CN105466833B - 荷载作用混凝土孔结构演化原位监测方法与试验装置 - Google Patents

Abstract

荷载作用混凝土孔结构演化原位监测方法与试验装置，所述的方法包括测定标准浓度盐溶液的电阻率、待测试件预处理、安装加载单元、安装待测混凝土试件及离子迁移单元、测定不同荷载条件下混凝土试件的电阻率，根据Archie方程计算混凝土连通孔隙率，反映混凝土孔结构演化过程；所述的装置包括离子迁移单元、电阻率测定单元、加载单元和数据处理单元；数据处理单元包括信号处理器和中央控制器。本发明的有益效果是：突破了传统测试方法对试样大小的限制，通过对试件施加轴拉荷载，进行荷载作用下混凝土孔结构演化过程的原位监测，测得的混凝土连通孔隙率以及荷载大小与孔隙率的关系更可直接应用于混凝土结构耐久性预测。

Description

荷载作用混凝土孔结构演化原位监测方法与试验装置

技术领域

本发明涉及混凝土孔结构测定技术领域，尤其涉及一种非接触式阻抗法测定受轴拉荷载作用混凝土连通孔隙结构演化的原位监测方法与试验装置。

背景技术

混凝土是一种多孔材料，在土木工程结构中有着广泛的应用。随着全球经济快速发展，建设规模空前，水泥基材料使用量逐年上升，对于经济高速发展的中国尤为突出。我国是一个发展中的大国，正在从事着大规模的基础设施建设，但我国的各种资源和能源并不丰富，因此更需要从战略高度，合理地利用有限的资源，科学地设计出安全、适用又耐久的工程项目，更要尽可能延续现有基础设施的使用寿命。

处于海洋环境、撒除冰盐环境以及工业环境中的钢筋混凝土结构，由于氯盐、水分和氧气通过混凝土的毛细孔到达钢筋表面从而引起钢筋腐蚀，会大大降低混凝土结构的使用寿命。由钢筋锈蚀导致的混凝土结构耐久性问题，已成为国际研究热点问题。据统计，环境对混凝土结构腐蚀破坏造成的损失，有些国家会达到国民生产总值的2％～4％。混凝土中的孔隙分为开口孔、半开口孔和封闭孔。侵蚀介质向混凝土中的传输速度除受环境温湿度影响外，主要取决于混凝土的开口连通孔隙率。准确测定混凝土的连通孔隙率是预测混凝土抵抗侵蚀介质传输能力的关键。如今，混凝土孔隙率的测定通常采用压汞法。压汞法的测定结果容易受汞压力的影响，测得孔隙率通常包括连通孔和部分半连通孔隙，而真正为介质传输提供通道的是连通孔隙。由于受试验技术和压汞原理的限制，测试混凝土的孔隙率，如今的做法是将混凝土破碎，然后取混凝土内的砂浆部分进行压汞试验，而且试样尺寸通常只有黄豆般大小(约直径5mm)。可见，压汞法测试混凝土的孔隙率，实际上是测试砂浆的孔隙率，没有包含粗骨料。实际应用中的钢筋混凝土结构，混凝土必然都是包含粗骨料的。要真实测定混凝土的连通孔隙率，需要包含粗骨料，而要保证混凝土中粗骨料的均匀性，通常试件边长要大于2.5倍骨料粒径，假如粗骨料最大粒径25mm，试件截面边长应该在65mm左右，采用传统测试方法很难做到。

事实上，混凝土是包含粗骨料、细骨料和水泥石基体的三相复合材料，而毛细孔(还有更小的凝胶孔)则主要存在于水泥石基体中。有研究表明，骨料和水泥石的界面过渡区也是孔隙含量较高的区域。如果采用砂浆反映混凝土的孔隙特征，粗骨料的影响不能很好测定，且粗骨料与水泥石基体间的界面过渡区会被忽略。要准确预测混凝土结构的抗介质侵蚀能力，需要准确定量混凝土的连通孔隙率。基于非接触式阻抗法，中国专利授权公告号CN102539928A，授权公告日是2012年7月4日，名称为“应用于分析水泥基材料孔结构的非接触式阻抗测量仪”，提供了一种应用于分析水泥基材料孔结构的非接触式阻抗测量仪，用于测量样品经历物理或化学过程状态变化过程中的阻抗和复电阻率，中国专利授权公告号CN12226824B，授权公告日是2013年7月31日，名称为“高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置与方法”，公开了一种高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置与方法。该两项专利采用无极非接触法分析水泥基材料或混凝土早龄期(通常7天龄期内)的孔结构发展规律，但不能对成熟后(通常28天龄期后)混凝土进行孔结构定量分析。

服役过程中的混凝土结构都是要承受荷载作用的，其中轴拉荷载对混凝土孔结构的影响最明显。荷载作用会使混凝土孔结构特征改变，随着荷载增大还会使混凝土内部产生微裂缝，微裂缝的不断产生会增加混凝土的孔隙连通性、降低混凝土孔隙迂曲度，甚至会增加混凝土的孔隙率，由此导致不同荷载水平下，侵蚀介质向混凝土内部传输性能不同。传统测试方法，如电通量法、RCM法等主要通过在电场作用下氯离子在混凝土孔隙中的快速迁移来半定量分析混凝土中的孔结构特征。由于测试时需要从承受荷载的混凝土构件取芯制样或实验室制得的试件切片制样，实际测试时施加于混凝土的荷载已经卸掉而试验中无法施加荷载，也就无法测得承受荷载状态下混凝土的孔结构特征，更无法采用同一个试块完成不同荷载下混凝土孔结构特征的定量表征。

通常，对混凝土施加轴拉荷载具有较大困难，主要在于对混凝土试件施加轴拉荷载容易出现轴线对中难、加载时容易出现偏心，往往导致试验失败。因此，当前的研究和已有的专利文献中，对材料施加轴拉荷载，通常需要借助于自平衡反力架、千斤顶以及减少偏心的球铰等措施。例如，中国专利公告号CN104330314A，申请公布日是2015年2月4日，名称为“用于超高温陶瓷高温直接拉伸强度测试装置的装夹机构”，中国专利授权公告号CN103175733B，授权公告日是2015年7月2日，名称为“不可压缩材料的直接拉伸试验夹具”，中国专利申请公布号CN103267682A，申请公布日是2013年8月28日，名称为“拉应力与环境耦合作用下材料徐变的测试装置及测试方法”，在混凝土轴拉试验方法上有了很多创新，但是试验装置相对复杂。

因此，研发一种操作简便、能够准确测定混凝土连通孔隙率且能够通过较简便的加载方法对混凝土施加轴拉荷载的试验装置，从而真正实现荷载作用下混凝土孔结构演化的定量表征，具有十分重要的工程价值，可对荷载作用下混凝土孔结构的演化过程进行原位监测，从而进行混凝土材料性能分析和耐久性能预测，对科学研究和工程应用都具有很重要的意义。

发明内容

为了克服现有测定混凝土连通孔隙率实验技术的不足，本发明提供一种稳定性高、操作简便、能够实现轴拉荷载施加、混凝土连通孔隙率测试以及荷载作用下混凝土孔结构演化过程原位监测的试验装置，尤其涉及应用非接触式阻抗技术，轴拉荷载施加方法以及孔结构演化原位监测技术，且适用于测定混凝土的连通孔隙率并评估混凝土的抗侵蚀性能，以解决目前尚无有效方法测定荷载作用下混凝土孔结构演化的原位监测问题。

本发明所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测方法，包括以下步骤：

1)混凝土待测试件的准备：

针对荷载损伤混凝土孔结构演化原位监测试验，浇筑哑铃型试件，将试件养护至设定龄期，在烘箱中干燥至恒重，然后将待测混凝土试件在标准浓度盐溶液中浸泡或真空饱盐至孔隙饱和，所述标准氯化钠溶液的浓度为0.1～2mol/L，将轴拉试件除两个对立侧面待测试区域外的其他区域用环氧树脂或石蜡密封；

2)测定前的准备：

实验前保证标准浓度盐溶液与步骤1)获得的饱盐待测混凝土试件温度相同，将两法兰压盘密封对接，在加液管中灌注标准盐溶液以标定仪器，并确定标准浓度盐溶液的电阻率ρ₀；标定结束后，排掉标准盐溶液，将饱盐待测混凝土试件与橡胶密封圈接触处涂少许凡士林以增加密封性，然后将连接有法兰压盘的加液管与饱盐待测混凝土试件密封紧固成为一个密封整体，重新向加液管中灌注标准盐溶液，试验中选用NaCl溶液，NaCl溶液的浓度为0.1～2mol/L；

3)电阻率ρ测定：

设置数据采集系统的采样频率，数据处理系统从电阻率测定系统中自动采集感应电流和电压，计算程序根据式(1)计算电阻率，并实时显示电阻率变化率曲线，待电阻率变化率随时间的变化曲线接近水平直线时，此时的电阻率值即为混凝土试块在标准盐溶液饱和情况下的电阻率：

式中，ρ为待测试件的电阻率(Ω·m)，V为感应环电压(V)，I为感应环电流(A)，S为待测试件的有效截面面积(m²)，L为待测试件的厚度(m)；

通过对轴拉试件分级施加轴拉荷载，分别记录各级荷载下对应的电阻率；

4)孔隙率φ测定：

根据Archie方程可得电阻率与孔隙率的关系，如式(2)。将其应用到混凝土连通孔隙计算，则通过测定混凝土的电阻率值再由式(2)计算混凝土的连通孔隙率φ：

式中，ρ为混凝土的电阻率(Ω·m)，ρ₀为标准浓度盐溶液的电阻率(Ω·m)，φ为孔隙率，α和m为拟合系数；

根据步骤3)测定的不同电阻率，分别计算不同荷载水平下对应的混凝土连通孔隙率。

按照本发明所述的方法构建的试验装置，其特征在于：包括离子迁移单元、电阻测量单元、加载单元和数据处理单元，所述的离子迁移单元包括两个带通孔的法兰压盘、加液管、补液水槽和对拉螺杆，所述的加液管的每个端口对应一个法兰压盘；所述的加液管的两端口分别从相应的法兰压盘外端面插入其通孔内；两个法兰压盘内端面相对并通过对拉螺杆形成用于夹持待测试件的测试腔，法兰压盘与待测试件之间由橡胶垫圈密封；所述的补液水槽与所述的加液管管路连通；

所述的电阻测量单元包括信号发生器、线圈、磁芯和电流传感器，所述的加液管依次穿过磁芯和电流传感器后与相应的法兰压盘固接；所述的线圈缠绕在所述的磁芯上，并且所述的线圈两端与所述的信号发生器的信号输入端电连；

所述的加载单元包括混凝土轴拉试件、装于混凝土轴拉试件两端的承载钢板、带内螺纹的T型预埋件、承载螺杆和荷载传感器，所述的混凝土轴拉试件设有轴向排布的预留通孔，所述的混凝土轴拉试件两端分别预埋多个T型预埋件，并且所述的T型预埋件的螺纹段指向混凝土轴拉试件外部；所述的承载螺杆贯穿预留通孔，并且在所述承载螺杆两端配置螺帽，所述的螺帽外侧配有承载钢板，所述的T型预埋件的螺纹段与紧固螺栓螺接，保证所述的承载钢板与所述的混凝土轴拉试件端面贴合；所述的荷载传感器安装在所述的混凝土轴拉试件侧壁，所述的荷载传感器的信号输出端与数据处理单元的信号采集器电连；

所述的数据处理单元包括信号采集器、信号处理器和中央控制器，所述的信号采集器的输入端与所述的电流传感器的信号输出端电连，所述的信号发生器的信号输出端、所述的信号采集器的输出端分别与所述的信号处理器的信号输入端电连，所述的信号处理器的信号输出端与所述的中央控制器的相应的端口电连。

加液管为环形结构；加液管上设有进液阀门和排液阀门，其中所述的进液阀门设置在与补液水槽相连的管路连接处，所述的排液阀门设置在加液管的底部；补液水槽通过软管与所述的加液管连通。

法兰压盘上部设有通气孔，其中所述的通气孔一端与所述的通孔连通，另一端与法兰压盘外部连通。

加液管采用非导电类的酚醛塑料、聚氨酯塑料、环氧塑料、不饱和聚酯塑料、有机硅树脂或丙烯基树脂类材料制成。

法兰压盘的通孔为台阶孔，并且所述的法兰压盘的内端面的通孔直径大于外端面的通孔直径，并且所述的通气孔其中一端与靠近所述的法兰压盘的内端面的通孔连通。

对拉螺栓两端穿过法兰压盘上的螺栓连接孔后螺接两个紧固螺帽，其中所述的紧固螺帽采用翼型不锈钢螺帽。

所述的混凝土轴拉试件的预留通孔设置在混凝土轴拉试件的几何形心处，并且保持预留通孔的中心轴与混凝土轴拉伸试件的中心轴重合。

所述的混凝土轴拉试件的两端设有与预留通孔同轴的凹坑，并且凹坑的大小与螺帽匹配；所述的混凝土轴拉试件的两端留有突出翼缘，翼缘与混凝土试件同宽。

所述的承载钢板设置与紧固螺栓一一对应的安装通孔以及与预留通孔对应的预留圆孔，其中所述的预留圆孔设置在承载钢板的几何形心处，预留圆孔周围围着与螺帽匹配的错台；所述的螺帽卡置于混凝土凹坑和承载钢板错台中；所述的承载螺杆的螺杆直径与预留通孔匹配，螺杆两端带有外螺纹，螺杆两端具有供扳手夹持的平行面，两端螺纹方向相反，所述的承载螺杆与所述的螺帽形成自锁结构。

所述的应变计采用应变片、千分表或位移传感器。

本发明中所述离子迁移系统的加液管中注满已知浓度的盐溶液，盐溶液可以由补液水槽补充，法兰上部设置有通气孔，保证加注盐水顺畅且盐水能充满整个加液管截面，试验结束后盐溶液由排液阀门排出。待测试件放置于两个法兰压盘之间，法兰压盘与待测试件之间由橡胶圈密封，用对拉螺杆固定法兰压盘与待测试件。

本发明所使用的橡胶垫圈沿周长方向为圆形断面，橡胶垫圈的直径随法兰压盘大小、待测试件有效截面积而改变，待测试件有效截面尺寸范围为直径50mm～150mm的圆形截面，亦即待测混凝土试块离子通过的有效截面区域为直径50mm～150mm的圆形断面。

本发明中所述离子迁移系统的加液管中注满已知浓度的盐溶液，盐溶液可以由补液水槽补充，法兰上部设置有通气孔，保证加注盐水顺畅且盐水能充满整个加液管截面，试验结束后盐溶液由排液阀门排出。待测试件放置于两个法兰压盘之间，法兰压盘与待测试件之间由橡胶圈密封，用对拉螺杆固定法兰压盘与待测试件。

本发明所述的承载螺杆以及配套的螺帽具有自锁功能，沿某一方向旋转螺杆，两端螺帽可产生推力，试件出现突然断裂时，螺杆两端的螺帽可以锁住断为两截的混凝土试件，避免试件突然断裂分离的危险。本发明所述的螺帽可以卡置于混凝土凹槽和上下承载钢板错台中，旋转螺杆时防止螺帽随螺杆转动。本发明所述的上下承载钢板、紧固螺栓和T型预埋件可以在浇筑混凝土前紧固为整体，作为浇筑混凝土轴拉试件所用模板的端模，可保证T型预埋件精确预埋定位，上下承载钢板和紧固螺栓可以反复使用。本发明所述的荷载传感器采用穿心式传感器，用以反映荷载水平的大小，穿心式传感器通过盖板和螺栓镶嵌于上承载钢板的圆孔中。本发明所述电阻率测定系统，其相关控制电路可利用现有成熟技术实现，主要包括控制线圈的工作电压、测定接收电流传感器的电流值从而根据试件尺寸计算电阻率值，电阻率测定系统与数据处理系统通过信号处理器和中央控制器完成数据存储、后处理和实时显示。

工作原理：通过旋转两端带有反丝细螺纹的承载螺杆使两端螺帽产生施加于上下承载钢板的推力，从而根据需要实现持续或可变轴向拉伸荷载的施加，随荷载改变离子迁移系统的感应电流也不断发生变化，电流传感器将检测到的感应电流送至信号处理器，离子迁移系统中的电压由信号发生器控制；信号处理器按设置频率对信号发生器和信号采集器的数据进行采集并计算分析，所采集数据和计算结果实时储存在中央控制器中，并由显示器实时显示分析计算结果。

本发明的有益效果是：本发明基于非接触式阻抗法，运用电磁感应技术实现非接触无极测定盐水饱和混凝土的电阻率，从而根据理论公式计算得到混凝土的连通孔隙率，突破了传统测试方法对试样大小的限制，从而实现对混凝土试件连通孔隙率的测试，通过对试件施加轴拉荷载，进行荷载作用下混凝土孔结构演化过程的原位监测，测得的混凝土连通孔隙率以及荷载大小与孔隙率的关系更可直接应用于混凝土结构耐久性预测。试验装置具有原理清楚、方法简便、测定速度快和稳定性好等优点，可弥补现有方法与设备不能满足混凝土孔隙率测定尤其是荷载作用下混凝土孔结构演化原位监测技术的不足。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明测试装置的离子迁移系统展开示意图。

图3是本发明的法兰压盘的正视图。

图4是本发明的法兰压盘的侧视图。

图5是本发明的加液管的结构图。

图6为轴拉混凝土加载单元示意图。

图7为轴拉混凝土试件示意图。

图8是承载螺杆及配套螺帽示意图。

图9是上承载钢板示意图。

图10是下承载钢板示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测方法，包括以下步骤：

1)混凝土待测试件的准备：

针对荷载损伤混凝土孔结构演化原位监测试验，浇筑哑铃型试件，将试件养护至设定龄期，在烘箱中干燥至恒重，然后将待测混凝土试件在标准浓度盐溶液中浸泡或真空饱盐至孔隙饱和，所述标准氯化钠溶液的浓度为0.1～2mol/L，将轴拉试件除两个对立侧面待测试区域外的其他区域用环氧树脂或石蜡密封；

2)测定前的准备：

实验前保证标准浓度盐溶液与步骤1)获得的饱盐待测混凝土试件温度相同，将两法兰压盘密封对接，在加液管中灌注标准盐溶液以标定仪器，并确定标准浓度盐溶液的电阻率ρ₀；标定结束后，排掉标准盐溶液，将安装好加载单元的饱盐待测混凝土试件与橡胶密封圈接触处涂少许凡士林以增加密封性，然后将连接有法兰压盘的加液管与饱盐待测混凝土试件密封紧固成为一个密封整体，重新向加液管中灌注标准盐溶液，试验中选用NaCl溶液，NaCl溶液的浓度为0.1～2mol/L；

3)电阻率ρ测定：

设置数据采集系统的采样频率，数据处理系统从电阻率测定系统中自动采集感应电流和电压，计算程序根据式(1)计算电阻率，并实时显示电阻率变化率曲线，待电阻率变化率随时间的变化曲线接近水平直线时，此时的电阻率值即为混凝土试块在标准盐溶液饱和情况下的电阻率：

式中，ρ为待测试件的电阻率(Ω·m)，V为感应环电压(V)，I为感应环电流(A)，S为待测试件的有效截面面积(m²)，L为待测试件的厚度(m)；

通过对轴拉试件分级施加轴拉荷载，分别记录各级荷载大小及其对应的电阻率；

4)孔隙率φ测定：

根据Archie方程可得电阻率与孔隙率的关系，如式(2)。将其应用到混凝土连通孔隙计算，则通过测定混凝土的电阻率值再由式(2)计算混凝土的连通孔隙率φ：

式中，ρ为混凝土的电阻率(Ω·m)，ρ₀为标准浓度盐溶液的电阻率(Ω·m)，φ为孔隙率，α和m为拟合系数；

根据步骤3)测定的不同电阻率，分别计算不同荷载水平下对应的混凝土连通孔隙率。

实施例2

按照实施例1所述的方法构建的试验装置，包括离子迁移单元、电阻测量单元、加载单元和数据处理单元，所述的离子迁移单元包括两个带通孔的法兰压盘1、加液管7、补液水槽10和对拉螺杆5，所述的加液管7的每个端口对应一个法兰压盘1；所述的加液管7的两端口分别从相应的法兰压盘1外端面插入其通孔内；两个法兰压盘内端面相对并通过对拉螺杆5形成用于夹持待测试件11的测试腔，法兰压盘1与待测试件11之间由橡胶垫圈4密封；所述的补液水槽10与所述的加液管7管路连通；

所述的电阻测量单元包括信号发生器28、线圈27、磁芯26和电流传感器29，所述的加液管7依次穿过磁芯26和电流传感器29后与相应的法兰压盘1固接；所述的线圈27缠绕在所述的磁芯26上，并且所述的线圈27两端与所述的信号发生器28的信号输入端电连；

所述的加载单元包括混凝土轴拉试件11、装于混凝土轴拉试件两端的承载钢板(18、19)、带内螺纹的T型预埋件16、承载螺杆13和荷载传感器15，所述的混凝土轴拉试件11设有轴向排布的预留通孔12，所述的混凝土轴拉试件11两端分别预埋多个T型预埋件16，并且所述的T型预埋件16的螺纹段指向混凝土轴拉试件11外部；所述的承载螺杆13贯穿预留通孔，并且在所述承载螺杆两端配置螺帽14，所述的螺帽14外侧配有承载钢板(18、19)，所述的T型预埋件16的螺纹段与紧固螺栓17螺接，保证所述的承载钢板(18、19)与所述的混凝土轴拉试件11端面贴合；所述的荷载传感器15安装在所述的混凝土轴拉试件11侧壁，所述的荷载传感器15的信号输出端与数据处理单元的信号采集器电连；

所述的数据处理单元包括信号采集器30、信号处理器31和中央控制器32，所述的信号采集器30的输入端与所述的电流传感器29的信号输出端电连，所述的信号发生器的信号输出端、所述的信号采集器的输出端分别与所述的信号处理器31的信号输入端电连，所述的信号处理器31的信号输出端与所述的中央控制器32的相应的端口电连。

所述的加液管7为环形结构；所述的加液管7上设有进液阀门8和排液阀门9，其中所述的进液阀门8设置在与补液水槽10相连的管路连接处，所述的排液阀门9设置在加液管7的底部；所述的补液水槽10通过软管与所述的加液管连通。

所述的法兰压盘上部设有通气孔2，其中所述的通气孔2一端与所述的通孔连通，另一端与法兰压盘1外部连通。

所述的加液管7采用非导电类的酚醛塑料、聚氨酯塑料、环氧塑料、不饱和聚酯塑料、有机硅树脂或丙烯基树脂类材料制成。

所述的法兰压盘1的通孔为台阶孔，并且所述的法兰压盘1的内端面的通孔直径大于外端面的通孔直径，并且所述的通气孔2其中一端与靠近所述的法兰压盘1的内端面的通孔连通；所述的对拉螺栓5两端穿过法兰压盘1上的螺栓连接孔3后螺接两个紧固螺帽6，其中所述的紧固螺帽6采用翼型不锈钢螺帽；所述的离子迁移系统的加液管7中注满已知浓度的盐溶液，盐溶液可以由补液水槽10补充，法兰上部设置有通气孔2，保证加注盐水顺畅且盐水能充满整个加液管7截面，试验结束后盐溶液由排液阀门9排出。待测试件放置于两个法兰压盘1之间，法兰压盘1与待测试件11之间由橡胶圈4密封，用对拉螺杆5固定法兰压盘1与待测试件11。

所述的橡胶垫圈4沿周长方向为圆形断面，橡胶垫圈4的直径随法兰压盘1大小、待测试件11有效截面积而改变，待测试件11有效截面尺寸范围为直径50mm～150mm的圆形截面，亦即待测混凝土试块离子通过的有效截面区域为直径50mm～150mm的圆形断面。

所述的混凝土轴拉试件11的预留孔12，沿轴线方向的几何形心留设；所述的混凝土轴拉试件11的两端，在预留孔12位置预留与螺帽大小相同的凹坑；所述的混凝土轴拉试件11的两端留有突出翼缘，翼缘与混凝土试件同宽。

所述的试件11两端预埋带有内螺纹的T型预埋件16。

所述的承载钢板几何形心处预留圆孔22，预留孔22周围带有一定深度的错台23，错台23面积形状与螺帽相同。

所述的承载螺杆13采用耐蚀不锈钢，螺杆直径与混凝土试件预留孔道12匹配，螺杆13两端刻有密螺纹，螺杆两端具有可供扳手夹持的平行面，两端螺纹方向相反。

所述的承载螺杆13以及配套的螺帽14具有自锁功能，沿某一方向旋转螺杆，两端螺帽可产生推力，试件出现突然断裂时，螺杆两端的螺帽14可以锁住断为两截的混凝土试件11，避免试件突然断裂分离的危险。

所述的螺帽14可以卡置于混凝土凹槽和上下承载钢板错台23中，旋转螺杆13时防止螺帽14随螺杆转动。

所述的上承载钢板18、下承载钢板19、紧固螺栓17和T型预埋件16可以在浇筑混凝土前紧固为整体，作为浇筑混凝土轴拉试件所用模板的端模，可保证T型预埋件16精确预埋定位，上下承载钢板和紧固螺栓17可以反复使用。

所述的荷载传感器15采用穿心式传感器，用以反映荷载水平的大小，穿心式传感器通过盖板20和螺栓21镶嵌于上承载钢板18的圆孔24中。

所述电阻率测定系统，其相关控制电路可利用现有成熟技术实现，主要包括控制线圈的工作电压、测定接收电流传感器的电流值从而根据试件尺寸计算电阻率值，电阻率测定系统与数据处理系统通过信号处理器和中央控制器完成数据存储、后处理和实时显示。

实施例3下面以测定水灰比0.53、配合比为水泥:水:砂子:粗骨料＝1:0.53:2.0:3.0的混凝土在轴向拉伸荷载作用下混凝土连通孔隙率原位监测为例，对本发明的工作做具体说明。

该实施例拌制混凝土的原材料为：水泥为P.I 525级波特兰水泥，砂采用细度模数2.6的河砂，粗骨料采用连续级配的碎石(最大粒径25mm)，水采用自来水。在标准模具中浇筑轴拉混凝土试件有效截面尺寸为100mm×100mm，翼缘突出长度为50mm，翼缘边缘高度100mm，试件长度800mm，在混凝土试件两端各预埋8个T型预埋件，试件中心预留直径26mm的预留孔，浇筑成型后在养护室中标准养护28d，然后在烘箱中烘干至恒重。将欲加载的轴拉混凝土试件11除一个侧面外，其余三个侧面用热熔石蜡填孔密封，在0.5mol/L的NaCl溶液中浸泡使混凝土饱水。

在轴拉混凝土试件11的预留孔12中穿过承载螺杆13，螺杆两端拧上螺帽14，通过旋转螺杆13使两端螺帽14嵌入混凝土试件两端的凹坑，安装上承载钢板18和下承载钢板19，使螺帽14突出混凝土试件11部分嵌入承载钢板的凹坑23，紧固螺栓17穿过承载钢板的孔25与T型预埋件16连接拧紧，保证两端16根紧固螺栓17拧紧扭矩相同。安装穿心式荷载传感器15并安装封装钢板20，拧紧螺栓21。

实验前将配制好的0.5mol/L的NaCl溶液与试验装置、混凝土试件置于恒温的室内环境中，以保证温度一致。

将进液阀门8和排液阀门9关闭，在补液水槽10中灌注2/3水位高度的室温0.5mol/L的NaCl溶液。将两法兰压盘1对接，并采用对拉螺杆5和翼形螺帽6紧固法兰1，使加液管7在法兰压盘1对接后形成一个完整的环形，法兰压盘1之间由橡胶圈4确保密封。打开进液阀门8，使NaCl溶液完全填充加液管7，直至通气孔2将要有NaCl溶液流出为止，迅速关闭进液阀门8。

通过中央控制器32设置试验电压为1V，采样频率为1Hz，信号处理器31的采集结果通过中央控制器32实时显示，数据稳定后由下式确定该NaCl溶液的电阻率；

式中，ρ为待测试件的电阻率(此处为预配置的NaCl溶液，浓度为0.5mol/L)，V为感应环电压，I为感应环电流，S为待测试件的有效截面面积(此处为加液管截面积)，L为待测试件的厚度(此处为圆管周长)。

计算确定0.5mol/L的NaCl溶液的电阻率ρ₀为0.16462Ω·m(实验室温度为20℃)。记录数据后停止采样，打开排液阀门9排净加液管7中的NaCl溶液，松开翼形螺帽6，将混凝土试件11在预计接触橡胶圈4的位置涂少许凡士林，增加密封性，将混凝土试件11按照图1固定在法兰压盘1之间。

关闭排液阀门9，打开进液阀门8使NaCl溶液重新灌注满加液管7及法兰压盘1与待测试件11之间的所有空隙，关闭进液阀门8。通过旋转承载螺杆13使螺帽14产生外推力，根据荷载传感器15的读数控制轴拉荷载分别为0、5kN、10kN、15kN，重复上述测定电阻率的步骤，测定采用同一个试件原位测定不同荷载水平下混凝土的电阻率ρ分别为2.91525Ω·m、2.79443Ω·m、2.55125Ω·m、2.27611Ω·m。

根据Archie方程可得电阻率与孔隙率的关系，根据下式计算混凝土的连通孔隙率。

式中，ρ为混凝土的电阻率，ρ₀为标准浓度盐溶液的电阻率，φ为孔隙率，α和m为拟合系数，α取2，m取1.3。

根据上式计算得4种荷载水平下混凝土试件的连通孔隙率为18.7％、19.3％、20.7％和22.6％。

试验结束后，先打开排液阀门9，待环形圆管7中的溶液全部排尽后，取下待测试件11。

具体实现时，本发明对具体的器件型号不做限制，只要能完成上述功能的元器件均可。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.荷载作用混凝土孔结构演化原位监测装置，其特征在于：包括离子迁移单元、电阻测量单元、加载单元和数据处理单元，所述的离子迁移单元包括两个带通孔的法兰压盘、加液管、补液水槽和对拉螺杆，所述的加液管的每个端口对应一个法兰压盘；所述的加液管的两端口分别从相应的法兰压盘外端面插入其通孔内；两个法兰压盘内端面相对并通过对拉螺杆形成用于夹持待测试件的测试腔，法兰压盘与待测试件之间由橡胶垫圈密封；所述的补液水槽与所述的加液管管路连通；

所述的电阻测量单元包括信号发生器、线圈、磁芯和电流传感器，所述的加液管依次穿过磁芯和电流传感器后与相应的法兰压盘固接；所述的线圈缠绕在所述的磁芯上，并且所述的线圈两端与所述的信号发生器的信号输入端电连；

所述的加载单元包括混凝土轴拉试件、装于混凝土轴拉试件两端的承载钢板、带内螺纹的T型预埋件、承载螺杆和荷载传感器，所述的混凝土轴拉试件设有轴向排布的预留通孔，所述的混凝土轴拉试件两端分别预埋多个T型预埋件，并且所述的T型预埋件的螺纹段指向混凝土轴拉试件外部；所述的承载螺杆贯穿预留通孔，并且在所述承载螺杆两端配置螺帽，所述的螺帽外侧配有承载钢板，所述的承载螺杆的螺杆直径与预留通孔匹配，螺杆两端带有外螺纹，承载螺杆两端具有供扳手夹持的平行面，两端螺纹方向相反，所述的承载螺杆与所述的螺帽形成自锁结构，所述的T型预埋件的螺纹段与紧固螺栓螺接，保证所述的承载钢板与所述的混凝土轴拉试件端面贴合；所述的荷载传感器安装在所述的混凝土轴拉试件侧壁，所述的荷载传感器的信号输出端与数据处理单元的信号采集器电连；

所述的数据处理单元包括信号采集器、信号处理器和中央控制器，所述的信号采集器的输入端与所述的电流传感器的信号输出端电连，所述的信号发生器的信号输出端、所述的信号采集器的输出端分别与所述的信号处理器的信号输入端电连，所述的信号处理器的信号输出端与所述的中央控制器的相应的端口电连。

2.如权利要求1所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测装置，其特征在于：加液管为环形结构；加液管上设有进液阀门和排液阀门，其中所述的进液阀门设置在与补液水槽相连的管路连接处，所述的排液阀门设置在加液管的底部；补液水槽通过软管与所述的加液管连通。

3.如权利要求1所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测装置，其特征在于：法兰压盘上部设有通气孔，其中所述的通气孔一端与所述的通孔连通，另一端与法兰压盘外部连通。

4.如权利要求2所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测装置，其特征在于：加液管采用非导电类的酚醛塑料、聚氨酯塑料、环氧塑料、不饱和聚酯塑料、有机硅树脂或丙烯基树脂类材料制成。

5.如权利要求3所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测装置，其特征在于：法兰压盘的通孔为台阶孔，并且所述的法兰压盘的内端面的通孔直径大于外端面的通孔直径，并且所述的通气孔其中一端与靠近所述的法兰压盘的内端面的通孔连通。

6.如权利要求5所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测装置，其特征在于：对拉螺栓两端穿过法兰压盘上的螺栓连接孔后螺接两个紧固螺帽，其中所述的紧固螺帽采用翼型不锈钢螺帽。

7.如权利要求1所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测装置，其特征在于：所述的混凝土轴拉试件的预留通孔设置在混凝土轴拉试件的几何形心处，并且保持预留通孔的中心轴与混凝土轴拉伸试件的中心轴重合。

8.如权利要求7所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测装置，其特征在于：所述的混凝土轴拉试件的两端设有与预留通孔同轴的凹坑，并且凹坑的大小与螺帽匹配；所述的混凝土轴拉试件的两端留有突出翼缘，翼缘与混凝土试件同宽。

9.如权利要求8所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测装置，其特征在于：所述的承载钢板设置与紧固螺栓一一对应的安装通孔以及与预留通孔对应的预留圆孔，其中所述的预留圆孔设置在承载钢板的几何形心处，预留圆孔周围围着与螺帽匹配的错台；所述的螺帽卡置于混凝土凹坑和承载钢板错台中。

10.利用权利要求1所述荷载作用混凝土孔结构演化原位监测装置对荷载作用下混凝土孔结构的演化过程进行原位监测的方法，包括以下步骤：

1)混凝土待测试件的准备：

针对荷载损伤混凝土孔结构演化原位监测试验，浇筑哑铃型试件，将试件养护至设定龄期，在烘箱中干燥至恒重，然后将待测混凝土试件在标准浓度盐溶液中浸泡或真空饱盐至孔隙饱和，此处标准浓度盐溶液采用标准氯化钠溶液，标准氯化钠溶液的浓度为0.1～2mol/L，将轴拉试件除两个对立侧面待测试区域外的其他区域用环氧树脂或石蜡密封；

2)测定前的准备：

实验前保证标准浓度盐溶液与步骤1)获得的饱盐待测混凝土试件温度相同，将两法兰压盘密封对接，在加液管中灌注标准盐溶液以标定仪器，并确定标准浓度盐溶液的电阻率ρ₀；标定结束后，排掉标准盐溶液，将饱盐待测混凝土试件与橡胶密封圈接触处涂少许凡士林以增加密封性，然后将连接有法兰压盘的加液管与饱盐待测混凝土试件密封紧固成为一个密封整体，重新向加液管中灌注标准盐溶液，试验中选用NaCl溶液，NaCl溶液的浓度为0.1～2mol/L；

3)电阻率ρ测定：

设置数据采集系统的采样频率，数据处理系统从电阻率测定系统中自动采集感应电流和电压，计算程序根据式(1)计算电阻率，并实时显示电阻率变化率曲线，待电阻率变化率随时间的变化曲线接近水平直线时，此时的电阻率值即为混凝土试块在标准盐溶液饱和情况下的电阻率：

<mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>V</mi> <mi>I</mi> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mi>S</mi> <mi>L</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，ρ为待测试件的电阻率,单位是：Ω·m；V为感应环电压,单位是：V；I为感应环电流,单位是：A；S为待测试件的有效截面面积,单位是：m²；L为待测试件的厚度,单位是：m；

通过对轴拉试件分级施加轴拉荷载，分别记录各级荷载下对应的电阻率；

4)孔隙率φ测定：

根据Archie方程可得电阻率与孔隙率的关系，如式(2)；将其应用到混凝土连通孔隙计算，则通过测定混凝土的电阻率值再由式(2)计算混凝土的连通孔隙率φ：

<mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mfrac> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mn>0</mn> </msub> <msup> <mi>&amp;phi;</mi> <mi>m</mi> </msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，ρ为混凝土的电阻率,单位是：Ω·m，ρ₀为标准浓度盐溶液的电阻率,单位是：Ω·m，φ为孔隙率，α和m为拟合系数；

根据步骤3)测定的不同电阻率，分别计算不同荷载水平下对应的混凝土连通孔隙率。