CN110542636B - 部分饱和的水泥基材料渗透系数测定方法及其试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种部分饱和的水泥基材料渗透系数测定方法，包括以下步骤：1)试件预处理；2)安装试验桶体；3)注水排气；4)双向施加等压；5)单向施加压力；6)单位时间内，计算有效水渗透量Qper；7)试验结束后，先关闭增压泵，等到桶体内压力全部卸载完成后，再打开每个排气泄水阀将试验桶体的水排出，取下试件即可。以及提供一种部分饱和的水泥基材料渗透系数测定试验装置。本发明能够保证密封的有效性，准确控制水压力；本发明结构简单，适用性广，操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种部分饱和的水泥基材料渗透系数测定方法及其试验装置，特别涉及一种可以测定具有不同饱和度或不同孔隙率的水泥基材料渗透系数测定方法及其试验装置。
背景技术
混凝土的耐久性取决于其抵抗化学物质侵入的能力。混凝土的运输性能，主要是渗透性，在评估和预测钢筋混凝土结构的耐久性方面起着关键作用。混凝土的含水状态影响运输参数，比如渗透性，这对混凝土的耐久性产生较大的影响。其中，混凝土的水渗透性是评估其抵抗侵入性物质(如氯离子、水蒸气等)能力的最重要参数之一。在实际工程中，混凝土材料的含水率会根据其所在环境随着时间的变化而变化。同时，混凝土的饱和度对运输性能起着至关重要的作用。有试验证明，混凝土分别暴露在潮汐区、浪溅区和大气区五年、十年后混凝土内部湿度主要集中在20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％不等，足以证明研究饱和度对混凝土耐久性影响的必要性。因此，测量部分饱和的混凝土材料的水渗透性越来越重要。
当压力施加在部分饱和的混凝土上时，一方面，由于压力的作用，水流入已经被水填满的孔隙；另一方面，由于毛细作用，水流入空的孔隙。因此，测量的流量包括两部分，一个是通过饱和孔隙的“渗流”流速，另一个是通过空的孔隙的“毛细吸力(capillaryimbibitions)”的流速。而试验假设由于毛细作用(capillary action)引起的水流速对有效水渗透性没有贡献，因此有效水渗透性仅由压力作用下的渗透速度决定。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种能够测定部分饱和的水泥基材料渗透性的方法，并提供一种结构简单、稳定性好、自动化程度高的，能够测定不同密实度和不同饱和度的水泥基材料渗透系数的试验装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种部分饱和的水泥基材料渗透系数测定方法，包括以下步骤：
1)试件预处理：将具有设定饱和度的待测试件侧壁用环氧树脂密封；
2)安装试验桶体：将预处理后的试件装在试验桶体内，保证试件与试验桶体接触处以及整个试验桶体完全密封；然后试验桶体的各个进水口与传感器相连，传感器和带有控制面板的控制器相连；
3)注水排气：试验桶体安装完成后，通过围压进水口向试验桶体中注水至排气泄水阀出现有水溢出时，停止注水并关闭排气泄水阀；通过第一、第二进水口向试验桶体中注水至排气泄水阀出现有水溢出时，停止注水并关闭排气泄水阀；
4)双向施加等压：在与围压进水口、第一进水口和第二进水口连接的控制面板中分别设置围压参数、第一进水口的压力参数和第二进水口的压力参数；其中，第一进水口的压力参数和第二进水口的压力参数相等，然后启动程序，增压泵启动，等到传感器上的流量读数的增加速率达到稳定后，记录单位时间内的总流量，所得结果取平均值即为由毛细作用引起的流量Qcap；
5)单向施加压力：对于试验桶体的一侧，在控制器面板中设置压力参数，在与另一侧相连的控制面板中设置压力参数为0，然后启动程序，增压泵启动，等到传感器上的流量读数的增加速率达到稳定后，记录单位时间内的流量，所得结果取平均值即为由压力作用和毛细作用共同引起的水渗透流量Q；
6)单位时间内，有效水渗透量Qper即为：Qper＝Q-Qcap*0.5；
根据达西定律，渗透系数K计算公式为：
其中，μ为流体黏度，单位Pa·s；Qper为单位时间内有效水渗透量，单位cm3/s；L为试件厚度，单位cm；A为试件横截面面积，单位cm2；△p为单向施加压力下的压力差，单位Pa；
7)试验结束后，先关闭增压泵，等到桶体内压力全部卸载完成后，再打开每个排气泄水阀将试验桶体的水排出，取下试件即可。
一种部分饱和的水泥基材料渗透系数测定试验装置，包括试验桶体、注水增压单元、传感器和带有控制面板的控制器，所述的试验桶体内装有测定试件，所述的试验桶体的围压进水口与所述的注水增压单元相连，所述的试验桶体的第一进水口和第二进水口与所述的传感器相连，所述的传感器与所述的注水增压单元相连；所述的控制器包括时间控制单元和压力控制单元，所述的压力控制单元信号输入端与设置在试验桶体内的压力传感器相连，所述的控制器的信号输出端与所述的注水增压单元的增压泵的控制端相连，所述的时间控制单元的信号输入输出端、所述的压力控制单元的信号输入输出端均与所述的控制面板的控制端连接。
进一步，所述的试验桶体包括两端带有盖板的压力桶以及装于压力桶内的压盘，所述的盖板上设有用于与传感器连通的进水口和排气泄水阀；所述的压盘中心设有通孔，并且所述的压盘与其中一块盖板固接，所述的试件夹在压盘与盖板之间。
进一步，所述的注水增压单元包括与外界水源连通的进水管、进水箱、增压泵、高压贮水箱、连接管，所述的进水箱与增压泵的进水口管道连接，所述的增压泵的出水口与高压贮水箱管道连接，所述的高压贮水箱的出水口通过连接管与所述的传感器的进水口连接。
所述的传感器带有时间控制单元和水流量控制单元，能够精确测出每一时刻的单位时间内的水流量；
所述的压力桶包括两端敞口的桶体、压盘、第一盖板和第二盖板，所述的第一盖板上设有第一进水口和第一排气泄水阀以及围压进水口和围压排气泄水阀，所述的第二盖板上设有第二进水口和第二排气泄水阀；所述的第二盖板通过焊接与桶体一端相连；所述的第一盖板盖在桶体的另一端上，并且所述的第一盖板、第二盖板通过带有第一螺母的第一螺栓密封固接；所述的压盘通过带有第二螺母的第二螺栓与所述的第一盖板内表面固接，所述的压盘与所述的第一盖板之间夹有试件，保持试件与压盘以及第一盖板接触处密封；所述的压盘与所述的试件之间、所述的第一盖板与所述的试件之间均夹有密封圈。
所述的第一盖板内表面设有两圈环形凹槽，所述的第一盖板内表面上设有的两圈环形凹槽分别配有第一橡胶圈和第二橡胶圈。
所述的压盘一侧表面设有一圈环形凹槽，所述的压盘一侧表面上设有的一圈环形凹槽配有第三橡胶圈。
所述的压盘和所述的第一盖板之间的距离为0～95mm，并且所述的压盘通过第二螺栓调整与所述的第一盖板之间的距离；所述的试件高度在0～95mm之间任意调整；所述的密封橡胶圈均采用高韧度硅胶加工而成；所述的压力桶内的试验水压力范围0～5MPa。
本发明的有益效果主要表现在：能够保证密封的有效性，准确控制水压力；此外，本发明可以研究试件厚度对水渗透系数的影响，并且适用于不同孔隙率的水泥基材料的渗透性试验；更重要的是，本发明能够适用于不同饱和度的水泥基材料在不同的围压下的渗透性试验；本发明结构简单，适用性广，操作简便，为测定部分饱和的水泥基材料的渗透系数提供了一种新的试验方法和试验装置。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为本发明试验装置的第一盖板的仰视图。
图3为本发明试验装置的第一盖板的俯视图。
图4为本发明试验装置的第二盖板的俯视图。
图5为本发明试验装置的第二盖板的仰视图。
图6为本发明试验装置的压盘的俯视图。
图7为本发明试验装置的剖面图。
图8为本发明试验装置的框架图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图8，一种部分饱和的水泥基材料渗透系数测定方法，包括以下步骤：
1)试件预处理：将具有设定饱和度的待测试件侧壁用环氧树脂密封；
2)安装试验桶体：将预处理后的试件装在试验桶体内，保证试件与试验桶体接触处以及整个试验桶体完全密封；然后试验桶体的各个进水口与传感器相连，传感器和带有控制面板的控制器相连；
3)注水排气：试验桶体安装完成后，通过围压进水口向试验桶体中注水至排气泄水阀出现有水溢出时，停止注水并关闭排气泄水阀；通过第一、第二进水口向试验桶体中注水至排气泄水阀出现有水溢出时，停止注水并关闭排气泄水阀；
4)双向施加等压：在与围压进水口、第一进水口和第二进水口连接的控制面板中分别设置围压参数、第一进水口的压力参数和第二进水口的压力参数；其中，第一进水口的压力参数和第二进水口的压力参数相等，然后启动程序，增压泵启动，等到传感器上的流量读数的增加速率达到稳定后，记录单位时间内的总流量，所得结果取平均值即为由毛细作用引起的流量Qcap；
5)单向施加压力：对于试验桶体的一侧，在控制器面板中设置压力参数，在与另一侧相连的控制面板中设置压力参数为0，然后启动程序，增压泵启动，等到传感器上的流量读数的增加速率达到稳定后，记录单位时间内的流量，所得结果取平均值即为由压力作用和毛细作用共同引起的水渗透流量Q；
6)单位时间内，有效水渗透量Qper即为：Qper＝Q-Qcap*0.5；
根据达西定律，渗透系数K计算公式为：
其中，μ为流体黏度，单位Pa·s；Qper为单位时间内有效水渗透量，单位cm3/s；L为试件厚度，单位cm；A为试件横截面面积，单位cm2；△p为单向施加压力下的压力差，单位Pa；
7)试验结束后，先关闭增压泵，等到桶体内压力全部卸载完成后，再打开每个排气泄水阀将试验桶体的水排出，取下试件即可。
一种部分饱和的水泥基材料渗透系数测定试验装置，包括试验桶体、注水增压单元、传感器和带有控制面板的控制器，所述的试验桶体内装有测定试件23，所述的试验桶体的围压进水口3与所述的注水增压单元相连，所述的试验桶体的第一进水口1和第二进水口11与所述的传感器24相连，所述的传感器24与所述的注水增压单元相连；所述的控制器包括时间控制单元29和压力控制单元30，所述的压力控制单元信号输入端与设置在试验桶体内的压力传感器25相连，所述的控制器的信号输出端与所述的注水增压单元的增压泵27的控制端相连，所述的时间控制单元的信号输入输出端、所述的压力控制单元的信号输入输出端均与所述的控制面板的控制端连接。
所述的试验桶体包括第一盖板10、第二盖板14、盖板之间的压力桶13以及装于压力桶13内的压盘20，所述的第一盖板10上设有用于与传感器24连通的第一进水口1和第一排气泄水阀2，所述的第二盖板14上设有用于与传感器24连通的第二进水口11和第二排气泄水阀12；所述的压盘20中心设有通孔，并且所述的压盘20与第一盖板10固接，所述的试件23夹在压盘20与第一盖板10之间。
所述的注水增压系统包括进水箱28、增压泵27、高压贮水箱26、连接管33，所述的进水箱28与增压泵27的进水口管道连接，所述的增压泵27的出水口与高压贮水箱26管道连接，所述的高压贮水箱26的出水口通过连接管33与所述的传感器24的进水口连接。
所述的传感器24带有时间控制单元和水流量控制单元，能够精确测出每一时刻的单位时间内的水流量。
所述的压力桶13包括两端敞口的桶体、压盘20、第一盖板10和第二盖板14，所述的第一盖板10上设有第一进水口1和第一排气泄水阀2以及围压进水口3和围压排气泄水阀4，所述的第二盖板14上设有第二进水口11和第二排气泄水阀12；所述的第二盖板14通过焊接与桶体一端相连；所述的第一盖板10盖在桶体的另一端上，并且所述的第一盖板10、第二盖板14通过带有第一螺母7的第一螺栓21密封固接；所述的压盘20通过带有第二螺母18的第二螺栓22与所述的第一盖板10内表面固接，所述的压盘20与所述的第一盖板10之间夹有试件23，保持试件23与压盘20以及第一盖板10接触处密封；所述的压盘20与所述的试件23之间、所述的第一盖板10与所述的试件23之间均夹有密封圈。
所述的第一盖板10内表面设有两圈环形凹槽；
所述的第一盖板10内表面上设有的两圈环形凹槽分别配有第一橡胶圈9和第二橡胶圈8。
所述的压盘20一侧表面设有一圈环形凹槽；
所述的压盘20一侧表面上设有的一圈环形凹槽配有第三橡胶圈19。
所述的压盘20和所述的第一盖板10之间的距离为0～95mm，并且所述的压盘20通过第二螺栓22调整与所述的第一盖板10之间的距离；所述的试件23高度在0～95mm之间任意调整；所述的密封橡胶圈均采用高韧度硅胶加工而成；所述的压力桶13内的试验水压力范围0～5MPa。
下面以测量水灰比0.5，骨料体积含量71.4％，饱和度为80％，养护龄期28d，高度为50mm，直径为100mm混凝土试件在围压0.3MPa，压差0.5MPa下的渗透系数测定为例，对本发明的工作过程做具体说明如下：
试验开始前，将尺寸为的试件标准养护28d后，从养护室内取出，用切割机将试件端部各切50mm，并真空饱水24h后称量，得饱水质量m1，然后从真空饱水机取出后，置入烘箱烘干，取出称量，得干燥质量为m2。继续真空饱水24h，然后置入烘箱，并每隔1h称重，直到重量m＝m2+0.8×m1-m2。
混凝土试件在达到目标饱和度后立即密封，密封后在恒温恒湿实验室20℃/RH50％放置3个月以达到试样内外温湿平衡，减小试验误差且接近真实情况。最后用环氧树脂密封试件的侧壁。
根据试验需要，按照图7所示，将试件23放置在第一盖板10和压盘20之间，试件23的上下表面分别与第二橡胶圈8和第三橡胶圈19接触，并拧紧第二螺栓22、第二螺母18，使试件23达到良好的密封效果。试件密封完毕后，根据图7所示，将压盘20上的两个孔分别通过不锈钢连接管31和32与第二盖板上的第二排气泄水阀12和第二进水口11连接。根据图8所示，将上述密封好的带有试件23的第一盖板10和与第二盖板14通过焊接连接的压力桶13嵌固好，拧紧第一螺栓21、第一螺母7，使第一盖板10与压力桶13达到良好的密封效果。
试验桶体安装完毕后，通过围压进水口3向试验桶体中注水至围压排气泄水阀4出现有水溢出时，停止注水并关闭围压排气泄水阀4；通过第一进水口1、第二进水口11向试验桶体中注水至第一排气泄水阀2和第二排气泄水阀12出现有水溢出时，停止注水并关闭第一排气泄水阀2和第二排气泄水阀12。
双向施加等压：在与围压进水口3、第一进水口1和第二进水口11连接的控制面板中分别设置围压参数0.3MPa、第一进水口1的压力参数0.5MPa和第二进水口11的压力参数0.5MPa，然后启动程序，增压泵27启动，等到传感器24上的流量读数的增加速率达到稳定后，记录单位时间内的总流量，所得结果取平均值即为由毛细作用引起的流量Qcap。
单向施加压力：在控制器面板中设置第一进水口1的压力参数0.5MPa，第二进水口11的压力参数0MPa，然后启动程序，增压泵27启动，等到传感器24上的流量读数的增加速率达到稳定后，记录单位时间内的流量，所得结果取平均值即为由压力作用和毛细作用共同引起的水渗透流量Q；
单位时间内，有效水渗透量Qper即为：Qper＝Q-Qcap*0.5；
根据达西定律，渗透系数K计算公式为：
其中，μ为流体黏度，单位Pa·s；Qper为单位时间内有效水渗透量，单位cm3/s；L为试件厚度，单位cm；A为试件横截面面积，单位cm2；△p为单向施加压力下的压力差，单位Pa；
试验结束后，先关闭增压泵27，等到桶体内压力全部卸载完成后，再打开围压排气泄水阀4，第一排气泄水阀2和第二排气泄水阀12将试验桶体的水排出，取下试件23即可。
具体实施时，本发明对具体的器件型号不做限制，只要能完成上述功能的元器件均可。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (8)
1.一种部分饱和的水泥基材料渗透系数测定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)试件预处理：将具有设定饱和度的待测试件侧壁用环氧树脂密封；
2)安装试验桶体：将预处理后的试件装在试验桶体内，保证试件与试验桶体接触处以及整个试验桶体完全密封；然后试验桶体的各个进水口与传感器相连，传感器和带有控制面板的控制器相连；
3)注水排气：试验桶体安装完成后，通过围压进水口向试验桶体中注水至排气泄水阀出现有水溢出时，停止注水并关闭排气泄水阀；通过第一、第二进水口向试验桶体中注水至排气泄水阀出现有水溢出时，停止注水并关闭排气泄水阀；
4)双向施加等压：在与围压进水口、第一进水口和第二进水口连接的控制面板中分别设置围压参数、第一进水口的压力参数和第二进水口的压力参数；其中，第一进水口的压力参数和第二进水口的压力参数相等，然后启动程序，增压泵启动，等到传感器上的流量读数的增加速率达到稳定后，记录单位时间内的总流量，所得结果取平均值即为由毛细作用引起的流量Qcap；
5)单向施加压力：对于试验桶体的一侧，在控制面板中设置压力参数，在与另一侧相连的控制面板中设置压力参数为0，然后启动程序，增压泵启动，等到传感器上的流量读数的增加速率达到稳定后，记录单位时间内的流量，所得结果取平均值即为由压力作用和毛细作用共同引起的水渗透流量Q；
6)单位时间内，有效水渗透量Qper即为：Qper＝Q-Qcap*0.5；
根据达西定律，渗透系数K计算公式为：
其中，μ为流体黏度，单位Pa·s；Qper为单位时间内有效水渗透量，单位cm3/s；L为试件厚度，单位cm；A为试件横截面面积，单位cm2；△p为单向施加压力下的压力差，单位Pa；
7)试验结束后，先关闭增压泵，等到桶体内压力全部卸载完成后，再打开每个排气泄水阀将试验桶体的水排出，取下试件即可。
2.一种如权利要求1所述的部分饱和的水泥基材料渗透系数测定方法实现的试验装置，其特征在于，所述装置包括试验桶体、注水增压单元、传感器和带有控制面板的控制器，所述的试验桶体内装有测定试件，所述的试验桶体的围压进水口与所述的注水增压单元相连，所述的试验桶体的第一进水口和第二进水口与所述的传感器相连，所述的传感器与所述的注水增压单元相连；所述的控制器包括时间控制单元和压力控制单元，所述的压力控制单元信号输入端与设置在试验桶体内的压力传感器相连，所述的控制器的信号输出端与所述的注水增压单元的增压泵的控制端相连，所述的时间控制单元的信号输入输出端、所述的压力控制单元的信号输入输出端均与所述的控制面板的控制端连接。
3.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述的试验桶体包括两端带有盖板的压力桶以及装于压力桶内的压盘，所述的盖板上设有用于与传感器连通的进水口和排气泄水阀；所述的压盘中心设有通孔，并且所述的压盘与其中一块盖板固接，所述的试件夹在压盘与盖板之间。
4.如权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于，所述的注水增压单元包括与外界水源连通的进水管、进水箱、增压泵、高压贮水箱、连接管，所述的进水箱与增压泵的进水口管道连接，所述的增压泵的出水口与高压贮水箱管道连接，所述的高压贮水箱的出水口通过连接管与所述的传感器的进水口连接。
5.如权利要求3所述的试验装置，其特征在于，所述的压力桶包括两端敞口的桶体、压盘、第一盖板和第二盖板，所述的第一盖板上设有第一进水口和第一排气泄水阀以及围压进水口和围压排气泄水阀，所述的第二盖板上设有第二进水口和第二排气泄水阀；所述的第二盖板通过焊接与桶体一端相连；所述的第一盖板盖在桶体的另一端上，并且所述的第一盖板、第二盖板通过带有第一螺母的第一螺栓密封固接；所述的压盘通过带有第二螺母的第二螺栓与所述的第一盖板内表面固接，所述的压盘与所述的第一盖板之间夹有试件，保持试件与压盘以及第一盖板接触处密封；所述的压盘与所述的试件之间、所述的第一盖板与所述的试件之间均夹有密封圈。
6.如权利要求5所述的试验装置，其特征在于，所述的第一盖板内表面设有两圈环形凹槽，所述的第一盖板内表面上设有的两圈环形凹槽分别配有第一橡胶圈和第二橡胶圈。
7.如权利要求5所述的试验装置，其特征在于，所述的压盘一侧表面设有一圈环形凹槽，所述的压盘一侧表面上设有的一圈环形凹槽配有第三橡胶圈。
8.如权利要求5所述的试验装置，其特征在于，所述的压盘和所述的第一盖板之间的距离为0～95mm，并且所述的压盘通过第二螺栓调整与所述的第一盖板之间的距离；所述的试件高度在0～95mm之间任意调整；所述的密封圈均采用高韧度硅胶加工而成；所述的压力桶内的试验水压力范围0～5MPa。
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