CN110376251A - 应力作用下混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于研究应力作用下混凝土传输行为的测量装置，其中包括由电液伺服万能实验室为主体的应力加载模块，连接垫板、气泡水准仪和三个平衡脚螺旋组成的水平校准模块，设有控制器、电压感应环、微电流传感器、电压感应器、样品仓、溶液仓的电阻率测量模块以及人机接口模块。本发明采用电液伺服万能试验机对样品进行应力加载，采用连接垫板、气泡水准仪和三个平衡脚螺旋控制溶液仓的液面平整度。在整个监测过程中，监测仪器和样品无需移动即可连续采集并自动记录水泥混凝土在应力作用下传输过程中的电阻率参数，后期极易通过相关软件分析获得变化曲线，并通过计算得到水泥混凝土中离子的稳态扩散系数。

Description

应力作用下混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置及方法

技术领域

本申请涉及电阻率测量技术，特别是一种主要用于研究建筑、交通、桥梁、水利、地下工程等土木工程领域的混凝土在应力作用下传输过程中电阻率变化的测量装置及方法。

背景技术

水泥混凝土是现今土木工程领域应用最广泛、用量最大的建筑材料。数据显示，自1985年之后，我国水泥产量长期处于世界第一位，近些年更是占到世界水泥总产量的百分之五十以上。作为高耗能高污染企业，水泥生产过程产生的碳排放约占总排放量的11.3％，给环境带来巨大压力，自2017年受国家发展供给侧改革及冬季错峰生产影响，全国生产水泥总量出现下降，但庞大的产量总基数使我国水泥生产总量仍就占据了全球总产量的56.5％，可以预见的是，未来一段时间内，我国水泥产量虽有下降，但仍将保持较高的生产总量。虽然混凝土有各项优异的性能，但其在严酷环境下服役寿命短暂，性能劣化快。我国近年来因盐类侵蚀混凝土而造成的混凝土结构提早失效时有发生，这不仅导致了国家财富大量流失，而且造成了资源与能源的极大浪费。

水泥混凝土是一种典型的多相、多尺度非均匀材料，其物理力学性能、变性行为和传输性能很大程度上取决于其细微观结构的特征。而绝大部分水泥混凝土长期处于应力作用的服役状态，不同的应力作用大小、作用方式等都会对混凝土的微观结构产生影响。监测应力作用下水泥混凝土传输过程中的电阻率变化过程，可用来监控水泥混凝土在应力作用下的传输行为，以更好地预测水泥混凝土的长期服役性能。采用测试电阻率的方法来监测应力作用下水泥混凝土的传输过程是一种有效可行的方法。目前的主流电阻率法主要测试离子在水泥混凝土中的扩散系数，但主流方法仅能测试无外界应力作用下离子在水泥混凝土中的扩散系数，抑或不能解决电极与水泥混凝土产生接触电阻、电极极化等现象。因此，在避免电极极化、接触电阻等问题的前提下，研发应力作用下水泥混凝土传输过程中的电阻率测量装置具有十分重要的工程价值，为水泥混凝土质量监控提供了科学的实验仪器，应用前景十分广阔。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种应力作用下混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置，实现避免电极极化、接触电阻等问题的应力作用混凝土传输过程电阻率变化的准确测试，并计算得到离子在混凝土中的稳态扩散系数。

技术方案：本发明所述的一种应力作用下混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置，包括测试平台底座、水平校准模块、电阻率测量模块、人机接口模块、应力加载模块和控制器，其中，所述水平校准模块用于校准样品仓和溶液仓的水平状态，包括连接垫板、气泡水准仪和平衡脚螺旋，所述连接垫板通过平衡脚螺旋固定在测试平台底座上，所述气泡水准仪安装在连接垫板上；所述电阻率测量模块包括电压感应环、电压感应器、微电流传感器、溶液仓、样品仓，其中，样品仓和溶液仓闭合形成环状与电压感应环相扣，微电流传感器以及电压感应器分别监测样品仓和溶液仓形成的闭合环中的感应电流与感应电压，并送至控制器中；控制器还控制电压感应环中的电压；所述应力加载模块对样品仓施加指定应力；所述人机接口模块包括数据采样分析部分和显示部分，数据采样分析部分按一定频率对控制器的检测值进行采样并分析，显示部分显示数据采样分析部分的分析结果。

作为一种改进，本申请中所述电阻率测量模块的控制器，其相关控制电路可利用现有成熟电路技术实现，主要包括在工作时控制电压感应环的电压、测量接受微电流传感器的电流值与电压感应器的电压值以及分析获取电阻率，并通过现有技术中的成熟接口电路技术将数据传递至人机接口模块部分如计算机等储存并经过相关分析软件实现电阻率与时间变化关系曲线的绘制，相关分析软件可通过现有成熟软件技术实现。其中优选人机接口模块对控制器的检测值为主动采样，采样频率可通过软件按需要设定。此外对样品电阻率和样品中离子稳态扩散系数的计算也可由人机接口模块部分完成，即采样对象为控制器检测到的电压和电流值。

作为一种改进，本申请中所述应力加载模块包括加载系统、控制系统和传力模块，所述加载系统及其控制系统采用现有成熟的电液伺服万能试验机及其控制系统，在控制系统的作用下，加载系统通过传力模块对样品仓施加指定应力；当所施加应力恒定时，还可由传力模块将应力紧锁于传力模块内部，而脱离加载系统进行测试。

所述加载系统包括承台，所述承台上设置电液伺服万能试验机加载架，所述传力模块设置在电液伺服万能试验机加载架和承台之间。

所述传力模块包括传力钢板、传力钢块、螺杆、螺母、碟簧、加劲肋、绝缘橡胶垫片。所述传力模块为现有反力框架改进而来，由下往上依次为底层传力钢板、传力钢块、绝缘橡胶垫片、样品仓及测试样品、绝缘橡胶垫片、传力钢块、中间层传力钢板、加劲肋及碟簧、顶层传力钢板、螺母，螺杆贯穿三层传力钢板，其中底层传力钢板与螺杆焊接在一起，中间层和顶层传力钢板在其四个角相同位置均有一孔洞使螺杆贯穿而过，中间层传力钢板上表面与加劲肋焊接连接，碟簧置于中间层传力钢板上方，并在四根螺杆上均匀布置，螺母置于顶层传力钢板上方的螺杆上。

所述传力钢块的横截面与测试样品相同，高度为100mm，绝缘橡胶垫片的横截面与测试样品相同，高度为10mm；可将应力完整地传递给样品且便于连接样品仓与溶液仓。

作为一种改进，本申请中所述连接垫板应置于测试台上，气泡水准仪应水平固定于连接垫板上，样品仓和溶液仓置于连接垫板上，三个平衡脚螺旋应分别置于连接垫板的三个位置，成三角分布便于调节平衡。

作为一种改进，本申请中所述样品仓与溶液仓均为有机玻璃材料制成，其抗压强度高，耐腐蚀，电阻率高，保障了测试数据的准确性。

作为一种改进，本申请中所述样品仓与溶液仓接口处均有卡槽，具体的，样品仓两侧的卡槽中部外凸，溶液仓两侧的卡槽中部内凹，可相互嵌合。样品仓和溶液仓的卡槽衔接后用环氧树脂密封接口，且样品仓和溶液仓在测试过程中应密封顶面，保障了测试过程中溶液不会外渗而引起测量误差。

作为一种改进，本申请中所述微电流传感器为环形，其环孔与样品仓和溶液仓闭合形成的环孔相扣。具体的，样品仓与溶液仓闭合形成的环为方形，穿过微电流传感器与电压感应环的环孔，且平行于水平面。因为本申请中的电阻率测量模块为避免直流法测量混凝土电阻率的极化问题，采用了无电极接触的感应方式进行测量。本申请中模拟了一个变压器，其中电压感应环等效于变压器的初级线圈，样品仓与溶液仓组成的闭合环等效于变压器的次级线圈，当在变压器初级线圈上施加一个交流电压(本申请中采用的频率为1kHz正弦信号)时，次级线圈内将感应出一个环电压V，这个电压使样品仓和溶液仓形成的环内产生了一个环形电流I。本申请用1个平行于样品仓和溶液仓，且通过微电流传感器和电压感应环环孔、但不闭合的导线，即电压感应器来测出样品上感应出的电压(V)，用一个微电流传感器来测试通过样品的环电流(I)。无机胶凝材料(如水泥混凝土、地聚合物等)在交流的电压作用下一般表现出电感的特征，即感应出电压与电流之间存在一个相位差因此可以等效一个电阻与一个电感并联。并根据欧姆定律可以计算出样品和溶液的总电阻。

式中，R_t—整体环电阻，V—感应的环电压，I—感应的环电流，—环电压与环电流的相位差。

由于使用的交流频率比较低，仅1kHz，完全可以忽略样品电感的影响。同时，当样品加上电场时，样品和溶液中的极化离子在环形回路内首尾相接，互相抵消，因此极化场是及其微弱的。从理论上讲，极化电场是由于电荷积累而产生的，对于这种无电极的闭合环回路，便不再存在电荷积累。尽管不能说极化场是绝对不存在的，但是在测量过程中完全可以忽略。而环电压与环电流相位差近似为0，那么(1)式可以简化为：

即得到相应条件下相应时间样品和溶液的整体电阻。根据欧姆定律，样品与溶液的整体电阻为样品电阻与溶液的电阻之和，即：

R_t＝R_Specimen+R_Solution (3)

式中，R_Specimen—样品的电阻，R_Soiution—溶液的电阻。

其中，溶液的电阻可以根据其电阻率、溶液的高度计算得到：

式中，ρ_Solution—溶液的电阻率，L—样品仓和溶液仓形成的闭合环总长度，S—测试过程中溶液的横截面积。

溶液的电阻率可事先通过液体电阻率测量仪或本实验设备进行测试。联立式(2)、(3)、(4)即可求解得到样品的电阻值。结合固体电阻和电阻率的关系式，可计算得到样品的电阻率值，如式(5)。后期可很容易的通过软件分析得到样品电阻率与时间变化的关系曲线。

在传输过程进行到稳态后，混凝土样品内部的孔溶液浓度与外界浓度一致，根据Nernst-Einstein经典公式可计算得到离子在混凝土样品的稳态扩散系数：

式中，D_i—离子i的稳态扩散系数，R—相对气体常数，T—绝对温度，Z_i—离子i的电荷数或价位，F—法拉第常数，C_i—离子i的浓度。

本申请的装置在测量时其测量方法包括以下步骤：

1)将样品4个表面用环氧树脂密封，仅剩用于传输的两个对面，并用环氧树脂将样品与样品仓固定；

2)待环氧树脂硬化后，在样品上方和样品仓下方各放置一层与样品平面尺寸一致的5mm厚绝缘橡胶垫片，在上方绝缘橡胶垫片上放置一个传力钢块，将整体置于电液伺服万能试验机上并施加预期荷载；

3)将样品仓和溶液仓连接，调整电阻率测试平台上方的三个平衡脚螺旋位置，保持样品仓和溶液仓闭合环的水平，最后用环氧树脂密封样品仓与溶液仓的接缝；

4)待环氧树脂硬化后，在溶液仓中注入与样品温度一致的一定浓度溶液，同时启动电阻率测量模块并接通人机接口模块采样记录分析相关检测值。

作为一种改进，步骤1)中应用环氧树脂将样品及样品仓的间隙完全密封，保证在测试过程中溶液不会从间隙中通过而对测试结果产生影响。

作为一种改进，步骤2)中绝缘橡胶垫片用于隔绝样品、溶液与外界的接触，起到绝缘效果。电液伺服万能试验机的加载速率应控制在2000N/s及以下，总施加应力在样品抗压强度的0-80％范围内调节。

作为一种改进，步骤3)中的连接垫板应置于测试台上，气泡水准仪应水平固定于连接垫板上，样品仓和溶液仓置于连接垫板上，三个平衡脚螺旋应分别置于连接垫板的三个位置，成三角分布便于调节平衡。

有益效果：本发明综合运用电磁感应技术，采用电液伺服万能试验机对样品进行应力加载，采用连接垫板、气泡水准仪和三个平衡脚螺旋控制溶液仓的液面平整度。在整个监测过程中，监测仪器和样品无需移动即可连续采集并自动记录水泥混凝土在应力作用下传输过程中的电阻率参数，后期极易通过相关软件分析获得变化曲线，并通过计算得到水泥混凝土中离子的稳态扩散系数。实现了应力作用下水泥混凝土在传输过程中的电阻率变化的连续、自动、原位监测。

附图说明

图1所示为本申请的装置结构示意图；

图2所示为本申请中应力加载模块结构示意图；

图3所示为本申请中传力模块结构示意图；

图4所示为本申请中电阻率测量模块结构示意图；

图5所示为本申请中水平校准模块结构示意图；

图6所示为采用本申请装置的应用例1的检测结果曲线；

图7所示为采用本申请装置的应用例2的检测结果曲线；

图8所示为采用本申请装置的应用例3的检测结果曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步说明：

如图1所示的一种应力作用下混凝土传输过程电阻率变化测量装置，包括试平台底座11、水平校准模块2、电阻率测量模块1、人机接口模块3、应力加载模块5和控制器4。其中如图5所示的水平校准模块2用于校准样品仓和溶液仓的水平状态，包括连接垫板22、气泡水准仪21和平衡脚螺旋23，连接垫板22通过平衡脚螺旋23固定在测试平台底座11上，气泡水准仪21安装在连接垫板22上。

如图4所示的电阻率测量模块1，其包括电压感应环12、微电流传感器14、电压感应器13、样品仓16及溶液仓15；样品仓16内放置待测样品17，样品仓16和溶液仓15闭合形成环状与电压感应环12相扣；微电流传感器14以及电压感应器13分别监测样品仓16和溶液仓15形成的闭合环中的感应电流与感应电压并送至控制器4中；控制器4控制电压感应环12中的电压。

结合图2和图3，应力加载模块5包括加载系统、控制系统和传力模块，加载系统及其控制系统采用现有成熟的电液伺服万能试验机及其控制系统，在控制系统的作用下，加载系统通过传力模块对样品仓16施加指定应力；当所施加应力恒定时，还可由传力模块将应力紧锁于传力模块内部，而脱离加载系统进行测试。加载系统包括承台52，所述承台52上设置电液伺服万能试验机加载架51，所述传力模块设置在电液伺服万能试验机加载架51和承台52之间，传力模块和电液伺服万能试验机加载架51之间通过试验机配套夹具53连接在一起。

如图3所示，传力模块包括传力钢板58、传力钢块59、螺杆54、螺母55、碟簧56、加劲肋57、绝缘橡胶垫片510。传力模块为现有反力框架改进而来，由下往上依次为底层传力钢板58、传力钢块59、绝缘橡胶垫片510、样品仓16及测试样品17、绝缘橡胶垫片510、传力钢块59、中间层传力钢板58、加劲肋57及碟簧56、顶层传力钢板58、螺母55，螺杆贯穿三层传力钢板58，其中底层传力钢板58与螺杆54焊接在一起，中间层和顶层传力钢板58在其四个角相同位置均有一孔洞使螺杆54贯穿而过，中间层传力钢板上表面与加劲肋57焊接连接，碟簧56置于中间层传力钢板上方，并在四根螺杆54上均匀布置，螺母55置于顶层传力钢板58上方的螺杆54上。并且传力钢块59的横截面与测试样品17相同，高度为100mm，绝缘橡胶垫片510的横截面与测试样品17相同，高度为10mm；可将应力完整地传递给样品且便于连接样品仓16与溶液仓15。

人机接口模块3包括数据采样分析部分和显示部分，数据采样分析部分按一定频率对控制器的检测值进行采样并分析，显示部分显示数据采样分析部分的分析结果。

电阻率测量模块的控制器，其相关控制电路可利用现有成熟电路技术实现，其与人机接口模块的连接可通过现有技术中的成熟接口电路技术实现，由人机接口模块部分按照一定频率主动对控制器进行采样并记录存储，采样频率可通过软件设置，相关软件可用现有技术的成熟软件技术实现。

结合图6至图8分别为利用本申请的装置和方法进行的三个不同应力作用的具体应用案例的电阻率检测结果，其中：

应用例1中采用水灰比为0.40的P·II52.5硅酸盐水泥净浆样品，尺寸为40mm*40mm*40mm，在标准养护室中养护至120d后取出，置于鼓风干燥箱中，控制干燥箱温度每小时上升5℃至80℃，在80℃下持续8h，随后每小时降低5℃至室温。测试溶液为实验室自来水，25℃下电导率为0.00077S/cm，测试环境温度为25℃±1℃。

应用例2中采用采用水灰比为0.40的P·II52.5硅酸盐水泥净浆样品，尺寸为40mm*40mm*40mm，在标准养护室中养护至60d后取出，置于真空干燥箱中，控制干燥箱温度每小时上升5℃至60℃，保持60℃烘干24h，随后每小时降低5℃至室温并取出样品。将样品置于真空干燥皿中，抽真空至-0.098MPa，随后注入实验室自来水，保持抽真空24h。随后将样品施加20kN压力，依照本申请的装置和方法进行测试。测试溶液为实验室自来水，25℃下电导率为0.00077S/cm，测试环境温度为25℃±1℃。

应用例3中采用水灰比为0.40的P·II52.5硅酸盐水泥净浆样品，尺寸为40mm*40mm*40mm，在标准养护室中养护至60d后取出，置于真空干燥箱中，控制干燥箱温度每小时上升5℃至60℃，保持60℃烘干24h，随后每小时降低5℃至室温并取出样品。将样品置于真空干燥皿中，抽真空至-0.098MPa，随后注入实验室自来水，保持抽真空24h。随后将样品施加40kN压力，依照本申请的装置和方法进行测试。测试溶液为实验室自来水，25℃下电导率为0.00077S/cm，测试环境温度为25℃±1℃。

分别按照如下步骤进行：

1)将样品4个表面用环氧树脂密封，仅剩用于传输的两个对面，并用环氧树脂将样品与样品仓固定；

2)待环氧树脂硬化后，在样品上方和样品仓下方各放置一层与样品平面尺寸一致的5mm厚绝缘橡胶垫片，在上方绝缘橡胶垫片上放置一个传力钢块，将整体置于电液伺服万能试验机上并施加预期荷载；

3)将样品仓和溶液仓连接，调整电阻率测试平台上方的三个平衡脚螺旋，调整样品仓和溶液仓闭合环的水平，最后用环氧树脂密封样品仓与溶液仓的接缝；

4)待环氧树脂硬化后，在溶液仓中注入与样品温度一致的一定浓度溶液，同时启动电阻率测量模块并接通人机接口模块采样记录分析相关检测值。

通过现有技术中的成熟借口技术将控制器实时监测到的电阻率传输只计算机，并通过相关软件分析样品电阻率随时间变化曲线，应用例1至例3分别得到图4至图6的相应检测结果。

Claims (10)

1.一种应力作用下混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置，其特征在于，包括测试平台底座(11)、水平校准模块(2)、电阻率测量模块(1)、人机接口模块(3)、应力加载模块(5)和控制器(4)，其中，

所述水平校准模块(2)用于校准样品仓和溶液仓的水平状态，包括连接垫板(22)、气泡水准仪(21)和平衡脚螺旋(23)，所述连接垫板(22)通过平衡脚螺旋(23)固定在测试平台底座(11)上，所述气泡水准仪(21)安装在连接垫板(22)上；

所述电阻率测量模块(1)包括电压感应环(12)、电压感应器(13)、微电流传感器(14)、溶液仓(15)、样品仓(16)，其中，样品仓(16)和溶液仓(15)闭合形成环状与电压感应环(12)相扣，微电流传感器(14)以及电压感应器(13)分别监测样品仓(16)和溶液仓(15)形成的闭合环中的感应电流与感应电压，并送至控制器(4)中；控制器(4)还控制电压感应环(12)中的电压；

所述应力加载模块(5)对样品仓(16)施加指定应力；

所述人机接口模块(3)包括数据采样分析部分和显示部分，数据采样分析部分按一定频率对控制器(4)的检测值进行采样并分析，显示部分显示数据采样分析部分的分析结果。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述应力加载模块(5)包括加载系统、控制系统和传力模块，所述加载系统及其控制系统采用现有成熟的电液伺服万能试验机及其控制系统，在控制系统的作用下，加载系统通过传力模块对样品仓(16)施加指定应力；当所施加应力恒定时，还可由传力模块将应力紧锁于传力模块内部，而脱离加载系统进行测试。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述传力模块和电液伺服万能试验机加载架(51)之间通过试验机配套夹具(53)连接在一起。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述气泡水准仪(21)水平固定于连接垫板(22)上，样品仓(16)和溶液仓(15)置于连接垫板(22)上。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述平衡脚螺旋(23)为三个，分别置于连接垫板(22)的三个位置，成三角分布便于调节平衡。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述样品仓(16)和溶液仓(15)均为有机玻璃材料制成。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述样品仓(16)和溶液仓(15)接口处均有卡槽，卡槽衔接后用环氧树脂密封接口。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述微电流传感器(14)为环形，其环孔与样品仓(16)和溶液仓(15)闭合形成的环孔相扣，且样品仓(16)和溶液仓(15)在测试过程中应密封。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电压感应器(13)为1根不闭合导线，其穿过电压感应环(12)与微电流感应器(14)的环孔。

10.采用权利要求1-9中任一所述装置测量应力作用下混凝土传输过程中电阻率变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将样品4个表面用环氧树脂密封，仅剩用于传输的两个对面，并用环氧树脂将样品与样品仓固定；

(2)待环氧树脂硬化后，在样品上方和样品仓下方各放置一层与样品平面尺寸一致厚绝缘橡胶垫片，在上方绝缘橡胶垫片上放置一个传力钢块，将整体置于电液伺服万能试验机上并施加预期荷载；

(3)将样品仓和溶液仓连接，调整电阻率测试平台上方的三个平衡脚螺旋，调整样品仓和溶液仓闭合环的水平，最后用环氧树脂密封样品仓与溶液仓的接缝；

(4)待环氧树脂硬化后，在溶液仓中注入与样品温度一致的一定浓度溶液，同时启动电阻率测量模块并接通人机接口模块采样记录分析相关检测值。