CN109100296B - 加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置及加压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，包括设于隧道衬砌结构外侧且用于蓄积腐蚀液的蓄水槽、竖向拉杆、横梁、活塞、密封板、电动缸、减速机、电机、压力传感器和控制器，压力传感器安装于蓄水槽内底部，压力传感器和电机分别与控制器连接，电机依次驱动减速机、电动缸、活塞和密封板，密封板置于蓄水槽内端顶部。本发明还公开了一种加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置采用的加压控制方法，通过采集压力传感器的数据控制电机运行，从而精确控制蓄水槽内腐蚀液对隧道衬砌结构外侧的压力。本发明能够准确、真实地模拟水压作用下隧道衬砌结构的实际服役环境，为隧道工程的设计、维护提供更加可靠的试验依据。

Description

加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置及加压控制方法
技术领域
本发明涉及一种隧道衬砌结构腐蚀试验装置，尤其涉及一种可模拟水压渗透作用的加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置及加压控制方法。
背景技术
随着世界各国国民经济的发展和城市化进程快速推进，长大交通隧道和城市地铁隧道等大型盾构隧道工程将不断涌现。由于其具有一次性投资巨大、维护和改建难度大等特点，故对盾构隧道管片衬砌结构的长期安全性及服役性能提出了更高的要求。对于服役期内的盾构隧道管片衬砌结构而言，其赋存环境较为复杂：一方面，侵蚀环境特有的Cl-、Mg2 +等腐蚀性离子将随着地下水、海水等缓慢侵入隧道中，导致钢筋与接头螺栓过早锈蚀，使钢筋混凝土出现锈蚀劣化，使结构出现裂损或局部破坏；另一方面，管片结构需长期承受岩体围压和水压的作用，处于高压渗透状态，加速材料及结构的腐蚀劣化。由此可见，盾构隧道管片衬砌结构在力学因素（水土荷载，瞬时荷载）和环境因素（CO2、氯盐、酸碱盐等有害化学物质等）的共同作用下，其在腐蚀性介质环境中的长期存在会改变混凝土的力学性能，使结构材料强度降低，降低隧道衬砌的承载能力，并缩短其使用寿命，危及结构安全。
室内加速腐蚀试验方法因可模拟实际工程腐蚀劣化环境、并结合相似理论、电化学方法，可实现短期内结构腐蚀劣化全过程性能的模拟试验，从而为隧道的设计、维护提供试验依据。
目前对于隧道衬砌钢筋混凝土的加速锈蚀试验主要是针对无压状态下的腐蚀溶液开展的，通常以在构件试验区布置腐蚀溶液（或将构件浸泡）的方式对其进行通电加速锈蚀，然后对锈蚀后的试件或构件进行加载，测试锈蚀后试件或构件的强度、刚度、破坏情况等力学及工程特性。如吴庆等通过浸泡的方法，研究了锈蚀钢筋混凝土梁结构性能退化机理；于秋波等通过海绵包裹保水的方法，采用电化学加速锈蚀试验研究分析了钢筋加速锈蚀后的混凝土锈胀开裂特征；张伟平等通过浸泡的方法，比较分析了加速锈蚀与自然锈蚀钢筋混凝土梁受力性能；王雪松等采用全浸泡外加电流加速锈蚀方法、半浸泡外加电流加速锈蚀方法、贴面外加电流加速锈蚀方法、预设辅助电极外加电流加速锈蚀方法等４种不同的外加电流加速锈蚀方法对荷载作用下混凝土中钢筋的锈蚀过程进行模拟，以研究不同钢筋加速锈蚀方法的适用性。然而水下隧道区别于一般的公路隧道、山岭隧道，除了承受普通水土压力外，还要承受较高水压力的作用。在水压力作用下，离子对钢筋混凝土衬砌的腐蚀将会变得不同。
腐蚀离子侵入混凝土衬砌的方式主要包括扩散、压力渗透、毛细吸附、物理或化学 吸附作用等，压力渗透和毛细吸附又称对流作用。对流区只存在于距混凝土表面一定深度 的范围内，记为
Figure 728859DEST_PATH_IMAGE002
；深度小于该值，氯离子通过对流和扩散作用向混凝土内部输运；深度大 于该值，氯离子主要通过扩散作用输运。在无水压或低水压情况下，毛细吸附和渗透作用深 度有限，离子入侵混凝土主要以扩散作用为主，而在有水压力作用特别是高水压作用下，渗 透作用将不能被忽视，且
Figure 772907DEST_PATH_IMAGE002
随水压的增大而增大。
所以，目前这种采用无压腐蚀溶液的试验方法，与隧道衬砌所处真实环境不符，不能真实反映隧道衬砌的腐蚀环境，其试验结果作为隧道设计、维护试验依据的可靠性有待提高。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种可模拟水压渗透作用的加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置及加压控制方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，包括设于隧道衬砌结构外侧且用于蓄积腐蚀液的蓄水槽，还包括竖向拉杆、横梁、活塞、密封板、电动缸、减速机、电机、压力传感器和控制器，所述竖向拉杆的下端与所述隧道衬砌结构固定连接，所述竖向拉杆的上端与所述横梁固定连接，横向的所述密封板置于所述蓄水槽内的顶部并与所述蓄水槽的内周壁密封且能上下移动，所述活塞的下端与所述密封板的上表面中部连接， 所述活塞的上端与所述横梁连接，所述电机的转轴与所述减速机的输入端连接，所述减速机的输出端与所述电动缸的输入端连接，所述电动缸的输出端与所述活塞连接并能够驱动所述密封板上下移动，所述压力传感器安装于所述蓄水槽内的底部，所述压力传感器的输出端与所述控制器的信号输入端连接，所述控制器的控制输出端与所述电机的控制输入端连接。
为了更加准确地检测腐蚀液底部的压力，所述压力传感器为三个并均匀分布于所述蓄水槽内的底部的两侧和中心位置。
具体地，所述竖向拉杆的两端分别通过螺栓与所述隧道衬砌结构和所述横梁固定连接；所述活塞的本体与所述密封板连接，所述活塞的中心杆与所述横梁连接。其中，竖向拉杆可以置于蓄水槽内或蓄水槽外，若置于蓄水槽内，则需要使竖向拉杆与密封板之间相互密封。
一种加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置采用的加压控制方法，包括以下步骤：
步骤一、设置如下参数：在控制器中设定目标压力值为
Figure 404877DEST_PATH_IMAGE004
，活塞和腐蚀液的高度之 和为
Figure 56438DEST_PATH_IMAGE006
，活塞的初始长度为
Figure 288705DEST_PATH_IMAGE008
，蓄水槽的内底面积为
Figure 683914DEST_PATH_IMAGE010
，则腐蚀液的初始体积
Figure 170391DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤二、通过控制器由蓄水槽中的压力传感器的数据计算蓄水槽中的压力
Figure 445383DEST_PATH_IMAGE014
，并计 算压力差
Figure 712416DEST_PATH_IMAGE016
，并进一步计算出为达到目标压力所需改变的腐蚀液的体积为
Figure 849000DEST_PATH_IMAGE018
，其中E为腐蚀液的弹性模量；
步骤三、计算活塞需要推进密封板的距离为
Figure 442179DEST_PATH_IMAGE020
，设电机转动一周，活塞 推进密封板的距离为
Figure 701122DEST_PATH_IMAGE022
，该
Figure 393135DEST_PATH_IMAGE022
值能够通过实验获得，则控制器控制电机转动的周数为
Figure 130147DEST_PATH_IMAGE024
， 从而实现加压控制。
进一步，为了尽量避免仪器精度和误差的影响，所述步骤三采用逐步逼近的方法，具体步骤如下：
步骤（3.1）：第一次取活塞需要推进密封板的距离为
Figure 840483DEST_PATH_IMAGE026
，计算电机需要转动 的周数为
Figure 208010DEST_PATH_IMAGE028
；
步骤（3.2）：通过控制器控制电机转动的周数为
Figure 184056DEST_PATH_IMAGE028
，在压力稳定后测量此时压 力为
Figure 911710DEST_PATH_IMAGE030
；
步骤（3.3）：将
Figure 555181DEST_PATH_IMAGE031
与
Figure 828030DEST_PATH_IMAGE004
进行比较，若
Figure 556952DEST_PATH_IMAGE033
，则停止，若不满足，则继续下一步 骤；
步骤（3.4）：再次计算电机需要转动的周数为
Figure 822717DEST_PATH_IMAGE035
，其中，
Figure 320694DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 764445DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 980663DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 47189DEST_PATH_IMAGE043
；
步骤（3.5）：重复步骤（3.2）、步骤（3.3）、步骤（3.4），其中步骤（3.2）中用
Figure 399673DEST_PATH_IMAGE045
代替
Figure 279904DEST_PATH_IMAGE047
， 直到满足要求。
本发明的有益效果在于：
本发明能够通过控制器根据蓄水槽底部的实时压力控制电机旋转，依次带动减速机、电动缸和活塞，最终实现对密封板升降距离的控制，使蓄水槽内的腐蚀液对隧道衬砌结构外侧的压力达到设定的目标压力，从而能够准确、真实地模拟水压作用下隧道衬砌结构的实际服役环境，为隧道工程的设计、维护提供更加可靠的试验依据。
附图说明
图1是本发明所述加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置应用时的主视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明所述加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置包括设于隧道衬砌结构11外侧且用于蓄积腐蚀液的蓄水槽7、竖向拉杆1、横梁2、活塞4、密封板3、电动缸8、减速机9、电机10、压力传感器6和控制器5，竖向拉杆1为两根且其下端穿过隧道衬砌结构11后通过螺栓12固定连接，竖向拉杆1的上端穿过横梁2后通过螺栓12固定连接，横向的密封板3置于蓄水槽7内的顶部并与蓄水槽7的内周壁密封且能上下移动，活塞4的本体下端与密封板3的上表面中部连接，活塞4的中心杆的上端与横梁2连接，电机10的转轴与减速机9的输入端连接，减速机9的输出端与电动缸8的输入端连接，电动缸8的输出端与活塞4连接并能够驱动密封板3上下移动，压力传感器6为三个并均匀安装于蓄水槽7内的底部的两侧和中心位置，压力传感器6的输出端与控制器5的信号输入端连接，控制器5的控制输出端与电机10的控制输入端连接。图1中还示出了用于安装电机10的安装支架13。
如图1所示，本发明所述加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置采用的加压控制方法，包括以下步骤：
步骤一、设置如下参数：在控制器5中设定目标压力值为
Figure 717839DEST_PATH_IMAGE004
，活塞4和腐蚀液的高度 之和为
Figure 325407DEST_PATH_IMAGE006
，活塞4的初始长度为
Figure 797976DEST_PATH_IMAGE008
，蓄水槽7的内底面积为
Figure 583530DEST_PATH_IMAGE048
，则腐蚀液的初始体积
Figure 508761DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤二、通过控制器5由蓄水槽7中的压力传感器6的数据计算蓄水槽中的压力
Figure 733068DEST_PATH_IMAGE014
，由 于压力传感器6为三个，设三个压力传感器6的检测压力分别为为P 1、P 2、P 3，则
Figure 247095DEST_PATH_IMAGE050
， 并计算压力差
Figure 469129DEST_PATH_IMAGE016
，并进一步计算出为达到目标压力所需改变的腐蚀液的体积为
Figure 881656DEST_PATH_IMAGE018
，其中E为腐蚀液的弹性模量；
步骤三、计算活塞4需要推进密封板3的距离为
Figure 831026DEST_PATH_IMAGE020
，设电机10转动一 周，活塞4推进密封板3的距离为
Figure 12609DEST_PATH_IMAGE022
，该
Figure 467861DEST_PATH_IMAGE022
值能够通过实验获得，则控制器5控制电机10转动的 周数为
Figure 305367DEST_PATH_IMAGE024
，从而实现加压控制；为了尽量避免仪器精度和误差的影响，本步骤三采用 逐步逼近的方法，具体步骤如下：
步骤（3.1）：第一次取活塞4需要推进密封板3的距离为
Figure 871478DEST_PATH_IMAGE026
，计算电机10需要 转动的周数为
Figure 97447DEST_PATH_IMAGE028
；
步骤（3.2）：通过控制器5控制电机10转动的周数为
Figure 723601DEST_PATH_IMAGE028
，在压力稳定后测量此 时压力为
Figure 48403DEST_PATH_IMAGE030
；
步骤（3.3）：将
Figure 152625DEST_PATH_IMAGE031
与
Figure 308800DEST_PATH_IMAGE004
进行比较，若
Figure 292805DEST_PATH_IMAGE033
，则停止，若不满足，则继续下一步 骤；
步骤（3.4）：再次计算电机10需要转动的周数为
Figure 901641DEST_PATH_IMAGE035
，其中，
Figure 12816DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 23498DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 178404DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 8957DEST_PATH_IMAGE043
；
步骤（3.5）：重复步骤（3.2）、步骤（3.3）、步骤（3.4），其中步骤（3.2）中用
Figure 454982DEST_PATH_IMAGE045
代替
Figure 772700DEST_PATH_IMAGE047
， 直到满足要求。
在压力达到预定值后，同时用于进行加速腐蚀试验的稳压直流电源启动，直流电流依次通过稳流直流电源的阳极、隧道衬砌结构11的钢筋及蓄水槽7内的腐蚀液、蓄水槽7内的隧道衬砌结构11的不锈钢网，最后流向稳流直流电源的阴极，构成电化学腐蚀回路，从而实现水压作用下隧道衬砌结构11的加速腐蚀试验。说明：上述用于进行加速腐蚀试验的稳压直流电源及其回路连接结构，均为在图1中示出，为常规的腐蚀试验结构。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，包括设于隧道衬砌结构外侧且用于蓄积腐蚀液的蓄水槽，其特征在于：还包括竖向拉杆、横梁、活塞、密封板、电动缸、减速机、电机、压力传感器和控制器，所述竖向拉杆的下端与所述隧道衬砌结构固定连接，所述竖向拉杆的上端与所述横梁固定连接，横向的所述密封板置于所述蓄水槽内的顶部并与所述蓄水槽的内周壁密封且能上下移动，所述活塞的下端与所述密封板的上表面中部连接， 所述活塞的上端与所述横梁连接，所述电机的转轴与所述减速机的输入端连接，所述减速机的输出端与所述电动缸的输入端连接，所述电动缸的输出端与所述活塞连接并能够驱动所述密封板上下移动，所述压力传感器安装于所述蓄水槽内的底部，所述压力传感器的输出端与所述控制器的信号输入端连接，所述控制器的控制输出端与所述电机的控制输入端连接。
2.根据权利要求1所述的加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，其特征在于：所述压力传感器为三个并均匀分布于所述蓄水槽内的底部的两侧和中心位置。
3.根据权利要求1或2所述的加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，其特征在于：所述竖向拉杆的两端分别通过螺栓与所述隧道衬砌结构和所述横梁固定连接；所述活塞的本体与所述密封板连接，所述活塞的中心杆与所述横梁连接。
4.一种如权利要求1所述的加压式隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置采用的加压控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、设置如下参数：在控制器中设定目标压力值为
Figure 699581DEST_PATH_IMAGE002
，活塞和腐蚀液的高度之和为
Figure 413459DEST_PATH_IMAGE004
，活塞的初始长度为
Figure 458776DEST_PATH_IMAGE006
，蓄水槽的内底面积为
Figure 916302DEST_PATH_IMAGE008
，则腐蚀液的初始体积
Figure 527412DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤二、通过控制器由蓄水槽中的压力传感器的数据计算蓄水槽中的压力
Figure 615454DEST_PATH_IMAGE012
，并计算压力差
Figure 944804DEST_PATH_IMAGE014
，并进一步计算出为达到目标压力所需改变的腐蚀液的体积为
Figure 943371DEST_PATH_IMAGE016
，其中E为腐蚀液的弹性模量；
步骤三、计算活塞需要推进密封板的距离为
Figure 612250DEST_PATH_IMAGE018
，设电机转动一周，活塞推进密封板的距离为
Figure 933510DEST_PATH_IMAGE020
，该
Figure 484577DEST_PATH_IMAGE020
值能够通过实验获得，则控制器控制电机转动的周数为
Figure 221589DEST_PATH_IMAGE022
，从而实现加压控制。
5.根据权利要求4所述的加压控制方法，其特征在于：所述步骤三采用逐步逼近的方法，具体步骤如下：
步骤（3.1）：第一次取活塞需要推进密封板的距离为
Figure 744974DEST_PATH_IMAGE024
，计算电机需要转动的周数为
Figure 830611DEST_PATH_IMAGE026
；
步骤（3.2）：通过控制器控制电机转动的周数为
Figure 337815DEST_PATH_IMAGE026
，在压力稳定后测量此时压力为
Figure 612939DEST_PATH_IMAGE028
；
步骤（3.3）：将
Figure DEST_PATH_IMAGE029
与
Figure 381044DEST_PATH_IMAGE002
进行比较，若
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，则停止，若不满足，则继续下一步骤；
步骤（3.4）：再次计算电机需要转动的周数为
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
；
步骤（3.5）：重复步骤（3.2）、步骤（3.3）、步骤（3.4），其中步骤（3.2）中用
Figure DEST_PATH_IMAGE043
代替
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，直到满足要求。
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