CN109781578A - 一种持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土材料耐久性监测设备技术领域，具体涉及一种持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置，主体结构包括混凝土试件、左钢板、右钢板、预留孔、螺纹杆、弹簧、拉螺母、压螺母、吸水箱、密封圈、盖板、一号高强螺栓、二号高强螺栓、注水管、注水阀门、供水箱、出水管、硅胶软管、储水箱、气压平衡孔、质量传感器、多通道数据采集器、计算机和应变片，右钢板与拉螺母和压螺母之间通过弹簧进行传力，质量传感器与计算机连接，储水箱质量减少量与时间的变化规律能够实时传递至计算机中并实时绘制混凝土试件累计吸水量曲线，实现实时、连续测试混凝土试件的毛细吸水量，能够在不同荷载下实现混凝土试件毛细吸水率的高精度测量要求。

Description

一种持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置

技术领域：

本发明属于混凝土材料耐久性监测设备技术领域，具体涉及一种持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置。

背景技术：

混凝土是一种多相多尺度的非均质材料，在服役过程中，外界的侵蚀性离子通过扩散、渗透、迁移等多种形式进入混凝土内部，其内部孔隙和微裂缝所组成的连续路径会加速介质侵入，而外部荷载作用又会引起混凝土内部孔隙结构及裂缝生成与发展，使得荷载与环境耦合作用下混凝土劣化机理更加复杂，例如：处于冻融环境下的混凝土，孔隙水在液、固两相的交替变化会引起混凝土内部膨胀应力导致新微裂缝增多，进而增加有害离子的侵入。除此之外，广泛采用吸水率来评价建筑材料的吸水特征，并进而将其作为描述建筑材料耐久性的一个重要指标。研究持续荷载作用下混凝土毛细吸水规律及实时监测设备和方法，是海工混凝土结构耐久性评估和寿命预测的重要前提。

现有技术中混凝土吸水率测定的设备很多：中国专利201420535726.0公开的一种用于混凝土表面吸水率测试的测定器，为一个不透水材料构成的盛水容器，容器口部圆周设有边沿；该容器内部填充有吸水材料和定量的水，所述盛水容器的边沿上涂有热熔胶层，所述热熔胶层表面压有密封塑料膜，所述容器的厚度在0.5-1.5mm；容器的高度在8-15mm之间，所述容器口部圆周的边沿，其内径圆为开口，与所述容器的底部构成一个整体，容器材料的厚度为0.5-1mm，外径比内径大10mm，所述容器口部圆周的边沿，其内径在；外径比内径大10mm；中国专利201310441396.9公开的一种混凝土表面毛细吸水率自动测试系统由恒压给水单元、电子天平和试件吸水单元构成，恒压给水单元与试件吸水单元通过出水管、硅胶软管和进水管连通；所述的恒压给水单元由恒压给水密封瓶、气体连通管、平衡进气管和出水管构成；所述的电子天平设置在恒压给水密封瓶底端并用来测量恒压给水单元的重量；其中，气体连通管与平衡进气管均设置在恒压给水密封瓶的上端，气体连通管在恒压给水密封瓶内部的一端设置在靠近恒压给水密封瓶的上端，平衡进气管在恒压给水密封瓶内部的一端设置在靠近恒压给水密封瓶的下端；气体连通管上部设置有一个气体阀门；平衡进气管上部设置有一个气体阀门；平衡进气管底部设置有一个针管；带阀门的出水管一端与恒压给水密封瓶底部侧端连通，另一端通过硅胶软管与进水管连通，所述的进水管与试样密封室底部侧面连通；所述的试件吸水单元由试样密封室、进水管、排水阀、调节阀、L型水位计和试样支撑件构成；其中，试样密封室上部设置有一个水平仪，在下端设置有进水管，在密封室右侧下端设置有L型水位计，L型水位计另一端朝上设置；试样密封室右侧上端设置有调节阀；排水阀设置在试样密封室的底部；试样密封室底部内侧设置有三个等高的试样支撑件；所述的试件吸水单元还包括高度调节脚和水平仪；所述的试样密封室外侧设置有三个等高的高度调节脚，并坐落于水平操作台上；所述的电子天平的量程为1000g，精度为0.001g；所述的气体连通管、平衡进气管、出水管、进水管和L形水位计材质为有机玻璃；所述的L形水位计的顶端高于试样支撑件的顶端的铅垂方向距离为5mm；中国专利201810254473.2公开的一种水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置包括空箱和相机，所述的空箱中放置有荧光灯以及用于存储荧光素溶液的托盘；托盘中放置有若干支撑件，且各支撑件的顶面高度相等，以形成一个水平的支撑平面，水泥基材料试块的底面水平放置于该支撑平面上；所述支撑平面的高度低于托盘的最高储水高度；所述相机的拍摄区域覆盖所述支撑平面上方的水泥基材料试块放置区域；所述荧光灯的光照范围覆盖所述水泥基材料试块在相机中的成像区域。

服役中的混凝土结构往往承受荷载与环境因素耦合作用，在实验室单一因素下混凝土吸水率指标与实际情况存在较大差异。目前，关于荷载作用下混凝土水分传输机理的研究，由于受试验室条件的制约大多主要针对卸载损伤试件开展吸水率测试，实质上混凝土内部在卸载后会出现一定程度的闭合现象，其实际情况下的损伤状况和介质传输性质未能真实反映。同时，现有测试手段大多采取人工定时称取混凝土试件质量方法来获取混凝土吸水量，不仅未能实现混凝土吸水过程的实时、连续性监测，也容易引起人为误差，其试验数据不能准确揭示持载下水分传输的变化规律。因此，基于以上问题考虑，有必要研发一种实时监测荷载下混凝土毛细吸水率变化的试验装置，有助于准确评估混凝土耐久性及预测其服役寿命。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的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，无法对试件吸水量进行实时、连续监测的问题，研发一种持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置。

为了实现上述目的，本发明涉及的持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置主体结构包括混凝土试件、左钢板、右钢板、预留孔、螺纹杆、弹簧、拉螺母、压螺母、吸水箱、密封圈、盖板、一号高强螺栓、二号高强螺栓、注水管、注水阀门、供水箱、出水管、硅胶软管、储水箱、气压平衡孔、质量传感器、多通道数据采集器、计算机和应变片；长方体结构的混凝土试件的左立面与矩形板状结构的左钢板粘接式连接，混凝土试件的右立面与矩形板状结构的右钢板粘接式连接，左钢板和右钢板的两端分别开设有椭圆形结构的预留孔，两根圆柱形的螺纹杆穿过右钢板后与左钢板连接，右钢板左侧的螺纹杆套设有弹簧和拉螺母，右钢板右侧的螺纹杆套设弹簧后与压螺母连接，混凝土试件、左钢板和右钢板的下方设置有内空式结构的吸水箱，混凝土试件与吸水箱相交的外围设置有环状结构的密封圈，密封圈平行于螺纹杆的两个侧边分别设置有矩形板状结构的盖板，一号高强螺栓将盖板与吸水箱连接，二号高强螺栓通过预留孔分别将左钢板和右钢板与吸水箱连接，吸水箱的左立面设置有注水管，注水管上设置有两个注水阀门，注水管与内空式结构的供水箱连接，吸水箱的顶面设置有出水管，出水管与硅胶软管连接，硅胶软管与内空式结构的储水箱连接，储水箱的顶部设置有气压平衡孔，储水箱的下方设置有质量传感器，质量传感器与多通道数据采集器连接，多通道数据采集器分别与计算机和粘贴在混凝土试件侧面的应变片电连接，质量传感器与计算机通过USB连接。

本发明涉及的混凝土试件的下表面为吸水面，混凝土试件的吸水面低于左钢板和右钢板的下表面3-5mm，混凝土试件的吸水面低于密封圈的底表面1-2mm；左钢板和右钢板的厚度相同，均为20-50mm，以使混凝土试件的加载面应力均匀，右钢板与拉螺母和压螺母之间通过弹簧进行传力，能够避免由于混凝土试件的徐变造成应力损失；吸水箱、注水管、出水管和储水箱的材质均为有机玻璃，注水管的直径大于出水管的直径，以使供水箱快速注满水，减小注水过程中混凝土试件短期吸水对后期测量结果的影响，优选的，注水管的外径和内经分别为10-15mm和8-13mm，出水管的外径和内径分别为3-5mm和2-4mm，出水管的顶面比密封圈的顶面高2-3mm，储水箱为正方体结构，储水箱的箱体壁厚为0.5-2mm，质量小于200g，储水箱内底面的坡度为2°，以保证水充分回流，储水箱的内底面比出水管的底面高1-2mm；密封圈的厚度为1-2mm；一号高强螺栓和二号高强螺栓均为承压型高强螺栓，对密封圈具有挤压作用；质量传感器的量程范围为0-500g，精度为0.01g；多通道数据采集器为USB接口数据采集产品，能够与带USB接口的各种台式计算机、笔记本电脑、工控机连接构成高性能的数据采集测量系统；计算机的内部储存有能够编写和记录储水箱的质量减少量与时间关系的程序；应变片为电阻应变片。

本发明涉及的持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置使用时的工艺过程为：

一、使用建筑结构胶将混凝土试件的左立面和右立面分别与左钢板和右钢板密封连接，用环氧树脂对混凝土试件的其余四个侧面做防水处理，并在上侧面粘贴应变片，将应变片通过多通道数据采集器连接至计算机，以实时监控混凝土试件所处的应力状态，使用两根螺纹杆将左钢板和右钢板连接，在螺纹杆上套设弹簧、拉螺母和压螺母，通过压力机对混凝土试件施加作用力，待计算机上显示混凝土试件达到预定的应力水平后，放松拉螺母/压螺母，拧紧压螺母/拉螺母；

二、将密封圈放置在吸水箱上，在密封圈的两侧搭设盖板，将混凝土试件放置在密封圈上，使用一号高强螺栓将盖板与吸水箱连接，使用二号高强螺栓通过预留孔分别将左钢板和右钢板与吸水箱连接，混凝土试件与吸水箱通过密封圈密封连接，使用硅胶软管将出水管与储水箱连接，将储水箱放置在质量传感器上，将质量传感器连接至计算机；

三、打开注水阀门，供水箱内的水流至储水箱中，待储水箱的质量增加值达到220-280g时，关闭注水阀门，加水过程中，供水箱内部的水位线保持高于储水箱的底面10-15mm，停止加水后，打开计时器，运行计算机中记录储水箱的质量减少量与时间关系的程序，记录储水箱的初始质量，计算机实时监测储水箱的质量减少量；

四、通过计算机记录储水箱的质量减少量随时间的变化规律，储水箱的质量减少量的数值等于平行于加载方向的混凝土试件的吸水量的数值，计算机对储水箱的质量减少量随时间变化的规律进行数据处理，实时绘制持载下混凝土试件的累计吸水量曲线。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：1、右钢板与拉螺母和压螺母之间通过弹簧进行传力，减少混凝土试件徐变造成的应力损失，混凝土试件上粘贴的应变片能够实时监控混凝土试件所处的应力水平，在应力发生损失后能够及时通过调整拉螺母或压螺母保证应力处于目标状态；2、由于质量传感器与计算机连接，储水箱质量减少量与时间的变化规律能够实时传递至计算机中并实时绘制混凝土试件累计吸水量曲线，减小人为读数引起的误差；3、盖板与吸水箱通过螺栓连接，左钢板和右钢板与吸水箱通过高强螺栓连接，出水管与储水箱通过硅胶软管连接，操作简单且能够重复利用，储水箱放在质量传感器上实时、连续测试混凝土试件的毛细吸水量，能够在不同荷载下实现混凝土试件毛细吸水率的高精度测量要求；其结构简单，操作简便，使用环境友好，在实现施加持续荷载作用的同时，测量了混凝土试件的表面吸水率，解决了荷载作用与混凝土吸水过程的耦合问题，减小了卸载后裂缝闭合对混凝土毛细吸水量的影响，为准确评价持载作用对混凝土毛细吸水的影响机理和变化规律提供有力的支持。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的混凝土试件与左钢板和右钢板的连接关系示意图。

图3为本发明涉及的混凝土试件、左钢板和右钢板与吸水箱的连接关系示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例涉及的持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置的主体结构包括混凝土试件1、左钢板2、右钢板3、预留孔4、螺纹杆5、弹簧6、拉螺母7、压螺母8、吸水箱9、密封圈10、盖板11、一号高强螺栓12、二号高强螺栓13、注水管14、注水阀门15、供水箱16、出水管17、硅胶软管18、储水箱19、气压平衡孔20、质量传感器21、多通道数据采集器22、计算机23和应变片24；长方体结构的混凝土试件1的左立面与矩形板状结构的左钢板2粘接式连接，混凝土试件1的右立面与矩形板状结构的右钢板3粘接式连接，左钢板2和右钢板3的两端分别开设有椭圆形结构的预留孔4，两根圆柱形的螺纹杆5穿过右钢板3后与左钢板2连接，右钢板3左侧的螺纹杆5套设有弹簧6和拉螺母7，右钢板3右侧的螺纹杆5套设弹簧6后与压螺母8连接，混凝土试件1、左钢板2和右钢板3的下方设置有内空式结构的吸水箱9，混凝土试件1与吸水箱9相交的外围设置有环状结构的密封圈10，密封圈10平行于螺纹杆5的两个侧边分别设置有矩形板状结构的盖板11，一号高强螺栓12将盖板11与吸水箱9连接，二号高强螺栓13通过预留孔4分别将左钢板2和右钢板3与吸水箱9连接，吸水箱9的左立面设置有注水管14，注水管14上设置有两个注水阀门15，注水管14与内空式结构的供水箱16连接，吸水箱9的顶面设置有出水管17，出水管17与硅胶软管18连接，硅胶软管18与内空式结构的储水箱19连接，储水箱19的顶部设置有气压平衡孔20，储水箱19的下方设置有质量传感器21，质量传感器21与多通道数据采集器22连接，多通道数据采集器22分别与计算机23和粘贴在混凝土试件1侧面的应变片24电连接，质量传感器21与计算机23通过USB(通用串行总线)连接。

本实施例涉及的混凝土试件1的下表面为吸水面，混凝土试件1的吸水面低于左钢板2和右钢板3的下表面3-5mm，混凝土试件1的吸水面低于密封圈10的底表面1-2mm；左钢板2和右钢板3的厚度相同，均为20-50mm，以使混凝土试件1的加载面应力均匀，右钢板3与拉螺母7和压螺母8之间通过弹簧6进行传力，能够避免由于混凝土试件1的徐变造成应力损失；吸水箱9、注水管14、出水管17和储水箱19的材质均为有机玻璃，注水管14的直径大于出水管17的直径，以使供水箱16快速注满水，减小注水过程中混凝土试件1短期吸水对后期测量结果的影响，优选的，注水管14的外径和内经分别为10-15mm和8-13mm，出水管17的外径和内径分别为3-5mm和2-4mm，出水管17的顶面比密封圈10的顶面高2-3mm，储水箱19为正方体结构，储水箱19的箱体壁厚为0.5-2mm，质量小于200g，储水箱19内底面的坡度为2°，以保证水充分回流，储水箱19的内底面比出水管17的底面高1-2mm；密封圈10的厚度为1-2mm；一号高强螺栓12和二号高强螺栓13均为承压型高强螺栓，对密封圈10具有挤压作用；质量传感器21的量程范围为0-500g，精度为0.01g；多通道数据采集器22为USB接口数据采集产品，能够与带USB接口的各种台式计算机、笔记本电脑、工控机连接构成高性能的数据采集测量系统；计算机23的内部储存有能够编写和记录储水箱19的质量减少量与时间关系的程序；应变片24为电阻应变片。

本实施例涉及的持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置使用时的工艺过程为：

一、使用建筑结构胶将长、宽和高分别为100mm、100mm和50mm混凝土试件1的左立面和右立面分别与左钢板2和右钢板3密封连接，用环氧树脂对混凝土试件1的100mm×50mm四个侧面做防水处理，并在上侧面粘贴应变片24，将应变片24通过多通道数据采集器22连接至计算机23，以实时监控混凝土试件1所处的应力状态，使用两根螺纹杆5将左钢板2和右钢板3连接，在螺纹杆5上套设弹簧6、拉螺母7和压螺母8，通过压力机对混凝土试件1施加作用力，待计算机23上显示混凝土试件1达到预定的应力水平后，放松拉螺母7(压螺母8)，拧紧压螺母8(拉螺母7)；

二、将密封圈10放置在吸水箱9上，在密封圈10的两侧搭设盖板11，将混凝土试件1放置在密封圈10上，使用一号高强螺栓12将盖板11与吸水箱9连接，使用二号高强螺栓13通过预留孔4分别将左钢板2和右钢板3与吸水箱9连接，混凝土试件1与吸水箱9通过密封圈10密封连接，使用硅胶软管18将出水管17与储水箱19连接，将储水箱19放置在质量传感器21上，将质量传感器21连接至计算机23；

三、打开注水阀门15，供水箱16内的水流至储水箱19中，待储水箱19的质量增加值达到220-280g时，关闭注水阀门15，加水过程中，供水箱16内部的水位线保持高于储水箱19的底面10-15mm，停止加水后，打开计时器，运行计算机23中记录储水箱19的质量减少量与时间关系的程序，记录储水箱19的初始质量，计算机23实时监测储水箱19的质量减少量；

四、通过计算机23记录储水箱19的质量减少量随时间的变化规律，储水箱19的质量减少量的数值等于垂直加载方向的混凝土试件1的吸水量的数值，计算机23对储水箱19的质量减少量随时间变化的规律进行数据处理，实时绘制持载下混凝土试件1的累计吸水量曲线。

Claims (3)

1.一种持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置，其特征在于主体结构包括混凝土试件、左钢板、右钢板、预留孔、螺纹杆、弹簧、拉螺母、压螺母、吸水箱、密封圈、盖板、一号高强螺栓、二号高强螺栓、注水管、注水阀门、供水箱、出水管、硅胶软管、储水箱、气压平衡孔、质量传感器、多通道数据采集器、计算机和应变片；长方体结构的混凝土试件的左立面与矩形板状结构的左钢板粘接式连接，混凝土试件的右立面与矩形板状结构的右钢板粘接式连接，左钢板和右钢板的两端分别开设有椭圆形结构的预留孔，两根圆柱形的螺纹杆穿过右钢板后与左钢板连接，右钢板左侧的螺纹杆套设有弹簧和拉螺母，右钢板右侧的螺纹杆套设弹簧后与压螺母连接，混凝土试件、左钢板和右钢板的下方设置有内空式结构的吸水箱，混凝土试件与吸水箱相交的外围设置有环状结构的密封圈，密封圈平行于螺纹杆的两个侧边分别设置有矩形板状结构的盖板，一号高强螺栓将盖板与吸水箱连接，二号高强螺栓通过预留孔分别将左钢板和右钢板与吸水箱连接，吸水箱的左立面设置有注水管，注水管上设置有两个注水阀门，注水管与内空式结构的供水箱连接，吸水箱的顶面设置有出水管，出水管与硅胶软管连接，硅胶软管与内空式结构的储水箱连接，储水箱的顶部设置有气压平衡孔，储水箱的下方设置有质量传感器，质量传感器与多通道数据采集器连接，多通道数据采集器分别与计算机和粘贴在混凝土试件侧面的应变片电连接，质量传感器与计算机通过USB连接。

2.根据权利要求1所述的持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置，其特征在于混凝土试件的下表面为吸水面，混凝土试件的吸水面低于左钢板和右钢板的下表面3-5mm，混凝土试件的吸水面低于密封圈的底表面1-2mm；左钢板和右钢板的厚度相同，均为20-50mm，以使混凝土试件的加载面应力均匀，右钢板与拉螺母和压螺母之间通过弹簧进行传力，能够避免由于混凝土试件的徐变造成应力损失；吸水箱、注水管、出水管和储水箱的材质均为有机玻璃，注水管的直径大于出水管的直径，以使供水箱快速注满水，减小注水过程中混凝土试件短期吸水对后期测量结果的影响，优选的，注水管的外径和内经分别为10-15mm和8-13mm，出水管的外径和内径分别为3-5mm和2-4mm，出水管的顶面比密封圈的顶面高2-3mm，储水箱为正方体结构，储水箱的箱体壁厚为0.5-2mm，质量小于200g，储水箱内底面的坡度为2°，以保证水充分回流，储水箱的内底面比出水管的底面高1-2mm；密封圈的厚度为1-2mm；一号高强螺栓和二号高强螺栓均为承压型高强螺栓，对密封圈具有挤压作用；质量传感器的量程范围为0-500g，精度为0.01g；多通道数据采集器为USB接口数据采集产品，能够与带USB接口的各种台式计算机、笔记本电脑、工控机连接构成高性能的数据采集测量系统；计算机的内部储存有能够编写和记录储水箱的质量减少量与时间关系的程序；应变片为电阻应变片。

3.根据权利要求1所述的持载下混凝土毛细吸水率实时监测装置，其特征在于使用时的工艺过程为：

一、使用建筑结构胶将混凝土试件的左立面和右立面分别与左钢板和右钢板密封连接，用环氧树脂对混凝土试件的其余四个侧面做防水处理，并在上侧面粘贴应变片，将应变片通过多通道数据采集器连接至计算机，以实时监控混凝土试件所处的应力状态，使用两根螺纹杆将左钢板和右钢板连接，在螺纹杆上套设弹簧、拉螺母和压螺母，通过压力机对混凝土试件施加作用力，待计算机上显示混凝土试件达到预定的应力水平后，放松拉螺母/压螺母，拧紧压螺母/拉螺母；

二、将密封圈放置在吸水箱上，在密封圈的两侧搭设盖板，将混凝土试件放置在密封圈上，使用一号高强螺栓将盖板与吸水箱连接，使用二号高强螺栓通过预留孔分别将左钢板和右钢板与吸水箱连接，混凝土试件与吸水箱通过密封圈密封连接，使用硅胶软管将出水管与储水箱连接，将储水箱放置在质量传感器上，将质量传感器连接至计算机；

三、打开注水阀门，供水箱内的水流至储水箱中，待储水箱的质量增加值达到220-280g时，关闭注水阀门，加水过程中，供水箱内部的水位线保持高于储水箱的底面10-15mm，停止加水后，打开计时器，运行计算机中记录储水箱的质量减少量与时间关系的程序，记录储水箱的初始质量，计算机实时监测储水箱的质量减少量；

四、通过计算机记录储水箱的质量减少量随时间的变化规律，储水箱的质量减少量的数值等于平行于加载方向的混凝土试件的吸水量的数值，计算机对储水箱的质量减少量随时间变化的规律进行数据处理，实时绘制持载下混凝土试件的累计吸水量曲线。