CN113740244B - 一种海相泥浆改性阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用改性海相泥浆形成泥皮阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法，包括：用于装载试验土层和泥浆的模型箱，模型箱中布设有多个离子浓度测点，离子浓度测点处布设离子浓度计的电极，箱底设有排水孔，排水孔下连接有排水管，排水管末端与量筒相连，排水管上设有阀门；阳极放置于桩顶泥浆中，阴极插入试验土层并置于桩侧，并连接直流电源正负极，进行非稳态离子快速迁移试验，测试泥皮的离子阻隔效应。本发明能够控制灌注桩泥浆护壁施工条件下桩侧不同厚度泥皮条件下的形成，进而开展不同施工条件下泥皮离子阻隔效应测试，测试结果将为桩基抗侵蚀的离子阻隔定量化分析提供数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁灌注桩抗海水离子侵蚀技术领域，特别涉及一种海相泥浆改性阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法。
背景技术
随着公路交通建设的蓬勃发展，海域段桥梁桩基工程日益增多。海水及淤泥质土中含有Cl-、SO4 2-、Na+、Ca2+、Mg2+等多种离子，对服役过程的桩基腐蚀作用严重，尤其是阴离子侵蚀的影响较明显。因此亟需探索近海桩基抗海水离子侵蚀技术，目前相关研究主要集中于混凝土侵蚀机理、侵蚀性离子扩散机制、钢筋锈蚀机理、混凝土强度和刚度损伤等几个方面，但仍处于理论研究阶段，并没有形成经济性较强的离子阻隔技术。
在桩基施工过程中，为减少地层的缩颈事故和提高孔壁的稳定性，在桩基成孔时常采用泥浆护壁，泥浆中少量细颗粒渗入地层，填充地层孔隙，滤出清水导致最终颗粒在桩侧聚集形成泥皮。相对于桩侧土，泥皮含水率高、孔隙比大、强度较低，将影响桩基侧摩阻力发挥。值得注意的是，虽然桩侧形成的泥皮对桩基承载力发挥有影响，但由于泥皮在桩基与富含离子的淤泥质土间形成包裹层，因而桩侧泥皮对桩基的海水离子侵蚀形成阻隔作用，从而提高桩基的长期服役性能。同时，在海域段桩基成孔施工过程中制备泥浆时，往往需要通过外加添加剂提高泥浆性能，因而通过掺入合适的添加剂，达到阻隔灌注施工过程中海水向混凝土渗透的阻隔作用。然而，当前有关护壁泥浆形成的泥皮对海水离子的阻隔效应还不够明确，尤其缺乏一种定量测试的方法。这是本申请需要着重改善的地方。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要提供一种海相泥浆改性阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法，对照研究不同条件下进行施工泥浆护壁钻孔灌注桩的离子阻隔效应，并分析影响海水离子阻隔效应的因素。
为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种海相泥浆改性阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法，包括：用于装载试验土层和泥浆的模型箱，模型箱中安装有离子测量电极，离子测量电极连接测量离子浓度的离子浓度计，模型箱的箱底设有排水孔，排水孔下连接有排水管，排水管末端与量筒相连，排水管上设有阀门；测试步骤如下：
S1：配制试验用土，填筑试验土层；
取现场海域段滩涂区土层测得其初始含水率和离子浓度，根据所需离子浓度采用相应海水，将土体浸泡于其中至饱和；关闭排水管的阀门，以每层10±2cm的厚度分层填筑于模型箱中，形成试验土层；
所述海域段滩涂区土层包括淤泥质土、黏质粉土、粉质黏土；
试验土层填筑完成后，盖上密封盖，密封盖上设有与混凝土灌注桩桩径相同的定位孔，定位孔内有一圈安装槽用于安装O型密封圈，提高密封性；
所述模型箱为有机玻璃模型箱，通过有机玻璃进行观测；
S2：配制改性护壁泥浆，采用PHP海相环保泥浆配制；
S3：挖孔形成护壁；
定位桩孔，然后选用与桩孔直径相同的取土器取土挖孔，同时灌入护壁泥浆至指定高度；
S4：在离子浓度测点处安装离子浓度计的工作电极和参比电极；
在水平方向上将离子浓度测点均匀地环形布置于桩侧，同时根据土层的层数和厚度布置纵向的离子浓度测点；在离子浓度测点处安装离子浓度计的工作电极和参比电极；离子浓度计设置连续测量模式进行零点电位校正，测量试验土层中的初始离子浓度，并连续记录后续试验过程中离子浓度的变化；
所述在水平方向上将离子浓度测点均匀地环形布置于桩侧的距离均为d，d的取值范围为桩孔直径的0.5倍-1.5倍；
所述离子浓度测点的纵向间距h小于土层分层厚度的0.5倍；
S5：灌浆形成泥皮；
在往上述定位取土形成的挖孔中灌注混凝土过程中，泥浆中的细小颗粒在桩土界面形成泥皮，打开排水管的阀门，细颗粒以及清水渗入试验土层，经排水管流入量筒；
所述量筒测量清水的体积，计算泥浆的沁水率；
S6：离子迁移试验准备；
S61：混凝土凝结一定时间后，离子浓度计测量试验土层中的离子浓度；
S62：关闭排水管的阀门，打开密封盖，将直流电源阳极放置于桩顶泥浆中，直流电源阴极插入试验土层并置于桩侧，并分别连接直流电源的正负极，准备进行离子迁移试验；
S7：非稳态离子迁移试验；
打开直流电源，进行非稳态离子迁移试验，测试泥皮的离子阻隔效应；
S8：分析试验数据得出结论；
S81：试验结束后将混凝土灌注桩取出后在各纵向离子浓度测点深度沿轴向劈开，并测定试样中各离子的渗透深度Xd，并测量试验土层中各离子的浓度，最后按公式计算非稳态迁移系数Dnssm；
其中
式中：
Dnssm为非稳态迁移系数，单位为m2/s；
R为气体常数，R＝8.314J/K·mol；
T为阳极电解液的初始温度与最终温度的平均值，单位为K；
Xd为渗透深度的平均值，单位为m；
z为离子价绝对值；
F为法拉第常数，F＝9.648×104J/V·mol；
t为试验持续时间，单位为s；
U为所施加的电压绝对值，单位为V；
L为试样厚度，单位为mm；
erf-1为误差函数的导数；
Cd为氯离子颜色改变的浓度，混凝土中Cd≈0.07N；
Co为阴极电解液中氯离子浓度，Co≈2N；
S82：在泥浆中加入离子阻隔剂或在泥浆护壁形成后使用喷涂材料，与未加入任何离子阻隔添加剂的泥浆且没有对泥皮表面采取任何措施的对照组灌注桩对比，若某一试验组最终计算得到的非稳态迁移系数Dnssm相比于对照组有明显降低，则此组试验泥皮的离子阻隔有效。
挖孔时需使用取土器以及后续测量泥皮厚度时，需使用洛阳铲完整取出泥皮和桩侧土。
本发明通过对照试验研究海相泥浆添加剂以及泥皮表面改性等因素对离子阻隔效应的影响，研究结果为海域段灌注桩抗侵蚀的离子阻隔技术提供经济性较强的研究方向。
本发明的优越功效在于：
1)本发明能够模拟泥浆护壁桩侧泥皮的形成，并通过有机玻璃模型箱观测泥皮的形成过程；
2)本发明在桩侧泥皮形成后，继续进行离子非稳态迁移试验，保证了相同的试验环境，极大减小了其他因素对泥皮离子侵蚀阻隔效应测试的影响；
3)本发明能够分析土层类型、泥皮厚度、泥浆改性等因素对阻隔效应的影响；4)本发明能够控制灌注桩泥浆护壁施工条件下桩侧不同厚度泥皮条件下的形成，进而开展不同施工条件下泥皮离子阻隔效应测试，测试结果将为桩基抗侵蚀的离子阻隔定量化分析提供数据支持。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例测试装置的结构示意图；
图2为图1中的A-A断面土中离子测点布置图；
图3为图2中B-B断面土中离子测点布置图；
图4为本发明具体实施例离子测量电极连接直流电源的示意图；
图5为本发明具体实施例测试方法的流程图；
图中标号说明：
1—密封盖； 2—安装槽；
3—O型密封圈； 4—离子浓度计工作电极；
5—螺栓； 6—土层；
7—PXSJ-216F型离子浓度计； 8—泥浆；
9—泥皮； 10—阀门；
11—排水管； 12—量筒；
13—有机玻璃模型箱； 21—桩孔；
22—离子浓度测点； 31—直流电源正极；
32—直流电源负极； 33—直流电源阳极；
34—直流电源阴极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1-图5所示，本发明提供了一种海相泥浆改性阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法，桩侧泥皮形成装置设置在有机玻璃模型箱13内，有机玻璃模型箱13包括密封盖1、螺栓5、O型密封圈3、排水管11、阀门10和量筒12；在泥皮形成试验时有机玻璃模型箱13试验土中插有离子浓度计工作电极4，与PXSJ-216F型离子浓度计7相连；同时泥皮形成试验结束后，在桩顶、桩侧安装直流电源阳极33、直流电源阴极34，并连接直流电源正负极。
有机玻璃模型箱13内填筑的试验土层包括淤泥质土、黏质粉土、粉质黏土等海域段滩涂区土层6，土层6填筑完成后盖上密封盖1并拧紧螺栓5；密封盖1上设有与混凝土灌注桩桩径相同的定位孔，定位孔内有一圈安装槽2用于安装O型密封圈3，为有利于安装并提高密封性，安装槽2宽度和深度应小于O型密封圈3断面直径的1/2，但必须大于1/3。为便于收集从土层6渗出的泥浆中的清水与细颗粒，在有机玻璃模型箱底设有两个排水孔，两个排水孔与桩孔21之间距离相同，排水孔下连接有排水管11，排水管11末端与量筒12相连；排水管上均设有阀门10，同时为确保密封性，排水管11与排水孔、阀门10连接处均安装有止水圈。同时在有机玻璃模型箱13中填筑试验土层6后，离子浓度测点22在水平方向上在距离桩侧d环形均匀布置，d的取值范围为桩孔21直径的0.5倍-1.5倍；在竖直方向上根据土层的层数和厚度按间距h布置离子浓度测点22，h小于每层试验土厚度的0.5倍，离子浓度测点22的布置如图2和图3所示。在离子浓度测点22处插入离子浓度计工作电极4及离子浓度计的参比电极，其相对位置按规范布置，PXSJ-216F型离子浓度计设置连续测量模式进行零点电位校正，测量试验土层中的初始离子浓度，并连续记录后续试验过程中离子浓度的变化。各离子浓度测点处的工作电极4和参比电极与PXSJ-216F型离子浓度计相连接。待桩孔21形成泥浆护壁后进行混凝土灌注，在混凝土凝结一定时间后拧下螺栓5，取开密封盖1，如图4所示，在桩顶布置直流电源阳极33、桩侧布置直流电源阴极34，并连接直流电源正极31和负极32，以进行非稳态离子迁移试验。另外在土层6填筑完成后，挖孔时使用取土器以及后续测量泥皮厚度时，使用洛阳铲完整取出泥皮与桩侧土。
如图5所示，本发明的测试方法的步骤包括：
S1：配制试验用土：取现场滩涂区淤泥质土测得其初始含水率和离子浓度，根据所需离子浓度采用相应海水，将土体浸泡于其中至饱和；关闭排水管11的阀门10，再以每层10cm的厚度分层填筑于有机玻璃模型箱中形成土层6，其他土层采用相同方法配制、填筑；
S2：配制护壁泥浆8：泥浆8采用PHP海相环保泥浆，其包括水和膨润土配成的基浆、Na2CO3、CMC、聚丙烯酰胺PAM、PAC，泥浆配比为基浆∶纯碱∶PAC∶PAM∶CMC＝100∶0.2∶0.1∶0.01∶0.01；
S3：挖孔形成护壁：首先采用“十字法”定位桩孔21，然后选用与桩径相同的洛阳铲取土挖孔，完整取出泥皮与桩侧土，同时灌入护壁泥浆8至指定高度；
S4：如图2和图3所示，离子浓度测点22在水平方向上均匀地环形布置于桩侧，各测点距桩侧距离均为d，d的取值范围为桩孔21直径的0.5倍-1.5倍。同时根据土层层数和厚度布置纵向离子浓度测点22，测点纵向间距h需小于土层分层厚度的0.5倍；在离子浓度测点22处布置离子浓度计工作电极4及参比电极，之后盖住密封盖1拧紧螺栓5，连接PXSJ-216F型离子浓度计7，设置连续测量模式进行零点电位校正就绪后，测量土层中的初始离子浓度，并连续记录后续试验过程中离子浓度的变化；
S5：灌注混凝土：打开排水管11的阀门10，细颗粒以及清水渗入淤泥质土，并最终经排水管11流入量筒12；
S6：离子迁移试验准备：混凝土灌注完成一定时间以后，测量淤泥质土中离子浓度，关闭排水管11的阀门10，将与负极32相连的电线插入淤泥质土中置于桩侧做为非稳态离子迁移实验的阴极34，与正极31相连的电线置于桩顶泥浆中做为非稳态离子迁移实验的阳极33，准备进行离子迁移试验；
S7：非稳态离子迁移试验：与直流电源相连接的阳极33、阴极34分别布置好后，试通电，打开电源，将电压调整到30V，进行非稳态离子迁移试验；
S8：分析试验数据得出结论：试验结束后将混凝土灌注桩取出后在各纵向离子浓度测点深度沿轴向劈开，并测定试样中各离子的渗透深度Xd，并测量淤泥质土中各离子的浓度；最后按公式(1)式计算非稳态迁移系数。试验组按需要在泥浆中加入离子阻隔剂或在泥浆护壁形成后使用喷涂材料，将各组试验结果与使用未加入任何离子阻隔添加剂的泥浆且没有对泥皮表面采取任何措施的对照组灌注桩对比，验证泥皮的离子阻隔效应。若某一试验组最终计算得到的非稳态迁移系数Dnssm相比于对照组有明显降低，则认为此组试验离子阻隔有效；
其中
式中：
Dnssm为非稳态迁移系数，单位为m2/s；
R为气体常数，R＝8.314J/K·mol；
T为阳极电解液的初始温度与最终温度的平均值，单位为K；
Xd为渗透深度的平均值，单位为m；
z为离子价绝对值；
F为法拉第常数，F＝9.648×104J/V·mol；
t为试验持续时间，单位为s；
U为所施加的电压绝对值，单位为V；
L为试样厚度，单位为mm；
erf-1为误差函数的导数；
Cd为氯离子颜色改变的浓度，混凝土中Cd≈0.07N；其他离子对应其它值；
Co为阴极电解液中氯离子浓度，Co≈2N。
以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种海相泥浆改性阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法，包括：用于装载试验土层和泥浆的模型箱，模型箱中布设有多个离子浓度测点，离子浓度测点处布设离子浓度计的电极，模型箱的箱底设有排水孔，排水孔下连接有排水管，排水管末端与量筒相连，排水管上设有阀门；测试步骤如下：
S1：配制试验用土，填筑试验土层；
取现场海域段滩涂区土层测得其初始含水率和离子浓度，根据所需离子浓度采用相应海水，将土体浸泡于其中至饱和；关闭排水管的阀门，以每层10±2cm的厚度分层填筑于模型箱中，形成试验土层；
S2：配制改性护壁泥浆，采用PHP海相环保泥浆配制；
S3：挖孔形成护壁；
定位桩孔，然后选用与桩孔直径相同的取土器取土挖孔，同时灌入护壁泥浆至指定高度；
S4：在离子浓度测点处安装离子浓度计的工作电极和参比电极；
在水平方向上将离子浓度测点均匀地环形布置于桩侧，同时根据土层的层数和厚度布置纵向的离子浓度测点；在离子浓度测点处安装离子浓度计的工作电极和参比电极；离子浓度计设置连续测量模式进行零点电位校正，测量试验土层中的初始离子浓度，并连续记录后续试验过程中离子浓度的变化；
S5：灌浆形成泥皮；
灌注混凝土过程中，泥浆中的细小颗粒在桩土界面形成泥皮，打开排水管的阀门，细颗粒以及清水渗入试验土层，经排水管流入量筒；
S6：离子迁移试验准备；
S61：混凝土凝结一定时间后，离子浓度计测量试验土层中的离子浓度；
S62：关闭排水管的阀门，打开密封盖，将直流电源阳极放置于桩顶泥浆中，直流电源阴极插入试验土层并置于桩侧，并分别连接直流电源的正负极，准备进行离子迁移试验；
S7：非稳态离子迁移试验；
打开直流电源，进行非稳态离子迁移试验，测试泥皮的离子阻隔效应；
S8：分析试验数据得出结论；
S81：试验结束后将混凝土灌注桩取出后在各纵向离子浓度测点深度沿轴向劈开，并测定试样中各离子的渗透深度Xd，并测量试验土层中各离子的浓度，最后按公式计算非稳态迁移系数Dnssm；
其中
式中：
Dnssm为非稳态迁移系数，单位为m2/s；
R为气体常数，R＝8.314J/K·mol；
T为阳极电解液的初始温度与最终温度的平均值，单位为K；
Xd为渗透深度的平均值，单位为m；
z为离子价绝对值；
F为法拉第常数，F＝9.648×104J/V·mol；
t为试验持续时间，单位为s；
U为所施加的电压绝对值，单位为V；
L为试样厚度，单位为mm；
erf-1为误差函数的导数；
Cd为氯离子颜色改变的浓度，混凝土中Cd≈0.07N；
Co为阴极电解液中氯离子浓度，Co≈2N；
S82：在泥浆中加入离子阻隔剂或在泥浆护壁形成后使用喷涂材料，与未加入任何离子阻隔添加剂的泥浆且没有对泥皮表面采取任何措施的对照组灌注桩对比，若某一试验组最终计算得到的非稳态迁移系数Dnssm相比于对照组有明显降低，则此组试验泥皮的离子阻隔有效。
2.根据权利要求1所述的一种海相泥浆改性阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法，其特征在于：所述S1中的海域段滩涂区土层包括淤泥质土、黏质粉土、粉质黏土。
3.根据权利要求1所述的一种海相泥浆改性阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法，其特征在于：所述S4中的在水平方向上将离子浓度测点均匀地环形布置于桩侧的距离均为d，d的取值范围为桩孔直径的0.5倍-1.5倍。
4.根据权利要求1所述的一种海相泥浆改性阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法，其特征在于：所述S4中的离子浓度测点的纵向间距h小于土层分层厚度的0.5倍。
5.根据权利要求1所述的一种海相泥浆改性阻隔海水离子侵蚀桥梁桩基的测试方法，其特征在于：所述S5中的量筒测量清水的体积，计算泥浆的沁水率。
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