CN105738273B - 模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法及试验装置 - Google Patents
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Abstract
模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的加速试验方法与装置，所述的方法包括在混凝土中预埋不锈钢丝，并对混凝土试块进行恒电流通电，进行电解反应；所述的装置包括模具单元、施力单元、待测试块和通电单元。所述模具单元包括浇筑待测试件的模具、通孔螺栓和紧固螺栓；所述施力单元包括支架、下支点、上支点、加载螺杆和顶紧螺栓；所述待测试块包括混凝土基体、钢筋和不锈钢丝电极；所述通电单元采用稳压稳流直流电源。本发明的有益效果是：试验周期短、能有效模拟钢筋自然非均匀锈蚀；且可以有效控制钢筋沿圆周方向不均匀锈蚀的位置、锈蚀范围和锈蚀程度，以及沿钢筋长度方向的不均匀锈蚀；减少了由于混凝土电阻而产生的能量损失，预测结果精确度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法及试验装置。
背景技术
由于混凝土结构在取材、成本、维护方面的优势，一直在土建工程中占有主导地位，在重大土木工程(大型建筑工程、桥梁工程、水工与港工工程)中有着非常广泛的应用。处于海洋环境和除冰盐环境条件下的混凝土结构，钢筋腐蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素。由混凝土结构耐久性所带来的经济损失，无论对发达国家还是发展中国家，均带来了巨大的经济损失，已引起国内外的广泛关注。针对钢筋锈蚀导致混凝土保护层锈胀开裂的研究，已经涌现出了大量的成果。试验研究是理论研究深入的辅助手段，而试验技术决定了试验研究的准确性。
钢筋锈蚀会对混凝土产生锈胀力，由此导致混凝土开裂从而降低混凝土结构的服役性能。研究不同钢筋、混凝土和锈蚀程度对混凝土锈胀开裂的影响具有重要意义。针对混凝土结构锈胀开裂过程的研究，目前所采用的试验方法主要有：自然锈蚀法、人工环境加速锈蚀法和基于电化学的通电加速锈蚀法。
自然锈蚀法通常需要在海洋环境中建立自然侵蚀暴露站，将钢筋混凝土构件或缩尺结构模型置于自然侵蚀环境，在不同时间对混凝土中钢筋锈蚀情况进行检测或检测，从而采集自然条件下钢筋锈蚀的一手数据。然而，通常情况下钢筋混凝土结构的设计寿命为几十年甚至上百年，要研究混凝土结构整个生命周期的钢筋锈蚀问题，需要几代人的共同努力，显然不能满足完善设计方法的需求。因此，采用强度等级较低的混凝土材料或降低混凝土保护层厚度以加快钢筋锈蚀速率的方法广为采用。采用自然锈蚀法存在很多困难，难以在短期内取得系统的研究成果。
环境条件是影响混凝土中侵蚀介质传输和钢筋锈蚀速率的重要因素。为了改善自然锈蚀法的不足，增加试验的可行性，通过人工气候环境法在试验室内加速侵蚀介质的传输，以达到缩短钢筋锈蚀时间的目的，进而建立人工加速锈蚀与自然锈蚀的关系。该方法仍然基于自然锈蚀的机理，所采用的加速侵蚀方法主要有：提高侵蚀介质的浓度、环境温度，以及通过盐雾环境或干湿循环环境改善混凝土内部的饱和度等。通过人工气候环境法所获取的数据对建立用于混凝土结构服役寿命预测的方法或模型具有很好的参考价值，试验时间通常为几个月至几年的时间，试验周期仍然较长，且人工模拟环境试验箱造价较高，仍然限制试验研究的广泛开展。
可见，根据钢筋锈蚀发展的自然规律，基于自然锈蚀的试验方法只能在一定范围内加速钢筋锈蚀速率，缩短研究周期。将电化学电解原理应用到加速混凝土中钢筋锈蚀试验，建立基于电化学的通电加速锈蚀法，无疑是大大缩短试验周期的有效途径。通电加速锈蚀方法是将混凝土中待锈蚀钢筋作为阳极，用不锈钢或铜片作阴极，结合混凝土材料的多孔性特征，以混凝土中的孔溶液为介质，通过控制电流强度与通电时间，根据法拉第定律，人为控制钢筋的目标锈蚀量。由于通电法具有钢筋锈蚀速度快，易于控制钢筋锈蚀程度的优点，因此在钢筋锈蚀试验中得到了广泛的应用。然而，根据电化学原理，将钢筋混凝土构件置于盐水溶液中进行通电加速锈蚀，会使得钢筋产生均匀锈蚀，这与自然条件下面向混凝土保护层一边首先出现半月形的锈蚀并导致保护层一边混凝土开裂的事实不符。显然，基于此试验方法的研究成果不能有效的用于钢筋混凝土结构耐久性预测。
所谓非均匀锈蚀，主要存在两种情况：(1)为了研究混凝土的锈胀开裂过程，通常将钢筋混凝土切片，作为平面应变问题进行研究。自然锈蚀条件下侵蚀介质到达钢筋表面引起钢筋脱钝，钢筋锈蚀速率则是由氧气传输控制。混凝土锈胀开裂时，面向保护层一边的钢筋只有少量锈蚀。亦即，自然条件下钢筋非均匀锈蚀是沿着钢筋圆周方向存在非均匀锈蚀；(2)混凝土是一种多孔非均匀材料。因此，在沿着钢筋长度方向上，每个锈蚀截面的锈蚀率是随机变量，锈蚀程度大小取决于混凝土的孔隙率大小。沿着钢筋长度方向存在非均匀锈蚀。研究沿着钢筋长度方向的非均匀锈蚀，有助于统计钢筋随机锈蚀的数据，用于结构承载力预测分析。
中国专利申请公布号CN101762453A、申请公布日是2010年6月30号，名称为“内置电极模拟混凝土中钢筋非均匀锈蚀的加速试验方法”，中国专利授权公告号CN101782500B，授权公告日是2011年11月2号，名称为“外置电极模拟混凝土中钢筋非均匀锈蚀的加速试验方法”，两件发明申请中均利用电渗原理使钢筋加速产生非均匀锈蚀。此方法虽然在一定程度上能实现钢筋的非均匀锈蚀，但不能使钢筋产生沿钢筋圆周方向的非均匀锈蚀和沿钢筋长度的非均匀锈蚀，且不能使铁锈产生于面向混凝土保护层一侧，不能真实反映自然锈蚀由于氯离子、氧气和水分向钢筋表面传输导致的锈蚀形态。并且根据电化学理论，电极与钢筋之间的距离越远，混凝土的电阻越大，从而产生较大的热效应，导致普遍采用法拉第定律预测钢筋锈蚀量的预测结果不准确。
可见，找到一种试验周期短、成本低、能有效模拟自然环境下钢筋混凝土中钢筋非均匀锈蚀的加速锈蚀方法并建立相应的测试装置，提高采用法拉第定律预测锈蚀量的准确性，对钢筋锈蚀引起混凝土结构退化研究的不断深入至关重要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种周期短、成本低、可以快速产生钢筋非均匀锈蚀、能有效模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法及试验装置。
本发明所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法，包括以下步骤：
1)模具的准备：将不锈钢丝贯穿模具侧面并锁紧，并使得不锈钢丝的两端落在模具之外，调整好不锈钢丝的张紧度以及长度后，将待锈蚀的钢筋装在在模具内；所述的不锈钢丝根据试验目的确定其表面是否设置绝缘层；
2)制备混凝土试件：在模具中浇筑混凝土，1天龄期后拆模，然后将混凝土试件养护到计划龄期；其中拆模前先放松不锈钢丝；
3)恒电流通电锈蚀：根据预期锈蚀率或锈层厚度分布，设定通电电流并计算通电时间；将不锈钢丝一端与稳压直流电源负极连接，将待锈蚀钢筋与稳压稳流直流电源正极连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流大小，记录通电电流和通电时间进行通电锈蚀，达到预计通电时间后，关闭电源；
4)根据公式(1)计算钢筋锈层厚度：锈层厚度与电流密度、通电时间和角度之间的关系式：
式中，Tr为锈层分布厚度(mm)；i为腐蚀电流密度(A/mm2)；r为钢筋半径(mm)；t为通电时间(s)；θ为角度；当钢筋半径确定，只要有效控制腐蚀电流密度i和通电时间t，便可使钢筋达到预期锈蚀率，并能够预测非均匀分布的锈层在角度θ处的锈层厚度Tr。
如本发明所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法构建的试验装置，其特征在于：包括模具单元、施力单元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模具内，所述的待测试件内部埋置钢筋和不锈钢丝，所述的施力单元卡在待测试件的不锈钢丝上；所述的通电单元的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件的不锈钢丝电连；
所述模具单元包括用于浇筑待测试件的模具和通孔螺栓，模具对称的两个侧面预留用于贯穿钢筋的第一孔洞和用于贯穿不锈钢丝的第二孔洞；所述的通孔螺栓与所述的第二孔洞螺接，所述的通孔螺栓的轴向设有用于不锈钢丝贯穿的通孔，实现模具内外腔的连通；所述的通孔螺栓头部设有防止不锈钢丝回缩的第一顶紧螺栓；
所述施力单元包括支架和加载螺杆，所述的支架包括第一连杆、第二连杆，所述的第一连杆的前端设有用于卡在不锈钢丝上的上支点，所述的第一连杆的末端与所述的第二连杆铰接；所述的第二连杆的前端设有用于卡在不锈钢丝上的下支点，所述的第二连杆的末端以及所述的第一连杆分别与加载螺杆螺接形成三角几何结构，通过所述的加载螺杆调整第一连杆和第二连杆之间夹角大小；
所述待测试件包括混凝土基体、钢筋和不锈钢丝，所述的钢筋和不锈钢丝平行埋置于混凝土基体内部；
所述通电单元采用稳压稳流直流电源，并且直流电源的正极与待测试件的钢筋电连，直流电源的负极与待测试件的不锈钢丝电连。
所述模具包括底模和矩形侧模，所述的侧模由两片L型钢板围成，两片L型钢板首尾通过固定螺栓固接；并且所述的侧模的L型钢板通过紧固螺栓固定在底模上。
所述的上支点和所述的下支点上各设有用于穿过不锈钢丝的预留孔，其中上支点的预留孔处配有用于固定不锈钢丝的第二顶紧螺栓。
所述待测试块为多孔水泥基材料，待锈蚀的钢筋和不锈钢丝具有不同直径和截面积比，根据试验目的确定不锈钢丝表面是否设置绝缘层，以实现沿钢筋长度或沿钢筋长度和圆周方向的非均匀锈蚀，并通过确定钢筋和不锈钢丝的净距以实现钢筋圆周方向的锈蚀区域大小。
所述通电单元将室内220V交流电转换为稳压稳流直流电源，控制直流电压0～30V。
本发明所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的加速试验方法，其工作原理和非均匀锈蚀锈层厚度分布的预测方法如下：
A电化学原理
在电解池中，阳极失电子发生氧化反应，阴极得电子发生还原反应。由于电子的运动速度大于电极的反应速度，阴极产生富电子现象。当阳极面积远远大于阴极面积时，若阴极离阳极距离较小，由于库伦作用力，离阴极越近的阳极部分，电子受斥力作用沿导线优先失去，金属离子受引力作用优先进入孔溶液，表现形式为阳极产生不均匀锈蚀。
在本发明中，待锈蚀钢筋作为阳极，不锈钢丝作为阴极。
B恒电流原理
采用传统的通电锈蚀试验方法，通电锈蚀的目标锈蚀区域为钢筋的整个表面积，而在自然条件下，混凝土保护层开裂前，钢筋面向保护层一边首先出现半月形的锈蚀，背向保护层一边基本不锈蚀。根据自然锈蚀形态，本方法认为钢筋在不锈钢丝与其的切线范围内先发生锈蚀，切线夹角为最大锈蚀区域范围。根据Faraday定律，钢筋锈蚀引起的质量损失Δws可表示为：
式中，MFe为铁的原子量，取56g/mol；t为通电时间(s)；ZFe为铁的化合价，取2；F为法拉第常数(C/mol)；I为所加电流大小(A)。
假设钢筋最大锈蚀区域范围内发生的是均匀锈蚀，锈蚀率为ρ，则钢筋锈蚀引起的质量损失Δws又可以表示为：
Vws＝A0ρLγs
式中，A0为钢筋原始截面积(mm2)；ρ为平均锈蚀率；L为钢筋锈蚀段长度(mm)；γs为钢筋密度，取7.85×10-3g/mm3。
可建立通电时间与锈蚀率的关系：
但根据本发明试验，锈层在最大锈蚀区域范围内分布不均匀。建立极坐标系，假设锈层厚度最大处圆心角为0，角度以顺时针为正，认为混凝土开裂时锈层分布为：
式中，Tr为锈层分布厚度(mm)；a1为锈层的不均匀系数；a2为锈层沿钢筋周长的扩展系数，θ为角度。
由锈层分布公式可知，锈层面积As为：
其中，α为切线与不锈钢丝—钢筋圆心连线的夹角。
在混凝土开裂前，角度[-α,α]范围外钢筋不锈蚀，锈层厚度Tr为0。故
且As＝nρA0，n为铁锈膨胀系数，一般取2.26～3.00。
即通过换元，最终得a1＝nρA0。
根据a2的含义，可知a2与不锈钢丝与钢筋的直径比、距离两个变量相关。
通电电流与电流密度之间的关系为：
I＝αr2Li
综上得到锈层厚度分布的预测公式：
钢筋自然不均匀锈蚀的统计结果，混凝土保护层初裂时，锈层圆心角可达到120度，此时有a2＝0.444。
因此，可以简化为锈层厚度与电流密度、通电时间和角度之间的关系式：
当钢筋半径确定，只要有效控制腐蚀电流密度i和通电时间t，便可使钢筋达到预期锈蚀率，并能够预测非均匀分布的锈层在角度θ处的锈层厚度Tr。
通过内置不锈钢丝电极，并且控制不锈钢丝的直径可以实现阳极面积远大于阴极面积，并且控制两极距离，可以有效地模拟钢筋混凝土中的钢筋自然非均匀锈蚀。通过改变不锈钢丝与钢筋的距离、不锈钢丝电极的数量、不锈钢丝与钢筋的直径比，可以有效控制钢筋沿圆周方向不均匀锈蚀的位置、锈蚀范围和锈蚀程度。通过对不锈钢丝沿长度方向进行局部绝缘处理，可以有效控制沿钢筋长度方向的不均匀锈蚀；不锈钢丝与待锈钢筋的距离近，混凝土电阻消耗的能量少，可以大大提高利用Faraday定律计算钢筋锈蚀损失质量的精确度；模具单元两端布置通孔螺栓，且通孔螺栓上设置有顶紧螺栓，可以有效、方便的固定和放松不锈钢丝。加载单元采用简单的三角形几何关系，通过改变两条边之间的夹角增大第三条边的长度，从而实现不锈钢丝张拉，结构简单。
具体的，所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置的使用方法，包括以下步骤：
1)模具的准备：组装模具，将通孔螺栓拧入模具的第二孔洞内，不锈钢丝穿过通孔螺栓的轴向通孔进而贯穿模具，利用通孔螺栓头部的第一顶紧螺栓固定不锈钢丝，不锈钢丝一端穿出通孔螺栓后依次穿过施力单元的上下支点预留孔，并通过上支点处的第二顶紧螺栓固定锁紧，使模具、不锈钢丝和施力单元组成一个自平衡系统，转动施力单元的旋转加载螺杆张拉不锈钢丝，不锈钢丝张紧后将模具施力单元一侧的通孔螺栓上的顶紧螺栓拧紧，以固定不锈钢丝防止回缩；剪断多余的不锈钢丝后移除施力单元，最后穿入待锈蚀钢筋；
2)混凝土试件的制备：在模具中浇筑混凝土，1天龄期后拆模；拆模前先放松模具两侧通孔螺栓上的顶紧螺栓，从而放松不锈钢丝，将混凝土试件拆模养护到计划龄期；
3)恒电流通电锈蚀：根据预期锈蚀率或锈层厚度分布，设定通电电流并计算通电时间；将不锈钢丝与稳压直流电源负极连接，将待锈蚀钢筋与稳压稳流直流电源正极连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流大小，记录通电电流和通电时间进行通电锈蚀，达到预计通电时间后，关闭电源。
本发明可以通过改变钢丝与钢筋的相对位置来控制钢筋沿周长方向不均匀锈蚀的位置，也可以通过对钢丝进行局部绝缘胶带的包裹进行纵向非均匀锈蚀。
本发明的有益效果主要表现在：
1.通过内置不锈钢丝电极，并且控制不锈钢丝的直径可以实现阳极面积远大于阴极面积，并且控制两极距离，可以有效地模拟钢筋混凝土中的钢筋自然非均匀锈蚀，且试验成本低、操作简单、试验周期短。
2.通过改变不锈钢丝与钢筋的距离、不锈钢丝电极的数量、不锈钢丝与钢筋的直径比，可以有效控制钢筋沿圆周方向不均匀锈蚀的位置、锈蚀范围和锈蚀程度。
3.通过对不锈钢丝沿长度方向进行局部绝缘处理，可以有效控制沿钢筋长度方向的不均匀锈蚀。
4.不锈钢丝与待锈钢筋的距离近，混凝土电阻消耗的能量少，可以大大提高利用Faraday定律计算钢筋锈蚀损失质量的精确度。
5.模具单元两端布置通孔螺栓，且通孔螺栓上设置有顶紧螺栓，可以有效、方便的固定和放松不锈钢丝。
6.加载单元采用简单的三角形几何关系，通过改变两条边之间的夹角增大第三条边的长度，从而实现不锈钢丝张拉，结构简单。
附图说明
图1为本发明的混凝土中电解反应原理示意图(其中，I表示电流，V表示电压)；
图2为本发明的钢筋圆周方向不均匀锈蚀径示意图(21代表锈蚀区域；211代表锈层边界；212代表锈蚀前钢筋轮廓线；213代表锈蚀后钢筋轮廓线其中，r表示钢筋原始半径，d表示不锈钢丝与钢筋间的净距，α表示锈蚀层与钢筋圆心—不锈钢丝连线的最大角度)；
图3为本发明的模具主视图；
图4为本发明的模具俯视图；
图5为本发明的模具右视图；
图6为本发明的施力单元结构图；
图7为本发明的施力单元的上支点放大图；
图8为本发明的施力单元的下支点放大图；
图9为本发明的混凝土试件示意图；
图10为本发明的混凝土试件侧视图；
图11为通电加速非均匀锈蚀钢筋沿圆周方向的铁锈分布。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
实施例1本发明所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法，包括以下步骤：
1)模具的准备：将不锈钢丝贯穿模具侧面并锁紧，并使得不锈钢丝的两端落在模具之外，调整好不锈钢丝的张紧度以及长度后，将待锈蚀的钢筋装在在模具内；所述的不锈钢丝根据试验目的确定其表面是否设置绝缘层；
2)制备混凝土试件：在模具中浇筑混凝土，1天龄期后拆模，然后将混凝土试件养护到计划龄期；其中拆模前先放松不锈钢丝；
3)恒电流通电锈蚀：根据预期锈蚀率或锈层厚度分布，设定通电电流并计算通电时间；将不锈钢丝一端与稳压直流电源负极连接，将待锈蚀钢筋与稳压稳流直流电源正极连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流大小，记录通电电流和通电时间进行通电锈蚀，达到预计通电时间后，关闭电源；
4)根据公式(1)计算钢筋锈层厚度：锈层厚度与电流密度、通电时间和角度之间的关系式：
式中，Tr为锈层分布厚度(mm)；i为腐蚀电流密度(A/mm2)；r为钢筋半径(mm)；t为通电时间(s)；θ为角度；当钢筋半径确定，只要有效控制腐蚀电流密度i和通电时间t，便可使钢筋达到预期锈蚀率，并能够预测非均匀分布的锈层在角度θ处的锈层厚度Tr。
步骤3的通电时间根据公式(2)计算：
式中，t为通电时间(s)；ZFe为铁的化合价，取2；F为法拉第常数(C/mol)；MFe为铁的原子量，取56g/mol；I为所加电流大小(A)；A0为钢筋原始截面积(mm2)；L为钢筋锈蚀段长度(mm)；γs为钢筋密度，取7.85×10-3g/mm3；ρ为平均锈蚀率。
实施例2如实施例1所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法构建的试验装置，包括模具单元、施力单元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模具内，所述的待测试件内部埋置钢筋2和不锈钢丝3，所述的施力单元卡在待测试件的不锈钢丝上；所述的通电单元的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件的阴极电连；
所述模具单元包括用于浇筑待测试件的模具和通孔螺栓7，模具对称的两个侧面预留用于贯穿钢筋2的第一孔洞9和用于贯穿不锈钢丝3的第二孔洞10；所述的通孔螺栓7与所述的第二孔洞10螺接，所述的通孔螺栓7的轴向设有用于不锈钢丝3贯穿的通孔，实现模具内外腔的连通；所述的通孔螺栓7头部设有防止不锈钢丝3回缩的第一顶紧螺栓11；
所述施力单元包括支架13和加载螺杆16，所述的支架13包括第一连杆、第二连杆，所述的第一连杆的前端设有用于卡在不锈钢丝上的上支点15，所述的第一连杆的末端与所述的第二连杆铰接；所述的第二连杆的前端设有用于卡在不锈钢丝上的下支点14，所述的第二连杆的末端以及所述的第一连杆分别与加载螺杆16螺接，通过所述的加载螺杆16调整第一连杆和第二连杆之间夹角大小；
所述待测试件包括混凝土基体1、钢筋2和不锈钢丝3，所述的钢筋2和不锈钢丝3平行埋置于混凝土基体1内部；
所述通电单元采用稳压稳流直流电源4，并且直流电源4的正极与待测试件的钢筋2电连，直流电源4的负极与待测试件的不锈钢丝3电连。
所述模具包括底模6和矩形侧模，所述的侧模由两片L型钢板5围成，两片L型钢板5首尾通过固定螺栓固接；并且所述的侧模的L型钢板5通过紧固螺栓8固定在底模6上。
所述的上支点15和所述的下支点14上各设有用于穿过不锈钢丝3的预留孔，其中上支点15的预留孔处配有用于固定不锈钢丝的第二顶紧螺栓17。
所述待测试块为多孔水泥基材料，待锈蚀的钢筋和不锈钢丝具有不同直径和截面积比，根据试验目的确定不锈钢丝表面是否设置绝缘层，以实现沿钢筋长度或沿钢筋长度和圆周方向的非均匀锈蚀，并通过确定钢筋和不锈钢丝的净距以实现钢筋圆周方向的锈蚀区域大小。
所述通电单元将室内220V交流电转换为稳压稳流直流电源，控制直流电压0～30V。
实施例3下面以测定水灰比0.53、配合比为水泥：水：砂子：粗骨料＝1：0.53：2.0:3.0的混凝土在内置不锈钢丝后通电锈蚀为例，对本发明的工作做具体说明。
该实施例拌制混凝土的原材料为：水泥为P.I 52.5级波特兰水泥，砂采用细度模数2.5～2.6的河砂，粗骨料采用连续级配的碎石(最大粒径20mm)，水采用自来水。试件尺寸为100×100×400，在试件中预埋待锈蚀钢筋和不锈钢丝。钢筋型号采用HPB300，保护层厚度为20mm。钢筋和不锈钢丝直径分别为12mm和1mm，两者净距为6mm。此时，锈层圆心角为120°。
在浇注混凝土前，按图3～图5组装模具。将不锈钢丝3穿过通孔螺栓7贯穿模具，利用通孔螺栓7上的顶紧螺栓11固定不锈钢丝3的一端，另一端钢丝依次穿过施力单元的上下支点预留孔，采用上支点15处的第二顶紧螺栓17固定不锈钢丝3的另一端，使模具、不锈钢丝和施力单元组成一个自平衡系统，转动施力单元的旋转加载螺杆16张拉不锈钢丝3，不锈钢丝3张紧后将模具施力单元一侧的通孔螺栓7上的第一顶紧螺栓11拧紧，以固定不锈钢丝3防止回缩。剪断多余的不锈钢丝后移除施力单元，最后穿入钢筋2。
在模具中浇筑混凝土，1天龄期后拆模。拆模前先放松模具两侧通孔螺栓7上的第一顶紧螺栓11，从而放松不锈钢丝3，将拆模后的混凝土试件侵泡在浓度为3.5％的盐水中，在养护室中养护28d后，取出试块，晾干其表面水份。
在面向保护层一侧，沿试块长度方向粘贴长度为50mm的应变片，共8片。应变片与应变仪相连，应变仪数据采集频率为2次/min，用以检测通电锈蚀过程中，混凝土保护层是否开裂。设定钢筋的目标锈蚀率为1％。
将不锈钢丝3与稳压直流电源4负极连接，将待锈蚀钢筋2与稳压稳流直流电源4正极连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流I大小为0.03A。根据公式计算通电时间为：
达到预计通电时间后，关闭电源。
沿垂直于钢筋长度方向切割钢筋混凝土试件，切割为厚度10mm的片状试件。采用环境扫描电子显微镜的背散射技术，测定沿钢筋圆周方向的锈层厚度分布。以钢筋截面圆心与保护层最小厚度方向的角度定位0度，则锈层厚度沿角度分布的试验结果如图11所示。从图中可以发现，钢筋在正对不锈钢丝处(即模拟钢筋保护层最小处)锈层厚度最大。随角度增加，锈层厚度逐渐减小，背向保护层一侧，钢筋几乎不锈蚀，与自然锈蚀情况符合。
具体实现时，本发明对具体的器件型号不做限制，对混凝土试件尺寸、钢筋和不锈钢丝直径及两者净距不做限制，只要能完成上述功能的加载装置和混凝土试件均可。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (7)
1.模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法，包括以下步骤：
1)模具的准备：将不锈钢丝贯穿模具侧面并锁紧，并使得不锈钢丝的两端落在模具之外，调整好不锈钢丝的张紧度以及长度后，将待锈蚀的钢筋装在模具内；所述的不锈钢丝根据试验目的确定其表面是否设置绝缘层；
2)制备混凝土试件：在模具中浇筑混凝土，1天龄期后拆模，然后将混凝土试件养护到计划龄期；其中拆模前先放松不锈钢丝；
3)恒电流通电锈蚀：根据预期锈蚀率或锈层厚度分布，设定通电电流并计算通电时间；将不锈钢丝一端与稳压稳流直流电源负极连接，将待锈蚀钢筋与稳压稳流直流电源正极连接，打开稳压稳流直流电源通电，设定通电电流大小，记录通电电流和通电时间进行通电锈蚀，达到预计通电时间后，关闭电源；
4)根据公式(1)计算钢筋锈层厚度：锈层厚度与电流密度、通电时间和角度之间的关系式：
式中，Tr为锈层分布厚度，单位为mm；i为腐蚀电流密度，单位为A/mm2；r为钢筋半径，单位为mm；t为通电时间，单位为s；θ为角度；当钢筋半径r确定，只要有效控制腐蚀电流密度i和通电时间t，便可使钢筋达到预期锈蚀率，并能够预测非均匀分布的锈层在角度θ处的锈层厚度Tr。
2.如权利要求1所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法，其特征在于：步骤3的通电时间根据公式(2)计算：
式中，t为通电时间，单位为s；ZFe为铁的化合价，取2；F为法拉第常数，单位为C/mol；MFe为铁的原子量，取56g/mol；I为所加电流大小，单位为A；A0为钢筋原始截面积，单位为mm2；L为钢筋锈蚀段长度，单位为mm；γs为钢筋密度，取7.85×10-3g/mm3；ρ为平均锈蚀率。
3.如权利要求2所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验方法构建的试验装置，其特征在于：包括模具单元、施力单元、待测试件和通电单元，所述的待测试件装在所述的模具单元的模具内，所述的待测试件内部埋置钢筋和不锈钢丝，所述的施力单元卡在待测试件的不锈钢丝上；所述的通电单元的正极与待测试件的钢筋电连，所述的通电单元的负极与待测试件的不锈钢丝电连；
所述模具单元包括用于浇筑待测试件的模具和通孔螺栓，模具对称的两个侧面预留用于贯穿钢筋的第一孔洞和用于贯穿不锈钢丝的第二孔洞；所述的通孔螺栓与所述的第二孔洞螺接，所述的通孔螺栓的轴向设有用于不锈钢丝贯穿的通孔，实现模具内外腔的连通；所述的通孔螺栓头部设有防止不锈钢丝回缩的第一顶紧螺栓；
所述施力单元包括支架和加载螺杆，所述的支架包括第一连杆、第二连杆，所述的第一连杆的前端设有用于卡在不锈钢丝上的上支点，所述的第一连杆的末端与所述的第二连杆铰接；所述的第二连杆的前端设有用于卡在不锈钢丝上的下支点，所述的第二连杆的末端以及所述的第一连杆分别与加载螺杆螺接形成三角几何结构，通过所述的加载螺杆调整第一连杆和第二连杆之间夹角大小；
所述待测试件包括混凝土基体、钢筋和不锈钢丝，所述的钢筋和不锈钢丝平行埋置于混凝土基体内部；
所述通电单元采用稳压稳流直流电源，并且直流电源的正极与待测试件的钢筋电连，直流电源的负极与待测试件的不锈钢丝电连。
4.如权利要求3所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于：所述模具包括底模和矩形侧模，所述的侧模由两片L型钢板围成，两片L型钢板首尾通过固定螺栓固接；并且所述的侧模的L型钢板通过紧固螺栓固定在底模上。
5.如权利要求3所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于：所述的上支点和所述的下支点上各设有用于穿过不锈钢丝的预留孔，其中上支点的预留孔处配有用于固定不锈钢丝的第二顶紧螺栓。
6.如权利要求3所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于：所述待测试件为多孔水泥基材料，待锈蚀的钢筋和不锈钢丝具有不同直径和截面积比，根据试验目的确定不锈钢丝表面是否设置绝缘层，以实现沿钢筋长度或沿钢筋长度和圆周方向的非均匀锈蚀，并通过确定钢筋和不锈钢丝的净距以实现钢筋圆周方向的锈蚀区域大小。
7.如权利要求3所述的模拟混凝土中钢筋自然非均匀锈蚀的试验装置，其特征在于：所述通电单元将室内220V交流电转换为稳压稳流直流电源，控制直流电压0～30V。
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