鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置及壽命預測方法
【專利摘要】一種鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置及壽命預測方法，所述加速試驗裝置由試驗反應器、工作電極、輔助電極、參比電極、定值電阻、電解質溶液和萬用表構成，試驗反應器的側面中心開正方形孔，工作電極置于孔中；工作電極由混凝土基底、陽極材料、石墨柱和導線構成，混凝土基底浸泡在電解質溶液中，陽極材料鋪設在混凝土基底上表面，石墨柱的一端中心鉆圓孔，導線置于圓孔中并密封，另一端插入陽極材料幾何中心；定值電阻、工作電極、電解質溶液和輔助電極構成極化回路，參比電極、萬用表和工作電極構成測量回路。本發明基于陽極材料在加速老化試驗裝置中所承受電流荷載，能夠精確推算出陽極材料在鋼混結構陰極腐蝕控制系統中的服役壽命。
【專利說明】鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置及壽命預測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種能夠準確地預測鋼筋混凝土結構強制電流陰極腐蝕控制系統所用陽極材料的加速試驗裝置及服役壽命預測的試驗方法。
【背景技術】
[0002]鋼混結構是現今及以后長時間內仍將采用的主要結構型式之一，鋼筋腐蝕是引起鋼混結構耐久性降低的最主要原因。2009年世界腐蝕組織(WCO)的統計數據表明，全球由于腐蝕造成的經濟損失超過2.2萬億美元/年。近期，我國再次投入了數以萬億計的資金發展基礎設施建設，占據相當比例的重大鋼混結構耐久性問題，勢必成為影響國民經濟發展和社會和諧穩定的戰略性課題。鋼筋腐蝕的危害之大遠遠超出預期，隨著全球氣候與環境的進一步惡化，這一問題勢必呈現出日益加劇的嚴重態勢，重大鋼混結構鋼筋腐蝕問題正引起全世界范圍的密切關注。
[0003]美國聯邦公路管理局(FHWA)、美國國防部(DOD)、美國腐蝕工程師協會(NACE)、歐洲腐蝕聯合會(EFC)及澳大利亞腐蝕協會(ACA)等，對美國、加拿大、丹麥、挪威、瑞士、意大利、荷蘭、澳大利亞、印度、日本及韓國等民用與軍用的8600余座橋梁、1500余條隧道、160余處核廢料存儲結構等基礎設施的200余份調查報告表明，采用陰極保護(CP)技術，是能夠顯著緩解鋼混結構鋼筋腐蝕，進而延長結構服役壽命的最有效途徑。大量的調查報告表明:12000余套強制電流陰極腐蝕控制(ICCP)系統中存在的共性問題是有效服役壽命較短(平均為15±5年)，從而使得ICCP系統的收益與投入比較低。而陽極材料的快速老化是造成ICCP失效的最主要原因之一。
[0004]顯然，若能夠精確地預測出陽極材料的服役壽命，無疑為ICCP系統的設計提供了強有力的數據支撐，使得ICCP系統服役壽命的設計更加合理，同時對ICCP系統在鋼筋混凝土結構中的應用做出更加科學的評估，進而對采用ICCP系統進行腐蝕控制的鋼筋混凝土結構的耐久性做出更加科學的評估。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種能夠預測鋼筋混凝土結構強制電流陰極腐蝕控制系統所用陽極材料加速試驗裝置及服役壽命預測的試驗方法。
[0006]本發明的目的是通過如下技術方案實現的:
一種鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置，由試驗反應器、工作電極、輔助電極、參比電極、定值電阻、電解質溶液和萬用表構成，試驗反應器的某一側面中心開孔，工作電極置于孔中，四周用玻璃膠密封；所述工作電極由混凝土基底、陽極材料、石墨柱和導線構成，混凝土基底浸泡在電解質溶液中，陽極材料鋪設在混凝土基底上表面，石墨柱的一端中心鉆有圓孔，導線置于圓孔中并用環氧型導電銀膠進行密封，石墨柱的另一端插入陽極材料的幾何中心；定值電阻、工作電極、電解質溶液和輔助電極構成極化回路，參比電極、萬用表和工作電極構成測量回路。
[0007]一種鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料的壽命預測方法，包括如下步驟:
一、向試驗反應器內加入電解質溶液，混凝土基底在電解質溶液中至少浸泡7天。
[0008]二、利用三電極體系進行恒電流加速極化試驗，控制恒電流為50mA，極化電流密度為20000mA/m2，當極化電位出現持續的上升階段時，表明此時陽極材料已破壞，停止試驗數據的采集，記錄陽極材料在加速極化試驗裝置中的出現上升趨勢前的極化時間，此階段所經歷的極化時間為陽極材料正常的工作時間，即陽極材料在這種加速老化環境中的服役時間。
[0009]三、根據步驟二記錄的陽極材料正常工作時間和作用在單位面積陽極材料的電流荷載，計算出陽極材料在鋼筋混凝土結構陰極腐蝕控制系統中的服役壽命。
[0010]本發明中，所述陽極材料為鋼混結構強制電流陰極腐蝕控制的陽極材料。在實際工程中為鋪設于混凝土的表面的陽極材料，如水泥基復合陽極材料、聚合物基復合陽極材料等，應區別于嵌入式陽極材料。
[0011]本發明的基本原理如下:
將鋪設在混凝土表面上的陽極材料置于加速試驗裝置中，在恒流的極化作用下，得出陽極材料在這種加速老化環境中的服役時間，然后根據作用在單位面積陽極材料的電流荷載計算出陽極材料在鋼筋混凝土結構陰極腐蝕控制系統中的服役壽命。
[0012]本發明給出了試驗裝置、所需的試驗設備、試驗原理及陽極材料壽命預測的方法。通過在本發明的試驗裝置中，按照所給出的試驗原理和試驗方法進行加速極化，最終依據陽極材料在加速極化環境作用下所承受的電流荷載，計算出陽極材料在實際工程中的服役年限。本發明具有以下優點:
1、測試定值電阻兩端的電壓，便于及時地對流經陽極材料的極化電流密度進行監測和調整
2、在本發明的加速試驗裝置和試驗方法中，采用極高的電流密度，從而大幅地降低了試驗周期。
[0013]3、基于陽極材料在加速老化試驗裝置中所承受電流荷載，能夠精確推算出陽極材料在鋼混結構陰極腐蝕控制系統中的服役壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為加速極化的試驗裝置示意圖；
圖2為工作電極構造示意圖；
圖中:1_有機玻璃容器，2-輔助電極，3-電解質溶液，4-參比電極，5-工作電極，6-電源(0-150V，0-1A)，7-定值電阻，8-混凝土基底，9-陽極材料，10-石墨柱，11-導線，12-環氧型導電銀膠。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。
[0016]本發明提供了一種鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料的加速試驗裝置及壽命預測方法，下面對加速試驗裝置和預測方法進行逐一說明。
[0017]1、加速試驗裝置
如圖1所示，試驗反應器采用的有機玻璃容器I，其內徑尺寸為100 X 100 X 100mm,在其某一側面中心開幾何尺寸50 X 50mm的正方形孔，然后將工作電極5置于孔中，四周用玻璃膠密封。為了減小混凝土基底8的電阻，待玻璃膠凝固后，在有機玻璃容器I內加入電解質溶液3，待混凝土基底8浸泡7天后方可進行加速極化試驗。
[0018]加速極化試驗采取經典的三電極體系。工作電極5 (WE)的制作過程:第一步，制作直徑為5mm、高為8mm的石墨柱10，在石墨柱10底面中心鉆直徑為2mm、深4mm的圓孔，將導線11置于圓孔中，用環氧型導電銀膠12進行密封和固定，從而可以避免直接與陽極材料9連接的導線11銹蝕掉，同時又能夠將電流均勻地引入陽極材料9中。第二步，將所需測試陽極材料9鋪設在幾何尺寸為50 X 50 X 20mm混凝土基底8上表面，陽極材料9鋪設厚度為5mm。第三步，將步驟一制作的石墨柱10插入陽極材料9的幾何中心，導線端朝外，其構造示意圖見圖2。輔助電極2采用石墨電極；參比電極4采用飽和甘汞電極(SCE)。
[0019]電解質溶液3采用質量分數為3.5%的氯化鈉溶液。試驗過程中采取20000mA/m2極化電流密度，則須電源6輸出50mA恒電流，然而由于大多廠商所制作電源在輸出恒流存在一定的誤差，所以在極化回路中串聯100 Ω的定值電阻7，通過測試定值電阻7兩端電壓以進行回路中電流的監測，有利于及時對電源進行電流調整。在電場的作用下，溶液中的Cl—向將會透過混凝土基底8，富集在陽極材料9中，生成氯氣。而輔助電極2區域，溶液發生吸氧反應，生成OH_。為了保證持續不斷的Cl—對陽極材料9的侵蝕作用，每隔24h更換電解質溶液3。
[0020]2、陽極材料壽命預測的方法
加速極化試驗過程中，由于混凝土的電阻隨著時間推移受侵蝕離子影響較為嚴重，極化電位變化較大，因此應采用較小試驗數據的采集頻率，確保每5小時內進行一次極化電位的測試。極化電位和定值電阻兩端的電壓可通過數顯萬用表進行測試，每次進行極化電位測試之前，首先測試定值電阻兩端電壓，若電壓為5V，可直接采集極化電位。否則應調節電源，使其達到5V，待其穩定后再進行極化電位的采集。當極化電位出現持續的上升趨勢時，表明此時陽極材料已破壞，停止試驗數據的采集。當陽極材料的極化電位出現上升的趨勢時，表明陽極材料的電阻率增大，導電能力降低。而出現上升趨勢之前陽極材料為正常工作狀態。在實際工程應用中此狀態陽極材料將極大地降低對鋼筋混凝土結構投放電場的效率，所以認為出現上升趨勢時的陽極材料已喪失陽極功能。
[0021]假設在50mA恒電流極化作用下陽極材料正常工作時間為T (單位:小時)。按照NACE SP0290-2007所述，可知強制電流陰極腐蝕陽極材料在實際工程中最大電流密度不宜超過為108mA/m2，根據流經陽極材料的電流荷載，設陽極材料在鋼筋混凝土結構中強制電流陰極腐蝕控制系統中的服役年限至少為N，則N=125T/5913。例如，某種陽極材料在上述的加速極化試驗裝置中的正常工作時間為500小時，則該材料在實際工程中的服役年限至少為十年半(服役年限等于流經陽極電流密度20000mA/m2乘以正常工作時間除以108，再除以24小時，再除以365天)。
【權利要求】
1.一種鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置，其特征在于所述加速試驗裝置由試驗反應器、工作電極、輔助電極、參比電極、定值電阻、電解質溶液和萬用表構成，試驗反應器的某一側面中心開正方形孔，工作電極置于孔中，四周用玻璃膠密封；工作電極由混凝土基底、陽極材料、石墨柱和導線構成，混凝土基底浸泡在電解質溶液中，陽極材料鋪設在混凝土基底上表面，石墨柱的一端中心鉆有圓孔，導線置于圓孔中并用環氧型導電銀膠進行密封，石墨柱的另一端插入陽極材料的幾何中心；定值電阻、工作電極、電解質溶液和輔助電極構成極化回路，參比電極、萬用表和工作電極構成測量回路。
2.根據權利要求1所述的鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置，其特征在于所述試驗反應器為有機玻璃容器，其內徑尺寸為10X 10X 10mm;正方形孔的幾何尺寸為 50 X 50mm。
3.根據權利要求1所述的鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置，其特征在于所述石墨柱直徑為5mm、高為8mm，圓孔直徑為2mm、深4mm。
4.根據權利要求1所述的鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置，其特征在于所述混凝土基底幾何尺寸為50 X 50 X 20mm，陽極材料鋪設厚度為5mm。
5.根據權利要求1所述的鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置，其特征在于所述輔助電極采用石墨電極；參比電極采用飽和甘汞電極。
6.根據權利要求1所述的鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置，其特征在于所述電解質溶液采用質量分數為3.5%的氯化鈉溶液。
7.根據權利要求1所述的鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置，其特征在于所述定值電阻的阻值為100 Ω。
8.一種利用權利要求1-7任一權利要求所述的鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料加速試驗裝置進行鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料壽命預測方法，其特征在于所述方法步驟如下: 一、向試驗反應器內加入電解質溶液，混凝土基底在電解質溶液中至少浸泡7天； 二、利用三電極體系進行恒電流加速極化試驗，控制恒電流為50mA，極化電流密度為20000mA/m2,當極化電位出現持續的上升階段時，表明此時陽極材料已破壞，停止試驗數據的采集，記錄陽極材料在加速極化試驗裝置中的出現上升趨勢前的極化時間，此階段所經歷的極化時間為陽極材料正常的工作時間，即陽極材料在這種加速老化環境中的服役時間； 三、根據步驟二記錄的陽極材料正常工作時間和作用在單位面積陽極材料的電流荷載，計算出陽極材料在鋼筋混凝土結構陰極腐蝕控制系統中的服役壽命。
9.根據權利要求8所述的鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料壽命預測方法，其特征在于每5小時內進行一次極化電位的測試。
10.根據權利要求8所述的鋼混結構陰極腐蝕控制用陽極材料壽命預測方法，其特征在于每次進行極化電位測試之前，首先測試定值電阻兩端電壓，若電壓為5V，可直接采集極化電位，否則應調節電源，使其達到5V，待其穩定后再進行極化電位的采集。
【文檔編號】G01N17/02GK104502263SQ201410772956
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月16日 優先權日:2014年12月16日
【發明者】喬國富, 郭冰冰, 歐進萍, 關新春 申請人:哈爾濱工業大學