用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置及其方法

摘要

本发明公开了一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置及其方法，装置包括应力加载单元，包括第一加载螺杆、第二加载螺杆、第一承力板、第二承力板以及限位机构，第一承力板和第二承力板上下设置且第一承力板和第二承力板两端分别开设有供第一加载螺杆和第二加载螺杆穿过的第一通孔；电化学性能测试单元，包括电解池容器，位于第一承力板和第二承力板之间，待测钢筋试样的工作段设置在电解池容器中；以及应力应变监测单元，包括轮辐式压力传感器和电阻应变片；轮辐式压力传感器上具有供待测钢筋试样穿过的第三通孔，电阻应变片设置在待测钢筋试样的工作段上。本发明实时监测应力和应变的变化，防止在试验过程中产生应力损失。

说明书

技术领域

本发明属于钢筋腐蚀的混凝土结构耐久性试验技术领域，特别涉及一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置及方法。

背景技术

处于混凝土高碱性孔隙液环境中的钢筋表面形成一层钝化膜。当混凝土结构暴露于碳化或含氯离子的环境中，钢筋表面钝化膜性能下降直至被破坏，混凝土中钢筋由钝化状态转变为腐蚀状态。因此，许多学者针对钢筋表面钝化膜的破坏机理及行为展开研究。目前有关钝化膜的研究多数都集中在研究氯离子、pH值以及其他环境因素对钝化膜的影响。混凝土结构除了受到腐蚀介质等各种环境因素的影响外，还承受各种各样的荷载，然而目前为止，很少有研究应力对钢筋锈蚀的影响。

因此，研究荷载作用下(拉应力和压应力)钢筋在混凝土孔隙液环境中的钝化与腐蚀行为，可以为实际工程的混凝土结构的承载设计提供参考。

基于以上背景，中国专利授权公告号CN 207798541 U，授权公告日为2018年08月31日，名称为“一种用于应力腐蚀试验的C形环应力加载装置”，该项专利加载是通过手动调节压紧螺栓的距离从而施加应力，此件专利虽然加载便利，但试验前并未贴应变片等其他监测手段来辅助施力，存在一定的误差和一定的实时性，并不能对待测试件的应力和应变进行实时监测。同时，C形环装置所受的周向应力是沿其厚度方向梯度变化的不均匀应力，即从外表面上的最大拉应力变化到内表面上的最大压应力，此不均匀应力对钢筋钝化及腐蚀过程的电化学测量结果产生影响。

因此，亟需设计较为接近实际试验应用需求的钢筋加载原位电化学性能监测装置，以便于准确便捷的给定加载力和实时监测应力应变数据，并对钢筋钝化及腐蚀的过程进行原位电化学监测。

传统应力腐蚀的电化学性能试验多将整个加载装置完全浸泡于溶液环境中，此操作对于加载装置本身具有一定的腐蚀损伤效果，并对溶液环境具有一定的污染，通常需要对于加载装置进行绝缘处理(涂环氧树脂)或者采用绝缘的高强度材料(如高强纤维玻璃)作为加载装置的材料，但是考虑到绝缘处理的工序繁琐，环氧树脂的消耗量大并且高强度材料往往价格昂贵；可行的替代方案有使用非浸泡式的夹具进行加载，夹具装置能够实现在试样的加载同时不让装置受到腐蚀，从而减小对电化学性能测试结果的影响。基于这种理论，中国专利授权公告号CN 210923276 U，公告日为2020年07月03日，名称为“一种加载可控的大尺寸非浸泡式四点弯曲夹具”，但是该专利在加载时试样暴露面积区域产生的是弯曲应力，受力是不均匀的，不能保证整个暴露区域的受力均匀，会影响电化学性能试验的结果。

以上问题亟待解决。因此，专门研发一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置，具有十分重要的工程价值，可大幅度提高对实验室电化学性能试验的效率，帮助研究顺利进行。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供一种操作简便、易于拆卸、精准度高、实验室应用性极强的用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置及其方法，本发明解决现有试验加载方式受力不均匀的问题，加载时试样暴露面积区域产生的应力为轴向应力，而非弯曲应力，受力是均匀的，保证了整个暴露区域为均匀受力，从而提高电化学性能试验结果的准确性。此外，在加载装置中间位置处安装电解池容器，定点营造应力腐蚀环境，并在容器上分别开设工作电极、参比电极和辅助电极的电极孔位。最后，添加电解池容器的优点是可以减少溶液的用量，但由于工作电极的孔位开设在容器侧面，故需要对容器进行密封防漏处理；本发明设计的轴向加载的原位电化学性能监测装置，通过测力传感器数显仪表和应变测试分析仪显示的读数，不仅可以控制加载力的大小，而且当达到相应应力值时，可实时监测应力和应变的变化，防止在试验过程中产生应力损失。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置，其特征在于，包括

应力加载单元，包括第一加载螺杆、第二加载螺杆、第一承力板、第二承力板以及限位机构，第一承力板和第二承力板上下设置且第一承力板和第二承力板两端分别开设有供第一加载螺杆和第二加载螺杆穿过的第一通孔；当需对待测钢筋试样施加拉力时，第一加载螺杆和第二加载螺杆上的限位机构位于第一承力板上侧面的上方、第二承力板上侧面的上方和下侧面的下方；当需对待测钢筋试样施加压力时，第一加载螺杆和第二加载螺杆上的限位机构位于第一承力板下侧面的下方、第二承力板上侧面的上方和下侧面的下方；第一承力板和第二承力板的中部还开设有供待测钢筋试样穿过的第二通孔；

电化学性能测试单元，包括电解池容器，位于第一承力板和第二承力板之间，电解池容器上开设有供待测钢筋试样穿过的工作电极孔洞，待测钢筋试样的工作段设置在电解池容器中；

以及应力应变监测单元，包括轮辐式压力传感器和电阻应变片；轮辐式压力传感器上具有供待测钢筋试样穿过的第三通孔，电阻应变片设置在待测钢筋试样的工作段上；轮辐式压力传感器与测力传感器数显仪表连接，以供试验人员实时监测钢筋试件应力值大小的变化；电阻应变片与应变测试分析仪连接，以供试验人员实时监测钢筋试件应变值大小的变化。

进一步的，所述限位机构包括第一加载螺母、第二加载螺母、第一固定螺母、第二固定螺母、第三固定螺母、第四固定螺母、第一承力螺母和第二承力螺母；所述待测钢筋试样的两端刻有螺纹，以便于与所述第一承力螺母和第二承力螺母螺纹连接；根据加载条件的不同，第一加载螺母和第二加载螺母位于所述第一承力板上侧面的上方或下侧面的下方；所述第一固定螺母和第二固定螺母位于所述第二承力板上侧面的上方，所述第三固定螺母和第四固定螺母位于所述第二承力板下侧面的下部。

进一步的，所述应力加载单元还包括用于承受压力的圆垫板；所述圆垫板位于轮辐式压力传感器和第一承力螺母之间。

进一步的，所述电解池容器为透明亚克力材料或透明耐酸碱腐蚀材料制成，在电化学试验过程中可透过装置直接观察钢筋钝化和锈蚀等一系列过程，实现对试验过程的实时观察和监测，便于对试验进行分析。用其他透明耐酸碱腐蚀的材料制作，以满足原位电化学性能监测装置的性价比要求。

进一步的，所述电解池容器上分别开设有用于插入参比电极的圆形通孔和辅助电极的长条形通孔。

一种采用上述所述的一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置的加载监测方法，其特征在于，所述加载监测方法的步骤如下：

S1，将贴有电阻应变片的待测钢筋试样插入电解池容器工作电极孔洞中并对工作电极孔洞进行密封处理，以达到防漏目的；

S2，进行加载：

当需对待测钢筋试样施加拉力时，将待测钢筋试样和容器一起插入第一承力板、第二承力板和轮辐式传感器的第三通孔中，并将第一承力螺母和第二承力螺母与待测钢筋试样进行连接，拧紧第一加载螺杆第二加载螺杆下端的第一固定螺母、第二固定螺母、第三固定螺母和第四固定螺母，第一加载螺母和第二加载螺母放置在第一承力板的下方，并通过同时旋拧第一加载螺母和第二加载螺母对第一承力板施加压力，从而使待测钢筋试样产生拉力；

当需对待测钢筋试样施加压力时，与上述施加拉力时不同，需先将轮辐式压力传感器和圆垫板位置改变，依次放在第一承力板的下方，然后，待测钢筋试样先与第一承力螺母和第二承力螺母连接，再将待测钢筋试样和容器一起插入上第一承力板、第二承力板和轮辐式传感器的第三通孔中，并将第一加载螺母和第二加载螺母的位置改变，放在第一承力板的上方，通过同时旋拧第一加载螺母和第二加载螺母对第一承力板施加压力，从而使钢筋产生压力；

S3，通过测力传感器数显仪表和应变测试分析仪显示的读数，控制加载力的大小，维持待测钢筋试样的应力状态保持不变，随后将模拟混凝土孔隙溶液倒入电解池容器中，并将参比电极和辅助电极插入电解池容器后与电化学工作站连接，进行电化学性能试验，实时监测待测钢筋试样钝化和锈蚀等状态，并且实时监测应力和应变的变化，实现钢筋试件轴向持力状态下的原位电化学性能监测。

本发明考虑到钢筋试样在螺纹处截面减小从而导致拉伸时试件在端部拉断，因此，根据现有钢材拉伸标准设计试样尺寸，将钢筋试样加工成哑铃状。

本发明的有益效果主要表现在：

1、本发明可以克服实验室环境下钢筋原位电化学性能监测的困难，突破了传统测试方法的测试稳定性、精确性的限制，实现对钢筋试件的轴向加载(拉伸和压缩)及钢筋应力应变的实时监测并且可以同时进行电化学性能测试；

2、本发明适用范围大，加载应力应变值大小可控，可适用于不同类型的钢筋并且可以在不同溶液环境中进行电化学性能测试，具有原理清楚、方法简便、监测精准、重复使用和稳定性好等优点，可弥补现有加载设备与监测方法的不足。

附图说明

图1为一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置在轴向拉伸状态下的整体结构示意图；

图2为一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置在轴向压缩状态下的整体结构示意图；

图3为一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置在轴向拉伸状态下整体工作示意图；

图4为一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置在轴向压缩状态下整体工作示意图；

图5为一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置在轴向拉伸状态下的三视图，其中(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为俯视图；

图6为一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置在轴向压缩状态下的三视图，其中(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为俯视图；

图7为一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置电解池容器三维示意图；

图8为一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置电解池容器的三视图，其中(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。

参考图1至图8，本发明的一种用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置，包括

应力加载单元，包括第一加载螺杆1、第二加载螺杆2、第一承力板21、第二承力板22以及限位机构，第一承力板21和第二承力板22上下设置且第一承力板21和第二承力板22两端分别开设有供第一加载螺杆1和第二加载螺杆2穿过的第一通孔；当需对待测钢筋试样5施加拉力时，第一加载螺杆1和第二加载螺杆2上的限位机构位于第一承力板21上侧面的上方、第二承力板22上侧面的上方和下侧面的下方；当需对待测钢筋试样5施加压力时，第一加载螺杆1和第二加载螺杆2上的限位机构位于第一承力板21下侧面的下方、第二承力板22上侧面的上方和下侧面的下方；第一承力板21和第二承力板22的中部还开设有供待测钢筋试样5穿过的第二通孔；

电化学性能测试单元，包括电解池容器10，位于第一承力板21和第二承力板22之间，电解池容器10上开设有供待测钢筋试样5穿过的工作电极孔洞101，待测钢筋试样5的工作段设置在电解池容器10中；

以及应力应变监测单元，包括轮辐式压力传感器6和电阻应变片7；轮辐式压力传感器6上具有供待测钢筋试样5穿过的第三通孔，电阻应变片7设置在待测钢筋试样5的工作段上；轮辐式压力传感器6与测力传感器数显仪表8连接，以供试验人员实时监测钢筋试件5应力值大小的变化；电阻应变片7与应变测试分析仪9连接，以供试验人员实时监测钢筋试件5应变值大小的变化。

在一种实施例中，所述限位机构包括第一加载螺母41、第二加载螺母42、第一固定螺母43、第二固定螺母44、第三固定螺母45、第四固定螺母46、第一承力螺母47和第二承力螺母48；所述待测钢筋试样5的两端刻有螺纹，以便于与所述第一承力螺母47和第二承力螺母48螺纹连接；根据加载条件的不同，第一加载螺母41和第二加载螺母42位于所述第一承力板21上侧面的上方或下侧面的下方；所述第一固定螺母43和第二固定螺母44位于所述第二承力板22上侧面的上方，所述第三固定螺母45和第四固定螺母46位于所述第二承力板22下侧面的下部。

在一种实施例中，所述应力加载单元还包括用于承受压力的圆垫板3；所述圆垫板3位于轮辐式压力传感器6和第一承力螺母47之间。

在一种实施例中，所述电解池容器10为透明亚克力材料或透明耐酸碱腐蚀材料制成，在电化学试验过程中可透过装置直接观察钢筋钝化和锈蚀等一系列过程，实现对试验过程的实时观察和监测，便于对试验进行分析。用其他透明耐酸碱腐蚀的材料制作，以满足原位电化学性能监测装置的性价比要求。

在一种实施例中，所述电解池容器10上分别开设有用于插入参比电极11的圆形通孔102和辅助电极12的长条形通孔103。

钢筋直径为14mm长度为200mm的HPB300光圆钢筋，将其加工成中间直径为10mm长度为100mm的哑铃状，并对其表面进行抛光处理，以此加工的钢筋试件为例对本发明的方法做具体说明：

首先，将已贴有应变片7的待测钢筋试样5插入电解池容器10工作电极孔洞101中并对孔洞处进行密封处理，以达到防漏目的；

然后，进行加载，当需对待测钢筋试样5施加拉力时，将待测钢筋试样5和电解池容器10一起插入第一、第二承力板21、22和轮辐式传感器6的第三通孔中，并将第一承力螺母47和第二承力螺母48与待测钢筋试样5进行连接，拧紧第一、第二加载螺杆1、2下端的第一固定螺母43、第二固定螺母44、第三固定螺母45和第四固定螺母46，并通过同时旋拧第一加载螺母41和第二加载螺母42对第一承力板21施加压力，从而使待测钢筋试样5产生拉力；当需对待测钢筋试样5施加压力时，与施加拉力时不同，需先将轮辐式压力传感器6和圆垫板3位置改变，依次放在第一承力板21的下方，然后，待测钢筋试样5先与第一承力螺母47和第二承力螺母48连接，再将待测钢筋试样5和电解池容器10一起插入第一、第二承力板21、22和轮辐式传感器6的第三通孔中，并将第一加载螺母41和第二加载螺母42位置改变，放在第一承力板21的上方，通过同时旋拧第一加载螺母42和第二加载螺母43对第一承力板21施加压力，从而使钢筋5产生压力，

最后，通过测力传感器数显仪表8和应变测试分析仪9显示的读数，控制加载力的大小，维持钢筋的应力状态保持不变，随后将模拟混凝土孔隙溶液倒入电解池容器10中，并将参比电极11和辅助电极12插入容器后与电化学工作站13连接进行电化学性能试验，实时监测待测钢筋试样5钝化和锈蚀等状态并且实时监测应力和应变的变化，实现待测钢筋试件5轴向持力状态下的原位电化学性能监测。

本发明提供一种操作简便、易于拆卸、精准度高、实验室应用性极强的用于荷载与环境耦合作用下钢筋原位电化学性能监测装置及其方法，本发明解决现有试验加载方式受力不均匀的问题，加载时试样暴露面积区域产生的应力为轴向应力，而非弯曲应力，受力是均匀的，保证了整个暴露区域为均匀受力，从而提高电化学性能试验结果的准确性。此外，在加载装置中间位置处安装电解池容器，定点营造应力腐蚀环境，并在容器上分别开设工作电极、参比电极和辅助电极的电极孔位。最后，添加电解池容器的优点是可以减少溶液的用量，但由于工作电极的孔位开设在容器侧面，故需要对容器进行密封防漏处理；本发明设计的轴向加载的原位电化学性能监测装置，通过测力传感器数显仪表和应变测试分析仪显示的读数，不仅可以控制加载力的大小，而且当达到相应应力值时，可实时监测应力和应变的变化，防止在试验过程中产生应力损失。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。