CN116087001A - 一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置及其使用方法，试验装置包括试验箱、水箱、用于输送水的水泵和用于调节试验箱内波压力的气泵，试验箱的箱壁设有加压口、排风口和试验箱进水口，排风口设有用于开关排风口的阀门；试验箱的箱底设有试验箱出水口和伸缩杆，伸缩杆的上端设有水位传感器、压力传感器和湿度传感器；水箱的箱壁设有水箱进水口和水箱出水口，试验箱出水口通过水泵与水箱进水口连通，水箱出水口通过水泵与试验箱的进水口连通；试验箱上设有用于控制气泵、伸缩杆、水位传感器、压力传感器、湿度传感器、阀门、水泵的控制器。本发明能够实现波压力与波吸力对混凝土损伤作用，可多次循环使用，操作简单方便。

Description

一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置及其使用方法
技术领域
本发明属于混凝土耐久性研究技术领域，涉及一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置及其使用方法。
背景技术
混凝土材料广泛运用于港口、海岸及近海工程，遭受恶劣海洋环境的腐蚀。除了海水中氯离子、硫酸根离子等有害离子的侵蚀作用、环境水引起的溶蚀作用，海洋环境中的波浪循环作用也将显著损伤混凝土，加剧混凝土腐蚀劣化。波浪作用会对混凝土产生波浪力，包括波压力与波吸力。在波浪运动过程中，波峰处水质点的水平运动速度最大，其方向和波形传播的方向一致，在波峰前方发生水体堆积，产生波压力，波压力将加速海水渗透，增加有害离子的侵入深度与溶蚀深度。波谷处水质点的水平运动速度也最大，其方向和波形传播方向相反，波谷的后方发生水体流失，产生波吸力，波吸力将在混凝土表面产生拉力，引起微裂纹开展，劣化混凝土内部微结构。在波浪力的长期循环作用下，混凝土损伤逐步累积，强度降低，将大大增加结构突然破坏的风险，不利于工程安全。
实验室常采用造波机在水槽中产生波浪，研究波浪与防波堤等工程结构的相互作用，但大多是短期作用，若采用该方法研究长期的波浪循环作用下混凝土损伤，将耗费大量人力物力，适用性较低。针对海洋环境腐蚀混凝土的研究主要考虑离子侵蚀与环境水溶蚀，大多采用浸泡或干湿循环试验方法，无法反映波浪作用下波压力与波吸力对混凝土的损伤。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置及其使用方法，能够实现波压力与波吸力对混凝土损伤作用，可多次循环使用，操作简单方便。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，包括试验箱、水箱、用于输送水的水泵和用于调节试验箱内波压力的气泵，所述试验箱的箱壁设有加压口、排风口和试验箱进水口，气泵与加压口连通，排风口设有用于开关排风口的阀门；所述试验箱的箱底设有试验箱出水口和伸缩杆，伸缩杆的上端设有用于测量试验箱内水位的水位传感器、用于测量试验箱内压力的压力传感器和用于测量试验箱内湿度的湿度传感器；所述水箱的箱壁设有水箱进水口和水箱出水口，试验箱出水口通过水泵与水箱进水口连通，水箱出水口通过水泵与试验箱的进水口连通；所述试验箱上设有用于控制气泵、伸缩杆、水位传感器、压力传感器、湿度传感器、阀门、水泵的控制器。
可选的，所述试验箱包括试验箱本体和试验箱箱盖，试验箱箱盖通过螺栓与试验箱本体连接，试验箱本体的外箱底设有试验箱箱脚；所述水箱包括水箱本体和用于开关水箱本体的水箱箱盖，水箱本体的外箱底设有水箱箱脚。
可选的，所述试验箱本体与试验箱箱盖之间设有用于密封试验箱的密封圈。
可选的，所述试验箱内底面设有用于放置混凝土试样的防腐支架。
可选的，所述排风口设有用于风干混凝土试样的排风扇。
可选的，试验箱和水箱的内壁分别涂覆有防腐涂料。
可选的，水箱出水口包括第一出水口和第二出水口；水泵包括第一水泵和第二水泵，第一出水口通过管道与第一水泵的进口连通，试验箱进水口通过管道与第一水泵的出口连通，试验箱出水口通过管道与第二水泵的进口连通，水箱进水口通过管道与第二水泵的出口连通。
可选的，所述水箱内设有用于监测试验水体pH值的pH计。
一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置的使用方法，包括：
将混凝土试样放置于在试验箱内，向水箱中加入试验水体；
通过控制器控制试验箱内的水位、压力值、压力作用时间和循环次数；
通过控制器控制伸缩杆的上端升至混凝土试样高度处，通过水泵将水箱内的试验水体输送入试验箱，通过水位传感器感知设定水位高度后停止输水；
关闭排风口阀门，通过气泵向试验箱加压至设定波压力值，压力传感器感知设定压力后停止加压，低于设定压力值90%时控制器再次启动气泵，模拟波压力损伤混凝土；
控制器启动气泵卸压，压力传感器感知压力达初始水压力后停止，打开阀门，伸缩杆上端下降至试验箱的底部，通过水泵将试验箱内的试验水体输送进入水箱，水位传感器感知水位高度为0后停止；
风干混凝土试样，湿度传感器感知箱内相对湿度达50%后停止，关闭阀门，启动气泵抽气形成负压直至设定波吸力值，压力传感器感知设定压力后停止抽气，高于设定压力值90%时控制器再次启动气泵，模拟波吸力损伤混凝土；
控制器启动气泵卸压，压力传感器感知压力达到0后停止，打开阀门，循环操作直至达到设定循环次数。
可选的，水箱中pH计实时监测试验试验水体的pH值，pH≥8后打开水箱出水口排放试验水体，并加入新的试验水体。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供了种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置及其使用方法，混凝土试样淹没状态下加压形成正压，试样风干状态下抽气形成负压，分别模拟波浪在一个周期内对混凝土产生的波压力与波吸力，可进行多次循环；
该装置工作原理简单，且操作简便，解决了波浪长期作用损伤混凝土过程难以通过实验室模拟的问题；
本发明还可作为加速混凝土腐蚀的试验装置，可根据研究需要采用特定的侵蚀溶液，实现对混凝土的加速侵蚀效果，缩短试验周期。
附图说明
图1为本发明一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置的示意图；
图2为本发明试验装置中试验箱的侧剖图；
图3为本发明试验装置中试验箱的俯剖图；
图4为本发明试验装置中水箱的侧剖图；
图5为本发明试验装置中水箱的俯剖图。
图中：1、试验箱本体；1-1、试验箱箱盖；1-2、螺栓；1-3、密封圈；1-4、试验箱箱脚；1-5、加压口；1-6、排风口；1-7、试验箱进水口；1-8、试验箱出水口；2、气泵；3、阀门；4、排风扇；5-1、第一水泵；5-2、第二水泵；6、水箱本体；6-1、水箱箱盖；6-2、水箱箱脚；6-3、水箱进水口；6-4、第一出水口；6-5、第二出水口；7、控制器；8、伸缩杆；8-1、水位传感器；8-2、压力传感器；8-3、湿度传感器；9、支架；10、管道；11、pH计；12、混凝土试样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图1至图5所示，一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，包括试验箱、水箱、用于输送水的水泵和用于调节试验箱内波压力的气泵2，试验箱和水箱的内壁分别涂覆有防腐涂料；试验箱包括试验箱本体1和试验箱箱盖1-1，试验箱箱盖1-1通过四个螺栓1-2与试验箱本体1连接，试验箱本体1与试验箱箱盖1-1之间设有用于密封试验箱的密封圈1-3，试验箱本体1的外箱底设有四个试验箱箱脚1-4；水箱包括水箱本体6和用于开关水箱本体6的水箱箱盖6-1，水箱本体6的外箱底设有四个水箱箱脚6-2。
试验箱的内底面设有用于放置混凝土试样12的不锈钢材质的支架9，支架9上的平行钢条间距不超过100mm，试验箱的侧箱壁设有加压口1-5、排风口1-6和试验箱进水口1-7，气泵2与加压口1-5连通，排风口1-6处设有用于开关排风口1-6的阀门3，阀门3为电动蝶阀，阀门3设于试验箱内，与排风口1-6连通，排风口1-6内设有用于风干混凝土试样12的排风扇4；试验箱的箱底设有试验箱出水口1-8和沿竖直方向设置的伸缩杆8，伸缩杆8为电动伸缩杆，伸缩杆8的下端与试验箱的内箱底相接，伸缩杆8的上端设有用于测量试验箱内水位的水位传感器8-1、用于测量试验箱内压力的压力传感器8-2和用于测量试验箱内湿度的湿度传感器8-3；试验箱上设有用于控制气泵2、伸缩杆8、水位传感器8-1、压力传感器8-2、湿度传感器8-3、阀门3、水泵的控制器7，气泵2、伸缩杆8、水位传感器8-1、压力传感器8-2、湿度传感器8-3、阀门3和水泵与控制器7电性连接。
水箱的侧箱壁设有水箱进水口6-3，水箱的箱底设有水箱出水口，水箱出水口包括第一出水口6-4和第二出水口6-5；水箱内设有用于监测试验水体pH值的pH计11。
水泵包括第一水泵5-1和第二水泵5-2，第一出水口6-4通过管道10与第一水泵5-1的进口连通，试验箱进水口1-7通过管道10与第一水泵5-1的出口连通，试验箱出水口1-8通过管道10与第二水泵5-2的进口连通，水箱进水口6-3通过管道10与第二水泵5-2的出口连通，管道10为波纹管。
实施例二
基于实施例一所述的一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，本实施例提供一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置的使用方法，包括以下步骤：
S1，将混凝土试样12放置于在试验箱内支架9上，向水箱中加入试验水体，所述试验水体根据实际海洋环境或试验要求配制；
S2，通过控制器7设置试验箱内的水位、压力值、压力作用时间和循环次数，数值由试样高度、拟模拟的波浪环境确定；
S3，通过控制器7控制伸缩杆8的上端升至混凝土试样12高度处，第一水泵5-1抽水进入试验箱，水位传感器8-1感知设定水位高度后停止抽水；
S4，关闭排风口阀门3，启动气泵2加压至设定波压力值，压力传感器8-2感知设定压力后停止加压，低于设定压力值90%时控制器再次启动气泵2，模拟波压力损伤混凝土；
S5，控制器7启动气泵2卸压，压力传感器8-2感知压力达初始水压力（由伸缩杆端部与水面高度差计算）后停止，打开阀门3，伸缩杆8上端下降至试验箱的底部，通过第二水泵5-2将试验箱内的试验水体输送进入水箱，水位传感器8-1感知水位高度为0后停止；
S6，启动排风扇4风干混凝土试样12，湿度传感器8-3感知箱内相对湿度达50%后停止，关闭排风口阀门3，启动气泵2抽气形成负压直至设定波吸力值，压力传感器8-2感知设定压力后停止抽气，高于设定压力值90%时控制器7再次启动气泵2，模拟波吸力损伤混凝土；
S7，控制器7启动气泵2卸压，压力传感器8-2感知压力达到0后停止，打开阀门3，重复S3至S6，直至达到设定循环次数。
水箱中pH计11实时监测试验试验水体的pH值，pH≥8后打开水箱出水口排放试验水体，并加入新的试验水体。
试验在循环波浪作用结束后取出混凝土试样，采用饱水干燥称重法测量混凝土试样孔隙率，对试样进行力学性能测试，采用酚酞指示剂法测量试样溶蚀深度，采用X射线计算机断层成像技术分析混凝土损伤特征，全面揭示波浪作用下混凝土损伤机制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，其特征在于：包括试验箱、水箱、用于输送水的水泵和用于调节试验箱内波压力的气泵，所述试验箱的箱壁设有加压口、排风口和试验箱进水口，气泵与加压口连通，排风口设有用于开关排风口的阀门；所述试验箱的箱底设有试验箱出水口和伸缩杆，伸缩杆的上端设有用于测量试验箱内水位的水位传感器、用于测量试验箱内压力的压力传感器和用于测量试验箱内湿度的湿度传感器；所述水箱的箱壁设有水箱进水口和水箱出水口，试验箱出水口通过水泵与水箱进水口连通，水箱出水口通过水泵与试验箱的进水口连通；所述试验箱上设有用于控制气泵、伸缩杆、水位传感器、压力传感器、湿度传感器、阀门、水泵的控制器。
2.根据权利要求1所述的一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，其特征在于：所述试验箱包括试验箱本体和试验箱箱盖，试验箱箱盖通过螺栓与试验箱本体连接，试验箱本体的外箱底设有试验箱箱脚；所述水箱包括水箱本体和用于开关水箱本体的水箱箱盖，水箱本体的外箱底设有水箱箱脚。
3.根据权利要求2所述的一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，其特征在于：所述试验箱本体与试验箱箱盖之间设有用于密封试验箱的密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，其特征在于：所述试验箱内底面设有用于放置混凝土试样的防腐支架。
5.根据权利要求1所述的一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，其特征在于：所述排风口设有用于风干混凝土试样的排风扇。
6.根据权利要求1所述的一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，其特征在于：试验箱和水箱的内壁分别涂覆有防腐涂料。
7.根据权利要求1所述的一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，其特征在于：水箱出水口包括第一出水口和第二出水口；水泵包括第一水泵和第二水泵，第一出水口通过管道与第一水泵的进口连通，试验箱进水口通过管道与第一水泵的出口连通，试验箱出水口通过管道与第二水泵的进口连通，水箱进水口通过管道与第二水泵的出口连通。
8.根据权利要求1所述的一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置，其特征在于：所述水箱内设有用于监测试验水体pH值的pH计。
9.一种根据权利要求1至8任意一项所述的模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置的使用方法，其特征在于，包括：
将混凝土试样放置于在试验箱内，向水箱中加入试验水体；
通过控制器控制试验箱内的水位、压力值、压力作用时间和循环次数；
通过控制器控制伸缩杆的上端升至混凝土试样高度处，通过水泵将水箱内的试验水体输送入试验箱，通过水位传感器感知设定水位高度后停止输水；
关闭排风口阀门，通过气泵向试验箱加压至设定波压力值，压力传感器感知设定压力后停止加压，低于设定压力值90%时控制器再次启动气泵，模拟波压力损伤混凝土；
控制器启动气泵卸压，压力传感器感知压力达初始水压力后停止，打开阀门，伸缩杆上端下降至试验箱的底部，通过水泵将试验箱内的试验水体输送进入水箱，水位传感器感知水位高度为0后停止；
风干混凝土试样，湿度传感器感知箱内相对湿度达50%后停止，关闭阀门，启动气泵抽气形成负压直至设定波吸力值，压力传感器感知设定压力后停止抽气，高于设定压力值90%时控制器再次启动气泵，模拟波吸力损伤混凝土；
控制器启动气泵卸压，压力传感器感知压力达到0后停止，打开阀门，循环操作直至达到设定循环次数。
10.根据权利要求9所述的一种模拟波浪作用下混凝土损伤的试验装置的使用方法，其特征在于：水箱中pH计实时监测试验试验水体的pH值，pH≥8后打开水箱出水口排放试验水体，并加入新的试验水体。
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