CN107576608A - 模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置与方法，所述的装置包括压力舱、试验舱、测试电极对、水槽、液压水泵、万用电源和压力继电器，其中，试验舱的下部放置混凝土试件，上部连接设置在压力舱下方并与其接通，压力舱的上部还设有注液孔，从压力舱还引出水管依次连接液压水泵和水槽，在压力舱侧部还安装有压力继电器，测试电极对其中一个架设在压力舱内，另一个埋入安置在试验舱下部的混凝土试件内，并分别通过导线与万用电源连接。与现有技术相比，本发明可以模拟地下水头压力、侵蚀性离子，及地下杂散电流等复杂环境条件，各条件直接可分别独立控制、互不影响，环境模拟的真实性强等。

Description

模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置与 方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土耐久性的试验装置与方法，尤其是涉及一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置与方法。

背景技术

当地铁隧道中有列车经过时，极易产生杂散电流的泄露：电流未从钢轨回流，而是从钢轨泄露到道床混凝土中，并通过隧道衬砌混凝土向土体或地下水中泄露。杂散电流泄露及回流的过程会引起地下水中侵蚀性离子(硫酸根离子、氯离子、镁离子)的定向移动，对混凝土产生一定的侵蚀作用。而地铁隧道中的混凝土还处于典型的地下水环境中：一方面，混凝土一侧与地下水或含水土体接触，另一侧与隧道内部空气接触；另一方面，地下水往往具有较高的水头压力，能够加速侵蚀性离子向混凝土内部的侵入。在这样的杂散电流与地下水共存的环境特征下，混凝土耐久性破坏机理具有一定的特殊性，若以传统的耐久性试验方法进行试验，难以得出真实可靠的试验结果，可能为工程应用埋下一定的安全隐患。

传统的杂散电流模拟试验装置主要有两类：一类为模拟杂散电流在土壤中的分布情况的装置，另一类为模拟杂散电流作用下管道等金属材料的锈蚀状况的装置。这两类装置在设计过程中只考虑了电流与土壤环境两种条件，并未考虑地下水的高水头压力特征。而当高水头压力、侵蚀性离子等地下水特征与杂散电流共同存在时，各试验条件直接存在复杂的相互作用，难以直接进行模拟。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置与方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置，包括压力舱、试验舱、测试电极对、水槽、液压水泵、万用电源和压力继电器，其中，所述试验舱的下部放置混凝土试件，上部连接设置在压力舱下方并与其接通，所述压力舱的上部还设有注液孔，从压力舱还引出水管依次连接所述液压水泵和水槽，并由液压水泵对压力舱加压，在压力舱侧部还安装有测试其内部压力并反馈控制液压水泵开关的压力继电器，测试时，所述测试电极对其中一个架设在压力舱内，另一个埋入安置在试验舱下部的混凝土试件内，并分别通过导线与所述万用电源连接。

作为优选的实施方案，所述的压力舱上部还设有放气阀和气压继电器，该气压继电器还连接所述放气阀，并控制放气阀的开关。

作为优选的实施方案，所述的压力舱侧部还布置有液面观察窗。液面观察窗为有机玻璃等透明材质制成，用于观察压力舱内部的液面高度；气压继电器可控制放气阀的开关，也可以使用手动控制放气阀的开关，排出杂散电流模拟过程时产生在压力舱内的气体，及时排除这些气体可能产生的安全隐患，并防止气体充满压力舱与试验舱，影响水环境的模拟。

作为优选的实施方案，所述的试验舱呈上宽下窄的圆台形，其下部开口，上部与压力舱密封连通，所述的混凝土试件呈与所述试验舱下部斜度相同的圆台形，并在测试时紧密嵌入所述试验舱内。

作为优选的实施方案，所述的压力舱内部涂有耐腐蚀涂料。

作为优选的实施方案，所述的试验舱内部布置有绝缘橡胶层或涂镀有绝缘涂层。

作为优选的实施方案，所述的试验溶液为包括水、氢氧化钙溶液和食盐溶液在内各种地下水溶液；

所述的测试电极对为研究混凝土基体耐久性的石墨电极，或研究钢筋锈蚀过程与钢筋混凝土结构耐久性的钢筋电极。

作为优选的实施方案，每个压力舱下部配套连接至少一个试验舱。

采用模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(a)按照试验舱所需尺寸成型混凝土试件，并将测试电极预先埋入混凝土试件中；

(b)将成型、养护好的混凝土试件紧密嵌入试验舱中，将再将试验舱紧密连接在压力舱上；

(c)打开注液孔，通过注液孔向压力舱与试验舱中注满试验溶液，完成后关闭注液孔；

(d)向水槽中加注试验溶液，调节压力继电器至所需压力，启动液压水泵向压力舱加压；

(e)按照所需杂散电流特征，设置万用电源各输出参数(如改变电流输出方式，模拟不同电压强度、电流大小与方向、电流形式直流电或交流电等形式的杂散电流等)，启动并开始试验。

本发明产品可同时模拟不同水头压力、地下水成分、杂散电流形式下混凝土单侧临水的真实环境，并克服模拟杂散电流时气体生成影响压力施放、承压容器直接改变杂散电流分布等各个模拟因素之间的相互影响，特别适用于地铁隧道等类似环境的混凝土耐久性模拟试验。该装置制作简单，使用方便，运行稳定，安全性高，可长期连贯使用，且自动化程度高，运行过程中无需额外操作，节省人力成本。

与现有技术相比，本发明提出的模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性试验装置，可以同时模拟混凝土单侧接触地下水时，地下水的水头压力、侵蚀性离子，以及杂散电流等复杂环境条件共同作用于混凝土的过程，其中，地下水头压力、地下水离子成分、杂散电流特征等均可独立调节，适用于各种不同的实际环境。此外，装置采用多种传感器对压力、液面高度等进行控制，自动化程度高、使用安全可靠，适用于连续长时间的模拟试验。制作简单，使用方便，模拟方法真实，试验结果可靠，具有良好的推广前景。

附图说明

图1为本发明的试验装置的结构示意图；

图2为本发明的混凝土试件在不同试验溶液浓度、液压水泵输出水压、电流设置、模拟试验时间等条件下的氯离子扩散深度测试结果；

图中，1-压力舱，2-试验舱，3-第一测试电极，4-第二测试电极，5-电极支架，6-集线器，7、8-导线，9-密封塞，10--液面观察窗，11-放气阀，12-气压继电器，13-万用电源，14-压力继电器，15-液压水泵，16-水槽，17-水管，18-注液孔，19-混凝土试件，20-试验溶液。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置，其结构如图1所示，包括压力舱1、试验舱2、测试电极对3、4、水槽16、液压水泵15、万用电源13和压力继电器14，其中，试验舱2的下部放置混凝土试件19，上部连接设置在压力舱1下方并与其接通，压力舱1的上部还设有注液孔18，从压力舱1还引出水管17依次连接液压水泵15和水槽16，并由液压水泵15对压力舱1加压，在压力舱1侧部还安装有测试其内部压力并反馈控制液压水泵15开关的压力继电器14，测试时，测试电极对中的其中一个(第二测试电极4)通过电极支架5架设在压力舱1内，并通过集线器9和导线8穿过设置在压力舱1上的密封塞9，从而连接万用电源13，另一个(第一测试电极3)埋入安置在试验舱2下部的混凝土试件19内，并通过导线7与万用电源13连接。压力舱1上部还设有放气阀11和气压继电器12，该气压继电器12还连接放气阀11，并控制放气阀11的开关。压力舱1侧部还布置有液面观察窗10。液面观察窗10为有机玻璃等透明材质制成，用于观察压力舱1内部的液面高度；气压继电器12可控制放气阀11的开关，也可以使用手动控制放气阀11的开关，排出杂散电流模拟过程时产生在压力舱1内的气体，及时排除这些气体可能产生的安全隐患，并防止气体充满压力舱1与试验舱2，影响水环境的模拟。试验舱2呈上宽下窄的圆台形，其下部开口，上部与压力舱1密封连通，混凝土试件19呈与试验舱2下部斜度相同的圆台形，并在测试时紧密嵌入试验舱2内。压力舱1内部涂有耐腐蚀涂料。试验舱2内部布置有绝缘橡胶层或涂镀有绝缘涂层。试验溶液20为包括水、氢氧化钙溶液和食盐溶液在内各种地下水溶液；测试电极对3、4为研究混凝土基体耐久性的石墨电极，或研究钢筋锈蚀过程与钢筋混凝土结构耐久性的钢筋电极。每个压力舱1下部配套连接两个试验舱2。

实施例2

按照表1的配合比成型C30混凝土试件19，成型时在混凝土试件19靠下的部位埋入直径10mm的光圆钢筋作为测试电极。成型好的混凝土试件19在20℃±2℃，湿度大于95％的养护室中养护至28天龄期。

表1 混凝土试件19成型配合比(单位：kg/m³混凝土)

将两个成型、养护好的混凝土试件19紧密嵌入两个试验舱2中，再将这两个试验舱2紧密连接在压力舱1上。打开注液孔18及放气阀11，将预先配制好的质量浓度3％的氯化钠溶液通过注液孔18注入压力舱1中，通过液面观察窗10观察溶液高度，至加满后停止加注，并关闭注液孔18与放气阀11。

向水槽16中加满3％的氯化钠溶液，并调节控制液压水泵15的压力继电器14，使液压水泵15输出水压为900kPa。启动液压水泵15，并观察压力继电器14的压力读数，当读数稳定在900kPa时，观察试验舱2水密性是否良好。若试验舱2未发生漏水现象，即可继续下一步骤；反之，则需重新放置混凝土试件19。

将万用电源13的输出方式设置为：右侧接线柱为正极、左侧接线柱为负极，恒定50V直流电压输出。设置好参数后，启动电源，即开始模拟试验。

实施例3

按照实施例2的操作方法，改变试验溶液20浓度、液压水泵15输出水压、电流设置、模拟试验时间等条件，进行MN-1至MN-6共六组试验，每组试验的具体条件见表2。

表2 模拟试验条件

模拟试验结束后，采用硝酸银显色法评价氯离子在混凝土试件19中的扩散深度，以表征混凝土试件19在特定环境条件的耐久性状况，操作方法为：将试块沿竖向剖开，在其中的一个剖面上喷洒0.1mol/L的硝酸银溶液，待15min后观察白色的氯化银沉淀生成位置，测试该部位距离试件上表面的距离，即为氯离子扩散深度。以每组两个混凝土试件19的氯离子扩散深度平均值作为最终测试结果，见附图2。

从附图2中各组的测试结果可以看出，试验溶液20浓度、水泵输出压、电流设置及模拟试验时间均对试验结果有着不同程度的影响：试验溶液20浓度越高、水泵输出压越大、采用直流电且电压越大、模拟试验时间越长，都会导致氯离子扩散深度的增加，即混凝土耐久性下降越多。

从试验结果中还可以得出，本装置所控制的各个试验参数均可实现独立的调节，不会产生明显的相互影响，不会影响试验装置的正常运行，能够良好地模拟实现杂散电流与地下水环境下混凝土耐久性的模拟。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置，其特征在于，包括压力舱(1)、试验舱(2)、测试电极对、水槽(16)、液压水泵(15)、万用电源(13)和压力继电器(14)，其中，所述试验舱(2)的下部放置混凝土试件(19)，上部连接设置在压力舱(1)下方并与其接通，所述压力舱(1)的上部还设有注液孔(18)，从压力舱(1)还引出水管(17)依次连接所述液压水泵(15)和水槽(16)，并由液压水泵(15)对压力舱(1)加压，在压力舱(1)侧部还安装有测试其内部压力并反馈控制液压水泵(15)开关的压力继电器(14)，测试时，所述测试电极对其中一个架设在压力舱(1)内，另一个埋入安置在试验舱(2)下部的混凝土试件(19)内，并分别通过导线与所述万用电源(13)连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置，其特征在于，所述的压力舱(1)上部还设有放气阀(11)和气压继电器(12)，该气压继电器(12)还连接所述放气阀(11)，并控制放气阀(11)的开关。

3.根据权利要求1所述的一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置，其特征在于，所述的压力舱(1)侧部还布置有液面观察窗(10)。

4.根据权利要求1所述的一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置，其特征在于，所述的试验舱(2)呈上宽下窄的圆台形，其下部开口，上部与压力舱(1)密封连通，所述的混凝土试件(19)呈与所述试验舱(2)下部斜度相同的圆台形，并在测试时紧密嵌入所述试验舱(2)内。

5.根据权利要求1所述的一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置，其特征在于，所述的压力舱(1)内部涂有耐腐蚀涂料。

6.根据权利要求1所述的一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置，其特征在于，所述的试验舱(2)内部布置有绝缘橡胶层或涂镀有绝缘涂层。

7.根据权利要求1所述的一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置，其特征在于，所述的试验溶液(20)为包括水、氢氧化钙溶液和食盐溶液在内各种地下水溶液；

所述的测试电极对为研究混凝土基体耐久性的石墨电极，或研究钢筋锈蚀过程与钢筋混凝土结构耐久性的钢筋电极。

8.根据权利要求1所述的一种模拟杂散电流与地下水环境的混凝土耐久性的试验装置，其特征在于，每个压力舱(1)下部配套连接至少一个试验舱(2)。

9.采用如权利要求1-8任一所述的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)按照试验舱(2)所需尺寸成型混凝土试件(19)，并将测试电极预先埋入混凝土试件(19)中；

(b)将成型、养护好的混凝土试件(19)紧密嵌入试验舱(2)中，将再将试验舱(2)紧密连接在压力舱(1)上；

(c)打开注液孔(18)，通过注液孔(18)向压力舱(1)与试验舱(2)中注满试验溶液(20)，完成后关闭注液孔(18)；

(d)向水槽(16)中加注试验溶液(20)，调节压力继电器(14)至所需压力，启动液压水泵(15)向压力舱(1)加压；

(e)按照所需杂散电流特征，设置万用电源(13)各输出参数，启动并开始试验。