CN101482477A - 拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置及测试方法涉及的是一种拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置，主要用于建筑、交通、桥梁、水利、地下工程等领域。该装置包括拉伸装置(1)和电加速氯离子快速渗透装置(2)，哑铃型混凝土试件(13)位于拉伸装置(1)中，哑铃型混凝土试件(13)与电加速氯离子快速渗透装置(2)通过紧固螺栓(3)相连接。测试方法具体为：三个混凝土试件测试抗拉强度，另三个混凝土试件施加规定的轴向拉伸应力；通过四个紧固螺栓(3)与电加速氯离子快速渗透装置(2)的渗透室(17)相连，在左渗透室(171)中注满NaCl溶液，在右渗透室(172)中注满NaOH溶液，连续监测右渗透室内氯离子浓度，直至氯离子浓度增长速度达到恒定，利用Nernst－Plank方程计算氯离子稳态渗透系数。

Description

拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置，属于混凝土耐久性测试技术。主要用于建筑、交通、桥梁、水利、地下工程等领域。

背景技术

我国正处于国民经济高速发展的时期，建设规模空前，混凝土使用量占世界总产量的45％，但是混凝土结构未达到设计年限而过早失效及退出服役的事例频频发生，造成巨大经济损失和人员伤亡。中国工程院调研报告显示，在中国由于钢筋锈蚀引起混凝土结构的直接经济损失高达1000亿元/年。Metha教授对近几十年来国

际上混凝土结构工程耐久性破坏案例进行总结和分析，提出由氯盐渗入到混凝土内部引起钢筋锈蚀是最主要和最重要的耐久性破坏方式。虽然有关氯盐环境下混凝土耐久性的研究已有几十年，但研究工作多是考虑单一氯盐环境作用下的耐久性；然而实事上，在氯盐环境下实际工程混凝土的耐久性应该是在应力与氯离子侵蚀共同作用下运行的，单一因素作用下的耐久性研究难以真实地反映客观实际。因此，根据工程实际中混凝土所处环境和荷载情况，将荷载与氯离子渗透合理组合，系统开展应力作用下混凝土的氯离子渗透行为研究，是当前混凝土学科的重大科学技术难题，目前已引起国际学术界广泛和高度重视，其研究成果将对混凝土结构耐久性设计及其寿命预测产生重要的影响。

考虑到在实际工程中，结构混凝土均是在承载状态下工作和运行的。因此，研究应力作用下混凝土的氯离子渗透行为具有重要的理论研究意义和广泛的工程应用价值，特别是拉伸应力作用下氯离子渗透行为研究对于混凝土结构耐久性设计与施

工非常关键。在建立考虑应力作用下混凝土氯离子渗透试验方法时，有2个关键技术问题必须解决：第一，设计能够对混凝土试件施加准确荷载的试验加载装置；第二，建立能够对加载的混凝土试件进行快速和准确的氯离子渗透试验。

国内外对应力作用下混凝土的耐久性研究较少，综合已有的文献资料不难发现，现有的加载装置均是施加弯曲应力，尚未有直接施加轴向拉伸应力的试验装置。其主要原因有两个：①施加拉伸应力的试验装置设计加工非常困难，较难保证在试验中受拉试样的轴线与拉伸荷载作用线重合，特别容易出现偏心现象，致使试验结果具有很大的离散性；②受拉试样与拉伸夹头在夹持处容易产生应力集中，导致试样在夹持处破坏，而不是在中间拉断。对于氯离子渗透试验国内外进行了大量研究，但大多未考虑应力的影响，这使得测试的氯离子渗透系数与实际服役条件下的情况有较大差异，最终导致寿命预测结果偏差较大。

因此，研制拉应力作用下混凝土渗透系数的测试装置具有重要的应用价值，对于混凝土结构耐久性评价也提供了科学的实验仪器，前景十分广阔。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对现有耐久性测试技术中存在的不足和缺陷，利用弹簧加载原理和传感器技术，通过球形拉杆连接方式，首先研制出一种适用于哑铃型混凝土试件，且能保持长期拉伸过程中无应力松驰、简便小巧的拉伸装置；然后将电加速稳态氯离子渗透实验装置与拉伸状态下混凝土组合起来，实现拉应力作用下氯离子渗透系数快速与准确的测试。

技术方案：本发明涉及的拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置包括拉伸装置和电加速氯离子快速渗透装置，哑铃型混凝土试件位于拉伸装置中，哑铃型混凝土试件与电加速氯离子快速渗透装置通过紧固螺栓相连接。其中，拉伸装置包括：球面螺杆、螺帽、应力传感器、限位板、弹簧、锁紧螺母、上拉板、拉杆、拉伸夹头、哑铃型混凝土试件、球面拉杆、下拉板；拉伸装置中，拉杆的下部与下拉板连接，拉杆的上部穿过上拉板和限位板，上拉板穿在拉杆上通过锁紧螺母固定，螺帽将应力传感器通过球面螺杆压在限位板上，弹簧套在球面螺杆上并位于限位板与上拉板之间，在上拉板与下拉板之间设有上拉伸夹头、下拉伸夹头，上拉伸夹头与球面螺杆的球头部分连接，下拉伸夹头与球面拉杆的球头部分连接，哑铃型混凝土试件位于上拉伸夹头、下拉伸夹头之间，通过拉伸夹头夹持哑铃型混凝土试件。电加速氯离子快速渗透装置包括：稳态直流电源、渗透室、不锈钢网片、橡胶密封圈、氯离子自动分析仪；稳态直流电源的正负极分别与两个不锈钢网片相连，两个不锈钢网片分别插入到左渗透室和右渗透室中，两个橡胶密封圈分别嵌在两个渗透室外侧的凹槽中，氯离子自动分析仪的测试电极插在渗透室内。

所述的拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置的测试方法具体为：

首先取同配比的六个哑铃型混凝土试件作为一组，将每个试件的两个平行侧面磨平，其余面用环氧密封，之后取三个进行直接拉伸实验，获得平均抗拉强度；然后利用拉伸装置对剩余的三个混凝土试件施加轴向拉伸应力；应力施加时采用材料试验机以恒定速率缓慢地对球面螺杆施加拉力直至规定应力比，然后保持该拉力不变，并迅速拧紧螺帽，应力传感器的引线与计算机相连实时监测应力的变化，一旦应力损失超过5％，则拧紧螺帽使之恢复至原始应力值。

加载完毕后将带有加载装置的混凝土试件的两个磨平侧面，通过四个紧固螺栓与电加速氯离子快速渗透装置的渗透室相连，锁紧紧固螺栓使渗透室不渗漏，然后在左渗透室中注满浓度为5％的NaCl溶液，在右渗透室中注满浓度为0.3％的NaOH溶液，并将氯离子自动分析仪中直流稳压电源的正极与插在右渗透室中的不锈钢网片相连，将负极与插在左渗透室中的不锈钢网片相连。打开直流稳压电源的，保持12V电压不变，连续监测右渗透室内氯离子浓度，直至氯离子浓度增长速度

达到恒定。利用Nernst-Plank方程计算氯离子稳态渗透系数 $D=\frac{\mathrm{RLVT}}{Z_{\mathrm{Cl}}\mathrm{F\ΔE}{C}_{0}A}\·\frac{\mathrm{\ΔC}}{\mathrm{\Δt}}$ (式中R-气体常数8.314J/mole·K，L-混凝土试件的厚度m，V-右渗透室体积，T-绝对温度K，Z_Cl，-氯离子电荷数Z_Cl＝1，F-法拉第常数96500C/mol，ΔE-电压V，C₀-初始氯离子浓度mol/l，A-混凝土截面积m²，

-右渗透室氯离子浓度增长速度mol/l·s)。

有益效果：与国内外同类技术相比，该项成果具有以下特色：

1、首次实现了拉伸应力与渗透耦合

通过拉伸装置对哑铃型混凝土试件施加拉应力，然后用紧固螺栓将其与电加速氯离子快速渗透装置相连，锁紧紧固螺栓使渗透室不渗漏，在渗透室中注满渗透溶液，打开稳压电源，用氯离子自动分析仪连续监氯离子渗透情况，直至氯离子渗透速度恒定。

2、拉伸过程中无偏心和应力集中，且应力保持恒定

为了保证所施加的拉力为轴心拉伸荷载，本发明从以下三方面来减小或消除几何偏心：1)采用钢模，加工精细，确保试件成型几何尺寸准确；2)拉伸夹头与两个万向球铰(球形拉杆)相连，通过万向球铰转动来减小或消除偏心；3)拉伸实验正式开始前对试件进行多次预拉。

为了消除应力集中导致试件中间拉断的现象的发生，本发明采用的混凝土试件为哑铃型，端部与中间部分通过弧形过渡，减少了应力集中，避免了试验从夹头处破坏的发生。

本发明专门设计和制作了环形应力传感器，通过球面螺杆安装在弹簧上面，其引线与计算机相连，可实时监测应力变化，在持荷过程中一旦应力损失超过5％，则拧紧螺帽使之恢复至原始应力值。

综合运用传感器技术和电加速渗透技术制备出适用于拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置，国内外尚无此类产品，技术经济效益明显。

附图说明

图1拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置示意图。

图2采用本发明装置实施的案例1的具体结果。

图3拉伸装置示意图。

图4电加速氯离子快速渗透装置。

以上的图中有：拉伸装置1、电加速氯离子快速渗透装置2，紧固螺栓3、球面螺杆4、螺帽5、应力传感器6、限位板7、弹簧8、锁紧螺母9、上拉板10、拉杆11、哑铃型混凝土上拉伸夹头121、下拉伸夹头122、试件13、球面拉杆14、下拉板15、直流稳压电源的16、左渗透室171、右渗透室172、不锈钢网片18、橡胶密封圈19、氯离子自动分析仪20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

进行拉应力作用下混凝土渗透系数测试实验时，首先取同配比的六个哑铃型混凝土试件作为一组，将每个试件的两个平行侧面磨平，其余面用环氧密封，之后取三个进行直接拉伸实验，获得平均抗拉强度；然后利用拉伸装置对剩余的三个混凝土试件施加轴向拉伸应力。应力施加时采用材料试验机以恒定速率缓慢地对球面螺杆施加拉力直至规定应力比，然后保持该拉力不变，并迅速拧紧螺帽。应力传感器的引线与计算机相连实时监测应力的变化，一旦应力损失超过5％，则拧紧螺帽使之恢复至原始应力值。加载完毕后将带有加载装置的混凝土试件的两个磨平侧面，通过四个紧固螺栓与电加速氯离子快速渗透装置的渗透室相连，锁紧紧固螺栓使渗透室不渗漏。然后在左渗透室中注满浓度为5％的NaCl溶液，在右渗透室中注满浓度为0.3％的NaOH溶液，并将氯离子自动分析仪的测试电极插在右渗透室内。将直流稳压电源的正极与插在右渗透室中的不锈钢网片相连，将负极与插在左渗透室中的不锈钢网片相连。打开直流稳压电源的，保持12V电压不变，连续监测右渗透室内氯离子浓度，直至氯离子浓度增长速度达到恒定，如图2所示。

实验1：

混凝土配合比(kg/m³)：水泥-335，砂-750，石子-1300，水-165

按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌混凝土浇到为内模为哑铃型的钢模(端部为100mm×50mm×80mm哑铃，中间部分的宽×厚×长为70mm×50mm×210mm)中，振动台振动30s，在实验室静置24h后脱模，然后将混凝土试件放入标准养护室(温度(20±3℃、相对湿度90％以上)中养护到规定龄期然后取出。将每个试件沿厚度方向的两个平行侧面磨平，其余面用环氧密封，用MTS810实验机对养护好的混凝土试件进行抗拉强度测试，实验时通过控制加载速率为0.001mm/s。据测得抗拉强度，对混凝土试件分别施加0.35应力水平(施加的拉应力/极限抗拉应力)。加载完毕后将带有加载装置的混凝土试件通过四个紧固螺栓与电加速氯离子快速渗透装置的渗透室相连。然后在左渗透室中注满浓度为5％的NaCl溶液，在右渗透室中注满浓度为0.3％的NaOH溶液。打开直流稳压电源的，保持12V电压不变，连续监测右渗透室内氯离子浓度(如图4)，直至氯离子浓度增长速度达到恒定。利用Nernst-Plank方程计算氯离子稳态渗透系数D＝5.4×10^-13m²/s。

Claims (4)

1、一种拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置，其特征在于该装置包括拉伸装置(1)和电加速氯离子快速渗透装置(2)，哑铃型混凝土试件(13)位于拉伸装置(1)中，哑铃型混凝土试件(13)与电加速氯离子快速渗透装置(2)通过紧固螺栓(3)相连接。

2、根据权利要求1所述的拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置，其特征在于拉伸装置(1)中，拉杆(11)的下部与下拉板(15)连接，拉杆(11)的上部穿过上拉板(10)和限位板(7)，上拉板(10)穿在拉杆(11)上通过锁紧螺母(9)固定，螺帽(5)将应力传感器(6)通过球面螺杆(4)压在限位板(7)上，弹簧(8)套在球面螺杆(4)上并位于限位板(7)与上拉板(10)之间，在上拉板(10)与下拉板(15)之间设有上拉伸夹头(121)、下拉伸夹头(122)，上拉伸夹头(121)与球面螺杆(4)的球头部分连接，下拉伸夹头(122)与球面拉杆(14)的球头部分连接，哑铃型混凝土试件(13)位于上拉伸夹头(121)、下拉伸夹头(122)之间，通过拉伸夹头夹持哑铃型混凝土试件(13)。

3、根据权利要求1所述的拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置，其特征在于电加速氯离子快速渗透装置(2)中，稳态直流电源(16)的正负极分别与两个不锈钢网片(18)相连，两个不锈钢网片(18)分别插入到左渗透室(171)和右渗透室(172)中，两个橡胶密封圈(19)分别嵌在两个渗透室外侧的凹槽中，氯离子自动分析仪(20)的测试电极插在渗透室内。

4、一种如权利要求1所述的拉应力作用下混凝土渗透系数测试装置的测试方法，其特征在于，该方法具体为：

首先取同配比的六个哑铃型混凝土试件(13)作为一组，将每个试件的两个平行侧面磨平，其余面用环氧密封，之后取三个进行直接拉伸实验，获得平均抗拉强度；

然后利用拉伸装置(1)对剩余的三个混凝土试件施加轴向拉伸应力；应力施加时采用材料试验机以恒定速率缓慢地对球面螺杆(4)施加拉力直至规定应力比，然后保持该拉力不变，并迅速拧紧螺帽(5)，应力传感器(6)的引线与计算机相连实时监测应力的变化，一旦应力损失超过5％，则拧紧螺帽(5)使之恢复至原始应力值；

加载完毕后将带有加载装置的混凝土试件的两个磨平侧面，通过四个紧固螺栓(3)与电加速氯离子快速渗透装置(2)的渗透室(17)相连，锁紧紧固螺栓(3)使渗透室(17)不渗漏，然后在左渗透室(171)中注满质量浓度为5％的NaCl溶液，在右渗透室(172)中注满质量浓度为0.3％的NaOH溶液，并将氯离子自动分析仪(20)的测试电极插在右渗透室内；

将直流稳压电源的(16)的正极与插在右渗透室(172)中的不锈钢网片(182)相连，将负极与插在左渗透室(171)中的不锈钢网片(181)相连；打开直流稳压电源的(16)，保持12V电压不变，连续监测右渗透室内氯离子浓度，直至氯离子浓度增长速度达到恒定；利用Nernst-Plank方程计算氯离子稳态渗透系数 $D=\frac{\mathrm{RLVT}}{Z_{\mathrm{Cl}}\mathrm{F\Δ}{\mathrm{EC}}_{0}A}\·\frac{\mathrm{\ΔC}}{\mathrm{\Δt}},$ 式中R-气体常数8.314J/mole·K，L-混凝土试件的厚度m，V-右渗透室体积，T-绝对温度K，Z_Cl-氯离子电荷数Z_Cl＝1，F-法拉第常数96500C/mol，ΔE-电压V，C₀-初始氯离子浓度mol/l，A-混凝土截面积m²，

室氯离子浓度增长速度mol/l·s。

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