CN203299097U

CN203299097U - 混凝土原位无损气体渗透率测量装置

Info

Publication number: CN203299097U
Application number: CN2013203360298U
Authority: CN
Inventors: 李萍; 王新征; 牛冠毅; 赵建伟; 毛燕; 杨伟
Original assignee: Research Institute of Highway Ministry of Transport
Current assignee: Research Institute of Highway Ministry of Transport
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2023-06-09

Abstract

本实用新型提供了一种混凝土原位无损气体渗透率测量装置，包括：集气罩，用于粘接在待测混凝土表面，形成封闭的空间；气体压力变送器，安装在所述集气罩的外表面，用于在所述集气罩在负压状态下，采集所述集气罩内的压力；气体质量流量控制器，安装在所述集气罩与真空泵之间的管路上，用于检测和控制当前的气体流量；真空泵，用于抽出经过所述气体质量流量控制器的所述集气罩内的气体；安装在所述管路上的多个阀门，用于控制所述管路上的气体通过；控制器，与所述气体压力变送器、所述气体质量流量控制器相连接，通过二者感应到的参数，确定所述混凝土的气体渗透率。本实用新型可在负压状态下测量渗透率，不破坏混凝土表面，测量过程简单。

Description

混凝土原位无损气体渗透率测量装置

技术领域

本实用新型涉及混凝土的测试，具体而言，涉及一种混凝土原位无损气体渗透率测量装置。

背景技术

类混凝土材料（岩石、混凝土和砖等）的渗透性是影响其耐久性的关键因素之一。目前渗透率测量方式按选取的渗透介质来区分，可以分为液体、气体两类，对应的测试方法分别为水压、气压测试法。

按照测量方式来区分，可以分为取样、不取样两类。①目前都是以取样为前提，在实验室内检测混凝土试件的渗透性。这种实验方法一般属于破坏性实验，对于完好的混凝土构件，取样操作破坏了混凝土构件的完整性；对于已损伤的混凝土构件，例如含有裂缝等，取样过程会改变混凝土的原始损伤状态，甚至很可能破坏试样的完整性。这种方法会带来较大的测量误差。②不取样测试。目前不需要取样的原位测试系统，主要用于测量混凝土表层气体渗透率。这种方式不适用于混凝土构件内部渗透率测量，原因如下：1）为了保证测量设备与测试表面的密封性，需要在测试区域周围设计锚固螺栓，造成测试区外围混凝土破坏；2）该方式测量原理是通过向封闭气罩内增加气压，根据封闭气罩内的压力衰减规律计算表层混凝土的渗透率，测量区域很难评估。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种混凝土原位无损气体渗透率测量装置，以解决上述测量方式不适用于混凝土构件内部渗透率测量的问题。

在本实用新型的实施例中，提供了一种混凝土原位无损气体渗透率测量装置，包括：

集气罩，用于粘接在待测混凝土表面，形成封闭的空间；

气体压力变送器，安装在所述集气罩的外表面，用于在所述集气罩在负压状态下，采集所述集气罩内的压力；

气体质量流量控制器，安装在所述集气罩与真空泵之间的管路上，用于检测和控制当前的气体流量；

真空泵，用于抽出经过所述气体质量流量控制器的所述集气罩内的气体；

安装在所述管路上的多个阀门，用于控制所述管路上的气体通过；

控制器，与所述气体压力变送器、所述气体质量流量控制器相连接，通过二者感应到的参数，确定所述混凝土的气体渗透率。

本实用新型实施例，由于采用真空泵，测量方式不同于以往的测量方式，在不破坏混凝土的情况下，测量渗透率；另外，一直以来测量渗透率的方法都是正压；采用本实用新型的装置通过负压实现渗透率的测量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了实施例的结构图；

图2示出了实施例中的系数G的计算模型的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

参见图1，图1为实施例的结构图，包括以下部件：

1—混凝土构件，2—集气罩，3—泄气阀门，4—气体压力变送器，5—干燥剂，6—过滤器，7、8、11和12—阀门，9和10—不同量程气体质量流量控制器，13—真空泵，14—气体质量流量控制器并联数据线，15—气体质量流量控制器数据线，16—气体压力变送器数据线，17—数据采集控制器，18—密封剂涂抹区域；

实施例中的一种混凝土原位无损气体渗透率测量装置，包括：

集气罩2，用于粘接在待测混凝土表面，形成封闭的空间；

气体压力变送器4，安装在所述集气罩2的外表面，用于在所述集气罩2在负压状态下，采集所述集气罩2内的压力；

气体质量流量控制器9、气体质量流量控制器10，安装在所述集气罩2与真空泵13之间的管路上，用于检测和控制当前相应相连管路的气体流量；

真空泵13，用于抽出经过所述气体质量流量控制器9、气体质量流量控制器10的所述集气罩2内的气体；

控制器17，也可称为数据采集控制器，与所述气体压力变送器4、所述气体质量流量控制器9、10相连接，通过二者感应到的参数，确定所述混凝土的气体渗透率。

优选地，上述的装置中，所述气体质量流量控制器的数量包括测量精度范围不同的两个，在两条并联的管路上，每条管路安装一个；

其中，两个所述气体质量流量控制器的量程不同，一个量程的范围为：10^-16～10^-13m²；另一个量程的范围为：10^-15～10^-12m²；可采用多个不同精度的气体质量流量控制器，以得到多种不同量程的气体渗透率测量装置。

从测量公式可以看出，影响该测量方法量程的因素主要有：影响因子G、气体质量流量控制器量程和压力变送器量程。本方法测量量程计算过程如下：

影响因子G受集气罩和测量试样几何尺寸影响。这里举例测量试样的半径为20cm，高度为20cm；使用集气罩的底部内半径为5cm，外半径为10cm；计算得到系数G为5.56。一般测量条件下1<G<10。

气体质量流量控制器控制的有效测量范围一般选择为其量程的5%～95%。

压力变送器的有效测量量程选择其量程的5%～95%。本实验使用的压力变送器为0-100kPa，所以压力有效测量范围为5-95kPa。设定测量环境大气压力为90kPa，测量最小压力为5kPa，最大压力为89kPa。

（一）首先计算实例条件下、气体质量流量控制器为500ml/min的量程

最大量程状态：测量流量最小而压差最大

k_{500_\min} = \begin{matrix} \frac{2 \times (1.85 \times 10^{- 5}) \times (1.01 \times 10^{5}) \times (500 \times 0.05 \times 1.667 \times 10^{- 8}) \times 0.2}{5.65 \times (3.1416 \times {0.05}^{2}) (90^{2} - 5^{2}) 10^{6}} \\ = 9.48 \times 10^{- 16} m^{2} \end{matrix}

最小量程状态：测量流量最大而压差最小

k_{500_\min} = \begin{matrix} \frac{2 \times (1.85 \times 10^{- 5}) \times (1.01 \times 10^{5}) \times (500 \times 0.95 \times 1.667 \times 10^{- 8}) \times 0.2}{5.65 \times (3.1416 \times {0.05}^{2}) (90^{2} - 89^{2}) 10^{6}} \\ = 7.45 \times 10^{- 13} m^{2} \end{matrix}

（二）气体质量流量控制器为5000ml/min的量程，计算方法同上，只是流量扩大一个数量级，所以量程比上一个流量计量程同步扩大一个数量级。测量范围为9.48×10^-15m²～7.45×10^-12m²

在每条管路上，所述气体质量流量控制器与所述集气罩2之间，安装有阀门。例如图1中的阀门7、阀门8。

优选地，所述两条并联的管路汇合的支路与所述集气罩2之间的管路上，还连接有干燥剂5及空气过滤器6。

优选地，所述多个阀门中的一个阀门3，安装在所述集气罩2上，用于调节试验后所述集气罩2内的气体压力（与外界大气压力相近），方便将集气罩2从测量表面移走。

本实用新型实施例中的测量装置，由于采用真空泵，测量方式不同于以往的测量方式，在不破坏混凝土的情况下，测量渗透率；另外，一直以来测量渗透率的方法都是正压；采用本实用新型的装置通过负压实现测量渗透率，采用较简单措施即可保证集气罩与混凝土表面接触区域的密封效果。

本实用新型的实施例的测量过程，包括以下步骤：

步骤一，清理类混凝土表层附着物，确定测量区域；

步骤二，在集气罩底部边缘涂上一定厚度密封剂，将其放置在测量区域上；如图1中的区域18；

步骤三，打开数据采集控制器，并预热气体质量流量控制器9、气体质量流量控制器10在20分钟左右；

步骤四，打开真空泵13，缓慢调节阀门，并设置气体质量流量控制器的流量；由于两个气体质量流量控制器的量程不同，因此，需要预先估计测试对象气体渗透率的大概范围，根据估计值选择相应量程的气体质量流量控制器。

依次打开阀门7或阀门8、以及阀门11，测量并控制气体流量；

等待压力和流量同时稳定，没有波动后，记录数据。

步骤五，依次关闭阀门7（或8）和11，然后关闭真空泵13，最后打开阀门12等待端部气体压力与大气压平衡后再关闭阀门12。

步骤六，打开阀门3，等待端部气体压力与大气压平衡后再关闭阀门3，移除集气罩，结束实验。

步骤七，利用公式计算气体渗透率k：

k = \frac{2 μ Q_{sc} p_{sc} L}{GA (p_{1}^{2} - p_{0}^{2})}

其中，G为修正因子，为集气罩内抽取的气体所经过的混凝土的体积与集气罩内部正下方投影所对应的混凝土体积的比值；Q_sc是标准状态下的气体流量；p_sc是标准状态气体压力，等于101325Pa；μ是当前环境温度下的气体动力粘度；L是所述混凝土厚度；A是所述集气罩截面积；p₁是集气罩外大气压力；p₀是集气罩内部压力。由于是负压，存在p₁>p₀。其中，标准状态是指在一个标准大气压下的状态。

下面以一个具体的实例来说明计算过程：

例如测量试样的半径为20cm，高度为20cm；使用集气罩的底部内半径为5cm，外半径为10cm；计算确定系数G为5.156。气体粘度μ根据温度取为1.86×10^-5Pa·s。

其它温度状态下的动力粘度可按照以下方式选取。

气体动力粘度与温度有关，表1为不同温度下空气动力粘度数据，处于中间温度状态采用插值方法计算获得。

表1

温度/℃	0	10	20	40	60	80
							动力粘度/10^-5Pa.s	1.75	1.81	1.86	1.96	2.05	2.14

测量公式中的几何修正因子G是对平面一维模型的修正，通过修正测量公式使其能够应用于平面非一维模型。该参数的物理含义是测量有效区域Ⅰ、Ⅱ与标准一维有效区域Ⅰ的比值，图2为显示的实例。该模型是轴对称模型，集气罩放置在上部，该图为采用有限差分方法计算的速度矢量场和流线计算结果。上部阴影为集气罩，图中长度为无量纲变量，集气罩外半径为1.4，集气罩内半径为1，测试样品半径为4，高度为4。计算区域分为三个区，Ⅰ：一维模型区域，Ⅰ+Ⅱ：原位测量有效区域，Ⅲ：无效区域，修正因子G数值等于有效区域（Ⅰ+Ⅱ）的体积/Ⅰ的体积，该值大于1。从数值计算结果可以看出，该因子与集气罩尺寸、试样尺寸相关。

参见图2，图2为集气罩及测试混凝土试样的剖面图，且只显示了沿中心轴线的一半区域。图2中混凝土试样顶部的黑色方块代表集气壁。

使用其中一个气体质量流量控制器的量程为500ml/min，控制流量为其量程的60%；等待气体流量和压力同时达到稳定状态后，记录集气罩内的压力为45.230kPa；测量状态外界大气压力为90.124kPa。这里的稳定状态，是指压力和流量的波动的误差在一定的阈值范围内，例如误差波动在0.2%之内。

根据以上初始和测量数据，由公式可计算得测量区域的气体渗透率为2.0×10^-15m²。

本实用新型的装置，通过上述的步骤，实现了在负压状态下测量混凝土的渗透率，与传统的正压方式相比，既不破坏混凝土表面，又可实现渗透率的测量，

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种混凝土原位无损气体渗透率测量装置，其特征在于，包括：

集气罩，用于粘接在待测混凝土表面，形成封闭的空间；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体质量流量控制器的数量包括测量精度范围不同的两个，在两条并联的管路上，每条安装一个；

其中，两个所述气体质量流量控制器的量程不同；

在每条管路上，所述气体质量流量控制器与所述集气罩之间，安装有阀门。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述两条并联的管路汇合的支路与所述集气罩之间的管路上，还连接有干燥剂及空气过滤器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个阀门中的一个，安装所述集气罩上，用于试验后所述集气罩内的气体压力调节成与外界大气压力相近。