CN114577627A - 一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢筋混凝土结构耐久性领域，涉及一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，包括构件底座、墩柱、内筒体和保温筒，在内筒体内设有第一隔板，形成若干个干湿环境室；保温筒套设在内筒体外部，保温筒内设有第二隔板，形成若干个温度控制室；每个干湿环境室内设温湿度传感器，在每个温度控制室内设温度传感器；每个干湿环境室连接有水泵或湿度控制器；每个温度控制室连接有水浴箱；在墩柱内预埋有多个测温元件，在墩柱上安装有多个引伸计，在墩柱顶部安装有加载端头，在墩柱底部安装有荷重传感器；温湿度传感器、温度传感器及荷重传感器连接有控制单元。解决了目前环境模拟室无法考虑构件的非均匀冻融损伤，与实际工程存在很大差异的问题。

Description

一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置及方法

技术领域

本发明属于钢筋混凝土结构耐久性领域，涉及一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置及方法。

背景技术

服役多年的混凝土结构往往会存在耐久性问题，我国混凝土结构耐久性破坏呈“南锈北冻”的特征，北方寒冷地区以混凝土冻融破坏为主。混凝土冻融破坏机理存在包括膨胀压力理论、渗透压力等多种学说，目前尚无定论，但可以确定的是冻融破坏与水密切相关，即混凝土饱水状态会影响混凝土构件的损伤程度。此外，冻结温度、冻结介质含盐量也会影响混凝土的损伤程度。尤其是以墩柱为主的桥梁下部结构，由于常年与水接触，此类构件的冻害往往更加严重。然而，对于同一根墩柱，由于该构件与水面相对位置的差异，也可以分为水下区、水位变动区、水上区等多个部位，环境差异会导致构件各个部位冻融损伤程度有所不同。比如对于水下区部分，水温通常较为稳定，存在的耐久性问题主要与水体中各类离子侵蚀和水流冲刷有关；水位变动区随着水位变化，混凝土会受到冻融循环与干湿交替的共同作用，其受到的冻融损伤也最为严重，此处混凝土材料冻融为“水冻水溶”；由于毛细作用，水分会沿着混凝土中孔隙由饱水区向干燥区域迁移。因此，在水位变动区之上，混凝土桥墩中仍存在大量水分，随着气温交替变化，此处的混凝土所经历的为“气冻气融”。这种材料的不均匀冻融损伤可能会对构件承载性能产生严重的影响。

对于钢筋混凝土构件，现行规范没有对构件冻融试验方法做出规定，市面上亦无专门应用于混凝土构件冻融的试验装置。目前国内外科研院所开展构件冻融循环试验的方法一般有室外原位冻融和借助气候环境模拟室进行“气冻气融”。对于室外原位冻融，构件所处冻融环境与实际情况更加接近，但存在试验周期长，冻融参数难以控制等缺点。因此，借助大型气候环境模拟室开展构件冻融试验更为普遍。不过利用气候环境模拟室进行冻融也存在一些问题：(1)以整个环境室空气为介质对构件进行降温、升温效率不高，大量能量被消耗在对环境室进行升降温；(2)该种方式无法做到对构件冻融环境(饱水状态、冻结温度、是否存在干湿交替)进行控制，整个构件冻融环境一致，无法考虑构件的非均匀冻融损伤，因此与实际工程存在很大差异。此外，实际工程中的桥梁墩柱通常是在持荷状态下经历冻融循环过程，而荷载作用下混凝土材料冻融损伤会更加严重。

针对寒冷地区桥梁墩柱在持荷状态下考虑不同部位环境差异的冻融模拟以及冻融损伤后构件承载性能评估，国内外目前仍缺乏一种有效的装置及方法，亟待需要一种考虑环境差异与荷载效应的钢筋混凝土墩柱冻融试验装置及方法来解决该问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置及方法，解决了目前环境模拟室无法考虑构件的非均匀冻融损伤，与实际工程存在很大差异的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，包括升降台和放置在升降台上的模拟室；模拟室包括构件底座、安装在构件底座上的墩柱、内筒体和保温筒，内筒体套设在墩柱外部，在内筒体内设有若干个第一隔板，形成若干个干湿环境室；保温筒套设在内筒体外部，保温筒内设有若干个第二隔板，形成若干个温度控制室；

在每个干湿环境室内设有温湿度传感器，在每个温度控制室内设有温度传感器；在每个干湿环境室对应的内筒体侧壁上均连接有水泵或湿度控制器；在每个温度控制室对应的保温筒侧壁上均连接有水浴箱；

在墩柱内预埋有多个测温元件，在墩柱上安装有多个引伸计，在墩柱顶部安装有加载端头，在墩柱底部安装有荷重传感器；

温湿度传感器、温度传感器及荷重传感器连接有控制单元。

进一步，在每个干湿环境室对应的内筒体侧壁上均开有用于进水或进气的第一入口、用于排水或排气的第一出口；在每个温度控制室对应的保温筒侧壁上均开有用于进水的第二入口、用于排水或排气的第二出口；

第一入口和第一出口与水泵或湿度控制器连接，第二入口和第二出口与水浴箱连接。

进一步，第一入口连接有进水/气阀，第一出口连接有排水/气阀，第二入口连接有进水阀门，第二出口连接有排水阀门；

第一阀门、第二阀门、进水阀门及排水阀门均设置在保温筒外壁上。

进一步，在第一隔板中部开有用于安装墩柱的通孔，在第二隔板中部开有用于安装内筒体的通孔。

进一步，第一隔板外包裹有柔性保温层。

进一步，第一隔板与墩柱的接触面处设有止水层，第二隔板与内筒体外壁的接触面处设有止水层。

进一步，升降台的顶部设有反力梁，加载端头安装在反力梁上，反力梁与升降台通过支撑立柱连接。

进一步，在构件底座上设有立杆，立杆上端设有上盖；内筒体和保温筒的顶端均与上盖连接。

本发明还公开了所述的一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、提升升降台，对墩柱进行加载，基于荷重传感器数据调整构件高度，控制轴向力水平；

将墩柱下部设置为水下区，中部设置为水位变动区，上部设置为水上区；

将水下区对应的干湿环境室与水泵连接，将水位变动区对应的干湿环境室与水泵连接，将水上区对应的干湿环境室与湿度控制器连接；随后将外部的温度控制室连接水浴箱；

S2、开启冻融试验：在冻结过程中，水下区处于饱水状态通过水泵模拟实际工程中的水流冲刷，将中部水位变动区的干湿环境室注满水，水上区对应的干湿环境室按照实际工程中冻结状态时环境湿度进行调整；按照温度曲线通过水浴箱调整温度控制室的温度；

基于测温元件判断构件冻结状态，待墩柱中心温度与试验曲线设定温度一致后保持一段时间；

在融化过程中，按照融化曲线分别设定每个温度控制室的温度，当墩柱中心温度与设定温度一致后保持一段时间；

在融化完成后继续进行冻结过程，然后依次进行冻融循环。

进一步，若待模拟的水位变动区存在干湿交替现象，通过水泵排出水位变动区的干湿环境室中水体，使墩柱历经干湿交替过程中干燥的过程；随后继续注水，使墩柱经历湿润过程，再进行冻、融、干、湿过程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，通过升降底座以及反力梁对墩柱施加轴向压力，模拟实际工程中服役桥梁墩柱的受力状态，反映构件在荷载作用下的冻融损伤；通过分区的干湿状态模拟装置，重现桥梁墩柱水下区、水位交替区、水上区等部位的干湿状态差异；通过分区循环水浴可对墩柱冻融循环过程中不同部位进行分区温度控制。本发明所提出的这种温湿度控制方式相比于用大型环境模拟室对混凝土构件进行冻融还具有装置体积小、冻结效率高的优点。

本发明公开的钢筋混凝土墩柱冻融试验装置的试验方法，用于研究冻融环境中墩柱的冻融损伤，在冻融循环、干湿交替、荷载等因素耦合作用下，通过输入不同的干湿状态、温度曲线重现实际工程中桥梁墩柱不同区域冻融环境的差异。通过布置于混凝土表面的引伸计测量荷载与冻融环境共同作用下墩柱受力状态，通过布置于柱身内部不同区域的热电偶测量冻融环境下墩柱温度演化规律。本发明解决了现有针对大尺寸构件冻融困难、冻融条件单一且无法考虑构件非均匀冻融的问题，能够体现温度、湿度与荷载共同作用下桥梁墩柱的冻融损伤，可为冻融损伤桥梁墩柱承载性能评估以及其在冻融环境下性能退化规律研究提供相应的研究基础。

附图说明

图1是本发明的考虑环境差异与荷载效应的钢筋混凝土墩柱冻融试验装置示意图；

图2是图1中轴压构件荷载施加装置局部详图；

图3是图1中干湿状态以及环境温度模拟装置正视剖切图；

图4是图3中干湿状态及环境温度模拟装置俯视剖切图；

图5是图1中墩柱在冻融试验中测点布置图；

图6是冻融环境下墩柱典型温度、干湿状态示意图。

其中，1-1、升降台；1-2、构件底座；1-3、支撑立柱；1-4、反力梁；1-5、加载端头；1-6、上盖；1-7、立杆；1-8、密封圈；

2-1、内筒体；2-2、柔性保温层；2-3、干湿环境室；2-4、止水环；2-5、进水/气阀；2-6、排水/气阀；2-7、水泵；

3-1、保温筒；3-2、温度控制室；3-3、进水阀门；3-4、排水阀门；3-5、水浴箱；

4-1、温湿度传感器；4-2、温度传感器；4-3、荷重传感器；4-4、引伸计；4-5、热电偶；5、墩柱。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明公开了一种考虑环境差异与荷载效应的钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，包括：干湿状态模拟装置、环境温度模拟装置、轴压构件荷载施加装置、量测设备。

如图2所示，所述轴压构件荷载施加装置主要包括升降台1-1、构件底座1-2、支撑立柱1-3、反力梁1-4、加载端头1-5、构件上盖1-6、立杆1-7。所述升降台上放置有构件底座与支撑立柱，可以通过伺服电机控制构件底座升降。所述构件底座用于放置待冻融墩柱5，其上部具有安置干湿状态模拟装置与环境温度模拟装置的凹槽，并且凹槽与干湿状态模拟装置和环境温度模拟装置间布置密封圈1-8。所述支撑立柱1-3上端固定可调节高度的反力梁1-4。所述反力梁1-4上固定有加载端头1-5，用于向墩柱5传递荷载。所述构件底座1-2上还布置有上下盖连接立杆1-7，用于将构件底座1-2与构件上盖1-6连接。所述构件上盖1-6中部具有圆形通孔，其大小与加载端头1-5尺寸匹配，二者之间通过密封圈1-8连接，防止干湿环境室2-3中水分泄露。

如图3所示，所述干湿状态模拟装置主要包括内筒体2-1、柔性保温层2-2、干湿环境室2-3、止水环2-4、进水/气阀2-5、排水/气阀2-6、水泵2-7/湿度控制器。所述内筒体应选用导热系数高的材料制作，内部由8个环状薄片将圆筒分隔，内筒体内部环状薄片通过止水环2-4与墩柱5连接，分隔出9个密封的干湿环境室2-3。所述内筒体2-1内部环状薄片上下两端设置有环状的柔性保温层2-2，用于减少不同干湿环境室2-3间温度相互影响。所述柔性保温层2-2还应具有弹性模量小的特点，并且在冻胀压力作用下其体积变形应大于干湿环境室2-3体积的9％(水冻结后体积增长约9％)，避免环境室中水分冻结体积膨胀后产生过大膨胀应力影响构件受力状态以及对设备产生损害。如图4所示，所述9个干湿环境室2-3均单独设置有进水/气阀2-5、排水/气阀2-6。所述进水/气阀2-5、排水/气阀2-6与水泵2-7连接。所述水泵2-7用于给墩柱5下部的干湿环境室2-3注水及控制中部干湿环境室2-3的干湿交替状态。

墩柱5的上部截面图和图3的结构相同，仅仅是把水泵2-7替换为湿度控制器，此时，进水/气阀2-5、排水/气阀2-6与湿度控制器连接，湿度控制器用于控制上部干湿环境室2-3的环境湿度。

所述环境温度模拟装置主要由保温筒3-1、温度控制室3-2、进水阀门3-3、排水阀门3-4、水浴箱3-5组成。所述保温筒3-1与干湿状态模拟装置通过止水环2-4连接，分隔出多个温度控制室。所述多个温度控制室3-2每个都单独设有进水阀门3-3和排水阀门3-4。所述进水阀门3-3和排水阀门3-4与水浴箱3-5连接，用于控制温度控制室3-2温度。

如图3和5所示，所述量测设备4主要由温湿度传感器4-1、温度传感器4-2、荷重传感器4-3、引伸计4-4、热电偶4-5组成。所述温湿度传感器4-1布设于干湿状态模拟室内，用于实时反馈室内湿度状态、温度状态，实时反馈用于调整水泵2-7或湿度控制器以及水浴箱3-5工作状态。所述温度传感器4-2布设于温度控制室3-2，用于监控温度室温度变化，及时对水浴箱3-5工作状态进行调整。所述荷重传感器布4-3设于墩柱5端头，用于测量墩柱5所受轴向力，与升降台1-1联动，保持冻融过程墩柱5承受恒定轴力。所述引伸计4-4布置于混凝土表面，用于监测冻融过程中混凝土表面应变，分析构件受力状态。所述热电偶4-5布设于墩柱5内部，监测不同冻融环境下，墩柱5内部温度演化规律。

工作原理：

本发明借助升降台1-1提升墩柱，通过反力梁1-4与加载端头1-5对墩柱5施加轴向荷载，模拟墩柱5在冻融过程中的受力状态。干湿状态模拟装置安装后墩柱5沿高度划分为多个密封干湿环境室2-3，可以使得不同区域处于不同的干湿状态(饱水、干湿交替、一般大气)。干湿状态模拟装置外部为环境温度模拟装置，通过多个水浴箱对多个温度控制室3-2分别控温。通过上述措施可以实现对墩柱5沿柱身高度分区控湿、控温。

本发明所设计的试验方法通过对实际工程中水下区、水位交替区、水上区等部位冻融过程中干湿状态及温度进行分析，得出墩柱典型的冻、融状态温度曲线，借助上述分区控温、控湿装置模拟墩柱在实际工程中的冻融过程。在冻融试验过程中，监控柱身应变、柱内温度，还可以得出冻融过程中墩柱受力情况以及温度演化规律。

装置工作过程及试验方法：

本发明的试验装置主要用于开展桥梁墩柱的冻融循环过程，模拟实际工程中墩柱沿高度不同区域所处的不同冻融环境，接下来对该装置的工作过程以及试验方法进行介绍。

(1)试样安装以及仪器组装

按照冻融试验装置尺寸设计并制作墩柱构件5，浇筑过程沿设计位置预埋热电偶4-5。为避免冻融过程中水泥继续水化试验结果的影响，因此将构件养护至90天，随后在构件表面安置引伸计4-4。在升降底座上依次放置荷重传感器4-3与墩柱5。依次安装干湿状态模拟装置2与环境温度模拟装置3。安装加载端头1-5后，扣上试样上盖1-6，通过上下盖连接立杆1-7进行固定。调整反力梁1-4高度，使其与加载端头1-5进行连接。

(2)轴向荷载施加以及冻融环境模拟

提升升降底座1-1，对墩柱5进行加载，基于荷重传感器4-3数据实时反馈调整底座高度，控制轴向力水平。采用图6中示例冻融曲线调整各个干湿环境室2-3、温度控制室3-2的状态。按照曲线将下部三分之一设置为水下区，中部三分之一设置为水位变动区，上部三分之一设置为水上区。按照这种区域划分方式，将下部3格干湿环境室2-3通过进水/气阀门2-5、出水/气阀门2-6注满水后关闭阀门，将中部3个干湿环境室2-3通过进水/气阀门2-5、出水/气阀门2-6连接循环水泵2-7，将上部3格干湿环境室2-3连接湿度控制器。随后依次对外部9个温度控制室3-2连接水浴箱3-5，循环液体介质冻结温度应低于冻融曲线中设置的最低温度。

(3)冻融过程以及分析方法

在冻结过程中，水下区处于饱水状态通过水泵2-7模拟实际工程中的水流冲刷，将中部水位变动区三个干湿环境室2-3注满水，水上区三个干湿环境室2-3按照实际工程中冻结状态时环境湿度进行调整。按照温度曲线调整9个温度控制室3-2温度。基于布置于墩柱5中热电偶4-5判断构件冻结状态，待墩柱5中心温度与试验曲线设定温度一致后保持1.0h。在融化过程中，按照融化曲线分别设定9个温度控制室3-2温度，当墩柱5中心温度与设定温度一致后保持1.0h。

更优地，若水位变动区存在干湿交替现象，通过水泵排出水位变动区的干湿环境室2-3中水体，使墩柱5历经干湿交替过程中“干燥”的过程；随后继续注水，使构件经历“湿润”过程，再进行冻、融、干、湿过程。若不考虑干湿交替过程，在融化完成后可继续进行冻、融过程。

水下区与水位变动区中溶液、水上区中气体可根据墩柱5所处环境进行调整，比如在进行海洋环境中墩柱5冻融过程模拟中，可以将干湿环境室2-3溶液与气体换为NaCl溶液和盐雾。

在墩柱5冻融循环完成后，观测混凝土构件表面损伤程度，采用回弹仪测量混凝土表面强度，使用超声波平测法测量混凝土冻融损伤深度；通过对冻融损伤柱开展轴心受压、偏心受压等承载性能试验可以对墩柱承载力、变形性能进行分析，通过与未冻融墩柱试验结果对比，可以建立墩柱承载性能退化规律，为冻融环境下桥梁墩柱承载性能评估提供一定参考。

本发明的考虑环境差异与荷载效应的钢筋混凝土墩柱冻融试验装置所对应的试验方法，用于研究冻融环境中墩柱的冻融损伤。在冻融循环、干湿交替、荷载等因素耦合作用下，通过输入不同的干湿状态、温度曲线重现实际工程中桥梁墩柱不同区域冻融环境的差异。通过布置于混凝土表面的引伸计4-4测量荷载与冻融环境共同作用下墩柱受力状态，通过布置于柱身内部不同区域的热电偶4-5测量冻融环境下墩柱温度演化规律。

综上所述，本发明解决了现有针对大尺寸构件冻融困难、冻融条件单一且无法考虑构件非均匀冻融的问题，能够体现温度、湿度与荷载共同作用下桥梁墩柱的冻融损伤，可为冻融损伤桥梁墩柱承载性能评估以及其在冻融环境下性能退化规律研究提供相应的研究基础。

Claims (10)

1.一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，其特征在于，包括升降台(1-1)和放置在升降台(1-1)上的模拟室；模拟室包括构件底座(1-2)、安装在构件底座(1-2)上的墩柱(5)、内筒体(2-1)和保温筒(3-1)，内筒体(2-1)套设在墩柱(5)外部，在内筒体(2-1)内设有若干个第一隔板，形成若干个干湿环境室(2-3)；保温筒(3-1)套设在内筒体(2-1)外部，保温筒(3-1)内设有若干个第二隔板，形成若干个温度控制室(3-2)；

在每个干湿环境室(2-3)内设有温湿度传感器(4-1)，在每个温度控制室(3-2)内设有温度传感器(4-2)；在每个干湿环境室(2-3)对应的内筒体(2-1)侧壁上均连接有水泵(2-7)或湿度控制器；在每个温度控制室(3-2)对应的保温筒(3-1)侧壁上均连接有水浴箱(3-5)；

在墩柱(5)内预埋有多个测温元件，在墩柱(5)上安装有多个引伸计(4-4)，在墩柱(5)顶部安装有加载端头(1-5)，在墩柱(5)底部安装有荷重传感器(4-3)；

温湿度传感器(4-1)、温度传感器(4-2)及荷重传感器(4-3)连接有控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，其特征在于，在每个干湿环境室(2-3)对应的内筒体(2-1)侧壁上均开有用于进水或进气的第一入口、用于排水或排气的第一出口；在每个温度控制室(3-2)对应的保温筒(3-1)侧壁上均开有用于进水的第二入口、用于排水或排气的第二出口；

第一入口和第一出口与水泵(2-7)或湿度控制器连接，第二入口和第二出口与水浴箱(3-5)连接。

3.根据权利要求2所述的一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，其特征在于，第一入口连接有进水/气阀(2-5)，第一出口连接有排水/气阀(2-6)，第二入口连接有进水阀门(3-3)，第二出口连接有排水阀门(3-4)；

第一阀门、第二阀门、进水阀门(3-3)及排水阀门(3-4)均设置在保温筒(3-1)外壁上。

4.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，其特征在于，在第一隔板中部开有用于安装墩柱(5)的通孔，在第二隔板中部开有用于安装内筒体(2-1)的通孔。

5.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，其特征在于，第一隔板外包裹有柔性保温层(2-2)。

6.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，其特征在于，第一隔板与墩柱(5)的接触面处设有止水层，第二隔板与内筒体(2-1)外壁的接触面处设有止水层。

7.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，其特征在于，升降台(1-1)的顶部设有反力梁(1-4)，加载端头(1-5)安装在反力梁(1-4)上，反力梁(1-4)与升降台(1-1)通过支撑立柱(1-3)连接。

8.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置，其特征在于，在构件底座(1-2)上设有立杆(1-7)，立杆(1-7)上端设有上盖(1-6)；内筒体(2-1)和保温筒(3-1)的顶端均与上盖(1-6)连接。

9.权利要求1-8任意一项所述的一种钢筋混凝土墩柱冻融试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、提升升降台(1-1)，对墩柱(5)进行加载，基于荷重传感器(4-3)数据调整构件高度，控制轴向力水平；

将墩柱(5)下部设置为水下区，中部设置为水位变动区，上部设置为水上区；

将水下区对应的干湿环境室(2-3)与水泵(2-7)连接，将水位变动区对应的干湿环境室(2-3)与水泵(2-7)连接，将水上区对应的干湿环境室(2-3)与湿度控制器连接；随后将外部的温度控制室(3-2)连接水浴箱(3-5)；

S2、开启冻融试验：在冻结过程中，水下区处于饱水状态通过水泵(2-7)模拟实际工程中的水流冲刷，将中部水位变动区的干湿环境室(2-3)注满水，水上区对应的干湿环境室(2-3)按照实际工程中冻结状态时环境湿度进行调整；按照温度曲线通过水浴箱(3-5)调整温度控制室(3-2)的温度；

基于测温元件判断构件冻结状态，待墩柱(5)中心温度与试验曲线设定温度一致后保持一段时间；

在融化过程中，按照融化曲线分别设定每个温度控制室(3-2)的温度，当墩柱(5)中心温度与设定温度一致后保持一段时间；

在融化完成后继续进行冻结过程，然后依次进行冻融循环。

10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于，若待模拟的水位变动区存在干湿交替现象，通过水泵(2-7)排出水位变动区的干湿环境室(2-3)中水体，使墩柱(5)历经干湿交替过程中干燥的过程；随后继续注水，使墩柱(5)经历湿润过程，再进行冻、融、干、湿过程。

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