CN204789265U - 桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，预埋在混凝土结构内部的传感器通过导气管与控制箱上的管路相连接，控制箱上管路的另一端连接有氩气罐；控制箱内部设置有低压缓冲罐和高压缓冲罐，高压缓冲罐设置在控制箱内管路上靠近氩气罐一端，低压缓冲罐设置在控制箱内管路上靠近传感器一端。结合数值模拟，比对实测所得的气压降与数值模拟的气压降规律，获得传感器周围混凝土的有效气体渗透系数和含水量，以此来判断混凝土的渗透性能。该装置能够定时、定位对构件混凝土的气体渗透性能进行无损检测，一方面避免了钻孔取芯方式对桥梁结构性能的扰动，实现了气体渗透系数的无损检测；另一方面，预埋设备能够长期、重复使用。

Description

桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种混凝土渗透系数现场检测设备，尤其涉及一种桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置。

背景技术

混凝土桥梁耐久性问题主要有混凝土碳化、氯盐渗透、硫酸盐腐蚀、冻融循环、碱集料反应等环境介质的侵蚀及由此导致的钢筋锈蚀。由于混凝土是多孔介质材料，一方面水很容易通过孔隙进入到混凝土内部，降低孔隙液的pH值，破坏混凝土碱性和强度；另一方面，水充当载体携带其他有害离子(Cl^-、Na⁺等)进入混凝土内部，导致钢筋锈蚀，最终导致混凝土破胀开裂直至结构破坏。从本质而言，混凝土桥梁耐久性能的劣化，主要是由于环境腐蚀介质通过连通孔隙渗透入混凝土内部后进一步引发的。混凝土的抗渗透能力决定了腐蚀介质在其内部传输的难易和速度，因此，渗透性被认为是评价混凝土耐久性的重要指标。总的来说，混凝土的渗透性越低，越难以被腐蚀介质侵蚀，即抗渗性越好，混凝土的耐久性能和寿命也就越高。因此，准确检测桥梁混凝土的渗透性能，对判断桥梁的耐久性能具有重要意义。

现有的混凝土渗透性能测试技术，主要分为水渗法、气渗法和离子渗透法三类。对于实体混凝土桥梁结构而言，水渗法不适用于强度较高的混凝土，无法适应时代发展的需要，且需要钻孔取芯后做室内试验，对结构性能产生一定扰动；离子渗透法较为成熟，已成为检测氯盐侵蚀的主要手段。但实验过程中，试样需一直浸泡在溶液中，一方面无法真实模拟实体混凝土结构所处环境特点，另一方面也存在继续水化改变混凝土孔隙结构的可能。若对实体桥梁结构进行检测，也需要钻孔取芯，为有损试验。而商品化的Permit离子迁移仪，仅能检测结构表层氯离子扩散系数，具有一定的局限性。

综上所述，选取混凝土气体渗透系数作为评价其耐久性的重要指标，针对桥梁结构构件特点，研究一种直观、无损、长期的用于检测构件混凝土气体渗透系数的有效方法是当务之急。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于，克服现有的混凝土渗透性检测设备存在的缺陷，而提供一种新型桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，实现无损检测，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本实用新型提出的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，包括有传感器、导气管、氩气罐和控制箱，

所述传感器通过导气管与控制箱上的管路相连接，控制箱上管路的另一端连接有氩气罐；

控制箱内部设置有低压缓冲罐和高压缓冲罐，高压缓冲罐设置在控制箱内管路上靠近氩气罐一端，低压缓冲罐设置在控制箱内管路上靠近传感器一端，可以通过氩气的传输来判断混凝土的渗透性能。

更进一步的，前述的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，所述传感器包括有微孔隙不锈钢主体、底座、出气孔和不锈钢导气管，所述微孔隙不锈钢主体的两端均设置有底座，一侧的底座通过出气孔连接不锈钢导气管，以实现氩气从传感器渗透进混凝土内部。

更进一步的，前述的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，所述传感器两侧底座用于后期捆绑不锈钢丝，以将传感器绑扎固定于钢筋网上。

更进一步的，前述的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，在所述低压缓冲罐和高压缓冲罐之间管路上设置有调节阀，用于调节低压缓冲罐内的压力值，能够使用适合混凝土特性的压力，以更好地实现渗透性检测。

更进一步的，前述的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，所述低压缓冲罐和高压缓冲罐外侧分别连接有压力表，用于实时监测低压缓冲罐和高压缓冲罐内的压力变化。

更进一步的，前述的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，在所述低压缓冲罐与传感器之间管路上、高压缓冲罐与氩气罐之间管路上分别设置有阀门，用于控制氩气的输送与关闭，确保检测过程顺利进行。

借由上述技术方案，本实用新型的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置至少具有下列优点：

该装置能够定时、定位对构件混凝土气体渗透性能进行无损检测，一方面避免了钻孔取芯方式对桥梁结构性能的扰动，实现了气体渗透系数这一混凝土重要耐久性能的无损检测；另一方面，传感器等预埋设备能够长期、重复使用，检测结果反映检测时刻混凝土构件的真实值，提高了传统耐久性检测结果的精度和真实性；可以根据实际需求在不同构件的不同位置埋设传感器，因而能够测量构件任意部位的气体渗透系数，进而了解构件整体的耐久性能，与传统离子渗透方法相比，弥补了仅能检测表层混凝土的遗憾；只需一次传感器埋设，现场测量时需要设备少，所有试验装置都能重复利用，在实现长期跟踪测量的前提下，还具有较强的经济效益；与现有的检测技术相比，桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损测试技术，不存在因长期接触水导致的继续水化反应而改变混凝土孔隙结构的风险，检测精度大幅提升，因此具备在桥梁工程结构当中开展应用的良好前景。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1所示为本实用新型检测装置结构示意图；

图2所示为传感器主视图；

图3所示为传感器立体结构示意图；

图中标记含意：1.微孔隙不锈钢主体，2.底座，3.螺帽，4.出气孔，5.不锈钢导气管，6.不锈钢丝，11.传感器，12.导气管，13.低压缓冲罐，14.高压缓冲罐，15.氩气罐，16.调节阀，17.阀门，18.压力表。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，对依据本实用新型提出的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

实施例1

本实用新型的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置包括如下部件：微孔隙不锈钢主体1、底座2、螺帽3、出气孔4、不锈钢导气管5、不锈钢丝6、传感器11、导气管12、低压缓冲罐13、高压缓冲罐14、氩气罐15、调节阀16、阀门17和压力表18。

传感器11通过不锈钢导气管12与控制箱上的管路相连接，传感器11以微孔隙不锈钢为主体材料，控制箱内设置有管路，在管路上靠近传感器11的一侧设置有低压缓冲罐13，在管路上靠近氩气罐15的一端设置有高压缓冲罐14，其中在传感器11与低压缓冲罐13之间的管路上、氩气罐15与高压缓冲罐14之间的管路上分别设置有阀门17，在低压缓冲罐13和高压缓冲罐14之间的管路上设置有调节阀16。低压缓冲罐13和高压缓冲罐14分别连接有压力表18，便于实时观测罐体内的压力值以及压力变化情况。其中在调节阀16与低压缓冲罐13之间的管路上还设置有阀门17，用于控制向低压缓冲罐13输送气体。

本装置的传感器11包括有微孔隙不锈钢主体1、底座2、螺帽3、出气孔4、不锈钢导气管5、不锈钢丝6，其中在微孔隙不锈钢主体1的两端均设置有底座2，一侧的底座2通过出气孔4连接不锈钢导气管5，并且在底座2与出气孔4之间设置有螺帽3，在两侧底座2连接有不锈钢丝6。

以在建混凝土桥梁构件为例介绍桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置的使用方法，包括如下步骤：

1)安装定位钢筋，对已经完成钢筋网安装的混凝土桥梁结构构件，根据构件形状、尺寸特点，在构件钢筋网内架设一根沿构件走向的主定位筋和若干根与主定位筋垂直的辅助定位筋。以绑扎和焊接的方式将所有定位筋与钢筋网固定连接。

2)传感器11的固定安装，在传感器11两端底座2上系上不锈钢丝后捆绑在主定位筋上，若干个传感器11需要顺序相连，传感器11和传感器11之间也用不锈钢丝6连接后再与主定位筋和辅助定位筋绑扎。传感器11的轴向需与主定位筋垂直，且与混凝土浇筑方向垂直，以避免浇筑时对传感器11产生不利扰动。

3)不锈钢导气管12的安装与固定，缠绕好不锈钢导气管12后，也用不锈钢丝将导气管12固定在定位筋上，以免混凝土浇筑对其造成不利影响。当有多个传感器11存在时，在不锈钢导气管12外露在构件外部的一端上进行编号。

4)输出线盒安装，将预留在构件外的导气管12置入预先固定在钢筋网上的输出线盒中，盖上盒盖后用玻璃胶密封。

5)安装模板、浇筑混凝土，最后一步仅需在模板与输出线盒接触的位置处，用玻璃胶沿线盒四周进行密封，使得浇筑后混凝土不覆盖线盒，方便后期揭开盒盖测量。混凝土浇筑可采用人工倾倒或泵送方式，边浇筑边振捣，注意不要因混凝土浇筑损伤传感器11和钢丝即可，脱模后正常养护构件，待浇筑完毕后，根据桥梁所处环境特点和需求，选择适宜周期开展现场测量工作。

控制箱内的低压缓冲罐13、高压缓冲罐14、压力表18、调节阀16为主要组成部件，构成了现场检测使用的专用控制箱。每次现场测量时，将控制箱与小型氩气罐15及电脑连接，打开氩气罐15阀门，通过调节阀16调至适宜的输出气压后，就可开始测量并记录气压变化规律。

某高架桥地面辅道桥的墩柱处于水位变动较大的河流中，因而对该混凝土墩柱开展渗透系数和含水量的长期检测和跟踪，以研究该墩柱耐久性能随时间发展的变化规律，为该桥的养护工作和决策提供重要的技术支撑。

(1)前期准备：按照前述步骤，在目标墩柱内垂直地面方向和平行地面方向，安装若干传感器11，待混凝土浇筑完毕后，按照传统方式养护、脱模三个月后，对该墩柱内所有传感器11开展气体渗透系数检测试验；

(2)设备连接：打开线盒盒盖，选取某一编号传感器11，将其导气管12与控制箱外接导气管相连接；

(3)高压缓冲罐14气压调节：打开小型氩气罐15阀门(视为理想气体，不与水泥基发生化学反应)，向高压缓冲罐14充气，待该缓冲罐内气压与氩气罐15的气压相同后，关闭氩气罐15阀门，整个检测试验过程中由高压缓冲罐14给所有设备和传感器11供气；

(4)低压缓冲罐13气压调节：使用调节阀16将气压调至适宜数值后，打开调节阀16与低压缓冲罐13之间的阀门17，给低压缓冲罐13充气，待气压稳定后关闭此阀门17，低压缓冲罐13内的气压即为传感器11内的气压；

(5)传感器11测量：打开传感器11与低压缓冲罐13之间的阀门17，对传感器11输气，由于传感器11和导气管12的体积差存在，低压缓冲罐13内产生一个快速气压降，待几分钟平衡后气压进入非常缓慢的下降过程，连续记录足够长时间Δt内低压缓冲罐13的压力表气压值，获得传感器11的气压下降过程。需注意的是：一方面，气体在混凝土内的渗透速度很小，渗透行为可视为层流；另一方面，将起始进气压记为P_i，Δt时间后气压下降到另一数值P_f，ΔP_i＝P_i-P_f记为气压降。与进气压P_i相比，气压降ΔP_i必须足够小，进气压可视为理想恒定压力。上述测试条件使得测量符合达西定律的要求，即可用达西定律(公式①)描述气体在混凝土内的扩散规律；

$V(x,y,z,t)=-\frac{K\left(Sw\right)}{\mathrm{\μ}}grad\left(P\right(x,y,z,t\left)\right)$ 公式①

其中，

——V(x,y,z,t)：气体流速；

——K(S_w)：混凝土处于某一含水量S_w状态时，其相对气体渗透系数；

——μ：气体粘滞系数；

——grad(P(x,y,z,t))：气压梯度。

(6)室内试验和数值模拟辅助：在实验室内，预先使用墩柱混凝土的配合比制备试样若干，通过测量混凝土试样在干燥恒重状态下的气体渗透系数K_dry和在多组含水量S_w条件下的有效气体渗透系数K_eff，获得混凝土相对气体渗透系数(K_rg＝K_eff/K_dry)与含水量Sw的关系曲线——K_rg(S_w)(或写作K(S_w))，即该混凝土的VanGenuchten模型。基于该模型和气体扩散方程(公式②)，通过使用Matlab软件进行计算，可以获得数值模拟的传感器周围混凝土中的气压分布情况。随后，结合达西定律(公式①)和公式③、公式④及公式⑤，模拟计算多组含水量S_w和有效气体渗透系数K_eff条件下，传感器内气压下降规律。

${\mathrm{\φS}}_w\frac{\∂p}{\∂t}=\frac{K\left(S_w\right)}{2\mathrm{\μ}}{\▿}^2{P}^2$ 公式②

其中，

——Φ：混凝土孔隙率；

——▽：拉普拉斯算子，公式为： ${\▿}^{2}P(x,y,z)=\frac{{\∂}^{2}P}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}P}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}P}{\∂z^2};$

——P：气压。

Q(t)＝(∫_AV.ndA)公式③

δm＝ρ_i(t)Q(t)δt＝δρ_i(t)V_r公式④

理想气体等温条件下遵循：公式⑤

其中，

——Q：Δt时间内的气体流量；

——A：传感器外表面积；

——m：Δt时间内的气体质量；

——ρ₀：初始时刻的气体密度；

——ρ_i(t)：t时刻的气体密度；

——P₀：初始时刻气压；

——P_i(t)：t时刻的气压。

(7)比对计算：使用(5)所得的桥梁墩柱测到的混凝土实际气压下降数据与数值模拟所得的该混凝土在多组含水量S_w和有效气体渗透系数K_eff条件下的气压下降规律，绘制混凝土气压随时间变化曲线。比对最为接近混凝土实际气压降的数值模拟气压降曲线，得到检测时刻墩柱混凝土的实际气体渗透系数K_eff和含水量S_w。

在实体混凝土桥梁上开展本项检测，若为新建结构，需要将传感器11和导气管12预埋入结构构件内；若为已建成结构，需要在构件上钻出小孔，然后将传感器11和导气管12埋入构件内部后，再将孔洞用水泥浆封死，以实现长期测量。在混凝土构件内埋入传感器11后，能够定期、无损地对目标构件的气体渗透系数实现跟踪观测，特别适用于墩柱、桩基等处与水位变动区或对抗渗性能要求较高的桥梁构件。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，其特征在于：包括有传感器(11)、导气管(12)、氩气罐(15)和控制箱，

所述传感器(11)通过导气管(12)与控制箱上的管路相连接，控制箱上管路的另一端连接有氩气罐(15)；

控制箱内部设置有低压缓冲罐(13)和高压缓冲罐(14)，高压缓冲罐(14)设置在控制箱内管路上靠近氩气罐(15)一端，低压缓冲罐(13)设置在控制箱内管路上靠近传感器(11)一端。

2.根据权利要求1所述的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，其特征在于：所述传感器(11)包括有微孔隙不锈钢主体(1)、底座(2)、出气孔(4)和不锈钢导气管(5)，所述微孔隙不锈钢主体(1)的两端均设置有底座(2)，一侧的底座(2)通过出气孔(4)连接不锈钢导气管(5)。

3.根据权利要求2所述的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，其特征在于：在两侧底座(2)处连接有不锈钢丝(6)。

4.根据权利要求1所述的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，其特征在于：在所述低压缓冲罐(13)和高压缓冲罐(14)之间管路上设置有调节阀(16)。

5.根据权利要求1所述的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，其特征在于：所述低压缓冲罐(13)和高压缓冲罐(14)外侧分别连接有压力表(18)。

6.根据权利要求1或4所述的桥梁结构混凝土气体渗透系数现场无损检测装置，其特征在于：在所述低压缓冲罐(13)与传感器(11)之间管路上、高压缓冲罐(14)与氩气罐(15)之间管路上分别设置有阀门(17)。