CN114689829B - 一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，属于混凝土耐久性试验方法技术领域。包括：按照需求制备若干个水位变动区船闸混凝土试件，根据数量要求进行分组；对所述混凝土试件进行预处理，称其首重并编号记录；将处理后的混凝土试件放置于试验装置内，按照以下两组试验进行交替式处理：表面磨损试验和快速碳化试验；直至试验劣化时间满足与模拟劣化年限之间的预定关系则停止试验；通过分析混凝土试件宏观性能与微观性能判断在模拟劣化年限中水位变动区船闸混凝土的劣化情况。本发明通过试验装置，配合使用有新设定的表面磨损试验方法和快速碳化试验方法，并配合对应的微观分析和宏观分析，得出试件的损失劣化情况。

Description

一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法
技术领域
本发明属于混凝土耐久性试验方法技术领域，特别是一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法。
背景技术
交通运输部提出的以品质工程建设为基础，大力提升公路水运基础设施使用寿命和耐久性，研究建设“平安百年品质工程”。现有船闸混凝土多按照使用年限不超过50年设计，强度等级偏低，抗碳化能力有限。如今研究学者针对100年水位变动区船闸混凝土耐久性关注较少，其检测方法以及检测装置更是空白。并且现有研究尚未明确水位变动区船闸混凝土表面磨损对混凝土碳化的影响规律，同时尚未建立起能够模拟水位变动区船闸混凝土劣化的加速试验，水位变动区船闸混凝土耐久性试验各个检测步骤连贯性较差，使得耐久性试验数据会有较大的误差。
发明内容
本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供了一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法。
本发明采用以下技术方案：一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，包括以下步骤：
步骤一、按照需求制备若干个水位变动区船闸混凝土试件，根据数量要求进行分组；
步骤二、对所述混凝土试件进行预处理，称其首重并编号记录；
步骤三、将处理后的混凝土试件放置于试验装置内，按照以下两组试验进行交替式处理：时间为tc的表面磨损试验和时间为tw的快速碳化试验；
直至试验劣化时间t总满足与模拟劣化年限t模拟之间的预定关系则停止试验；
步骤四、通过分析混凝土试件宏观性能与微观性能判断在模拟劣化年限t模拟中水位变动区船闸混凝土的劣化情况。
采集实际劣化的表面磨损时间与碳化时间绘制成线，发现表面磨损时间与碳化时间的关系应呈现正相关。因此在结合实际试验方法的时间模型基础上，拟合后其表面磨损时间tc与碳化时间tw参数的关系为：
tc＝(-0.0315898)+(0.108364)×tw
式中：tc为碳化时间/D；tw为表面磨损时间/D。
在进一步的实施例，t模拟＝∑tc+∑tw，表示模拟劣化时间；
试验劣化时间下混凝土的劣化程度与模拟劣化时间下混凝土的劣化程度对比分析，可以以此为参照对试验劣化时间t实际与模拟劣化年限t模拟进行拟合，其结果为:
所述预定关系如下：t实际＝(-0.214201)+(3.2333)t模拟。
在进一步的实施例，所述步骤二具体包括以下流程：将制备得到的混凝土试件振实，静置22～26h后拆模并放入标准养护室内养护26～30d，泡水1～2天后取出擦拭干净。
在进一步的实施例，所述步骤三具体包括以下流程：
步骤301、将混凝土试件放到容器桶内，加入研磨钢球，盖好内层网盖同时搅拌轴的底部穿过内层网盖延伸至容器桶内；
步骤302、根据研究需要选择交替劣化循环次数，输入每个循环阶段的表面磨损时间tc与碳化时间tw，以及进液量，碳化的平均温度、湿度，CO2浓度，紫外辐射强度；
步骤303、进液，当液位到达指定高度后进行搅拌，搅拌时间为表面磨损时间tc，到达时间后停止搅拌并排出容器桶中的液体；
步骤304、开启紫外灯，采集温度传感器、湿度传感器、以及二氧化碳浓度传感器的实时数据，将所述实时数据与目标数据进行对比得到偏差正负值，基于所述偏差正负值启动制热/制冷系统、进排气机构，使装置内部的气候环境达到模拟目标参数的气候条件，按照碳化时间tw进行碳化；
步骤305、按照步骤302中的交替劣化循环次数，重复步骤303至步骤304。
在进一步的实施例，所述步骤301中的研磨钢球直径和数量对应关系如下：直径29.9～30.1mm钢球14～16个；直径25.3～25.5mm钢球24～16个；直径19.0～19.2mm钢球29～31个；直径12.6～12.8mm钢球14～16个。上述三种不同直径大小的钢球应同时存在，钢球数目以参照《水工混凝土试验规程》(SL352-2020)，并在此基础上，根据本试验实际破坏情况予以改进。在上述直径大小与数量关系下，其表面磨损状态最接近实际工况下磨损状态。
在进一步的实施例，所述步骤四中的混凝土试件宏观性能的分析是至少基于质量损失率计算、回弹法测量表面强度、测量混凝土劣化深度；
所述混凝土微观性能的分析是基于热重法测混凝土表面碳化产物、压汞法测混凝土表面孔隙结构。
在进一步的实施例，所述试验装置至少包括：
本体，其底部中心位置固定有顶部为敞口结构的容器桶；
内层网盖，设置在所述容器桶的敞口结构处；
碳化试验模块和冲磨试验模块，设于所述本体内；
工控机，安装于所述本体的外壁并通信连接于碳化试验模块和冲磨试验模块。
在进一步的实施例，所述碳化试验模块至少包括：位于本体底部两侧的制冷机构和加热机构，安装在本体内上部空间的湿度控制机构，安装于本体顶部内壁处的温度传感器、湿度传感器、以及二氧化碳浓度传感器，设于本体顶部内壁且位于容器桶上方的紫外线辐射机构，以及进排气机构；
其中，所述进排气机构由本体底部进气，由本体顶部出气。
在进一步的实施例，所述冲磨试验模块至少包括：
搅拌电机，可拆卸安装于所述本体上；
搅拌轴，传动连接于所述搅拌电机的输出轴；所述搅拌轴的底部延伸至容器桶内；
进排液体机构，设于所述本体内；所述进排液体机构由容器桶底部的一侧输入液体，容器桶底部的另一侧排出液体。
本发明的有益效果：本发明与现有技术相比，提出了一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，该方法通过试验装置，配合使用有新设定的表面磨损试验方法和快速碳化试验方法，并配合试件质量损失率计算、回弹法测量表面强度、测量混凝土劣化深度的宏观分析，以及热重法测混凝土表面碳化产物、压汞法测混凝土表面孔隙结构的微观分析，得出试件的损失劣化情况。整个操作过程可以长时间往复进行，不需要研究人员长时间进行设备照看，在节约研究成本的同时减少了研究工作量。为评价水位变动区船闸混凝土的劣化模拟提供科学严谨的检测设备和检测方法，该设备最大程度的模拟了水位变动区船闸混凝土的工作环境，人为营造苛刻环境，缩短试验周期。随着该方法的进一步成熟，可作为水位变动区船闸混凝土的工程验收方法及依据。
附图说明
图1为实施例1的劣化模拟试验方法流程图。
图2为实施例2中的试验装置的结构示意图。
图3为实施例3中的试验装置的剖视图。
图2至图3中的各标注为：本体1、容器桶2、内层网盖3、制冷机构4、加热机构5、温度传感器6、湿度传感器7、二氧化碳浓度传感器8、紫外线辐射机构9、进气口10、风扇11、搅拌电机12、搅拌轴13、进液口14、出液口15、钢球16、触摸显示屏17、电源指示灯18、碳化模块运行灯19、冲磨模块运行灯20、湿度控制机构21、电源开关22。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1
本实施例提供一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，在表面磨损与碳化作用交替循环劣化作用下模拟混凝土的劣化，以研究在实际工况中水位变动区船闸混凝土的劣化机理。
如图1所示，具体包括以下步骤：步骤一、按照需求制备若干个水位变动区船闸混凝土试件，根据数量要求进行分组；在本实施例中，制备得到的船闸混凝土试件为直径(300±2)mm、高(100±1)mm的扁圆柱体试件，且每组试件为3块。
步骤二、对所述混凝土试件进行预处理，称其首重并编号记录；
步骤三、将处理后的混凝土试件放置于试验装置内，按照以下两组试验进行交替式处理：时间为tc的表面磨损试验和时间为tw的快速碳化试验；
直至试验劣化时间t总满足与模拟劣化年限t模拟之间的预定关系则停止试验；
步骤四、通过分析混凝土试件宏观性能与微观性能判断在模拟劣化年限t模拟中水位变动区船闸混凝土的劣化情况。
在进一步的实施例中，所述步骤二中的对所述混凝土试件进行预处理具体包括以下流程：将制备得到的混凝土试件振实，静置22～26h后拆模并放入标准养护室内养护26～30d，泡水1～2天后取出擦拭干净。优选为，静置24h后拆模并放入标准养护室内养护28天，泡水1天后取出擦拭干净。试件泡水时间为1d，更贴合实际工况中水位变动区船闸混凝土受到表面磨损作用时的状态。
需要说明的是，制备的成型试件时，在模具中垫有1～2层吸油纸，防止模具内的油粘附在成型面干扰后续试验。
在进一步的实施例中，处于水位变动区的表面磨损时间tc与碳化时间tw的关系如下：
tc＝(-0.0315898)+(0.108364)×tw
式中：tc为碳化时间/D；tw为表面磨损时间/D。
试验劣化时间下混凝土的劣化程度与模拟劣化时间下混凝土的劣化程度对比分析，可以以此为参照对试验劣化时间t实际与模拟劣化年限t模拟进行拟合，其结果为：
所述预定关系如下：t实际＝(-0.214201)+(3.2333)t模拟。其中，t模拟＝∑tc+∑tw，表示模拟劣化年限。
在进一步的实施例中，步骤三具体包括以下流程：
步骤301、将混凝土试件放到容器桶内，加入研磨钢球，盖好内层网盖同时搅拌轴的底部穿过内层网盖延伸至容器桶内；在本实施例中，研磨钢球直径和数量对应关系如下：直径29.9～30.1mm钢球14～16个；直径25.3～25.5mm钢球24～16个；直径19.0～19.2mm钢球29～31个；直径12.6～12.8mm钢球14～16个。
进一步优选为，研磨钢球直径和数量对应关系如下：直径30.0mm钢球15个，直径25.4mm钢球25个，直径19.1mm钢球30个，直径12.7mm钢球15个。
步骤302、根据研究需要选择交替劣化循环次数，输入每个循环阶段的表面磨损时间tc与碳化时间tw，以及进液量，碳化的平均温度、湿度，CO2浓度，紫外辐射强度；
在进一步的实施例中，表面磨损时间tc与碳化时间tw的关系如下：
tc＝(-0.0315898)+(0.108364)×tw
式中：tc为碳化时间/D；tw为表面磨损时间/D。
步骤303、进液，当液位到达指定高度后进行搅拌，搅拌时间为表面磨损时间tc，到达时间后停止搅拌并排出容器桶中的液体；
步骤304、开启紫外灯，采集温度传感器、湿度传感器、以及二氧化碳浓度传感器的实时数据，将所述实时数据与目标数据进行对比得到偏差正负值，基于所述偏差正负值启动制热/制冷系统、进排气机构，使装置内部的气候环境达到模拟目标参数的气候条件，按照碳化时间tw进行碳化；
步骤305、按照步骤302中的交替劣化循环次数，重复步骤303至步骤304。
在进一步的实施例中，步骤四中的混凝土试件宏观性能的分析是至少基于质量损失率计算、回弹法测量表面强度、测量混凝土劣化深度；需要进一步说明的是，测量混凝土劣化深度时，利用大尺寸卡规测量劣化前后的混凝土试件损失厚度d1，利用酚酞试剂法测量劣化后的混凝土试件碳化深度的d2，计算得到混凝土的劣化深度d＝d1+d2。
所述混凝土微观性能的分析是基于热重法测混凝土表面碳化产物、压汞法测混凝土表面孔隙结构。
实施例2
为实现实施例1所述的水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，本实施例公开了如实施例1步骤三中所述的试验装置的结构，如图2至图3所示。
试验装置包括：本体1，内部为中空结构且其底部中心位置固定有顶部为敞口结构的容器桶2，其顶部设置有端盖。
所述本体1上设置有至少碳化试验模块和冲磨试验模块，其中，碳化试验模块则是用于给快速碳化试验提供空间和所需的环境配置，冲磨试验模块则是用于给表面磨损试验提供空间和所需的环境配置。还包括设置在本体1外壁处的工控机，且工控机电连接于碳化试验模块和冲磨试验模块，工控机则是用于控制碳化试验模块和冲磨试验模块各项器件的工作状态，以达到本体1内部所需的环境。
在进一步的实施例中，容器桶2的敞口结构处设置有内层网盖3，其中，内层网盖3为网状结构，内层网盖3设置成网状结构有效连通碳化试验模块与冲磨试验模块，保证混凝土试件在不取出的情况下正常进行表面碳化，实现碳化试验模块与冲磨试验模块相互之间的直接切换。
碳化试验模块包括：制冷机构4、加热机构5、湿度控制机构21、温度传感器6、湿度传感器7、二氧化碳浓度传感器8、紫外线辐射机构9，以及进排气机构。其中，制冷机构4和加热机构5分别设置在本体1底部的两侧，湿度控制机构21安装在本体1内上部空间，其中制冷机构4、加热机构5、湿度控制机构21、以及紫外线辐射机构9(紫外线灯)均采用现有技术便可实现，故在此不再赘述。温度传感器6、湿度传感器7、二氧化碳浓度传感器8并列安装在本体1顶部内壁处，用于分别检测试验装置内部的温度、湿度、二氧化碳浓度。工控机基于获取到的实时温度、湿度、二氧化碳浓度数值调整制冷机构4、加热机构5、紫外线辐射机构9，以及进排气机构，使后期采集的温度、湿度、二氧化碳浓度数值满足试验需求。
基于上述描述，紫外线辐射机构9设于本体1顶部内壁且位于容器桶2上方，进排气机构至少包括：进气口10和出气口，其中，进气口10设于本体1的底部，且通过管道同时与外界和二氧化碳储气罐相连通。出气口则设于本体1的顶部，并在出气口上设置有风扇11。由工控机控制进气口10向试验装置内部供气。其中排气风扇19排出箱内空气和CO2以保证装置内CO2浓度和气压的稳定。
在进一步的实施例中，冲磨试验模块至少包括：可拆卸的安装在盖板上的搅拌电机12，其中搅拌电机12的输出轴朝下位于本体1的内部。并在搅拌电机12的输出轴上传动连接有搅拌轴13，其中搅拌轴13的底部延伸至容器桶2内。
本体1的内部还设置有进排液体机构，其中进排液体机构包括进液口14和出液口15，进液口14设置在容器桶2的底部一侧，出液口15则设置在容器桶2的底部另一侧。所述进液口14与出液口15为相对设置。
基于上述描述，在本实施例中，工控机至少包括：控制主板、触摸显示屏17、电源指示灯18、碳化模块运行灯19、冲磨模块运行灯20、和电源开关22。所述温度传感器6、湿度传感器7、二氧化碳浓度传感器8检测到的表面磨损与碳化劣化装置内部温度、湿度、二氧化碳浓度信号通过控制主板的信号输入口输入；所述制冷机构4、加热机构5、进排气机构、湿度控制机构21、紫外线辐射机构9、进排水机构、搅拌电机12与主板的信号输出口连接。触摸显示屏17、电源指示灯18、碳化模块运行灯19、冲磨模块运行灯20、电源开关22均设置在表面磨损与碳化劣化装置外壁上。控制主板中使用一块固态硬盘存储控制程序。
本实施例所述的实验装置的工作原理如下：将混凝土试件放到容器桶2内，加入研磨钢球16，盖好内层网盖3，将搅拌棒与搅拌电机12连接后盖上方舱盖，打开水源，打开电源开关22。工控机触摸屏进入启动界面，根据研究需要选择交替劣化循环次数，输入每个循环阶段的表面磨损时间与碳化时间，输入进水口进水量，输入碳化的平均温度、湿度、CO2浓度、紫外辐射强度等数据。确认目标数据后，计算机开启进水口，待水位到达指定高度，待混凝土试件浸泡1小时后开启搅拌电机12，搅拌电机12工作时间为表面磨损设定的时间，到达时间后搅拌电机12停止运转，计算机开启出水口，排出容器桶2中的液体，并开启紫外灯，同时将温度信号输入端口、湿度信号输入端口、CO2浓度信号输入端口接收到的实时数据与目标数据进行对比，根据偏差正负值，启动制热/制冷系统，CO2浓度控制系统，经过1小时调整达到模拟目标参数的气候条件，开始碳化，当碳化设定的目标时间后计算机关闭碳化模块相应设备，开启下一轮交替劣化试验。整个劣化过程无需人员再次操控，若试验需要暂停可通过工控机触摸屏操作。待所有循环试验结束后，手动取出容器桶2中的混凝土试件。

Claims (8)

1.一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按照需求制备若干个水位变动区船闸混凝土试件，根据数量要求进行分组；
步骤二、对所述混凝土试件进行预处理，称其首重并编号记录；
步骤三、将处理后的混凝土试件放置于试验装置内，按照以下两组试验进行交替式处理：时间为tc的表面磨损试验和时间为tw的快速碳化试验；表面磨损时间tc与碳化时间tw的关系如下：
；
式中：tc为表面磨损时间，以天为单位；tw为碳化时间，以天为单位；
直至试验劣化时间t实际满足与模拟劣化时间t模拟之间的预定关系则停止试验；
其中，t模拟=∑tc+∑tw，
所述试验劣化时间t实际与模拟劣化时间t模拟的关系如下：
；t实际表示试验劣化时间；
步骤四、通过分析混凝土试件宏观性能与微观性能判断在模拟劣化时间t模拟中水位变动区船闸混凝土的劣化情况。
2.根据权利要求1所述的一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，其特征在于，所述步骤二具体包括以下流程：将制备得到的混凝土试件振实，静置22~26h后拆模并放入标准养护室内养护26~30d，泡水1~2天后取出擦拭干净。
3.根据权利要求1所述的一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，其特征在于，所述步骤三具体包括以下流程：
步骤301、将混凝土试件放到容器桶内，加入研磨钢球，盖好内层网盖同时搅拌轴的底部穿过内层网盖延伸至容器桶内；
步骤302、根据研究需要选择交替劣化循环次数，输入每个循环阶段的表面磨损时间tc与碳化时间tw，以及进液量，碳化的平均温度、湿度，CO2浓度，紫外辐射强度；
步骤303、进液，当液位到达指定高度后进行搅拌，搅拌时间为表面磨损时间tc，到达时间后停止搅拌并排出容器桶中的液体；
步骤304、开启紫外灯，采集温度传感器、湿度传感器、以及二氧化碳浓度传感器的实时数据，将所述实时数据与目标数据进行对比得到偏差正负值，基于所述偏差正负值启动制热/制冷系统、进排气机构，使装置内部的气候环境达到模拟目标参数的气候条件，按照碳化时间tw进行碳化；
步骤305、按照步骤302中的交替劣化循环次数，重复步骤303至步骤304。
4.根据权利要求3所述的一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，其特征在于，所述步骤301中的研磨钢球直径和数量对应关系如下：直径29.9~30.1mm钢球14~16个；直径25.3~25.5mm钢球24~16个；直径19.0~19.2mm钢球29~31个；直径12.6~12.8mm钢球14~16个。
5.根据权利要求1所述的一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，其特征在于，所述步骤四中的混凝土试件宏观性能的分析是至少基于质量损失率计算、回弹法测量表面强度、测量混凝土劣化深度；
所述混凝土微观性能的分析是基于热重法测混凝土表面碳化产物、压汞法测混凝土表面孔隙结构。
6.根据权利要求1所述的一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，其特征在于，所述试验装置至少包括：
本体，其底部中心位置固定有顶部为敞口结构的容器桶；
内层网盖，设置在所述容器桶的敞口结构处；
碳化试验模块和冲磨试验模块，设于所述本体内；
工控机，安装于所述本体的外壁并通信连接于碳化试验模块和冲磨试验模块。
7.根据权利要求6所述的一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，其特征在于，所述碳化试验模块至少包括：位于本体底部两侧的制冷机构和加热机构，安装在本体内上部空间的湿度控制机构，安装于本体顶部内壁处的温度传感器、湿度传感器、以及二氧化碳浓度传感器，设于本体顶部内壁且位于容器桶上方的紫外线辐射机构，以及进排气机构；
其中，所述进排气机构由本体底部进气，由本体顶部出气。
8.根据权利要求6所述的一种水位变动区船闸混凝土的劣化模拟试验方法，其特征在于，所述冲磨试验模块至少包括：
搅拌电机，可拆卸安装于所述本体上；
搅拌轴，传动连接于所述搅拌电机的输出轴；所述搅拌轴的底部延伸至容器桶内；
进排液体机构，设于所述本体内；所述进排液体机构由容器桶底部的一侧输入液体，容器桶底部的另一侧排出液体。
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