处设有绝缘垫12，且需要锈蚀的钢筋11与普通钢筋的连接处通过塑料扎带13紧固。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式中所述一种钢筋混凝土框架中区域性锈蚀的实验方法，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：制作钢筋混凝土框架，并确定需要锈蚀的钢筋11位置，在制作过程中将需要锈蚀的钢筋11与普通钢筋的连接处设有绝缘垫12，通过塑料扎带13将需要锈蚀的钢筋11与普通钢筋紧固；

步骤二：对钢筋混凝土框架中不需要进行锈蚀的区域进行防水处理，在每个钢筋混凝土板4、每个钢筋混凝土底座支撑梁5及每个连接节点6的外侧包覆防水布；

步骤三：将密封防护外罩组1套装在钢筋混凝土框架的外侧，并在需要进行锈蚀区域内的立柱外罩或横梁外罩中注入氯化钠溶液，并保证氯化钠溶液充满所在型腔；

步骤四：选取直流电源9及确定锈蚀处理的参数，并将直流电源9的正极与所要锈蚀区域的需要锈蚀的钢筋11通过引出导线10相连，将直流电源的负极与需要锈蚀的钢筋11所在密封防护外罩组1中对应的不锈钢板8通过导线相连，连接后打开直流电源，对预锈蚀区域内的需要锈蚀的钢筋11进行锈蚀处理；

步骤五：待需要锈蚀的钢筋11达到试验方案规定锈蚀率后，可关闭直流电源，使用水泵将氯化钠溶液抽出密封防护外罩组1，并将密封防护外罩组1由钢筋混凝土结构上卸除。

本实施方式中在密封防护外罩与钢筋混凝土侧壁组成的箱体内加入氯化钠溶液，打开直流电源9进行通电，通过透明侧板观察锈蚀产物析出情况，直到达到目标锈蚀率为止。值得注意的是，锈蚀率是以钢筋因锈蚀所损失的质量占总质量的比重定义的，所以在不破开混凝土的情况下，是无法获得准确的锈蚀率的。因此只能通过两种方式对锈蚀率进行一个大致判断，第一种是利用其它已有的通电锈蚀试验，观察锈蚀后混凝土表面锈蚀产物的析出与裂缝的发展情况大致判断锈蚀率，第二种是运用理论计算锈蚀率。

具体实施方式十：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式九中的步骤四进行进一步限定，本实施方式中所述步骤四中选取直流电源9及确定锈蚀处理的参数是根据以下公式选取的：

式中：

F为法拉第常数，F=96485C/mol；

M为铁的原子量，56；

根据预计的锈蚀时间

本实施方式中对于电源选择的方法是根据目标的锈蚀时间选定所需要的直流电源，注意电流密度不宜过大，本实施方式中：结构的总高度3.6m，预计在15天可使结构达到10%锈蚀率，将上述参数带入到上式，得到的电流密度为在300μA/cm

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。