一种柱形桩基水环境原位暴露试验装置及其实施方法与流程

本发明属于腐蚀与防护领域，涉及水环境暴露试验，特别是一种柱形桩基水环境原位暴露试验装置及其实施方法。

背景技术：

自然环境腐蚀试验是研究材料、产品等环境适应性的重要措施，在材料开发、产品研发、腐蚀防护等领域得到了广泛使用。海水、淡水等水环境中服役着大量的码头、桥梁、隧道等结构，是开展自然环境腐蚀试验的典型环境之一。传统的水环境暴露试验通常是基于暴露试验站完成的。暴露试验站是开展自然腐蚀试验的固定基础设施，如国家材料环境站网的各类试验站、沿海混凝土耐久性暴力试验站、随跨海大桥建设的暴露试验站(如杭州湾跨海大桥暴露试验站等)等，是材料腐蚀数据积累、材料腐蚀规律研究等的重要条件。

然而，在实际水环境腐蚀试验中也存在着如下问题：(1)水环境暴露试验站建设需投入大量人力、物力和相应的场地，故数量有限，试验资源相对紧张；(2)某些工程(如码头、桥梁等)需获取局部特定区域的腐蚀数据，若为此而建造暴露试验站，将耗费大量人力物力，一般工程通常较难满足相应条件。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提出一种柱形桩基水环境原位暴露试验装置及其实施方法。该暴露试验装置可根据实际暴露环境的基础条件设计，制作加工简单，可方便地安装在材料为混凝土或钢材的柱形桩基的特定部位上，为水环境中的局部原位暴露试验提供便捷的支撑条件。

为实现上述目的提出如下技术方案：

一种柱形桩基水环境原位暴露试验装置，包括环状支撑机构、试样支架和辅助部件；

所述环状支撑机构包括卡箍和试件支架插环，所述卡箍为相对称的分体式结构，二者通过螺栓螺母紧固件连接固定并环绕安装圆柱形桩基或方柱形桩基的外壁上，所述卡箍外侧分布有用于安装试样支架的支架插环，所述环状支撑机构可沿桩基的垂直方向上对应不同水环境(大气区、浪溅区、水位变动区、水下区和泥下区等部位)安装若干组；

所述试样支架包括片状试样支架和块状试样支架：

所述片状试样支架包括插杆、支撑板、支撑杆和2根绝缘套管，所述支撑板焊接固定在插杆上，所述绝缘套管垂直连接在支撑板上，片状试样上开有与绝缘套管外径相适应的圆孔，用以将片状试样安装在绝缘套管上；

所述块状试样支架包括竖向支撑杆、横向支撑杆、斜向支撑杆、插杆和试件筐，横向支撑杆、斜向支撑杆和竖向支撑杆构成三角支撑构件，在横向支撑杆的下方、竖向支撑杆的向内一侧设置有与之平行的插杆，横向支撑杆上方固定安装试件筐。

所述辅助部件安装在支撑机构或试件支架上；包括牺牲阳极、电连接部件、定位绳等，用于实现特殊功能，根据暴露试验需求选择使用。

在上述技术方案中，所述卡箍依据桩基的形状分为2种形式，安装在圆柱形桩基上的卡箍为半圆形卡箍，安装在方柱形桩基上的卡箍为半方形卡箍。

在上述技术方案中，所述卡箍内侧与桩基的接触面上设置有防滑垫片，所述防滑垫片由橡胶、硅胶等材料制成。

在上述技术方案中，所述支架插环为方形或圆形。

在上述技术方案中，所述插杆底部设置有片状试样支架锁头，用于将片状试件支架锁定在支撑机构上，所述片状试样支架锁头由带有尼龙套的螺杆螺母紧固件构成。

在上述技术方案中，所述插杆与竖向支撑杆之间设置有块状试样支架锁头用于将块状试件支架锁定在支撑机构上，所述块状试样支架锁头由带有尼龙套的螺杆螺母紧固件构成。

在上述技术方案中，所述试件筐由试件筐体、试件防滑垫条、试件筐锁头、试件筐盖、试件筐铰链杆等组成，所述试件筐盖可沿试件筐铰链杆向上打开，在试件筐盖一侧安装有试件筐锁头，所述试件筐体内部底面上设置有试件防滑垫条，所述试件筐体为镂空结构。

在上述技术方案中，所述牺牲阳极安装在支撑机构上，用于支撑机构在水位变动区、水下区或泥下区的防腐。

在上述技术方案中，所述电连接部件为耐海水电缆或耐蚀导电金属件，安装在特定腐蚀区带的试件上，用于实现贯穿海洋腐蚀区带的长试件。

在上述技术方案中，所述定位绳封装在试件支架的插杆中，由耐海水高分子材料制成，用于在难以确定试件支架位置的介质(如海泥、河泥等)中取样时的定位。

一种水环境原位暴露试验装置实施的方法，其具体步骤如下：

1.试件的设置方法

(1)对于片状试件，先将片状试件组装固定在试件支架上，形成试件及试件支架组合体。

(2)对于块状试件，待块状试件支架安装完毕后，再放置块状试件。或者，先将块状试件放入试件筐体中并固定，然后盖上并锁定试件筐盖，形成试件及试件支架组合体。

2.支撑机构的安装方法

将环状支撑机构的两片半环形卡箍放在桩基指定位置处，然后用螺栓螺母紧固件紧固，使支撑机构固定在桩基指定位置处。

3.试件的现场安设方法

(1)对于片状试件，将试件及试件支架组合体的插杆插入支撑机构的试件支架插环中，然后用锁头锁定组合体。

(2)对于块状试件，先将块状试件支架插杆插入支撑机构的试件支架插环中，并用锁头锁定，随后打开试件筐盖，将块状试件放入试件筐体中，接着锁定试件筐盖。或者，将形成的试件及试件支架组合体的插杆插入支撑机构的试件支架插环中，并用块状支架锁头锁定组合体。

4.现场取样的实施方法

(1)根据暴露试验周期实施现场取样。

(2)对于片状试件支架，先将指定试件支架插环处的锁头解锁，然后拔出试件支架插杆，将试件及支架组合体一并取回。

(3)对于块状试件支架，先将指定试件支架处的试件筐盖解锁，取回块状试件，然后将试件支架插环处的锁头解锁，拔出试件支架插杆，将试件支架取回。或者，将试件支架插环处的锁头解锁，拔出试件支架插杆，将试件及支架组合体一并取回。

5.辅助部件的实施方法

(1)牺牲阳极实施：在支撑机构上设置安装孔，用螺栓将牺牲阳极固定在支撑机构上，通过垫片或焊接方式确保电连接，并用可固化密封材料将螺栓相应部位密封。牺牲阳极的安装数量根据支撑机构被保护面积及试验周期确定。

(2)电连接部件实施：在待实施电连接的试件上开孔，通过连接件及螺栓螺母紧固件将电连接部件固定在试件上，用垫片或焊接方式确保电连接，并用可固化密封材料将螺栓螺母紧固件相应部位密封。

(3)定位绳实施：先将定位绳一端固定在试件支架插杆上，然后将定位绳另一端固定在将易确定位置的固定点上，以便根据定位绳确定难以定位试件支架的位置，从而方便取样。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明有环状支撑机构和条状支撑机构，可方便地安装在柱形桩基结构上；试件支架采用插拔式结构与支撑机构连接，便于现场安装和现场取样；采用片状试件支架和块状试件支架两种形式，适用不同类型的试件；牺牲阳极可实现对水中钢质支撑机构的阴极保护，保障钢质支撑机构使用年限；电连接部件可使试件成为贯穿海洋腐蚀区带的长试件，拓展原位暴露试验装置的适用范围；当试件支架处于海泥、河泥等介质中时，难以确定试件支架的位置，用定位绳可方便取样时的定位，以便快速找到试件。

(2)本发明具有原理简单、安装方便、装样取样便捷、成本低等特点，可便捷的安装在柱形桩基结构上，快速形成水环境原位暴露试验条件，对于无固定结构的区域，通过打设桩基后，安装试验装置即可构建原位暴露试验条件，不仅可避免建造暴露试验站所耗费的人力物力，而且有助于快速构建局部原位暴露试验条件。

(3)本发明适用范围广，可用于大气区、浪溅区、水位变动区、水下区和泥下区等部位的原位暴露试验，而且可实现多种形状(片状、块状或长试件等)多种类别材料(金属、高分子材料、混凝土等)或产品的原位暴露试验。局部原位暴露试验所获得的试验数据可为所在结构的耐久性再设计提供数据支持。

附图说明

图1为一种片状试件及片状试件支架的安装结构示意图。

图2为图1中a-a处截面结构示意图。

图3为图1中b-b处截面结构示意图。

图4为图1中c-c处截面结构示意图。

图5为图1中d-d处截面结构示意图。

图6为一种块状试件及块状试件支架的安装结构示意图。

图7为图6中e-e处截面结构示意图。

图8为图6中f-f处截面结构示意图。

图9为一种柱形桩基(圆柱形或方柱形)水环境原位暴露试验装置侧视结构示意图，其中片状试件及片状试件支架可替换为块状试件及块状试件支架。

图10为一种圆柱形桩基水环境原位暴露试验装置俯视结构示意图。

图11为一种方柱形桩基水环境原位暴露试验装置俯视结构示意图。

其中：

1为片状试件支架，1-1为插杆，1-2为支撑板，1-3为支撑杆，1-4为定位板，1-5为片状试件支架锁头，1-6为片状试件，1-7为牺牲阳极/片状试件组合试件，1-8为绝缘套管，1-8-a为外套管，1-8-b为内套管，1-9为支撑杆垫片，1-10为支撑杆螺母，1-11为牺牲阳极试件，1-12为固化封装环氧及套圈，1-13为牺牲阳极螺栓垫片，1-14为牺牲阳极固定螺栓；

2为块状试件支架，2-1竖向支撑杆，2-2为斜向支撑杆，2-3为横向支撑杆，2-4为插杆，2-5为试件筐体，2-6为试件防滑垫条，2-7为试件筐锁头，2-8为试件筐盖，2-9为试件筐铰链杆，2-10为块状试件，2-11为挡杆，2-12为块状试件支架锁头；

3-1为牺牲阳极，3-2为电连接部件，3-3为定位绳；

4为柱形桩基结构；

5为环状支撑机构，5-1为半圆形卡箍，5-2为防滑垫片，5-3为试件支架插环，5-4为固定法兰，5-5为肋板，5-6为螺栓螺母紧固件；

6-1为半方形卡箍。

具体实施方式

待安装结构、试件形式、安装形式等不同，本发明装置的具体实施方式也不同。为彻底了解本发明，将在下列的描述中提出2个具体实施例。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。

实施例：一种用于柱形桩基结构及片状试件的水环境原位暴露试验装置

实施例是一种用于柱形桩基结构及片状试件的水环境原位暴露试验装置。通过实施例，可实现如下功能：①片状试件(如钢片试件等)在大气区、浪溅区、水位变动区、水下区和泥下区5个腐蚀区带的原位暴露试验；②贯穿5个腐蚀区带的金属片状试件组成的长试件的原位暴露试验；③被保护(阴极保护、涂层保护等)片状试件和裸露片状试件(如钢片试件等)的原位暴露试验；④泥面以下取样时的试件支架定位；⑤在水环境中的圆柱形桩基结构和方柱形桩基结构上构建原位暴露试验条件；⑥通过预组装和插拔方式实现试件的快速安装及取样。

参考图9是一种用于柱形桩基结构及片状试件的水环境原位暴露试验装置的结构示意图。本实施例的主要组成包括环状支撑机构5，片状试件支架1及其上的片状试件和牺牲阳极/片状试件组合试件(图1)，以及辅助部件牺牲阳极3-1、电连接部件3-2和定位绳3-3等。环状支撑机构5固定安装在柱形桩基结构4指定位置处，在环状支撑机构5上安装片状试件支架1，片状试件1-6安装在片状试件支架1上。辅助部件牺牲阳极3-1安装在环状支撑机构5上，电连接部件3-2连接于垂直方向上的片状试件1-6之间，定位绳3-3固定在片状试件支架1上。

环状支撑机构5有圆形(图10)和方形(图11)两种形式。参考图10(图11)，是一种安装在圆柱形(方柱形)桩基上的环状支撑机构的结构示意图。环状支撑机构由半圆形卡箍5-1或半方形卡箍6-1、防滑垫片5-2、试件支架插环5-3、固定法兰5-4、肋板5-5、螺栓螺母紧固件5-6和牺牲阳极3-1等组成，安装在柱形桩基结构4上。环状支撑机构5采用钢材或不锈钢制成，采用钢材制成的环状支撑机构5用防腐涂层保护。半圆形卡箍5-1和半方形卡箍6-1，通过螺栓螺母紧固件5-6，可分别用于固定在圆柱形桩基和方柱形桩基上。肋板5-5焊接在半圆形卡箍5-1(半方形卡箍6-1)和固定法兰5-4上。试件支架插环5-3为方形，用于安插片状试件支架1。半圆形卡箍5-1(半方形卡箍6-1)的内侧安装有防滑垫片5-2，试件支架插环5-3对称分布在四周，数量根据柱形桩基结构4的直径或边长确定。所述防滑垫片5-2由橡胶、硅胶等材料制成。水位变动区、水下区和泥下区的环状支撑机构1-1安装牺牲阳极3-1用于防腐。

参考图1、2、3、4、5，是一种片状试件及片状试件支架的结构示意图。片状试件支架1采用钢材或不锈钢制成，采用钢材制成的片状试件支架1用防腐涂层保护。片状试件支架1由插杆1-1、支撑板1-2、支撑杆1-3、定位板1-4、锁头1-5、片状试件1-6、牺牲阳极/片状试件组合试件1-7、绝缘套管1-8、支撑杆垫片1-9、支撑杆螺母1-10，牺牲阳极试件1-11、固化封装环氧及套圈1-12、牺牲阳极螺栓垫片1-13和牺牲阳极固定螺栓1-14等构成。插杆1-1插入支撑机构的试件支架插环5-3中予以固定，支撑板1-2焊接固定在插杆1-1上，定位板1-4焊接固定在支撑板1-2上用以定位支撑杆1-3位置，支撑杆1-3穿过定位板1-4定位后焊接固定在支撑板1-2上，插杆1-1上配有锁头1-5用于将片状试件支架2-1锁定在环状支撑机构1-1之上。锁头1-5为带有尼龙套的螺杆螺母紧固件构成。牺牲阳极试件1-11通过牺牲阳极螺栓垫片1-13、牺牲阳极固定螺栓1-14固定在片状试件1-6上，牺牲阳极固定螺栓1-14与片状试件1-6接触部位用固化封装环氧及套圈1-12密封。绝缘套管1-8的内套管1-8-b套装在支撑杆1-3上，片状试件1-6、牺牲阳极/片状试件组合试件1-7、绝缘套管1-8的外套管1-8-a间隔套装固定在内套管1-8-b上，并用支撑杆垫片1-9和支撑杆螺母1-10固定。

实施例是一种用于柱形桩基及片状试件的水环境原位暴露试验装置，具体实施过程如下：

(1)通过绝缘套管1-8、支撑杆垫片1-9、支撑杆螺母1-10，牺牲阳极试件1-11、固化封装环氧及套圈1-12、牺牲阳极螺栓垫片1-13和牺牲阳极固定螺栓1-14，将片状试件1-6和牺牲阳极/片状试件1-7组合试件安装在片状试件支架2-1上，并将电连接部件3-2安装在片状试件1-6上，定位绳3-3固定在片状试件支架2-1上，形成试件及试件支架组合体。

(2)将安装完牺牲阳极3-1的环状支撑机构1-1的两片半圆形卡箍5-1(半方形卡箍6-1)放在圆柱形桩基(方柱形桩基)指定位置处，然后将螺栓螺母紧固件5-6拧紧固定，使环状支撑机构1-1固定在桩基指定位置处。

(3)将片状试件及片状试件支架组合体的插杆1-1依次插入环状支撑机构1-1的指定试件支架插环5-3中，然后用锁头1-5锁定插杆1-1。

(4)根据暴露试验周期实施现场取样。取样时，先将指定试件支架插环7处的锁头1-5解锁，然后拔出插杆1-1，将片状试件及支架组合体一并取回，接着拧开支撑杆螺母1-10，最后依次取出片状试件。

参考图6、7、8，是一种块状试件及块状试件支架的结构示意图。所述块状试件支架2-2由竖向支撑杆2-1、斜向支撑杆2-2、横向支撑杆2-3、插杆2-4、试件筐2-3、挡杆2-11等构成，块状试件放置在试件筐2-3中。竖向支撑杆2-1、斜向支撑杆2-2和横向支撑杆2-3构成三角支撑构件，在竖向支撑杆2-1和横向支撑杆2-3交接处配有插杆2-4，插入条状支撑机构1-2的试件支架插环9-2可实现块状试件支架2-2在条状支撑机构1-2上的固定，在竖向支撑杆2-1和斜向支撑杆2-2交接处配有挡杆2-11，挡杆2-11形状与其接触面形状贴合。插杆2-4上配有块状试件支架锁头2-12，用于将块状试件支架2-2锁定在条状支撑机构1-2上。块状试件支架锁头2-12为带有尼龙套的螺杆螺母紧固件构成。横向支撑杆2-3上固定着试件筐2-3。所述试件筐2-3由试件筐体2-5、试件防滑垫条2-6、试件筐锁头2-7、试件筐盖2-8、试件筐铰链杆2-9等组成。试件筐体2-5为镂空结构。

块状试件2-10的现场安设：①先将块状试件支架插杆2-4插入环状支撑机构5的试件支架插环5-3中，并用锁头2-12锁定，随后打开试件筐盖2-8，将块状试件2-10放入试件筐体2-5中，接着锁定试件筐盖2-8。②或者，将组组装形成的试件及试件支架组合体的插杆2-4插入环状支撑机构5的试件支架插环5-3中，并用块状试件支架2的锁头2-12锁定组合体。

根据暴露试验周期实施现场取样：①对于块状试件支架2-2，先将试件筐盖2-8解锁，取回块状试件2-10，然后将试件支架插环9-2处的锁头2-12解锁，拔出试件支架插杆2-4，将试件支架2-2取回。②或者，将试件支架插环处的锁头2-12解锁，拔出试件支架插杆2-4，将试件及支架组合体一并取回。

以上对发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。