CN101726439A - 压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法及其装置。该方法通过预应力方式对试件施加恒定压应力，通过匹配密封装置提供特定化学腐蚀作用，其既可以对混凝土施加拉力又可以同时施加常见化学作用。通过压力传感器实施监测混凝土内部应力，通过二次张拉预应力以维持压应力恒定，在混凝土试件中部配套密封装置提供化学作用，避免化学介质对加载装置的腐蚀作用，密封箱中可以提供碳化、硫酸盐侵蚀、碱集料反应、氯离子侵蚀、溶蚀一种或多种化学侵蚀环境。该装置为串状结构，可以同时方便为多个混凝土试件施加不同条件压应力-化学耦合作用。

Description

压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法及其装置

技术领域

本发明涉及到压应力-化学耦合作用下混凝土性能试验装置，尤其是一种既能使混凝土处于持续受恒定压力状态，又能提供碳化、碱集料反应、硫酸盐侵蚀、溶蚀、氯盐侵蚀等一种或多种化学作用的方法及试验装置。

背景技术

目前，混凝土的耐久性研究大都是针对单一化学作用进行的，而实际工程中几乎所有的混凝土结构都是在承受力学荷载同时承受化学腐蚀作用，力学荷载会造成混凝土内部损伤，混凝土内部损伤加速侵蚀性介质侵蚀速度，从而加速化学破坏进程，而化学破坏作用又造成混凝土强度及刚度降低，进一步增加力学作用引起损伤，化学作用与力学作用相互耦合，加速混凝土的劣化进程，因此研究混凝土在应力-化学耦合作用下性能具有重要意义。

国内外开展相对较多的是弯曲荷载-化学耦合作用下混凝土性能试验，压应力-化学耦合作用下混凝土性能研究相对较少，少量的研究也是针对短期压应力损伤后混凝土在化学作用下性能，很少有研究涉及长期力学-化学耦合作用下混凝土，造成这种状况的主要原因在于缺乏能提供长期压应力荷载和化学耦合作用试验装置。传统压应力加载方法有液压加载、重物加载和杠杆加载和弹簧加载。液压加载不能提供长期稳定荷载，且装置成本高；重物加载和杠杆加载所能提供的应力水平太低，不能满足压应力-化学耦合作用混凝土性能试验要求，且试验场地大，成本高；弹簧加载所能提供荷载也较小。

发明内容

为了解决现有技术中存在的无法在持续的压应力状态下研究混凝土化学腐蚀特性的缺点，本发明提供了一种压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法及其装置，可以在长期恒定压力作用下测试化学腐蚀作用对混凝土性能的影响。

本发明的技术方案为：一种压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法，步骤为：

第一步，制作混凝土试件：按实验要求制备圆柱体或长方体混凝土试件，成型时在混凝土试件中心预留孔道，试件两端预置两块中心预留孔洞的钢板，钢板上的预留孔洞与试件中心预留孔道截面大小相同，钢板厚20mm，在温度20±3℃环境中成型，成型后洒水密封养护至实验设定加载龄期；

第二步，混凝土试件预应力加载：将高强精轧螺纹钢筋穿过试件中心预留孔道，一端放上锚固垫板后将螺帽上紧，另一端在锚固垫板与螺帽之间放置索锚压力传感器后，采用后张法预应力将钢筋张拉至实验设定应力，然后旋紧螺帽，通过压力传感器监测混凝土内部应力，把试件上不要进行腐蚀试验的部分套上密封橡胶套；

第三步，拼装不锈钢密封箱：把一个或几个待测试试件置于一个密封箱中，试件露在密封箱外的端部置于试件支座上，使组装后的密封箱悬空，将密封箱完全封闭；

第四步，注入腐蚀介质：打开密封箱上下端阀门，通过密封装箱上进液/气孔注入实验用腐蚀介质，根据试件所需要的腐蚀时间长短控制取下试件上密封橡胶套的时间；

第五步，预应力补张：当压力传感器监测到钢筋预应力损失超过设定值时，将密封箱下部的排空阀门打开，放出腐蚀介质，吊出试件，进行二次补张，补张完毕混凝土试件内部应力达到设定值后再放入密封箱中，重新充入腐蚀介质继续实验。

所述的腐蚀介质为二氧化碳气体，氢氧化钠、硫酸钠、硝酸铵、氯化钠、氯化镁溶液中的一种或多种的任意比混合物。

所述的压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法中使用的密封箱，密封箱为上下可分离式箱体，在密封箱的左右两个端面上对应设有两个与试件截面形状、大小相配合的孔洞，在孔洞的边缘设有密封橡胶，在密封箱的所有接缝处也都设有密封橡胶，在密封箱上还设有一个进液/气孔，在密封箱的下部设有一个排空阀，在密封箱的上部设有一个进液/气阀。

所述的压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法中使用的密封箱，所述的密封箱上下可分离式箱体，结构为前后两面、上下两面为整块矩形钢板，左右两面分别为两块钢板拼装成，左右两面的钢板拼装后中间为一个与试件截面形状、大小相配合的孔洞，箱体的各个面之间通过三角钢、螺栓拼装，接缝中间使用密封橡胶密封。

实验原理：成型待测配合比的混凝土时，在试件中心预留一定直径孔洞，养护至待测龄期后，在孔洞中穿高强精轧螺纹钢筋，采用后张法对混凝土施加压应力，根据所需要对混凝土施压应力水平确定张拉应力，在锚具和垫片间放置索锚压力传感器实时监测钢筋内部应力，根据应力平衡原理计算混凝土内部应力，当内部应力降低指预定阈值时采取二次张力维持混凝土内部应力恒定。采用不锈钢材料制作密封箱，将试件中心部分套住，在密封箱中提供研究所需特定浓度化学介质，密封箱为中心预留尺寸略大于试件截面孔洞，密封箱由不同面拼装而成，待试件放至密封装置预留孔道后，将上部拼装完整，所有试件与密封装置接触，及密封装置内部连接地方垫上密封橡胶，通过螺栓压紧密封橡胶从而达到密封效果，另外同时采用外部密封措施。另外在密封装置上下表面各留一个阀门以供调整化学介质。由于在同一套装置上可以为多个试件同时加载，这样可以显著降低试验成本。

有益效果：

1.本发明提供的一种压应力-化学耦合作用下混凝土水性能试验装置，既可以对混凝土施加持续的压力，又可以提供不同化学腐蚀环境，可以很方便的进行压应力-化学耦合作用下混凝土性能试验。

2.通过后张预应力加载方式对混凝土进行施加恒定压应力，通过张拉应力不同可以调整混凝土压应力水平，本加载方式占空间小，且经济成本显著低于其他加载方式。

3.在锚具下放置压应力传感器实时监测钢筋应力，从而进一步计算出混凝土内部压应力随时间变化，通过二次张拉预应力钢筋，保持混凝土内部压应力恒定。

4.采用后张法预应力钢筋对混凝土进行加载，可以将不同试件串在一起，同时加载，可以很方便、准确实现不同配合比或者不同腐蚀介质下混凝土性能试验的对比。

5.通过在试件中部施加密封橡胶套，避免化学介质对钢筋及锚具的腐蚀，并且通过密封橡胶套的使用，可以将试件上不同部位进行密封，将试件放入充满腐蚀介质的密封箱中，通过控制密封橡胶套的取下时间，可以很方便实现对同一试件的不同部位提供不同长度的腐蚀时间，也可以同时对多个不同部位上带有密封橡胶套的试件实现不同程度化学作用。

6.密封装置部分由8块钢板拼装而成，形状上为棱柱体中心留一棱柱体空心，上下两面、两侧面各为一块钢板，前后两面各由两块钢板拼装而成。在上下面上各留一个阀门，用于注入和放出腐蚀介质。

7.在密封装置所有连接地方垫密封橡胶，通过螺栓，提高密封装置的密封效果。

8.通过在密封装置中提供不同溶液，本装置可以实现压应力-碳化耦合、压应力-硫酸盐侵蚀耦合、压应力-碱集料反应耦合、压应力-氯盐侵蚀耦合、压应力-溶蚀耦合，及压应力-多种化学作用耦合下混凝土性能试验。

所以作者设计一种既可以长时间保持压应力又可以长时间提供不同化学腐蚀作用的技术性好且经济的装置。该装置可以同时提供长期恒定的压力作用和化学腐蚀作用，而且可以根据需要方便调整压应力水平和化学作用水平

附图说明

图1本发明的压应力-化学耦合作用下混凝土性能试验装置示意图。

图2本发明的压应力-化学耦合作用下混凝土性能中使用的试件未和密封箱装配的示意图。

其中，1为螺帽，2为试件，3为密封箱，4为垫板，5为压力传感器，6为支座，7为高强精轧螺纹钢筋，8为密封橡胶套。

具体实施方式

实施例1

第一步，钢筋强度要求的计算：

假定混凝土的截面A，本例中取100×100mm²，则预留孔道直径越小对混凝土试件受压时性能影响越小，假定钢筋直径为D，按照最大加载荷载为P，截面内平均应力为σ×A，本例中取400KN计算，则钢筋的抗拉强度设计值f必须大于

若钢筋直径为25mm，则有

$f>\frac{P}{\mathrm{\π}{D}^2/4}=400000/(3.14*25*25/4)=816\mathrm{MPa}$

若钢筋直径为32mm，则钢筋的抗拉强度设计值f必须大于

$f>\frac{P}{\mathrm{\π}{D}^2/4}=400000/(3.14*32*32/4)=497\mathrm{MPa}$

若钢筋直径继续增加，则试件中心预留孔道直径也相应增加，过大的孔道对于混凝土截面上受力影响过大，因此钢筋直径不宜过大，在能满足荷载要求的情况下越小越好。一般精轧螺纹钢筋的屈服强度设计值最高为1080MPa，因此在本例中取直径25mm精轧螺纹钢筋即可满足要求，实际钢筋直径根据所需加载荷载确定，如表1。

表1荷载及钢筋直径选择

荷载P(KN)	100	200	300	400	500	600
							热处理高强钢筋适宜直径D(mm)	20	20	25	25	32	32

第二步，试件长度及稳定性计算

构件长度主要由稳定性条件限制，在满足稳定性要求基础上，长度越大，试件预应力损失越小。在张拉过程中，试件可以认为是一端固定一端自由的约束形式，此类约束的压杆的临界应力σ_cr为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cr}}=\frac{F_{\mathrm{cr}}}{A}=\frac{{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{A{\left(\mathrm{\μl}\right)}^2}=\frac{{\mathrm{\π}}^{2}E}{{\mathrm{\λ}}^2}=\frac{{\mathrm{\π}}^{2}E}{12{\mathrm{\μ}}^2}{\left(\frac{a}{l}\right)}^2=\frac{9.86E}{48}{\left(\frac{a}{l}\right)}^2$

其中：μ为长度引述，是与端部约束条件有关的系数，本装置在加载过程中可以认为是一端固定一端自由的形式，μ＝1；F_cr为临界拉力；λ为柔度；I为截面的最小形心主轴惯性矩；E为混凝土的弹性模量，σ为混凝土内部应力，π为圆周率。

保持压杆稳定性保持的临界长细比(l/a)_cr为：

第三步，成型混凝土试件：试件2尺寸根据高强精轧螺纹钢筋7的应力水平及构件临界长径比确定，按实验要求制备圆柱体或长方体混凝土试件，成型时在混凝土试件中心预留孔道，试件两端预置两块中心预留孔洞的钢板，钢板上的预留孔洞与试件中心预留孔道截面大小相同，钢板厚20mm，在温度20±3℃环境中成型，成型后洒水密封养护至实验设定加载龄期；在本例中混凝土截面A取100×100mm²，混凝土弹性模量E取36GPa，试件尺长度l为1800mm，采用100×100×1800mm³木模成型混凝土试件2，在试件2中心预留直径为30mm孔。

第四步，预应力加载：当混凝土试件2养护至目标龄期后，将高强精轧螺纹钢筋7穿过试件2中心预留孔道，一端放上锚固垫板4后将螺帽1上紧，另一端在锚固垫板4与螺帽1之间放置索锚压力传感器5后，采用后张法预应力将钢筋张拉至实验设定应力，然后旋紧螺帽1，通过压力传感器5监测混凝土内部应力，本例中混凝土标准养护7天，张拉时预应力钢筋控制张拉应力为690KN。

第五步，拼装不锈钢密封箱3：把一个或几个待测试试件置于一个密封箱中，试件露在密封箱外的端部置于试件支座上，使组装后的密封箱悬空拼装密封箱底面、两侧面及前端部下半部分，在连接地方预垫密封橡胶，将密封箱完全封闭。

第六步，密封试件接触部分，在试件2与密封箱3接触部分围上密封橡胶，将试件上不要进行腐蚀试验的部分也套上密封橡胶套8。

第七步，放置预应力加载试件：放置两个试件支座，并将密封箱垫起一定高度，以保证试件放置在密封箱内室后自重大部分由支座承担。将试件放置在密封箱预留孔道上，并通过支座调整试件高度。

第八部，将密封箱端面的上部分钢板拼装进装置，然后将上面板拼装上去。旋转所有螺栓，压紧密封橡胶板。

第九步，注入腐蚀介质，打开密封箱上下端阀门，通过密封箱上面板预留的进液/气孔注入特定浓度的实验用腐蚀介质，本装置中可以进行的化学作用为碳化(中性化)、碱集料反应、硫酸盐腐蚀、溶蚀及氯离子侵蚀，可在装置中通入相应侵蚀性介质二氧化碳气体，氢氧化钠、硫酸钠、硝酸铵、氯化钠、氯化镁溶液中一种或多种，以提供不同侵蚀环境。可以根据试件所需要的腐蚀时间长短控制取下试件上密封橡胶套的时间，当试件上有的部分或者同时放入几个试件一起进行试验时，将需要短时间腐蚀的部位的密封橡胶套8就晚一些取下，或者先腐蚀，等达到设定的腐蚀时间后再套上密封橡胶套8都是可以的。

第十步，预应力补张：当压力传感器监测到钢筋预应力损失超过预定值时，将密封箱下端的排空阀门打开，放出腐蚀介质，拆开密封箱上部分，吊出试件，进行二次补张，补张完毕后混凝土试件内部应力达到设定值后再放入密封箱中，重新充入腐蚀介质继续实验。

所述的压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法中使用的密封箱，密封箱为上下可分离式箱体，在密封箱的左右两个端面上对应设有两个与试件截面形状、大小相配合的孔洞，在孔洞的边缘设有密封橡胶，在密封箱的所有接缝处也都设有密封橡胶，在密封箱上还设有一个进液/气孔，在密封箱的下部设有一个排空阀，在密封箱的上部设有一个进液/气阀。

所述的压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法中使用的密封箱，所述的密封箱上下可分离式箱体，结构为前后两面、上下两面为整块矩形钢板，左右两面分别为两块钢板拼装成，左右两面的钢板拼装后中间为一个与试件截面形状、大小相配合的孔洞，箱体的各个面之间通过三角钢、螺栓拼装，接缝中间使用密封橡胶密封。

Claims (5)

1.一种压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法，其特征在于，步骤为：

第一步，制作混凝土试件：按实验要求制备圆柱体或长方体混凝土试件，成型时在混凝土试件中心预留孔道，试件两端预置两块中心预留孔洞的钢板，钢板上的预留孔洞与试件中心预留孔道截面大小相同，钢板厚20mm，在温度20±3℃环境中成型，成型后洒水密封养护至实验设定加载龄期；

第二步，混凝土试件预应力加载：将高强精轧螺纹钢筋穿过试件中心预留孔道，一端放上锚固垫板后将螺帽上紧，另一端在锚固垫板与螺帽之间放置压力传感器后，采用后张法预应力将钢筋张拉至实验设定应力，然后旋紧螺帽，通过压力传感器监测混凝土内部应力，把试件上不要进行腐蚀试验的部分套上密封橡胶套；

第三步，拼装不锈钢密封箱：把一个或几个待测试试件置于一个密封箱中，试件露在密封箱外的端部置于试件支座上，使组装后的密封箱悬空，将密封箱完全封闭；

第四步，注入腐蚀介质：打开密封箱上下端阀门，通过密封装箱上进液/气孔注入实验用腐蚀介质；

第五步，预应力补张：当压力传感器监测到钢筋预应力损失超过设定值时，将密封箱下部的排空阀门打开，放出腐蚀介质，吊出试件，进行二次补张，补张完毕混凝土试件内部应力达到设定值后再放入密封箱中，重新充入腐蚀介质继续实验。

2.如权利要求1所述的压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法，其特征在于，所述的腐蚀介质为二氧化碳气体，氢氧化钠、硫酸钠、硝酸铵、氯化钠、氯化镁溶液中的一种或多种的任意比混合物。

3.如权利要求1所述的压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法，其特征在于，第四步中注入腐蚀介质后，根据试件所需要的腐蚀时间长短控制取下试件上密封橡胶套的时间。

4.如权利要求1所述的压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法中使用的密封箱，其特征在于，密封箱为上下可分离式箱体，在密封箱的左右两个端面上对应设有两个与试件截面形状、大小相配合的孔洞，在孔洞的边缘设有密封橡胶，在密封箱的所有接缝处也都设有密封橡胶，在密封箱上还设有一个进液/气孔，在密封箱的下部设有一个排空阀，在密封箱的上部设有一个进液/气阀。

5.如权利要求4所述的压应力-化学耦合作用下混凝土性能测试方法中使用的密封箱，其特征在于，所述的密封箱上下可分离式箱体，结构为前后两面、上下两面为整块矩形钢板，左右两面分别为两块钢板拼装成，左右两面的钢板拼装后中间为一个与试件截面形状、大小相配合的孔洞，箱体的各个面之间通过三角钢、螺栓拼装，接缝中间使用密封橡胶密封。

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