CN105866007B - 持续荷载作用下混凝土毛细吸水测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是为了解决现有测试系统难以实现对混凝土施加持续荷载和毛细吸水的耦合作用过程。本发明公开了一种持续荷载作用下混凝土表面毛细吸水率的测试装置及其测试方法。测试装置包括供水单元、水平观测单元、中空试件单元和钢板。测试方法包括密封中空试件上下两端，与供水单元水管和观测单元连接并密封固定处理；调节观测管水平后施加持续荷载并注水；记录观测管内水柱位置初始值及随时间的变化。该方法操作简单、装置构造巧妙，实现了持续荷载作用下混凝土累积吸水过程的实时、连续地精确测量，基于规定时间和荷载作用下测量得到的累积毛细吸水曲线，可开展混凝土材料在持续荷载作用下的毛细吸水率测试研究及实际工程结构的耐久性评估。
Description
技术领域
本发明属于混凝土材料耐久性检测技术领域，具体涉及一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测试装置及其测试方法。
背景技术
对于任何一种劣化过程而言，造成混凝土膨胀、开裂甚至剥落，都离不开水的作用。几乎所有影响混凝土结构耐久性的物理和化学过程都涉及水在混凝土孔隙和裂缝中的传输和分布。另外水也是侵蚀性介质(如氯离子)迁移、扩散进入混凝土内部的载体。特别是非饱和状态下，由毛细作用产生的吸水过程，成为水分和水溶性介质进入混凝土内部的主要机理。因此，近年来吸水率(Sorptivity)成为表征混凝土耐久性能的重要指标，其主要与材料自身的孔隙结构及其分布密切相关。然而，实际工程中混凝土往往承受着低应力水平的持续荷载和环境因素(干湿循环、冻融循环、碳化等)的耦合作用，因此，研究持载作用下损伤混凝土的毛细吸水影响机理和分布规律，是准确开展混凝土结构耐久性评估和使用寿命预测的重要前提和基础。
由于同时实现加载和介质传输过程耦合试验的困难，受试验条件的制约，关于荷载作用对混凝土内水分传输的影响机理和分布规律的研究，大都局限于遭受荷载作用并卸载后或开裂混凝土的传输分析，卸载后的混凝土试件会产生部分裂缝愈合和孔隙闭合现象，引起的损伤状况不同于持续荷载作用下的状况，未能真实反映实际结构中混凝土的损伤状况和传输特性。尽管有部分研究关于荷载作用下混凝土渗透性的分析，但是混凝土的渗透性与毛细吸水二者作用机理不同，对于低应力水平的持续荷载作用下混凝土的毛细吸水性能测试方法仍鲜有报道。由于现有测试系统难以实现对混凝土施加持续荷载和毛细吸水的耦合作用过程，以及持载作用下无法对试件毛细吸水量进行实时、连续测量的问题，因此对于持续荷载作用下低应力水平造成的影响还缺乏统一的认识以及定量的描述，特别是持载作用下混凝土毛细吸水率的测定还鲜有涉及。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有测试系统难以实现混凝土施加持续荷载和毛细吸水的耦合作用过程，以及无法对试件毛细吸水量进行实时、连续测量的问题，提供一种持续荷载作用下混凝土表面毛细吸水率的测试装置及其测试方法。
本发明的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置，包括供水单元、水平观测单元、中空试件吸水单元和钢板；所述供水单元包括注水漏斗、注水管、固定结构和注水控制阀；所述观测单元包括刻度尺、水平观测管和固定支座，所述固定支座用于固定水平观测管；所述试件吸水单元包括中空试件，塑料盖板密封中空试件的上下两端，所述吸水单元上下两端与钢板连接，所述钢板用于连接轴向施加荷载装置，所述中空试件下侧设有注水口、上侧设有出水口，所述注水口两端涂胶固定注水口插管，所述出水端口两端涂胶固定出水口插管，注水管通过硅胶软管与注水口插管连通，水平观测管通过硅胶软管与出水口插管连通。
本发明选择中空试件有效解决了荷载作用下混凝土吸水供给的问题，从而实现荷载与毛细吸水过程的耦合作用。
优选所述注水管、水平观测管、注水口插管、出水口插管以及固定支座材质均为有机玻璃。
优选注水管直径大于水平观测管直径，这样可以向试件中空单元快速注满水，减小注水过程混凝土较短初期的吸水量对后期测量阶段的影响。作为进一步优选方案，优选所述注水管和水平观测管的外径范围分别为8～14mm和4～8mm，内径范围分别为6～12mm和2～6mm，这样可以减小开孔造成的应力集中对圆柱体混凝土极限强度的影响。
所述吸水单元上下两端通过JGN建筑结构胶与钢板连接。为减少传力过程荷载损失，优选厚度为10～20mm的钢板。
所述刻度尺量程范围可为0.5～2m，精度为0.1mm。
优选所述固定结构为固定箱，箱体盖上设有注水管固定口，注水管由固定口固定。
中空试件可以为圆柱体和棱柱体，为了制作简单，操作方便，优选所述中空试件为中空圆柱体。
所述水平观测管为倒置L型。
本发明还提供一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置的测试方法，包括如下步骤：
一、试件吸水单元注水口两端涂胶固定注水口插管，所述出水口两端涂胶固定出水口插管，将塑料盖板密封中空试件的上下两端；注水管通过硅胶软管与注水口插管连通，水平观测管通过硅胶软管与出水口插管连通，安装注水漏斗和注水管，并用固定结构固定供水单元；
二、将测试装置通过钢板安装施加荷载机器上，调节水平观测管水平并用固定支座支撑；施加持续荷载，待荷载达到预期值稳定后，打开注水控制阀开始注水；待水平观测管内出现一定长度水柱，关闭注水控制阀，打开计时器开始计时并记录观测管内水柱的初始位置；
三、记录水平观测管内水柱的长度随时间的变化，水平观测管内累积水分体积的变化等于混凝土试件的吸水体积，从而计算获得混凝土的累积吸水量和毛细吸水率。
本发明所涉及的持续荷载作用下混凝土毛细吸水的测试装置及测试方法具有以下优点：
1、实现了施加持续荷载作用的同时，测量混凝土的表面吸水率，解决了荷载作用与混凝土吸水过程的耦合问题，避免了卸载后裂缝闭合对混凝土毛细吸水测量的影响，从而能够评价持续荷载作用对混凝土毛细吸水的影响机理和变化规律。
2、供水单元为中空混凝土试件及时、连续的补给水分，混凝土的吸水体积等于水平观测管内水柱体积的变化，通过间接测量观测管内水柱长度的变化可以实时测量混凝土试件的吸水量。
3、由于供水单元和观测单元直接与中空吸水试件相连通，装置简单且操作方便，采用观测管固定在刻度尺的观测单元可实时、连续测试，具有较高测试精度且能保证不同低荷载水平下混凝土毛细吸水率的测试要求。
附图说明
图1为持压(或拉)荷载作用下混凝土毛细吸水率测试系统结构示意图；其中：1为供水单元注水漏斗，2为注水管，3为固定箱，4为注水控制阀，5为连通注水管和注水口插管的硅胶软管，6为注水口插管，7为施加拉(或压)荷载，8为钢板，9为塑料密封盖板，10为中空试件，11为出水口插管，12为连通出水口插管和水平观测管的硅胶软管，13为水平观测管，14为刻度尺，15为固定支座。
图2为供水单元的固定箱结构示意图，其中16为注水管固定口。
图3为观测单元固定支座示意图。
图4为中空圆柱体吸水试件示意图，其中17为出水口，18为注水口，19为密封盖板槽。
图5(a)和(b)分别为持压和拉荷载作用下累积吸水量i的测试计算、线性回归结果，(a)□、○、△分别表示混凝土持压应力水平为0％、19.81％和49.55％的实测数据，(b)○、△分别表示混凝土持拉应力水平为20.65％和50.25％的实测数据；——表示拟合曲线。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明所选的实施方式。
实施例1
本实施方式的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测试的整套装置如图1所示，包括供水单元、观测单元、试件吸水单元和钢板8；
所述供水单元包括注水漏斗1、注水管2、固定结构3和注水控制阀4；所述观测单元包括刻度尺14、倒置L型水平观测管13和固定支座15；固定支座15用于固定倒置L型水平观测管13；所述试件吸水单元包括中空试件10，塑料盖板9密封中空试件10的上下两端，所述吸水单元上下两端与钢板8连接，所述钢板8用于连接轴向施加荷载装置，所述中空试件10下侧设有注水口18、上侧设有出水口17，所述注水口18两端涂胶固定注水口插管6，所述出水口17两端涂胶固定出水口插管11，注水管2通过硅胶软管5与注水口插管6连通，水平观测管13通过硅胶软管12与出水口插管11连通。
所述注水管2、水平观测管13、注水口插管6、出水口插管11以及固定支座15材质均为有机玻璃。
所述注水管2和水平观测管13的外径范围分别为14mm和8mm，内径范围分别为12mm和6mm。
所述吸水单元上下两端通过JGN建筑结构胶与15mm钢板8连接。
所述刻度尺14量程为1m，精度为0.1mm。
固定结构3为固定箱，箱体盖上设有注水管固定口16，注水管2由固定口16固定。
所述中空试件10为中空圆柱体。
所述的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置的测试方法，包括如下步骤：
一、试件吸水单元注水口18两端涂胶固定注水口插管6，所述出水口17两端涂胶固定出水口插管11，将塑料盖板9密封中空试件10的上下两端；注水管2通过硅胶软管5与注水口插管6连通，水平观测管13通过硅胶软管5与出水口插管11连通，安装注水漏斗1并用固定结构3固定供水单元；
二、将测试装置通过钢板8安装施加荷载机器上，调节水平观测管13水平并用固定支座15支撑；施加持续荷载，待荷载达到预期值稳定后，打开注水控制阀4开始注水；待水平观测管13内出现一定长度水柱，关闭注水控制阀4，打开计时器开始计时并记下观测管13内水柱的初始位置；
三、记录水平观测管13内水柱长度随时间的变化，水平观测管13内累积水分体积的变化等于混凝土试件的吸水体积，从而计算获得混凝土的累积吸水量和毛细吸水率。
对上述的持载下中空混凝土试件计算不同时刻ti所对应的累积吸水量i，然后线性拟合给出毛细吸水率S，具体步骤如下：
一、Δt时间内试件的累积吸水体积等于水平观测管内水柱体积变化量，即ΔV＝πd0 2·Δl/4，其中d0为水平观测管的内径；Δl为水柱长度变化，单位为mm；由此可依据下式计算混凝土试件的累积吸水量i(mm)为：
其中：A为混凝土试件与水接触的横截面积(mm2)，对于中空圆柱体试件，而面积A非恒定值，随着水分传输的径向半径大小而变化，所以采用等效简化方法推导累积吸水量i表达式为
其中h为试件扣除上下盖板密封槽厚度的净高度；d为中空圆柱体试件的内径；β为等效简化系数，其表达式为
其中r为任意时间ti水分侵入半径，根据水平观测量水柱长度变化可计算：
其中p为中空混凝土试件的孔隙率；
二、将不同时刻ti与对应的累积吸水量i按下式进行分段线性拟合：
所得斜率S1和S2分别为持载下混凝土试件毛细吸水的初期吸水率和后期吸水率，单位为mm/min1/2。
采用外径160mm、内径75mm、高度为200mm的中空圆柱体混凝土试件，密封槽厚度为10mm，对试件进行干燥密封处理之后，按照上述操作步骤可进行持载作用下混凝土的毛细吸水率测定，持压、拉荷载作用下累积吸水量i的测试计算和线性回归结果如图5所示，(a)□、○、△分别表示混凝土持压应力水平为0％、19.81％和49.55％的实测数据，(b)○、△分别表示混凝土持拉应力水平为20.65％和50.25％的实测数据，即可确定中空圆柱体混凝土试件的初期和后期吸水率，结果表明，拟合函数与实测数据具有较高相关度(R2＞0.9)。
上述各实施实例中，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同代换，不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (9)
1.一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置，其特征在于，包括供水单元、水平观测单元、中空试件吸水单元和钢板(8)；所述供水单元包括注水漏斗(1)、注水管(2)、固定结构(3)和注水控制阀(4)；所述观测单元包括刻度尺(14)、水平观测管(13)和固定支座(15)；所述试件吸水单元包括中空试件(10)，塑料盖板(9)密封中空试件(10)的上下两端，所述吸水单元上下两端与钢板(8)连接，所述钢板(8)用于连接轴向施加荷载装置，所述中空试件(10)下侧设有注水口(18)、上侧设有出水口(17)，所述注水口(18)两端涂胶固定注水口插管(6)，所述出水口(17)两端涂胶固定出水口插管(11)，注水管(2)通过硅胶软管(5)与注水口插管(6)连通，水平观测管(13)通过硅胶软管(12)与出水口插管(11)连通；所述注水管(2)、水平观测管(13)、注水口插管(6)、出水口插管(11)以及固定支座(15)材质均为有机玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置，其特征在于所述注水管(2)的内径大于水平观测管(13)的内径。
3.根据权利要求2所述的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置，其特征在于，所述注水管(2)和水平观测管(13)的外径范围分别为8～14mm和4～8mm，内径范围分别为6～12mm和2～6mm。
4.根据权利要求1所述的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置，其特征在于，所述中空试件吸水单元上下两端通过JGN建筑结构胶与厚度为10～20mm厚的钢板(8)连接。
5.根据权利要求1所述的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置，其特征在于所述刻度尺(14)量程范围为0.5～2m，精度为0.1mm。
6.根据权利要求1所述的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置，其特征在于：所述固定结构(3)为固定箱，箱体盖上设有注水管固定口(16)。
7.根据权利要求1所述的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置，其特征在于：所述中空试件(10)为中空圆柱体，所述水平观测管(13)为倒置L型。
8.基于权利要求1-6任一项所述的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
一、中空试件吸水单元注水端口(18)两端涂胶固定注水口插管(6)，所述出水口(17)两端涂胶固定出水口插管(11)，将塑料盖板(9)密封中空试件(10)的上下两端；注水管(2)通过硅胶软管(5)与注水口插管(6)连通，水平观测管(13)通过硅胶软管(12)与出水口插管(11)连通，安装注水漏斗(1)和注水管(2)，并用固定结构(3)固定供水单元；
二、将测试装置通过钢板(8)安装施加荷载机器上，调节水平观测管(13)水平并用固定支座(15)支撑；施加持续荷载，待荷载达到预期值稳定后，打开注水控制阀(4)开始注水；待水平观测管(13)内出现一定长度水柱，关闭注水控制阀门(4)，打开计时器开始计时并记下水平观测管(13)内水柱的初始位置；
三、记录水平观测管(13)内水柱长度随时间的变化，水平观测管(13)内累积水分体积的变化等于混凝土试件的吸水体积，从而计算获得持载作用下混凝土的累积吸水量和毛细吸水率。
9.如权利要求8所述的一种持续荷载作用下混凝土毛细吸水测量装置的测试方法，其特征在于：所述中空试件(10)为中空圆柱体，所述水平观测管(13)为倒置L型。
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