CN108226006A - 水泥基材料流体渗透率的测试方法 - Google Patents

水泥基材料流体渗透率的测试方法 Download PDF

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    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change

Abstract

水泥基材料流体渗透率的测试方法，本发明涉及一种水泥基等多孔材料流体渗透率的测试方法，它要解决现有流体渗透率试验操作复杂、且经常出现密封性不良导致试验失败的问题。测试方法：一、在底板的上板面设置有密封套，密封套的外部设置有套筒，套筒的上筒口盖有顶盖，密封套和套筒之间形成压力室；二、收缩套管内设置有底座和试件，收缩套管套入密封套内，柱塞插入收缩套管中；三、向底板内的注水通道注水，使试件下部充满水；四、向压力室中充水，试件底部施加恒定水压力，测量水分渗透进入试件的体积，计算水分渗透率。本发明提供了一种流体介质渗透率测试方法，严格保证试件侧面密封效果的同时，具有操作简便、省时省力的优点。

Description

水泥基材料流体渗透率的测试方法
技术领域
本发明涉及一种水泥基等多孔材料流体渗透率的测试方法。
背景技术
混凝土材料是整个土木工程领域应用最为广泛的建筑结构材料。在一定服役环境条件下，混凝土材料的耐久性能优劣往往直接决定结构使用寿命的长短，它对工程结构的安全性和经济性意义重大，对各种在严酷环境条件下使用的重大混凝土结构尤其如此。混凝土结构的耐久性主要由环境中的水分、气体和离子等介质向材料内部迁移的速率和过程决定。实际工程中，往往采用这些介质在多孔混凝土材料内部的迁移速率来定量表征其耐久性能的相对优劣，这其中尤其以水分渗透率最为重要且直接相关。正因如此，水泥基材料的水分渗透率测试对研究与分析混凝土材料与结构的耐久性能具有重要意义。
混凝土材料的孔隙结构非常细小，其本征渗透率往往比常见岩石材料的渗透率还要小好几个数量级。特别的，由于赋予水泥基材料强度等特性的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶这一最重要组分表现出干缩湿胀的特性，使得混凝土材料的孔隙结构随失水干燥或吸水湿润过程而发生变化。对于渗透率测试来说，直接的结果就是混凝土材料在饱和时的水分渗透率要比干燥时的气体渗透率小2～4个数量级，可以低至10-20～10-22m2量级。这使得试验测量水分渗透率时需要长时间对混凝土试件施加足够大的进水压力，而这对试件的侧面密封效果要求非常苛刻。水泥基材料的水分渗透率能有效地总体刻画水泥基材料饱和时的孔隙结构特征，而特别小的渗透率数值又使得试验测量难度非常大，需要采用严格、准确的水分渗透率测试设备来进行测量。
发明内容
本发明要解决现有流体渗透率试验操作复杂、且经常出现密封性不良导致试验失败的问题，而提供一种水泥基材料流体渗透率的测试方法。
本发明水泥基材料流体渗透率的测试方法按下列步骤实现：
一、沿圆形底板的径向在板体内设置有水平注水通道，在底板的圆心处沿轴向设置有竖直注水通道，竖直注水通道与水平注水通道相连通，在底板的上板面设置有两级圆形凸台，两级圆形凸台沿轴向由下至上依次为一级圆形凸台和二级圆形凸台，圆管形的密封套的上下管沿处沿径向分别延伸出周向凸缘，密封套的底部套口套设在二级圆形凸台的周向上，然后将套筒的下筒口套设在底板的一级圆形凸台周向上并通过螺栓固定，顶盖的下盖面上设置有圆环凸台，在套筒的上筒口盖有顶盖并通过螺栓固定，套筒的上筒口套设在顶盖的圆环凸台的周向上，顶盖的中心处还开有柱塞孔，套筒、密封套、底板和顶盖所围成的腔室为压力室，完成测试装置压力室的组装；
二、底座的上表面为下滤板层，柱塞的下表面为上滤板层，在收缩套管内依次放置底座和水泥基材料圆柱试件形成试样组件，试样组件套入密封套内，底座的下表面与圆形底板上的二级圆形凸台的台面接触，最后将柱塞通过顶盖上的柱塞孔插入收缩套管中，柱塞的上滤板层与水泥基材料圆柱试件的上表面接触，完成试样组件的组装；
三、向底板的水平注水通道内注水，水通过水平注水通道和竖直注水通道充盈至下滤板层以下，继续注水使水绕过水泥基材料圆柱试件的侧面充盈至上滤板层和柱塞的排水通道中，在排水通道中有水后暂停注水，使水泥基材料圆柱试件下部(所有空间)充满水，气体排出；
四、向压力室中充水至压力室内的压力为2P1以上，使密封套箍紧水泥基材料圆柱试件，水泥基材料圆柱试件的底部施加恒定水压力P1，测量在P1压力驱动下t(s)时间内水分渗透进入使水泥基材料圆柱试件内部的体积Q(m3)，则计算水分在试件内部渗透的体积流速q(m/s)且q＝Q/At，其中A为水泥基材料圆柱试件的横截面积(m2)，然后基于达西定律计算得到该水泥基材料圆柱试件的水分渗透率k(m2)且k＝qηL/P1，其中L(m)为水泥基材料圆柱试件的厚度，η(Pa·s)为试验温度下水分的动黏滞系数。
本发明采用侧面加压的方法对水泥基材料圆柱试件进行侧面(周向)密封，利用内六角螺栓将底板、套筒和顶盖连接成一体，套筒与底板、顶盖之间采用密封圈进行密封。在安装顶盖之前，将密封套置入套筒内部，密封套的内套面套设在底板的二级圆形凸台的周向上，密封套与底板、套筒和顶盖之间形成一个能通过压力注水(或气)来对试件侧面进行密封的压力室。
本发明提供了一种流体介质(水分)渗透率的测试方法，用以严格保证试件侧面密封效果的同时，具有操作简便、省时省力的优点。该密封结构能够在试件的周向上加压达到8～12MPa，从而保证圆柱形水泥基材料试件的侧面不渗漏，允许在圆柱试件的一个端面施加流体介质(水分)渗透率测试所需的较高压力，进而监测流体介质(水分)的微小体积流量并通过达西定律来准确计算得到水泥基材料细微的水分渗透率。
附图说明
图1为实施例中水泥基材料流体渗透率的测试装置的结构示意图；
图2为实施例中水泥基材料圆柱试件的渗透率测试图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式水泥基材料流体渗透率的测试方法按下列步骤实施：
一、沿圆形底板1的径向在板体内设置有水平注水通道1-1，在底板1的圆心处沿轴向设置有竖直注水通道1-2，竖直注水通道1-2与水平注水通道1-1相连通，在底板1的上板面设置有两级圆形凸台，两级圆形凸台沿轴向由下至上依次为一级圆形凸台1-3和二级圆形凸台1-4，圆管形的密封套4的上下管沿处沿径向分别延伸出周向凸缘4-1，密封套4的底部套口套设在二级圆形凸台1-4的周向上，然后将套筒2的下筒口套设在底板1的一级圆形凸台1-3周向上并通过螺栓11固定，顶盖3的下盖面上设置有圆环凸台3-1，在套筒2的上筒口盖有顶盖3并通过螺栓11固定，套筒2的上筒口套设在顶盖3的圆环凸台3-1的周向上，顶盖3的中心处还开有柱塞孔，套筒2、密封套4、底板1和顶盖3所围成的腔室为压力室12，完成测试装置压力室的组装；
二、底座9的上表面为下滤板层7-1，柱塞6的下表面为上滤板层7-2，在收缩套管8内依次放置底座9和水泥基材料圆柱试件10形成试样组件，试样组件套入密封套4内，底座9的下表面与圆形底板1上的二级圆形凸台1-4的台面接触，最后将柱塞6通过顶盖3上的柱塞孔插入收缩套管8中，柱塞6的上滤板层7-2与水泥基材料圆柱试件10的上表面接触，完成试样组件的组装；
三、向底板1的水平注水通道1-1内注水，水通过水平注水通道1-1和竖直注水通道1-2充盈至下滤板层7-1以下，继续注水使水绕过水泥基材料圆柱试件10的侧面充盈至上滤板层7-2和柱塞6的排水通道6-1中，在排水通道6-1中有水后暂停注水，使水泥基材料圆柱试件10下部(所有空间)充满水，气体排出；
四、向压力室12中充水至压力室12内的压力为2P1以上，使密封套4箍紧水泥基材料圆柱试件10，水泥基材料圆柱试件10的底部施加恒定水压力P1，测量在P1压力驱动下t(s)时间内水分渗透进入使水泥基材料圆柱试件10内部的体积Q(m3)，则计算水分在试件内部渗透的体积流速q(m/s)且q＝Q/At，其中A为水泥基材料圆柱试件10的横截面积(m2)，然后基于达西定律计算得到该水泥基材料圆柱试件10的水分渗透率k(m2)且k＝qηL/P1，其中L(m)为水泥基材料圆柱试件10的厚度，η(Pa·s)为试验温度下水分的动黏滞系数。
本实施方式在测试试验过程中先将水泥基材料试件和底座用收缩套管固定形成试样组件，然后在密封套中插入柱塞。在测试水分渗透率时，先通过底板的连接通道向内部注水直至其充盈滤板层的空间中，再对压力室充水至一定的压力(大于注水压力的2倍以上)使密封套紧紧箍住水泥基材料圆柱试件，之后在试件底面施加恒定水压力(一般在3MPa以上)并测量在此压力驱动下水分在t(s)时间内渗透进入水泥基材料试件内部的体积Q(m3)，进而依据达西定律来计算得到水分渗透率。
本实施方式水泥基材料流体渗透率的测试方法也能应用于测试其它流体介质的水泥基材料渗透率，包括液体和气体。不可压缩的其它流体的渗透率与水分渗透率测试方法相同。可压缩气体的渗透率的测试方法是通过测试多个不同压力驱动下的表观渗透率，进而考虑气体的可压缩性进行回归得到水泥基材料试件的本征气体渗透率。但对其它除水以外的流体介质，由于渗透率较大，所需恒定压力及围压较小，比如气体渗透率测试时最大进气压力一般只需0.5MPa左右。
本实施方式测试某种流体介质的水泥基材料渗透率时，选用相同的流体来充盈压力室以密封试件侧面。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的密封套4的材质为丁腈橡胶。
本实施方式丁腈橡胶具有较高的强度和变形能力。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中套筒2的上部筒口通过螺栓11套设在顶盖3的圆环凸台3-1周向上，在套筒2与圆环凸台3-1之间设置有第一密封圈13。
本实施方式所述的第一密封圈13置于顶盖圆形凸台3-1周向的密封圈槽中。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中套筒2的下部筒口通过螺栓11套设在底板1的一级圆形凸台1-3周向上，在套筒2与一级圆形凸台1-3之间设置有第二密封圈14。
本实施方式所述的第二密封圈14置于一级圆形凸台1-3周向的密封圈槽中。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一中套筒2的下部筒口通过螺栓11套设在底板1的一级圆形凸台1-3周向上，6～8个螺栓11均匀设置在底板1的周向上。
本实施方式螺栓旋入套筒的下筒口端沿上。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤一中套筒2的上部筒口通过螺栓11套设在顶盖3的圆环凸台3-1周向上，6～8个螺栓11均匀设置在顶盖3的周向上。
本实施方式螺栓旋入套筒的上筒口端沿上。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是水泥基材料圆柱试件10的直径为25～150mm，水泥基材料圆柱试件10的高度为25～150mm。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四中水泥基材料圆柱试件10的底部施加恒定水压力P1为3～5MPa。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤四中向压力室12中充水至压力室12内的压力为8～12MPa。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四中利用流量计测量在P1压力驱动下t(s)时间内水分渗透进入使水泥基材料圆柱试件10内部的体积Q(m3)。
实施例：本实施例水泥基材料流体渗透率的测试方法按下列步骤实施：
一、沿圆形底板1的径向在板体内设置有水平注水通道1-1，在底板1的圆心处沿轴向设置有竖直注水通道1-2，竖直注水通道1-2与水平注水通道1-1相连通，在底板1的上板面设置有两级圆形凸台，两级圆形凸台沿轴向由下至上依次为一级圆形凸台1-3和二级圆形凸台1-4，圆管形的密封套4的上下管沿处沿径向分别延伸出周向凸缘4-1，密封套4的底部套口套设在二级圆形凸台1-4的周向上，然后将套筒2的下筒口套设在底板1的一级圆形凸台1-3周向上并通过螺栓11固定，顶盖3的下盖面上设置有圆环凸台3-1，在套筒2的上筒口盖有顶盖3并通过螺栓11固定，套筒2的上筒口套设在顶盖3的圆环凸台3-1的周向上，顶盖3的中心处还开有柱塞孔，套筒2、密封套4、底板1和顶盖3所围成的腔室为压力室12，完成测试装置压力室的组装；
二、底座9的上表面为下滤板层7-1，柱塞6的下表面为上滤板层7-2，在收缩套管8内依次放置底座9和砂浆圆柱试件10形成试样组件，试样组件套入密封套4内，底座9的下表面与圆形底板1上的二级圆形凸台1-4的台面接触，最后将柱塞6通过顶盖3上的柱塞孔插入收缩套管8中，柱塞6的上滤板层7-2与砂浆圆柱试件10的上表面接触，完成试样组件的组装，其中砂浆圆柱试件10的直径为50mm，高度为30mm；
三、向底板1的水平注水通道1-1内注水，水通过水平注水通道1-1和竖直注水通道1-2充盈至下滤板层7-1以下，继续注水使水绕过砂浆圆柱试件10的侧面充盈至上滤板层7-2和柱塞6的排水通道6-1中，在排水通道6-1中有水后暂停注水，使砂浆圆柱试件10下部(所有空间)充满水，气体排出；
四、向压力室12中充水至压力室12内的压力为10MPa以上，使密封套4箍紧砂浆圆柱试件10，砂浆圆柱试件10的底部施加恒定水压力P1＝4×106Pa，利用流量计测量在P1压力驱动下t(s)时间内水分渗透进入使水泥基材料圆柱试件10内部的体积Q(m3)，则计算水分在试件内部渗透的体积流速q(m/s)且q＝Q/At，其中A为砂浆圆柱试件10的横截面积(m2)，然后基于达西定律计算得到该砂浆圆柱试件10的水分渗透率k(m2)且k＝qηL/P1，其中L(m)为砂浆圆柱试件10的厚度，η(Pa·s)为试验温度下水分的动黏滞系数。
本实施例所采用的水泥基材料流体渗透率的测试装置的结构(如图1所示)包括底板1、套筒2、顶盖3、密封套4、柱塞6、收缩套管8和底座9，沿圆形底板1的径向在板体内设置有水平注水通道1-1，在底板1的圆心处沿轴向设置有竖直注水通道1-2，竖直注水通道1-2与水平注水通道1-1相连通，底板1的上板面设置两级圆形凸台，两级圆形凸台沿轴向由下至上依次为一级圆形凸台1-3和二级圆形凸台1-4，圆管形的密封套4竖直设置，密封套4的上下管沿处沿径向分别延伸出周向凸缘4-1，密封套4的底部套设在二级圆形凸台1-4的周向上；
底座9的上表面为下滤板层7-1，在底座9的下滤板层7-1表面放置有水泥基材料圆柱试件10形成试样组件，试样组件的周向通过收缩套管8紧密包裹，收缩套管8套设在密封套4中；
顶盖3的下盖面上设置有圆环凸台3-1，顶盖3的中心处开有柱塞孔，顶盖3上还开有排气口3-2，套筒2的下部筒口通过螺栓11套设在底板1的一级圆形凸台1-3周向上，套筒2的上部筒口通过螺栓11套设在顶盖3的圆环凸台3-1的周向上，套筒2与密封套4之间的腔室为压力室12，在套筒2的筒壁上开有注入口2-1；
柱塞6的下表面为上滤板层7-2，柱塞6插嵌入密封套4中，柱塞6的上滤板层7-2与水泥基材料圆柱试件10的顶面接触，在柱塞6中心沿轴向开有排水通道6-1。
本实施例底座与下滤板层为一体结构，柱塞与上滤板层为一体结构，下滤板层和上滤板层中均含有径向孔道和沿板层厚度的轴向孔道。底座的下滤板层、水泥基材料圆柱试件以及柱塞的上滤板层的周向通过收缩套管包裹。
本实施例中竖直注水通道从二级圆形凸台的台面伸出，底座中心处开有与伸出的注水通道相配合的通孔，注水通道从二级圆形凸台的台面伸出长度与底座的厚度相同。
本实施方式在密封套中插入柱塞，通过柱塞压在水泥基材料圆柱试件的表面，而不是用顶盖将水泥基材料圆柱试件完全密闭。采用柱塞搭配不同高度的收缩套管，能够适用于不同厚度的水泥基材料试件并测量流体渗透率，这对较难以控制试件厚度和上下表面平整度的准脆性水泥基材料来说非常重要，此结构增加了该流体渗透率测试装置的通用性，也使试件的安装和取出等试验操方便快捷。
本实施例砂浆试件的水分渗透率测试图如图2所示，在相同条件下，测试得到k1＝3.85×10-21m2和k2＝1.57×10-21m2。

Claims (10)

1.水泥基材料流体渗透率的测试方法，其特征在于该测试方法按下列步骤实现：
一、沿圆形底板(1)的径向在板体内设置有水平注水通道(1-1)，在底板(1)的圆心处沿轴向设置有竖直注水通道(1-2)，竖直注水通道(1-2)与水平注水通道(1-1)相连通，在底板(1)的上板面设置有两级圆形凸台，两级圆形凸台沿轴向由下至上依次为一级圆形凸台(1-3)和二级圆形凸台(1-4)，圆管形的密封套(4)的上下管沿处沿径向分别延伸出周向凸缘(4-1)，密封套(4)的底部套口套设在二级圆形凸台(1-4)的周向上，然后将套筒(2)的下筒口套设在底板(1)的一级圆形凸台(1-3)周向上并通过螺栓(11)固定，顶盖(3)的下盖面上设置有圆环凸台(3-1)，在套筒(2)的上筒口盖有顶盖(3)并通过螺栓(11)固定，套筒(2)的上筒口套设在顶盖(3)的圆环凸台(3-1)的周向上，顶盖(3)的中心处还开有柱塞孔，套筒(2)、密封套(4)、底板(1)和顶盖(3)所围成的腔室为压力室(12)，完成测试装置压力室的组装；
二、底座(9)的上表面为下滤板层(7-1)，柱塞(6)的下表面为上滤板层(7-2)，在收缩套管(8)内依次放置底座(9)和水泥基材料圆柱试件(10)形成试样组件，试样组件套入密封套(4)内，底座(9)的下表面与圆形底板(1)上的二级圆形凸台(1-4)的台面接触，最后将柱塞(6)通过顶盖(3)上的柱塞孔插入收缩套管(8)中，柱塞(6)的上滤板层(7-2)与水泥基材料圆柱试件(10)的上表面接触，完成试样组件的组装；
三、向底板(1)的水平注水通道(1-1)内注水，水通过水平注水通道(1-1)和竖直注水通道(1-2)充盈至下滤板层(7-1)以下，继续注水使水绕过水泥基材料圆柱试件(10)的侧面充盈至上滤板层(7-2)和柱塞(6)的排水通道(6-1)中，在排水通道(6-1)中有水后暂停注水，使水泥基材料圆柱试件(10)下部充满水，气体排出；
四、向压力室(12)中充水至压力室(12)内的压力为2P1以上，使密封套(4)箍紧水泥基材料圆柱试件(10)，水泥基材料圆柱试件(10)的底部施加恒定水压力P1，测量在P1压力驱动下t时间内水分渗透进入使水泥基材料圆柱试件(10)内部的体积Q，则计算水分在试件内部渗透的体积流速q且q＝Q/At，其中A为水泥基材料圆柱试件(10)的横截面积，然后基于达西定律计算得到该水泥基材料圆柱试件(10)的水分渗透率k且k＝qηL/P1，其中L为水泥基材料圆柱试件(10)的厚度，η为试验温度下水分的动黏滞系数。
2.根据权利要求1所述的水泥基材料流体渗透率的测试方法，其特征在于步骤一中所述的密封套(4)的材质为丁腈橡胶。
3.根据权利要求1所述的水泥基材料流体渗透率的测试方法，其特征在于步骤一中套筒(2)的上部筒口通过螺栓(11)套设在顶盖(3)的圆环凸台(3-1)周向上，在套筒(2)与圆环凸台(3-1)之间设置有第一密封圈(13)。
4.根据权利要求1所述的水泥基材料流体渗透率的测试方法，其特征在于步骤一中套筒(2)的下部筒口通过螺栓(11)套设在底板(1)的一级圆形凸台(1-3)周向上，在套筒(2)与一级圆形凸台(1-3)之间设置有第二密封圈(14)。
5.根据权利要求1所述的水泥基材料流体渗透率的测试方法，其特征在于步骤一中套筒(2)的下部筒口通过螺栓(11)套设在底板(1)的一级圆形凸台(1-3)周向上，6～8个螺栓(11)均匀设置在底板(1)的周向上。
6.根据权利要求1所述的水泥基材料流体渗透率的测试方法，其特征在于步骤一中套筒(2)的上部筒口通过螺栓(11)套设在顶盖(3)的圆环凸台(3-1)周向上，6～8个螺栓(11)均匀设置在顶盖(3)的周向上。
7.根据权利要求1所述的水泥基材料流体渗透率的测试方法，其特征在于水泥基材料圆柱试件(10)的直径为25～150mm，水泥基材料圆柱试件(10)的高度为25～150mm。
8.根据权利要求1所述的水泥基材料流体渗透率的测试方法，其特征在于步骤四中水泥基材料圆柱试件(10)的底部施加恒定水压力P1为3～5MPa。
9.根据权利要求8所述的水泥基材料流体渗透率的测试方法，其特征在于步骤四中向压力室(12)中充水至压力室(12)内的压力为8～12MPa。
10.根据权利要求1所述的水泥基材料流体渗透率的测试方法，其特征在于步骤四中利用流量计测量在P1压力驱动下t时间内水分渗透进入使水泥基材料圆柱试件(10)内部的体积Q。
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