一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验方法及装置

1.本发明属于钢筋混凝土结构耐久性问题研究技术领域，具体涉及一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验方法及装置。


背景技术：

2.当钢筋混凝土中钢筋前沿的氯离子浓度达到一定限值，钢筋钝化膜被氯离子破坏，导致钢筋开始锈蚀，将此时钢筋前沿的氯离子浓度称为临界氯离子浓度。临界氯离子浓度是判断钢筋锈蚀的重要指标之一，对海洋环境中钢筋混凝土耐久性研究与结构物设计具有重要意义。
3.当混凝土中钢筋开始锈蚀，一方面，钢筋锈蚀会降低钢筋与混凝土间的粘结作用；另一方面，生成的锈胀物体积比单质铁大2至7倍，锈胀物的增多会引发混凝土保护层开裂。上述两种作用均会导致钢筋混凝土结构破坏失效，因此，准确获取钢筋的锈蚀速率并预测钢筋锈蚀程度，以判断钢筋粘结力大小及混凝土保护层开裂程度，对钢筋混凝土结构物的设计及使用寿命预测同样具有重要意义。
4.当前，钢筋锈蚀研究多通过内掺氯离子、通电加速、模拟混凝土孔隙液等方法进行加速试验，虽然上述方法可以达到使钢筋快速锈蚀的目的，但存在着与真实离子扩散及钢筋锈蚀规律不符的问题；除上述加速方法外，许多学者为尽可能的得到更为符合工程实际的研究结果，采用现场试验或室内自然扩散法进行试验，但上述方法存在着试验时间较长的问题。对于临界氯离子浓度的测定，现有方法多通过取出钢筋前沿处混凝土粉末，测定混凝土中的氯离子浓度，为有损试验，被破坏的试件无法继续试验，不能测定钢筋的锈蚀速率。
5.目前已有多种用于模拟海洋环境的试验装置，但只能简单模拟海洋环境中单一或少数因素，无法反映真实海洋环境下海工结构物所受到的多因素耦合作用，尤其是温度、湿度、氧含量、溶液离子浓度、水位等关键因素的耦合作用。因此，现有技术模拟环境相对简单，可控范围小，无法为复杂海洋环境下海工结构物耐久性的研究提供较为真实的试验环境。


技术实现要素：

6.为了克服背景技术中只能简单模拟海洋环境中单一或少数因素，无法反映真实海洋环境下海工结构物所受到的多因素耦合作用，尤其是温度、湿度、氧含量、溶液离子浓度、水位等关键因素的耦合作用，模拟环境相对简单，可控范围小，无法为复杂海洋环境下海工结构物耐久性的研究提供较为真实的试验环境的问题，本发明能真实地还原海洋环境，模拟海洋环境中钢筋混凝土中钢筋的锈蚀过程，快速、准确地得到钢筋锈蚀临界氯离子浓度与锈蚀速率。
7.为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验方法包括以下步骤：
a.利用海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置模拟自然海洋环境，将钢筋混凝土试件置于该试验装置中，通过控制钢筋混凝土试件在试验装置中的高度，以模拟其在水下区、水位变动区、大气区环境中的位置，钢筋混凝土试件位于上述环境中，持续监测钢筋混凝土试件中钢筋电势，直至钢筋电势稳定，将此时的钢筋电势作为初始值；b.调整装置环境参数，使试验装置模拟一高温、高盐的试验环境，加快氯离子在钢筋混凝土试件的混凝土保护层中的扩散速度，进而缩短钢筋发生锈蚀所需的时间，待钢筋前沿氯离子浓度达到目标值，停止加速试验，加速时间可通过式
①
进行估算：
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式中，t为加速时间（s）；da为表观扩散系数（m2/s）；cs为表面氯离子浓度；ct为目标氯离子浓度；c0为初始氯离子浓度；x为保护层厚度（m）；c.加速试验结束后，使钢筋混凝土试件处于自然环境中进行自然扩散试验，持续监测钢筋混凝土试件中钢筋电势；当钢筋电势较初始电势出现明显突变时，认为钢筋在此时开始发生锈蚀，测定此时钢筋前沿处混凝土中的氯离子浓度，即钢筋锈蚀临界氯离子浓度；d.待钢筋混凝土试件的钢筋开始发生锈蚀后，利用线性极化电阻法，持续监测极化电阻rp，并根据式
②
计算腐蚀电流密度，以此得到钢筋的锈蚀速率，
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式中，icorr为腐蚀电流；rp为极化电阻；b为stern-geary常数。
8.一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置，包括试验箱1、蓄水箱2、可调节试件架3、潮汐循环系统5、温度控制系统、湿度控制系统、多离子溶液监控系统7、氧含量控制系统，所述的试验箱1和蓄水箱2间通过潮汐循环系统5连通，可调节试件架3安装在试验箱1内，试验箱1内底部、中部和顶部分别为水下区、水位变动区、大气区，温度控制系统、湿度控制系统、多离子溶液监控系统7和氧含量控制系统均安装在试验箱1内。
9.进一步，所述的可调节试件架3包括支撑平台35和支腿36，支腿36上设有纵向滑槽，支撑平台35通过螺栓可调节高度安装在支腿36上。
10.进一步，所述的温度控制系统包括电加热棒11、ptc加热器12、环境测温探头ⅰ14、环境测温探头ⅱ15、冷却器ⅰ20、冷却器ⅱ21，所述的电加热棒11和环境测温探头ⅰ14安装在试验箱1底部水下区，ptc加热器12和环境测温探头ⅱ15安装在试验箱1顶部大气区，冷却器ⅰ20和冷却器ⅱ21通过循环管分别连接在试验箱1的水下区和大气区。
11.进一步，所述的试验箱1底部水下区安装有水循环泵13。
12.进一步，所述的湿度控制系统包括湿度探头16、电磁阀ⅰ25、排气风扇26、加湿器27，所述的试验箱1顶部设有排气孔24，电磁阀ⅰ25和排气风扇26安装在排气孔24上，湿度探头16和加湿器27安装在试验箱1顶部大气区。
13.进一步，所述的试验箱1顶部大气区安装有循环风扇28。
14.进一步，所述的温度控制系统和湿度控制系统均通过控制器连接有温湿度显示器。
15.进一步，所述的试验箱1顶部为可拆卸保温顶盖19，试验箱1四周及底部安装有保温板18。
16.进一步，所述的氧含量控制系统包括氧含量检测仪29、氧气泵30，所述的氧含量检测仪29和氧气泵30均安装在试验箱1底部水下区，氧含量检测仪29和氧气泵30均通过控制器连接有氧含量显示器。
17.本发明的有益效果：本发明具有针对性地高效模拟复杂海洋环境，并有效缩短试验周期，准确测得海洋环境下钢筋混凝土中钢筋锈蚀临界氯离子浓度及锈蚀速率，且试验装置具有结构简单，操作便捷。
附图说明
18.图1是本发明实验装置的主视剖视结构示意图；图2为本发明试验箱俯视结构示意图；图3为本发明试验箱控温设备布置图；图4为本发明可调节试件架示意图；图5为本发明钢筋混凝土试件内部探头示意图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员的理解。
20.一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验方法包括以下步骤：c.利用海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置模拟自然海洋环境，将钢筋混凝土试件置于该试验装置中，通过控制钢筋混凝土试件在试验装置中的高度，以模拟其在水下区、水位变动区、大气区环境中的位置，钢筋混凝土试件位于上述环境中，持续监测钢筋混凝土试件中钢筋电势，直至钢筋电势稳定，将此时的钢筋电势作为初始值；d.调整装置环境参数，使试验装置模拟一高温、高盐的试验环境，加快氯离子在钢筋混凝土试件的混凝土保护层中的扩散速度，进而缩短钢筋发生锈蚀所需的时间，待钢筋前沿氯离子浓度达到目标值，停止加速试验，加速时间可通过式
①
进行估算：
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式中，t为加速时间（s）；da为表观扩散系数（m2/s）；cs为表面氯离子浓度；ct为目标氯离子浓度；c0为初始氯离子浓度；x为保护层厚度（m）；c.加速试验结束后，使钢筋混凝土试件处于自然环境中进行自然扩散试验，持续监测钢筋混凝土试件中钢筋电势；当钢筋电势较初始电势出现明显突变时，认为钢筋在此时开始发生锈蚀，测定此时钢筋前沿处混凝土中的氯离子浓度，即钢筋锈蚀临界氯离子浓
度；d.待钢筋混凝土试件的钢筋开始发生锈蚀后，利用线性极化电阻法，持续监测极化电阻rp，并根据式
②
计算腐蚀电流密度，以此得到钢筋的锈蚀速率，
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式中，icorr为腐蚀电流；rp为极化电阻；b为stern-geary常数。
21.如图1-4所示，一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置主要包括试验箱1、蓄水箱2、可调节试件架3、潮汐循环系统5、温度控制系统、湿度控制系统、多离子溶液监控系统7、氧含量控制系统，所述的试验箱1和蓄水箱2间通过潮汐循环系统5连通，可调节试件架3安装在试验箱1内，试验箱1内底部、中部和顶部分别为水下区、水位变动区、大气区，温度控制系统、湿度控制系统、多离子溶液监控系统7和氧含量控制系统均安装在试验箱1内，所述的多离子溶液监控系统7主要通过离子浓度检测仪检测监控溶液中的氯离子浓度、硫酸根离子浓度、镁离子浓度；将钢筋混凝土试件4置于试件架之上，根据试验需要，调节试件架高度，以模拟其在水下区、水位变动区、大气区环境中的位置；试验箱1与蓄水箱2内装有模拟海水的多离子溶液，通过多离子溶液监控系统7实时监测溶液中各离子浓度；试验箱1与蓄水箱2中水体在潮汐循环系统5的控制下进行交换，以此来实现试验箱1内水位的变化，模拟潮汐循环；根据研究需要，利用温、湿度控制系统、多离子溶液监控系统7、氧含量控制系统控制试验箱内温度、湿度，监控水体中各离子浓度并控制溶解氧含量；可自动、高效、具有针对性地模拟复杂海洋环境，并有效缩短试验周期，准确测得海洋环境下钢筋混凝土中钢筋锈蚀临界氯离子浓度及锈蚀速率，且试验装置具有结构简单，操作便捷，自动化程度高，综合造价低等诸多优势。
22.所述的可调节试件架3包括支撑平台35和支腿36，支腿36上设有纵向滑槽，支撑平台35通过螺栓可调节高度安装在支腿36上，结构简单，高度调节方便快捷。
23.所述的温度控制系统包括电加热棒11、ptc加热器12、环境测温探头ⅰ14、环境测温探头ⅱ15、冷却器ⅰ20、冷却器ⅱ21，所述的电加热棒11和环境测温探头ⅰ14安装在试验箱1底部水下区，电加热棒11可加热水体，ptc加热器12和环境测温探头ⅱ15安装在试验箱1顶部大气区，ptc加热器12可加热空气；冷却器ⅰ20和冷却器ⅱ21通过循环管分别连接在试验箱1的水下区和大气区，可根据需要通过冷却器ⅰ20和冷却器ⅱ21分别冷却水体和空气。
24.所述的试验箱1底部水下区安装有水循环泵13，溶液中设有水循环泵13使水体缓慢流动，使水体温度分布均匀。
25.所述的湿度控制系统包括湿度探头16、电磁阀ⅰ25、排气风扇26、加湿器27，所述的试验箱1顶部设有排气孔24，电磁阀ⅰ25和排气风扇26安装在排气孔24上，湿度探头16和加湿器27安装在试验箱1顶部大气区；通过加湿器27对试验箱1内水上环境湿度加湿；当环境湿度高于预定湿度时，打开电磁阀ⅰ25、排气风扇26排出箱内湿度较高的空气。
26.所述的试验箱1顶部大气区安装有循环风扇28；试验箱水上部分设有循环风扇28使环境湿度分布均匀。
27.所述的温度控制系统和湿度控制系统均通过控制器连接有温湿度显示器；环境测温探头ⅰ14置于多离子溶液中，实时监测溶液温度，并由温湿度显示器显示；在环境温度低于预设温度条件下：若水体温度低于预设温度，则开启电加热棒11加热水体，当溶液温度达
到预设温度后，停止加热；在环境温度高于预设温度条件下：若水体温度高于预设温度，则开启冷却器ⅰ20使水体降温，当溶液温度降低到预设温度后，停止冷却；试验箱1内水上部分布置ptc加热器12加热空气、冷却管ⅱ23冷却空气；环境测温探头ⅱ15置于水上，实时监测水上环境温度，并通过温湿度显示器显示；在环境温度低于预设温度条件下：若水上温度低于预设温度，则开启ptc加热器12加热水上部分空气，当水上环境温度达到预设温度后，停止加热；在环境温度高于预设温度条件下：若水上温度高于预设温度，则开启冷却器ⅱ21使空气降温，当水上温度降低到预设温度后，停止冷却；通过湿度探头监测试验箱水上环境湿度，并通过温湿度显示器17显示；当环境湿度低于预设湿度时，打开加湿器27，达到预定湿度后，停止加湿；当环境湿度高于预定湿度时，打开电磁阀ⅰ25、排气风扇26排出箱内湿度较高的空气，当湿度降到预定湿度后，停止排气。
28.钢筋混凝土试件4内钢筋位置处布置混凝土埋入式温度探头、埋入式氯离子浓度传感器，用于监测钢筋位置处的温度、氯离子浓度，并由温湿度显示器显示。
29.所述的试验箱1顶部为可拆卸保温顶盖19，试验箱1四周及底部安装有保温板18。
30.所述的氧含量控制系统包括氧含量检测仪29、氧气泵30，所述的氧含量检测仪29和氧气泵30均安装在试验箱1底部水下区，氧含量检测仪29和氧气泵30均通过控制器连接有氧含量显示器；氧含量检测仪29置于溶液内，检测结果通过氧含量显示器显示；试验箱1内设有氧气泵30，24h内可分时段设置不同的氧含量，如若溶液中氧含量低于设置的氧含量，则自动打开氧气泵30，待氧含量满足要求，则关闭氧气泵30，水循环泵13则一直开启使水体缓慢循环流动，保证氧含量分布均匀。
31.所述的潮汐循环系统5包括循环水道、循环水泵、水位传感器、电磁阀、流量控制器、控制器，所述的试验箱1和蓄水箱2间通过循环水道连通，循环水泵、电磁阀和流量控制器安装在循环水道上，水位传感器安装在试验箱1内，循环水泵、水位传感器、电磁阀和流量控制器均与控制器连接，可以控制水位的升降，并控制水位升降的速度。
32.海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置的工作过程：将钢筋混凝土试件4置于试件架之上，根据试验需要，调节试件架高度，以模拟其在水下区、水位变动区、大气区环境中的位置；试验箱1与蓄水箱2内装有模拟海水的多离子溶液，通过多离子溶液监控系统7实时监测溶液中各离子浓度；试验箱1与蓄水箱2中水体在潮汐循环系统5的控制下进行交换，以此来实现试验箱1内水位的变化，模拟潮汐循环；根据研究需要，利用温、湿度控制系统、多离子溶液监控系统7、氧含量控制系统控制试验箱内温度、湿度，监控水体中各离子浓度并控制溶解氧含量；环境测温探头ⅰ14置于多离子溶液中，实时监测溶液温度，并由温湿度显示器显示；在环境温度低于预设温度条件下：若水体温度低于预设温度，则开启电加热棒11加热水体，当溶液温度达到预设温度后，停止加热；在环境温度高于预设温度条件下：若水体温度高于预设温度，则开启冷却器ⅰ20使水体降温，当溶液温度降低到预设温度后，停止冷却；试验箱1内水上部分布置ptc加热器12加热空气、冷却管ⅱ23冷却空气；环境测温探头ⅱ15置于水上，实时监测水上环境温度，并通过温湿度显示器显示；在环境温度低于预设温度条件下：若水上温度低于预设温度，则开启ptc加热器12加热水上部分空气，当水上环境温度达到预设温度后，停止加热；在环境温度高于预设温度条件下：若水上温度高于预设温度，则开启冷却器ⅱ21使空气降温，当水上温度降低到预设温度后，停止冷却；通过湿度探头监测试验箱水上环境湿度，并通过温湿度显示器17显
示；当环境湿度低于预设湿度时，打开加湿器27，达到预定湿度后，停止加湿；当环境湿度高于预定湿度时，打开电磁阀ⅰ25、排气风扇26排出箱内湿度较高的空气，当湿度降到预定湿度后，停止排气；可自动、高效、具有针对性地模拟复杂海洋环境，并有效缩短试验周期，准确测得海洋环境下钢筋混凝土中钢筋锈蚀临界氯离子浓度及锈蚀速率，且试验装置具有结构简单，操作便捷，自动化程度高，综合造价低等诸多优势。
33.本发明利用高温高盐环境加快氯离子在钢筋混凝土试件的混凝土保护层中的扩散速度，加速试验完成后，恢复至正常温度湿度的自然环境中进行自然扩散试验，直至钢筋开始锈蚀，利用埋入式氯离子浓度传感器无损检测获取临界氯离子浓度，并利用线性极化方法持续监测钢筋锈蚀速率。而海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置则为上述试验方法的实施提供高温高盐环境与自然海洋环境。本发明通过提高环境温度、溶液浓度的方式显著缩短钢筋开始锈蚀的时间，后续在正常温度湿度的自然环境中进行自然扩散试验，能够较为准确地还原真实海洋环境，并解决了目前试验装置及方法或无法较为准确地模拟海洋环境中多种环境要素对钢筋锈蚀的耦合作用，或不能在离子自然扩散的基础上使钢筋快速达到锈蚀的问题。此外，本方法通过无损检测测定临界氯离子浓度，解决了当前试验方法需要破坏混凝土保护层，无法继续测定锈蚀速率的问题。
34.最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

技术特征：
1.一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验方法，其特征在于：所述的海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验方法包括以下步骤： a.利用海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置模拟自然海洋环境，将钢筋混凝土试件置于该试验装置中，通过控制钢筋混凝土试件在试验装置中的高度，以模拟其在水下区、水位变动区、大气区环境中的位置，钢筋混凝土试件位于上述环境中，持续监测钢筋混凝土试件中钢筋电势，直至钢筋电势稳定，将此时的钢筋电势作为初始值； b.调整装置环境参数，使试验装置模拟一高温、高盐的试验环境，加快氯离子在钢筋混凝土试件的混凝土保护层中的扩散速度，进而缩短钢筋发生锈蚀所需的时间，待钢筋前沿氯离子浓度达到目标值，停止加速试验，加速时间可通过式
①
进行估算：
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式中，t为加速时间（s）；da为表观扩散系数（m2/s）；cs为表面氯离子浓度；ct为目标氯离子浓度；c0为初始氯离子浓度；x为保护层厚度（m）；c.加速试验结束后，使钢筋混凝土试件处于自然环境中进行自然扩散试验，持续监测钢筋混凝土试件中钢筋电势；当钢筋电势较初始电势出现明显突变时，认为钢筋在此时开始发生锈蚀，测定此时钢筋前沿处混凝土中的氯离子浓度，即钢筋锈蚀临界氯离子浓度；d.待钢筋混凝土试件的钢筋开始发生锈蚀后，利用线性极化电阻法，持续监测极化电阻rp，并根据式
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计算腐蚀电流密度，以此得到钢筋的锈蚀速率，
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式中，icorr为腐蚀电流；rp为极化电阻；b为stern-geary常数。2.一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置，其特征在于：所述的海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置包括试验箱（1）、蓄水箱（2）、可调节试件架（3）、潮汐循环系统（5）、温度控制系统、湿度控制系统、多离子溶液监控系统（7）、氧含量控制系统，所述的试验箱（1）和蓄水箱（2）间通过潮汐循环系统（5）连通，可调节试件架（3）安装在试验箱（1）内，试验箱（1）内底部、中部和顶部分别为水下区、水位变动区、大气区，温度控制系统、湿度控制系统、多离子溶液监控系统（7）和氧含量控制系统均安装在试验箱（1）内。3.如权利要求2所述的一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置，其特征在于：所述的可调节试件架（3）包括支撑平台（35）和支腿（36），支腿（36）上设有纵向滑槽，支撑平台（35）通过螺栓可调节高度安装在支腿（36）上。4.如权利要求2或3所述的一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置，其特征在于：所述的温度控制系统包括电加热棒（11）、ptc加热器（12）、环境测温探头ⅰ（14）、环境测温探头ⅱ（15）、冷却器ⅰ（20）、冷却器ⅱ（21），所述的电加热棒（11）和环境测温探头ⅰ（14）安装在试验箱（1）底部水下区，ptc加热器（12）和环境测温探头ⅱ（15）安装在试验箱（1）顶部大气区，冷却器ⅰ（20）和冷却器ⅱ（21）通过循环管分别连接在试验箱（1）的水下区和大气区。5.如权利要求4所述的一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置，其特征在于：所述的试验箱（1）底部水下区安装有水循环泵（13）。
6.如权利要求2或3所述的一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置，其特征在于：所述的湿度控制系统包括湿度探头（16）、电磁阀ⅰ（25）、排气风扇（26）、加湿器（27），所述的试验箱（1）顶部设有排气孔（24），电磁阀ⅰ（25）和排气风扇（26）安装在排气孔（24）上，湿度探头（16）和加湿器（27）安装在试验箱（1）顶部大气区。7.如权利要求6所述的一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置，其特征在于：所述的试验箱（1）顶部大气区安装有循环风扇（28）。8.如权利要求2或3所述的一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置，其特征在于：所述的温度控制系统和湿度控制系统均通过控制器连接有温湿度显示器。9.如权利要求2或3所述的一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置，其特征在于：所述的试验箱（1）顶部为可拆卸保温顶盖（19），试验箱（1）四周及底部安装有保温板（18）。10.如权利要求2或3所述的一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验装置，其特征在于：所述的氧含量控制系统包括氧含量检测仪（29）、氧气泵（30），所述的氧含量检测仪（29）和氧气泵（30）均安装在试验箱（1）底部水下区，氧含量检测仪（29）和氧气泵（30）均通过控制器连接有氧含量显示器。

技术总结
本发明涉及一种海洋环境下加速钢筋锈蚀的试验方法及装置，属于钢筋混凝土结构耐久性问题研究技术领域，本发明利用高温高盐环境加快氯离子在钢筋混凝土试件的混凝土保护层中的扩散速度，加速试验完成后，恢复至正常温度湿度的自然环境中进行自然扩散试验，直至钢筋开始锈蚀，利用埋入式氯离子浓度传感器无损检测获取临界氯离子浓度，并利用线性极化方法持续监测钢筋锈蚀速率；从而较为准确地还原真实海洋环境，并解决了目前试验装置及方法或无法较为准确地模拟海洋环境中多种环境要素对钢筋锈蚀的耦合作用，或不能在离子自然扩散的基础上使钢筋快速达到锈蚀的问题；本发明还解决了当前试验方法需要破坏混凝土保护层，无法继续测定锈蚀速率的问题。续测定锈蚀速率的问题。续测定锈蚀速率的问题。


技术研发人员：孙煕平 刘博达 薛润泽 王禹迟 宋玉威 王元战
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/13