CN107290250A - 用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法及试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法，包括以下步骤：1)水泥基材料待测试件的准备；2)试验装置的连接；3)水泥基材料氧气扩散系数Df的测定。以及提供一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的试验装置，包括供气系统、试件、左右气体腔室和传感测试系统。本发明的整个过程中氧气扩散的驱动力仅为浓度梯度，因此可测出氧气在水泥基材料试件中的扩散系数，且测量方法简单，数据准确可靠。通过测定氧气在水泥基材料中的传输规律可为进一步研究氧气对水泥基材料中钢筋的锈蚀过程提供数据基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法及试验 装置，属于土木工程材料性能测定技术领域。
背景技术
混凝土结构中钢筋的锈蚀是引起结构服役性能下降的最主要因 素。在钢筋表面脱钝后，空气中的氧气通过混凝土向钢筋表面扩 散，混凝土中的氧气扩散系数直接决定了钢筋的锈蚀速率。因此， 作为混凝土中钢筋锈蚀的必要条件之一，氧气在混凝土中的扩散系 数测定有着较为明确的科学和工程应用价值。然而，由于混凝土的 孔隙率低，气体扩散系数小，国内外至今尚无有效测定混凝土中氧 气扩散系数的试验装置。
目前，已有试验方法主要是针对混凝土水、气的渗透性的测 定，亦即试验是在压力水或气体作用下进行的。如中国专利授权公 告号CN1111737C，授权公告日是2003年6月18日，名称为“混凝 土渗透性快速评价方法”，公开了一种利用氯离子扩散系数和混凝土电导率的值对混凝土的渗透性进行评价的方法；中国专利授权公告 号CN102735592B，授权公告日是2014年4月2日，名称为“一种测 量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置”，通过测定二氧化碳压力的变 化来测量二氧化碳在岩石中的扩散系数；中国专利授权公告号CN204924869U，授权公告日是2015年12月30日，名称为“水泥基 材料渗透系数测定装置”，提供了一种在恒定水压力作用下对不同孔 隙率的水泥基材料进行渗透性测试的装置介绍。但该试验方法所测 定的结果是混凝土的水、气渗透系数，而非扩散系数。自然条件下氧气由钢筋混凝土表面向钢筋表面的传输，其机理为氧气的扩散作 用。因此，研发一种针对水泥基多孔材料氧气扩散系数测定方法和 试验装置对科学研究和工程应用都具有很重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术无法测定水泥基结构中氧气扩散系数的不 足，本发明以水泥基材料为试验对象，设计了一套可测量氧气在其 中的扩散系数的方法及试验装置。
为了解决上述技术问题本发明提供如下的技术方案：
一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法，包括以下步 骤：
1)水泥基材料待测试件的准备
浇筑成型待测水泥基材料试件，将所测水泥基材料切割成设定 厚度的圆柱体，并在试件侧面用环氧树脂涂覆以隔绝外界大气的影 响；
2)试验装置的连接
将步骤1)所获水泥基材料试件的端面分别与两气体腔室连接 成一个密封整体；将气体腔室的进气阀门分别与两供气瓶相连；移 动活塞分别与两氧气传感器相连；两氧气传感器与氧气数据解调仪 相连；两氧气数据解调仪与数据记录仪相连；数据记录仪与计算机 相连；整个装置连接好后保证连接的气密性良好并将整体装置放在 恒温室内；
3)水泥基材料氧气扩散系数Df的测定
打开供气瓶，分别往两气体腔室中充入设定量的氧气与氮气， 利用氧气传感器与数据记录仪监测到的不同时刻下两气体腔室中的 氧气浓度变化，结合理想气体状态方程、Fick第一定律得到氧气扩 散系数的计算公式：
式中：Df为氧气扩散系数，单位m2/s；为左右两腔室的氧气浓度 梯度，单位mol/m4，根据所记录的不同时刻下两腔室的氧气浓度值 得到其与时间之间的函数关系；t为试验时间，单位s；N为低氧腔 室从t＝0至结束试验时增加的总氧气的物质的量，单位mol；S为氧 气的有效扩散面积的，单位m2。
一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的试验装置，包括供 气系统、试件、左右气体腔室和传感测试系统，所述试件为水泥基 材料试件，将左右气体腔室连接至水泥基材料试件的两个端面，所 述左右气体腔室分别包括进气阀门、腔室管壁、移动活塞和活塞密 封圈，所述进气阀门设置在腔室管壁上，所述移动活塞可移动地套 装在腔室管壁内，所述移动活塞与腔室管壁的内壁之间设置活塞密 封圈；
所述进气阀门与供气系统相连，所述供气系统由供气瓶、出气 阀门与输气导管组成，所述供气瓶有氧气瓶和氮气瓶，所述输气导 管有两根，分别与供气瓶的出气阀门相连，所述两根输气导管另一 端与进气阀门相连；
所述传感测试系统包括氧气传感器和氧气数据解调仪，用于测 量水泥基材料左右两腔室中的氧气浓度，所述氧气传感器安装在所 述移动活塞靠近所述试件侧；所述氧气传感器与所述氧气数据解调 仪连接。
进一步，所述试验装置还包括数据采集系统，所述的数据采集 系统包括数据记录仪和计算机，用于水泥基材料左右两腔室中的氧 气浓度数据的记录以及后续处理，所述氧气数据解调仪与所述数据 记录仪连接。
再进一步，所述供气系统、试件、左右气体腔室和传感测试系 统均位于恒温室内。
更进一步，所述移动活塞中部预留小孔，所述小孔内安装所述 氧气传感器。
所述腔室腔壁均刻有刻度，用以计算两腔室的体积。
所述两腔室的移动活塞主体采用透明有机玻璃制作，活塞密封 圈采用丁晴橡胶，且各开有一20mm的小孔，用以和传感测试系统 相连。
一种上述用于水泥基材料中氧气扩散系数的测定装置的工作方 法，包括详细步骤如下：
1)将成型好的水泥基材料试件切成直径50-100mm，厚10- 20mm的圆柱形试件，使用环氧树脂将非扩散面(圆柱体侧面)涂 覆以隔绝外界空气的影响；
2)将处理好的水泥基材料试件与左右两腔室用橡胶密封垫圈垫 上后，再使用双头螺栓将左右两腔室与水泥基材料试件进行连接， 连接好以后在垫圈周围等连接处涂覆适量凡士林以保证试件与腔室 连接处的气密性；
3)打开两腔室上部的进气阀门，在活塞密封圈外部涂上适量润 滑油后，将移动活塞推至制作好的腔壁中，以排除腔室内原有的气 体，活塞处应满足保证气密性的同时保持活塞的移动性；
4)将氧气传感器放入左右两腔室移动活塞预留的小孔处，固定 好以后涂抹凡士林以保证气密性；
5)将氧气传感器另一端与氧气数据解调仪相连用于测试两腔室 内的氧气浓度，并将氧气数据解调仪与数据记录仪相连用以数据记 录，将数据记录仪与计算机相连用以记录输出与后续处理；
6)腔壁上方的进气阀门通过输气导管与供气瓶相连，氧气腔室 接氧气瓶，氮气腔室接氮气瓶，整个装置连接完成；
7)检查装置的气密性；
8)开始试验，打开供气瓶出气阀门与腔壁上部进气阀门，分别 往两腔室内充气，使移动活塞匀速缓慢的向外移动直至腔室尾部， 并用腔壁上刻度读出此时活塞距离试件端面的距离以计算腔室体 积；。
9)打开与两腔室相连的已校准好的氧气数据解调仪，此时时刻 记为t＝0，并用数据记录仪将此时两腔室中的氧气浓度记录并传输到 计算机中；
10)由于左右腔室内的氧浓度差，氧气逐渐从高氧浓度腔室经 过水泥基材料试件扩散至低氧腔室，在这个过程中，记录仪记录下 不同时刻下的两腔室中的氧气浓度；
11)待两腔室氧气浓度接近时，此时两腔室浓度梯度很小，氧 气继续通过水泥基材料试件的扩散量很小，停止试验，记录此时时 刻t；
12)根据以上数据，由于两腔室的氧浓度差，氧气在氧浓度梯 度的动力下在水泥基材料试件中扩散，水泥基材料试件的氧气扩散 系数可根据以下公式求得：
式中：Df为氧气扩散系数，单位m2/s；为左右两腔室的氧气浓度 梯度，单位mol/m4，根据所记录的不同时刻下两腔室的氧气浓度值 得到其与时间之间的函数关系；t为试验时间，单位s；N为低氧腔 室从t＝0至结束试验时增加的总氧气的物质的量，单位mol；S为氧 气的有效扩散面积的，单位m2。
上式的推导过程如下：
假设氧气的稳态扩散符合Fick第一定律，且在该测试方法下， 假定氧气扩散方式为一维扩散，则有：
其中，dN为dt时间内通过水泥基材料试件的氧气量，Df为氧气扩散 系数；为氧气在x方向上的浓度梯度；S为氧气的有效扩散面 积。
事实上，水泥基材料作为一种多孔介质材料，氧气在其中扩散 时只能通过孔隙进行。因此，氧气扩散时的实际路径迂回曲折，远 大于两表面的垂直距离，且不可能确切的知道扩散截面的大小，因 此本发明氧气扩散系数其实是“等效扩散系数”，即以垂直于扩散方向的总面积和水泥基材料试件厚度为基础计算得到。
根据气体扩散定律：在相同的温度和压力下，气体的扩散速度 与其密度或分子量的平方根成反比。因此，对于氧气和氮气来说， 两者的分子量的平方根非常接近(5.65与5.29)，因此可近似认为氧 气的扩散速度与氮气扩散速度近似相等。因此，左右两腔室的压强 时刻相等且腔室体积在扩散过程中基本不变。
由(i)可知，停止实验时总的氧扩散量为：
所以，水泥基材料试件的有效扩散系数为：
根据左右两腔室所记录的不同时刻下氧气百分比含量以及腔室 体积，根据理想气体状态方程可得到两腔室不同时刻下的氧气浓度 值，假定氧气浓度在水泥基材料中线性分布，且氧气扩散为一维扩 散，可得
式中：C2为一定时刻下高氧腔室中的氧气浓度(mol/m3)，C1为相同 时刻下低氧腔室中的氧浓度值(mol/m3)，X为水泥基材料试 件厚度(m)。
由式(5)可知，是与时间相关的函数，不同时刻下水泥基材 料试件的左右两腔室的氧浓度梯度不同。而与时间的函数可根据 试验记录的数据利用OriginPro软件进行数据拟合得到，由此可由公 式(4)通过计算得到所测水泥基材料试件的氧气扩散系数。
本发明的有益效果是：由于氧气在传输过程中的驱动力仅为浓 度梯度，且装置采用了精度较高的氧气传感器与数据记录仪，并将 其进行有效结合，根据试验测试数据可较为方便的计算出氧气在水 泥基材料中的扩散系数。整个过程测量简单，数据准确可靠。
附图说明
图1是本发明所述装置的整体示意图；
图2是本发明气体腔室的结构图，(a)是主视图，(b)是俯视 图；
图3是本发明移动活塞三视图；
图4是根据水泥基材料试件左右两腔室不同时刻下的氧气浓度 值所得到的氧气浓度梯度与时间的关系图。
在图1中，1、水泥基材料试件；2、环氧树脂；3、橡胶密封垫 圈；4、腔室管壁；5、进气阀门；6、移动活塞；7、活塞密封圈； 8、双头螺栓；9、氧气传感器；10、氧气数据解调仪；11、数据记 录仪；12、计算机；13、输气导管；14、供气瓶；15、出气阀门。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照图1～图4，一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方 法，包括以下步骤：
1)水泥基材料待测试件的准备
浇筑成型待测水泥基材料试件，将所测水泥基材料切割成一定 厚度的圆柱体，并在试件侧面(非氧气扩散面)用环氧树脂涂覆以 隔绝外界大气的影响；
2)整体装置的连接
将1)所获试件的垫上橡胶密封垫圈后用双头螺栓与两气体腔 室连接成一个密封整体，试件的端面为氧气扩散面，并在接触位置 涂少许凡士林以增加密封性；将腔室上部进气阀门分别与两供气瓶 相连；移动活塞分别与两氧气传感器相连；两氧气传感器与氧气数 据解调仪相连；两氧气数据解调仪与数据记录仪相连；数据记录仪 与计算机相连。整个装置连接好后保证连接的气密性良好并将整体 装置放在恒温室内以排除温度对氧气扩散的影响。
3)水泥基材料氧气扩散系数Df的测定
打开供气瓶，分别往两气体腔室中充入一定量的氧气与氮气后 让氧气在浓度梯度作用下通过水泥基试件进行传输。利用氧气传感 器与数据记录仪监测到的不同时刻下两气体腔室中的氧气浓度变 化，结合理想气体状态方程、Fick第一定律可得到氧气扩散系数的 计算公式：
式中：Df为氧气扩散系数(m2/s)；为左右两腔室的氧气浓度梯度 (mol/m4)，可根据所记录的不同时刻下两腔室的氧气浓度值得到其与 时间之间的函数关系；t为试验时间(s)；N为低氧腔室从t＝0至结束 试验时增加的总氧气的物质的量(mol)；S为氧气的有效扩散面积 (m2)。
一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的试验装置，包括水 泥基材料试件1，在所述水泥基材料试件左右两边各连接一气体腔 室；所述气体腔室左右两腔每腔分别由进气阀门5、腔室管壁4、移 动活塞6组成；两进气阀门5分别在在所述左右两腔壁4的上部，并与两输气导管13相连；所述的移动活塞6中部预留一直径20mm 的小孔，用以氧气传感器8探头的放入。
所述的两输气导管13另一端分别与氧气瓶和氮气瓶的出气阀门 15相连，所述的出气阀门连接至两供气瓶14上用以控制氧气和氮气 的气流速度。所述的氧气传感器8另一端与氧气数据解调仪10相 连，所述的氧气解调仪10采用KY-2F1型氧分析仪，用以左右两腔室中的氧浓度测试。所述的氧气数据解调仪10与数据记录仪11相 连，所述数据记录仪11将测试数据采集并输入与其相连的计算机12 中，完成测试过程中的数据采集。
用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的测定装置，其工作过程 包括如下步骤：
1)将成型好的水泥基材料试件1切成直径50-100mm，厚10- 20mm的圆柱形试件，使用环氧树脂2将非扩散面(圆柱体侧面) 涂覆以隔绝外界空气的影响；
2)将处理好的水泥基材料试件1与左右两腔室用橡胶密封垫圈 3垫上后，再使用双头螺栓8将左右两腔室与水泥基材料试件1进行 连接，连接好以后在垫圈3周围等连接处涂覆适量凡士林以保证试 件与腔室连接处的气密性；
3)打开两腔室上部的进气阀门5，在活塞密封圈7外部涂上适 量润滑油后，将移动活塞6推至制作好的腔壁4中，以排除腔室内 原有的气体，活塞处应满足保证气密性的同时保持活塞的移动性；
4)将氧气传感器9放入左右两腔室移动活塞6预留的小孔处， 固定好以后涂抹凡士林以保证气密性；
5)将氧气传感器9与氧气数据解调仪10相连用于测试两腔室 内的氧气浓度，并将氧气数据解调仪10与数据记录仪11相连用以 数据记录，将记录仪11与计算机12相连用以记录输出与后续处 理；
6)腔壁4上方的进气阀门5通过输气导管13与供气瓶14相 连，氧气腔室接氧气瓶，氮气腔室接氮气瓶，整个装置连接完成；
7)检查装置的气密性；
8)开始试验，打开供气瓶出气阀门15与腔壁上部进气阀门 5，分别往两腔室内充气，使移动活塞匀速缓慢的向外移动直至腔室 尾部，并用腔壁上刻度读出此时活塞距离试件端面的距离以计算腔 室体积；。
9)打开与两腔室相连的已校准好的氧气数据解调仪10，此时 时刻记为t＝0，并用数据记录仪11将此时两腔室中的氧气浓度记录 并传输到计算机12中；
10)由于左右腔室内的氧浓度差，氧气逐渐从高氧浓度腔室经 过水泥基材料试件扩散至低氧腔室，在这个过程中，记录仪记录下 不同时刻下的两腔室中的氧气浓度；
11)待两腔室氧气浓度接近时，此时两腔室浓度梯度很小，氧 气继续通过水泥基材料试件的扩散量很小，停止试验，记录此时时 刻t；
12)根据以上数据，由于两腔室的氧浓度差，氧气在氧浓度梯 度的动力下在水泥基材料试件中扩散，水泥基材料试件的氧气扩散 系数可根据以下公式求得：
式中：Df为氧气扩散系数(m2/s)；为左右两腔室的氧气浓度梯度 (mol/m4)，可根据所记录的不同时刻下两腔室的氧气浓度值得到其与 时间之间的函数关系；t为试验时间(s)；N为低氧腔室从t＝0至结束 试验时增加的总氧气的物质的量(mol)；S为氧气的有效扩散面积 (m2)。
以测量水灰比0.53、配合比为水泥:水:砂子＝1:0.53:2.0的砂浆试 件的氧气扩散系数测定为例，对本发明的工作做具体说明。
该实施例拌制砂浆的原材料为：水泥为P.I 525级波特兰水泥， 砂采用细度模数2.6的河砂，水采用自来水。在养护室中标准养护 28d后，将砂浆试件切成直径75mm，厚10mm的圆柱形试件，本次 实施例对水泥基材料试件进行105℃下烘干至恒重，并在试件侧面(非氧气扩散面)用环氧树脂涂覆以隔绝外界大气的影响，进行氧 气扩散系数的测试。
将砂浆试件垫上橡胶密封垫圈后用双头螺栓与两气体腔室连接 成一个密封整体，并在接触位置涂少许凡士林以增加密封性；将腔 室上部进气阀门分别与两供气瓶相连；移动活塞分别与两氧气传感 器相连；两氧气传感器与氧气数据解调仪相连；两氧气数据解调仪 与数据记录仪相连；数据记录仪与计算机相连。整个装置连接好后 保证连接的气密性良好并将整体装置放在恒温室内以排除温度对氧 气扩散的影响。
打开供气瓶，分别往两气体腔室中充入一定量的氧气与氮气后 让氧气在浓度梯度作用下通过水泥基试件进行传输。利用氧气传感 器与数据记录仪监测到该实施例下不同时刻砂浆试件左右两气体腔 室中的氧气浓度如表1所示：
表1
(数据说明：由于该装置方法只需要左右两腔室氧气浓度梯度 的存在，因此由于该实施例中两腔室排除腔室内原有气体的程度不 同，故氮气腔室和氧气腔室中的氧气浓度并不是0和100％。)
故氮气腔室和氧气腔室中的氧气浓度并不是0和100％。)
该实施例的试验条件如下：
T＝285K，P＝101000Pa，V＝0.075*0.075*250＝1.40*10-3m3，
S＝0.075*0.075＝5.6*10-3m2；试件厚度为10mm，经烘干处 理。
根据理想气体状态方程：PV＝nRt；结合
所述上式中：为左右腔室各自的氧气的物质的量(mol)；C为氧 气物质的量浓度(mol/m3)；V为腔室体积(m3)；为氧气在x方向 上的浓度梯度(mol/m4)，假定氧气浓度在水泥基材料试件内线性分 布可知氧气浓度梯度等于水泥基材料试件左右氧气浓度差ΔC除以试 件厚度X。
代入表1数据，可得图如图2。
根据图2经数据处理后的实验结果，利用OriginPro软件进行数 据拟合得到与时间t的函数关系，由图2可知，所述实施例水泥基 材料试件左右两腔室的氧气浓度梯度随时间的关系函数如下：
根据表1数据，所述实施例在试验开始至结束时氮气腔室得氧 气总增量N＝0.021921mol。
因此，结合式t＝76680s，可求得在该 实施例下，氧气在氧浓度梯度的动力下在砂浆试件中扩散扩散系数 为：
所述实施例结束，该所述实施例下，所述砂浆试件经105℃烘干处 理，所述砂浆试件的氧气有效扩散系数为Df＝7.8*10-8(m2/s)。
Claims (8)
1.一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)水泥基材料待测试件的准备
浇筑成型待测水泥基材料试件，将所测水泥基材料切割成设定厚度的圆柱体，并在试件侧面用环氧树脂涂覆以隔绝外界大气的影响；
2)试验装置的连接
将步骤1)所获水泥基材料试件的端面分别与两气体腔室连接成一个密封整体；将气体腔室的进气阀门分别与两供气瓶相连；移动活塞分别与两氧气传感器相连；两氧气传感器与氧气数据解调仪相连；两氧气数据解调仪与数据记录仪相连；数据记录仪与计算机相连；整个装置连接好后保证连接的气密性良好并将整体装置放在恒温室内；
3)水泥基材料氧气扩散系数Df的测定
打开供气瓶，分别往两气体腔室中充入设定量的氧气与氮气，利用氧气传感器与数据记录仪监测到的不同时刻下两气体腔室中的氧气浓度变化，结合理想气体状态方程、Fick第一定律得到氧气扩散系数的计算公式：
<mrow>
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<mo>=</mo>
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</mrow>
式中：Df为氧气扩散系数，单位m2/s；为左右两腔室的氧气浓度梯度，单位mol/m4，根据所记录的不同时刻下两腔室的氧气浓度值得到其与时间之间的函数关系；t为试验时间，单位s；N为低氧腔室从t＝0至结束试验时增加的总氧气的物质的量，单位mol；S为氧气的有效扩散面积的，单位m2。
2.一种如权利要求1所述的用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法的试验装置，其特征在于：包括供气系统、试件、左右气体腔室和传感测试系统，所述试件为水泥基材料试件，将左右气体腔室连接至水泥基材料试件的两个端面，所述左右气体腔室分别包括进气阀门、腔室管壁、移动活塞和活塞密封圈，所述进气阀门设置在腔室管壁上，所述移动活塞可移动地套装在腔室管壁内，所述移动活塞与腔室管壁的内壁之间设置活塞密封圈；
所述进气阀门与供气系统相连，所述供气系统由供气瓶、出气阀门与输气导管组成，所述供气瓶有氧气瓶和氮气瓶，所述输气导管有两根，分别与供气瓶的出气阀门相连，所述两根输气导管另一端与进气阀门相连；
所述传感测试系统包括氧气传感器和氧气数据解调仪，用于测量水泥基材料左右两腔室中的氧气浓度，所述氧气传感器安装在所述移动活塞靠近所述试件侧；所述氧气传感器与所述氧气数据解调仪连接。
3.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括数据采集系统，所述的数据采集系统包括数据记录仪和计算机，用于水泥基材料左右两腔室中的氧气浓度数据的记录以及后续处理，所述氧气数据解调仪与所述数据记录仪连接。
4.如权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于：所述供气系统、试件、左右气体腔室和传感测试系统均位于恒温室内。
5.如权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于：所述移动活塞中部预留小孔，所述小孔内安装所述氧气传感器。
6.如权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于：所述腔室腔壁均刻有刻度，用以计算两腔室的体积。
7.如权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于：所述两腔室的移动活塞主体采用透明有机玻璃制作，活塞密封圈采用丁晴橡胶，且各开有一20mm的小孔，用以和传感测试系统相连。
8.如权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于：所述左右气体腔室气压时刻与外界气压相等。
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