CN109813643A - 一种混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量方法，采用围压密封，加大测量系统进气压与出气压，形成气压差，调节系统快速平衡，混凝土表面覆膜试块的半径r(m)，混凝土基体长度为l(m)，覆膜涂层厚度为h(m)，在工字型密封橡胶套筒夹持装置中，于试块上表面施加稳定气压为P1(Pa)，下表面与大气连通气压为P0(Pa)，覆膜涂层与混凝土基体间气压为Ps(Pa)，获取稳定气体流量为Q(m3/s)，则可推导混凝土材料渗透率kc和覆膜涂层材料渗透率km，测试过程高效，利用工字型密封橡胶套筒夹持装置一次安装密封、多次差压测量，获取不同压差条件下的气体流量读数，根据多组测量结果采用最小二乘法原理，获取混凝土材料和覆膜涂层材料渗透率的最佳估值。

Description

一种混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量方法

技术领域

本发明涉及混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量领域，具体是一种混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量方法。

背景技术

混凝土是重要的建筑材料之一，在实际工程中得到了广泛的应用，如公路桥梁、高层建筑、地下工程等。随着时间推移混凝土结构会逐步破坏，混凝土结构耐久性己成为工程界普遍关注的问题。混凝土的耐久性与混凝土对物质的传输性能密切相关。H₂O、CO₂、氯离子、酸根离子等进入混凝土，会与水泥水化产物和埋入钢筋发生反应，它们被认为是破坏混凝土结构的主要物质。对于暴露在大气中的结构来说，较低的气渗性可防止由于碳化引起的破坏；为了防止钢筋锈蚀必须使混凝土结构的气渗性降低，使酸性物质及水分无法渗入混凝土内部；对于用来储存放射性废料的混凝土结构，应该具有较低的气渗性从而防止放射物质发生泄漏。为了提高混凝土的长期抗渗性能，一方面是降低混凝土材料的孔隙率，提高基体密实度以减少内部物质的渗透传输；另一方面是对混凝土进行表面覆膜处理，通过高致密度的表面覆膜涂层材料阻止外部物质的渗透侵入。

测定混凝土及其表面覆膜涂层材料的渗透率，可以对经表面涂覆处理的混凝土结构进行抗渗性分析。由于混凝土材料和覆膜涂层材料的渗透机理不同，目前研究同时测量并分析两类材料综合渗透率的技术方法非常有限，因此有必要研究混凝土及其表面覆膜涂层材料的渗透率测量方法，研制一套同时测定混凝土材料和表面覆膜涂层材料的渗透率测量装置。

发明内容

本发明专利的目的是设计一种差压式气体渗透率测量系统，通过制作标准尺寸的混凝土表面覆膜试块，能够在一次安装密封、多次差压测量的条件下，根据本专利建立的计算方法获取混凝土材料及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率。该系统具有操作简单、应用广泛、系统灵敏度高等优点，解决了孔隙介质材料和膜介质材料的气体渗透率同时测定问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量方法，包括以下步骤：

S1：试块夹持安装：在夹持装置外壳内放入工字型密封橡胶套筒，将上端头压紧工字型密封胶套上端唇边，上端头与唇边接触处内嵌压环，进行二次密封；用上锁紧螺纹套筒将上端头与外套管上端旋紧，保证加持装置上端密封；岩芯室内放入混凝土表面覆膜涂层标准试块；将密封套橡胶筒带有内嵌橡胶压环部分压紧工字型密封橡胶套筒唇边，旋紧下锁紧螺纹筒，最后将下端头下旋，至试块，即顶紧试块时，加持装置下端密封完成；

S2：测量系统工作流程：将真空泵连接夹持装置围压进气口，使夹持装置外壳与密封橡皮胶套筒之间变成负压，轻松将标准试块送入夹持装置，按照上述步骤S1，将试块安装完毕；卸下真空泵后直接连接氮气罐(围压)，再将氦气罐(测试压)接口与夹持装置进气口连接；打开数据采集仪，查看流量计、流量控制器及压力传感器等初始状态；

S3：调整进口压力：首先打开氮气罐(围压)减压阀，加围压，围压压力范围为：0.2MPa～2.0MPa；打开氮气罐(测试压)减压阀，调整测试压力大小，要求围压是测试压的1.2～2.5倍；

S4：稳定出口流量：系统正常工作后，观察测试压进气口与测试压出气口处流量计的值，当二者显示值稳定后，其值在不确定度范围内，保持一致，则系统达到平衡，记录下测试压进气口处的压力传感器值，即为图3试块上表面受到的稳定的压力值P1(Pa)。操作过程中，可调整测试压进气口气压与围压的比例关系，以缩短平衡时间，减小标准试块测量周期，提高工作效率；

S5：重复调整压差：通过改变进气口压力目标值大小，重复步骤S3、步骤S4，获取多组不同压差条件下的稳定状态的出口气体流量。分别记录每一组压差条件对应的出口气体流量，当测试记录组数不小于三组后，可停止压差调整完成渗透率测试；

S6：最佳估值计算：根据不小于三组的渗透率测试结果，按照公式(2-4)、公式(2-5)代入多组压力、流量测量值，采用最小二乘法对k'_m进行最佳估值计算，当公式(2-5)取最小值时k'_m有最佳估值，再按照关系式(2-3)和公式(2-4)可以计算出混凝土材料渗透率k_c和覆膜涂层材料渗透率k_m。

进一步的：所述混凝土表面覆膜试块是一个以圆柱形混凝土材料为基底，在混凝土上表面涂覆高致密度涂层的复合型试块。试块具有较强的抗压强度，涂层结合力较强，能够满足一定压力条件下的测试要求，将混凝土表面覆膜试块安装固定在工字型密封橡胶套筒夹持装置中。

进一步的：所述混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量系统，是由工字型密封橡胶套筒夹持装置、压力传感器、流量传感器、高精度数据采集模块、标准气罐、控制阀及气路管道组成。采用围压密封，加大测量系统进气压与出气压，形成气压差，调节系统快速平衡。混凝土表面覆膜试块的半径为r(m)，混凝土基体长度为l(m)，覆膜涂层厚度为h(m)。在工字型密封橡胶套筒夹持装置中，于试块上表面施加稳定气压为P1(Pa)，下表面与大气连通气压为P0(Pa)，覆膜涂层与混凝土基体间气压为Ps(Pa)，获取稳定气体流量为Q(m3/s)。则可推导混凝土材料渗透率kc和覆膜涂层材料渗透率km。

进一步的：所述混凝土材料是一种典型的孔隙介质材料，其气体渗透性主要表现为多孔材料的达西渗流作用，根据达西定律可以推导出试块混凝土材料部分的气体渗透率k_c(m²)为：

表面覆膜材料是一种典型的薄膜材料，其气体渗透性主要表现为气相物质相对致密薄膜的扩散作用，根据菲克定律可以推导出试块表面覆膜材料部分的气体渗透率k_m(m²/Pa·s)为：

综合公式(2-1)(2-1)，计A＝πr²，可以得到k_c和k'_m＝1/k_m的关系式(2-3)：

根据关系式(2-3)在上表面压力P₁分别为P₁₍₁₎、P₁₍₂₎条件下,对混凝土表面覆膜试块进行气体渗透率测量，气体流量Q分别为Q₍₁₎、Q₍₂₎，有关于k'_m的一元三次方程f_(1),(2)(k'_m)＝0：

通过多次测量获取多组f_(i),(j)(k'_m)，采用最小二乘法计算k'_m的最佳估值，使k'_m满足公式(2-5)取最小值：

min∑f_(i),(j)(k′_m)² (2-5)

根据k'_m的最佳估计值，由关系式(2-3)和公式(2-4)可以计算出混凝土材料渗透率k_c和覆膜涂层材料渗透率k_m。

与现有技术相比，本发明的特点在于：

本发明实现了同时测定混凝土及其表面覆膜涂层材料渗透率的方法。测试过程高效，利用工字型密封橡胶套筒夹持装置一次安装密封、多次差压测量，获取不同压差条件下的气体流量读数；计算方法简单，根据多组测量结果采用最小二乘法原理，获取混凝土材料和覆膜涂层材料渗透率的最佳估值。方法可应用于孔隙介质材料和膜介质材料构成的复合材料气体渗透率测量。

附图说明

图1是混凝土表面覆膜涂层标准试块。

图2是混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量系统。

图3是混凝土表面覆膜试块差压测试条件下的测试参数图。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步阐述本发明，下面各实施例仅用于举例说明本发明，而本发明的保护范围不受这些实施例的限制，所列材料与前面所述材料的要求一致。

根据图1～3，一种混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量方法，包括以下步骤：

S1：试块夹持安装：在夹持装置外壳内放入工字型密封橡胶套筒，将上端头压紧工字型密封胶套上端唇边，上端头与唇边接触处内嵌压环，进行二次密封；用上锁紧螺纹套筒将上端头与外套管上端旋紧，保证加持装置上端密封；岩芯室内放入混凝土表面覆膜涂层标准试块；将密封套橡胶筒带有内嵌橡胶压环部分压紧工字型密封橡胶套筒唇边，旋紧下锁紧螺纹筒，最后将下端头下旋，至试块，即顶紧试块时，加持装置下端密封完成；

S2：测量系统工作流程：将真空泵连接夹持装置围压进气口，使夹持装置外壳与密封橡皮胶套筒之间变成负压，轻松将标准试块送入夹持装置，按照上述步骤S1，将试块安装完毕；卸下真空泵后直接连接氮气罐(围压)，再将氦气罐(测试压)接口与夹持装置进气口连接；打开数据采集仪，查看流量计、流量控制器及压力传感器等初始状态；

S3：调整进口压力：首先打开氮气罐(围压)减压阀，加围压，围压压力范围为：0.2MPa～2.0MPa；打开氮气罐(测试压)减压阀，调整测试压力大小，要求围压是测试压的1.2～2.5倍；

S4：稳定出口流量：系统正常工作后，观察测试压进气口与测试压出气口处流量计的值，当二者显示值稳定后，其值在不确定度范围内，保持一致，则系统达到平衡，记录下测试压进气口处的压力传感器值，即为图3试块上表面受到的稳定的压力值P1(Pa)。操作过程中，可调整测试压进气口气压与围压的比例关系，以缩短平衡时间，减小标准试块测量周期，提高工作效率；

S5：重复调整压差：通过改变进气口压力目标值大小，重复步骤S3、步骤S4，获取多组不同压差条件下的稳定状态的出口气体流量。分别记录每一组压差条件对应的出口气体流量，当测试记录组数不小于三组后，可停止压差调整完成渗透率测试；

S6：最佳估值计算：根据不小于三组的渗透率测试结果，按照公式(2-4)、公式(2-5)代入多组压力、流量测量值，采用最小二乘法对k'_m进行最佳估值计算，当公式(2-5)取最小值时k'_m有最佳估值，再按照关系式(2-3)和公式(2-4)可以计算出混凝土材料渗透率k_c和覆膜涂层材料渗透率k_m。

所述混凝土表面覆膜试块是一个以圆柱形混凝土材料为基底，在混凝土上表面涂覆高致密度涂层的复合型试块。试块具有较强的抗压强度，涂层结合力较强，能够满足一定压力条件下的测试要求，将混凝土表面覆膜试块安装固定在工字型密封橡胶套筒夹持装置中。

所述混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量系统，是由工字型密封橡胶套筒夹持装置、压力传感器、流量传感器、高精度数据采集模块、标准气罐、控制阀及气路管道组成。采用围压密封，加大测量系统进气压与出气压，形成气压差，调节系统快速平衡。混凝土表面覆膜试块的半径为r(m)，混凝土基体长度为l(m)，覆膜涂层厚度为h(m)。在工字型密封橡胶套筒夹持装置中，于试块上表面施加稳定气压为P1(Pa)，下表面与大气连通气压为P0(Pa)，覆膜涂层与混凝土基体间气压为Ps(Pa)，获取稳定气体流量为Q(m3/s)。则可推导混凝土材料渗透率kc和覆膜涂层材料渗透率km。

所述混凝土材料是一种典型的孔隙介质材料，其气体渗透性主要表现为多孔材料的达西渗流作用，根据达西定律可以推导出试块混凝土材料部分的气体渗透率k_c(m²)为：

表面覆膜材料是一种典型的薄膜材料，其气体渗透性主要表现为气相物质相对致密薄膜的扩散作用，根据菲克定律可以推导出试块表面覆膜材料部分的气体渗透率k_m(m²/Pa·s)为：

综合公式(2-1)(2-1)，计A＝πr²，可以得到k_c和k'_m＝1/k_m的关系式(2-3)：

根据关系式(2-3)在上表面压力P₁分别为P₁₍₁₎、P₁₍₂₎条件下,对混凝土表面覆膜试块进行气体渗透率测量，气体流量Q分别为Q₍₁₎、Q₍₂₎，有关于k'_m的一元三次方程f_(1),(2)(k'_m)＝0：

通过多次测量获取多组f_(i),(j)(k'_m)，采用最小二乘法计算k'_m的最佳估值，使k'_m满足公式(2-5)取最小值：

min∑f_(i),(j)(k′_m)² (2-5)

根据k'_m的最佳估计值，由关系式(2-3)和公式(2-4)可以计算出混凝土材料渗透率k_c和覆膜涂层材料渗透率k_m。

本发明的工作原理：采用围压密封，加大测量系统进气压与出气压，形成气压差，调节系统快速平衡。混凝土表面覆膜试块的半径为r(m)，混凝土基体长度为l(m)，覆膜涂层厚度为h(m)。在工字型密封橡胶套筒夹持装置中，于试块上表面施加稳定气压为P1(Pa)，下表面与大气连通气压为P0(Pa)，覆膜涂层与混凝土基体间气压为Ps(Pa)，获取稳定气体流量为Q(m3/s)。则可推导混凝土材料渗透率kc和覆膜涂层材料渗透率km，测试过程高效，利用工字型密封橡胶套筒夹持装置一次安装密封、多次差压测量，获取不同压差条件下的气体流量读数；计算方法简单，根据多组测量结果采用最小二乘法原理，获取混凝土材料和覆膜涂层材料渗透率的最佳估值。方法可应用于孔隙介质材料和膜介质材料构成的复合材料气体渗透率测量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：试块夹持安装：在夹持装置外壳内放入工字型密封橡胶套筒，将上端头压紧工字型密封胶套上端唇边，上端头与唇边接触处内嵌压环，进行二次密封；用上锁紧螺纹套筒将上端头与外套管上端旋紧，保证加持装置上端密封；岩芯室内放入混凝土表面覆膜涂层标准试块；将密封套橡胶筒带有内嵌橡胶压环部分压紧工字型密封橡胶套筒唇边，旋紧下锁紧螺纹筒，最后将下端头下旋，至试块，即顶紧试块时，加持装置下端密封完成；

S2：测量系统工作流程：将真空泵连接夹持装置围压进气口，使夹持装置外壳与密封橡皮胶套筒之间变成负压，轻松将标准试块送入夹持装置，按照上述步骤S1，将试块安装完毕；卸下真空泵后直接连接氮气罐(围压)，再将氦气罐(测试压)接口与夹持装置进气口连接；打开数据采集仪，查看流量计、流量控制器及压力传感器等初始状态；

S3：调整进口压力：首先打开氮气罐(围压)减压阀，加围压，围压压力范围为：0.2MPa～2.0MPa；打开氮气罐(测试压)减压阀，调整测试压力大小，要求围压是测试压的1.2～2.5倍；

S4：稳定出口流量：系统正常工作后，观察测试压进气口与测试压出气口处流量计的值，当二者显示值稳定后，其值在不确定度范围内，保持一致，则系统达到平衡，记录下测试压进气口处的压力传感器值，即为图3试块上表面受到的稳定的压力值P1(Pa)；操作过程中，可调整测试压进气口气压与围压的比例关系，以缩短平衡时间，减小标准试块测量周期，提高工作效率；

S5：重复调整压差：通过改变进气口压力目标值大小，重复步骤S3、步骤S4，获取多组不同压差条件下的稳定状态的出口气体流量；分别记录每一组压差条件对应的出口气体流量，当测试记录组数不小于三组后，可停止压差调整完成渗透率测试；

S6：最佳估值计算：根据不小于三组的渗透率测试结果，按照公式(2-4)、公式(2-5)代入多组压力、流量测量值，采用最小二乘法对k'_m进行最佳估值计算，当公式(2-5)取最小值时k'_m有最佳估值，再按照关系式(2-3)和公式(2-4)可以计算出混凝土材料渗透率k_c和覆膜涂层材料渗透率k_m。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量方法，其特征在于：所述混凝土表面覆膜试块是一个以圆柱形混凝土材料为基底，在混凝土上表面涂覆高致密度涂层的复合型试块；试块具有较强的抗压强度，涂层结合力较强，能够满足一定压力条件下的测试要求，将混凝土表面覆膜试块安装固定在工字型密封橡胶套筒夹持装置中。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量方法，其特征在于：所述混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量系统，是由工字型密封橡胶套筒夹持装置、压力传感器、流量传感器、高精度数据采集模块、标准气罐、控制阀及气路管道组成；采用围压密封，加大测量系统进气压与出气压，形成气压差，调节系统快速平衡；混凝土表面覆膜试块的半径为r(m)，混凝土基体长度为l(m)，覆膜涂层厚度为h(m)；在工字型密封橡胶套筒夹持装置中，于试块上表面施加稳定气压为P1(Pa)，下表面与大气连通气压为P0(Pa)，覆膜涂层与混凝土基体间气压为Ps(Pa)，获取稳定气体流量为Q(m3/s)；则可推导混凝土材料渗透率kc和覆膜涂层材料渗透率km。

4.根据权利要求1所述的一种混凝土及其表面覆膜涂层材料的气体渗透率测量方法，其特征在于：所述混凝土材料是一种典型的孔隙介质材料，其气体渗透性主要表现为多孔材料的达西渗流作用，根据达西定律可以推导出试块混凝土材料部分的气体渗透率k_c(m²)为：(2-1)

表面覆膜材料是一种典型的薄膜材料，其气体渗透性主要表现为气相物质相对致密薄膜的扩散作用，根据菲克定律可以推导出试块表面覆膜材料部分的气体渗透率k_m(m²/Pa·s)为：

综合公式(2-1)(2-1)，计A＝πr²，可以得到k_c和k'_m＝1/k_m的关系式(2-3)：

(2-3)

根据关系式(2-3)在上表面压力P₁分别为P₁₍₁₎、P₁₍₂₎条件下,对混凝土表面覆膜试块进行气体渗透率测量，气体流量Q分别为Q₍₁₎、Q₍₂₎，有关于k'_m的一元三次方程f_(1),(2)(k'_m)＝0：

通过多次测量获取多组f_(i),(j)(k'_m)，采用最小二乘法计算k'_m的最佳估值，使k'_m满足公式(2-5)取最小值：

min∑f_(i),(j)(k′_m)² (2-5)

根据k'_m的最佳估计值，由关系式(2-3)和公式(2-4)可以计算出混凝土材料渗透率k_c和覆膜涂层材料渗透率k_m。