CN211263463U - 一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，包括第一存储件、第二存储件及试验箱；所述第一存储件与试验箱之间通过第一管道连接，试验箱与第二存储件之间通过第二管道连接，第一存储件和第二存储件中分别设有第一浓度检测机构和第二浓度检测机构，第一管道和第二管道上分别设有第一流量检测机构和第二流量检测机构。该试验装置结构简单，试验数据受环境影响小，可通过设置不同的侵蚀溶液流速和配置不同组合、不同溶度的侵蚀溶液，模拟在流动地下水作用下，对混凝土的侵蚀作用，并通过测定第一存储件和第二存储件内溶液浓度的变化，从而探明喷射混凝土表层的物理冲刷和混凝土的化学侵蚀反应下钙离子的变化规律。

Description

一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置

技术领域

本实用新型属于矿山法隧道结构工程技术领域，具体涉及一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置。

背景技术

截止2018年底，中国铁路运营里程高达13.1万km，投入运营的铁路隧道16331km。近5年平均每年新增运营铁路隧道超过1400km，相当于4km/d的进度推进，建设速度惊人。

然而在地下水丰富，水土中盐含量较高的地区，铁路隧道运营期间常面临着严重的病害。以广通至昆明段铁路为例，广通工务段所辖的地段，其地下水中所含硫酸盐种类有硫酸钠、硫酸钙，以及少量硫酸亚铁、硫酸镁等，其硫酸根离子含量高达3378mg/L。这些盐类化合物严重侵蚀了铁路隧道的混凝土衬砌结构，引起衬砌结构酥松、软化、剥落和强度下降等劣化现象，降低了隧道衬砌结构的整体承载力，对列车运营安全造成重大隐患。

目前，国内外对模筑混凝土的溶液离子侵蚀的研究较多，而对隧道初期支护喷射混凝土的溶液离子侵蚀鲜有研究。在隧道开挖过程中，为了防止开挖的洞室发生较大变形，需要采用喷射混凝土进行初期支护，确保施工的安全。相对模筑混凝土而言，喷射混凝土对早期强度有较高的要求，且喷射混凝土附着在不平整的围岩表面，实际厚度均匀性较差，喷射成型的混凝土更容易受到地下水的侵蚀。初期支护与二次衬砌之间通常设置防水卷材，如果初期支护受到地下水侵蚀而发生渗漏，将导致隧道防水性能大打折扣，最终形成上述二次衬砌结构的劣化现象。

此外，国内外针对混凝土盐类侵蚀试验的主要采用侵蚀溶液全浸泡侵蚀和半浸泡侵蚀两种静态侵蚀模式，这与铁路隧道混凝土特殊的侵蚀环境存在一定的差异。在地下水丰富，节理裂隙发育的地层中，隧道初期支护混凝土衬砌侵蚀还要考虑地下水对衬砌表面的冲刷作用。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有混凝土盐类侵蚀试验与铁路隧道混凝土特殊的侵蚀环境存在差异，不能反映地下水对衬砌表面的冲刷作用的问题。

为此，本实用新型提供了一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，包括用于存储原始侵蚀溶液的第一存储件，用于存储冲刷混凝土试件后侵蚀溶液的第二存储件，以及用于放置混凝土试件的试验箱；所述第一存储件与试验箱之间通过第一管道连接，所述试验箱与第二存储件之间通过第二管道连接，所述第一存储件和第二存储件中分别设置有用于检测侵蚀溶液浓度的第一浓度检测机构和第二浓度检测机构，所述第一管道和第二管道上分别设置有用于检测管道中溶液流量的第一流量检测机构和第二流量检测机构。

进一步的，所述第一管道上设有用于调节管道内溶液流速的变频水泵。

进一步的，所述第一管道和第二管道的管径相同。

进一步的，所述第一存储件和第二存储件均为顶部开口设置的存储箱，且其侧壁上均连接有进液管和出液管。

进一步的，所述第一存储件和第二存储件底部均设置有搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌电机以及通过联轴器连接在搅拌电机输出端的搅拌桨，所述搅拌电机位于存储件底部外侧，搅拌桨位于存储件底部内侧。

进一步的，所述试验箱顶部设有可开启的盖板，所述盖板与试验箱的接触面之间设有密封圈。

进一步的，所述试验箱内底部设有用于固定混凝土试件的固定件，所述固定件上表面设有定位槽。

进一步的，所述第一浓度检测机构和第二浓度检测机构均为溶液浓度计，所述第一流量检测机构和第二流量检测机构均为流量计。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型提供的这种试验装置结构简单，制作成本低，试验数据受环境影响小，通过设置不同的侵蚀溶液流动速度和配置不同组合、不同溶度的侵蚀溶液，模拟在流动地下水作用下，对混凝土的侵蚀作用，并通过测定第一存储件和第二存储件内溶液浓度的变化，可以精确判断在此种溶液下喷射混凝土的钙离子的浓度变化，从而探明喷射混凝土表层的物理冲刷和混凝土的化学侵蚀反应下钙离子的变化规律。

(2)本实用新型提供的这种试验装置通过变频水泵可实现不同流速下的溶液对喷射混凝土表面的侵蚀作用，充分考虑了矿山法隧道的侵蚀环境，试验结果更加符合实际情况。

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型试验装置的结构示意图。

附图标记说明：1、第一存储件；2、第一浓度检测机构；3、变频水泵；4、第一管道；5、第一流量检测机构；6、试验箱；7、盖板；8、混凝土试件；9、固定件；10、第二管道；11、第二流量检测机构；12、第二浓度检测机构；13、第二存储件；14、搅拌机构。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本实施例提供了一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，包括第一存储件1，第二存储件13，以及用于放置混凝土试件8的试验箱6；所述第一存储件1用于配置和存储原始侵蚀溶液，可在第一存储件1中配置不同组合、不同溶度的原始侵蚀溶液，以模拟实际情况中影响混凝土化学侵蚀的侵蚀溶液类型，所述第二存储件13用于存储流经试验箱6后的侵蚀溶液；所述第一存储件1与试验箱6之间通过第一管道4连接，第一管道4的一端延伸到第一存储件1的原始侵蚀溶液内，所述试验箱6与第二存储件13之间通过第二管道10连接，第二管道10的一端延伸至第二存储件13内部；所述第一管道4和第二管道10上分别设置有用于检测管道中溶液流量的第一流量检测机构5和第二流量检测机构11，通过管道内溶液流量检测，可计算出侵蚀溶液的流动速度；同时所述第一存储件1和第二存储件13中分别设置有第一浓度检测机构2和第二浓度检测机构12，通过第一浓度检测机构2和第二浓度检测机构12测定第一存储件1和第二存储件13内溶液浓度的变化，从而可以精确判断此种侵蚀溶液在一定流速的冲刷作用下对喷射混凝土的钙离子浓度变化的影响。

细化的实施方式，所述第一管道4上设有用于调节管道内溶液流速的变频水泵3，通过变频水泵3可改变管道内侵蚀溶液的流速，从而可得到相同浓度的侵蚀溶液在不同的流速情况下对混凝土试件8的侵蚀影响。具体的，所述第一管道4和第二管道10的管径相同，所述第一流量检测机构5和第二流量检测机构11均为流量计。由此，地下水模拟流速计算方法为：

其中，v为地下水模拟流速；

为第一流量检测机构的读数；

为第二流量检测机构的读数；

s为第一管道和第二管道的截面积。

具体的，所述第一浓度检测机构2和第二浓度检测机构12均为溶液浓度计，通过测定第一存储件1和第二存储件13内侵蚀溶液的浓度的变化，可以来判断在此种侵蚀溶液下混凝土试件8的钙离子浓度变化，侵蚀溶液浓度的变化量大，则说明对混凝土试件8的侵蚀较严重，所述第一存储件1和第二存储件13均为顶部开口设置的存储箱，且其侧壁上均连接有进液管和出液管。优化的，所述第一存储件1和第二存储件13底部均设置有搅拌机构14，所述搅拌机构14包括搅拌电机以及通过联轴器连接在搅拌电机输出端的搅拌桨，所述搅拌电机位于存储件底部外侧，搅拌桨位于存储件底部内侧，通过搅拌机构14的设计，使得侵蚀溶液混合更加均匀，检测到的侵蚀溶液浓度更加准确。

所述试验箱6顶部设有可开启的盖板7，盖板7与试验箱6之间可通过铰链铰接，盖板7能够打开，便于投放和收取混凝土试件8；而为了减少其它环境因素对试验结果的影响，所述盖板7与试验箱6的接触面之间设有密封圈，使得混凝土试件8处于密封的环境中。进一步的，为了便于在冲刷作用下对混凝土试件8的固定，所述试验箱6内底部设有用于固定混凝土试件8的固定件9，所述固定件9上表面设有定位槽，在试验过程中，混凝土试件8位于定位槽内。

采用上述试验装置模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀试验过程如下：

(1)通过调研地下水对隧道衬砌、桥梁桩基等混凝土结构的侵蚀作用，明确影响混凝土化学侵蚀的主要因素，并确定主要侵蚀溶液的类型；此外，考虑地下水的流速对喷射混凝土的影响，调研常见地下水中侵蚀离子流速，最终明确喷射混凝土表面的钙离子侵蚀是在化学和物理耦合下的腐蚀。

(2)采用湿喷机制作喷射混凝土试件8，并在标准条件下进行养护。

(3)配置一定浓度的侵蚀溶液，组装模拟流动地下水侵蚀对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，让混凝土试件在拟定侵蚀时间和溶液流速下进行侵蚀试验。

(4)记录一定侵蚀时间混凝土试件表面钙离子冲刷的量，并进行化学滴定，测出表面一定侵蚀深度的钙离子量。

具体的，通过第二浓度检测机构12检测第二存储件13中钙离子浓度的增加量，反映出一定侵蚀时间地下水对铁路隧道初期支护衬砌表面钙离子的冲刷的量M₁。

通过将未受到侵蚀的混凝土试件研磨成粉末状，根据CaCO₃

CaO+ CO₂，对粉末进行600℃加热，加水溶解后，采用EDTA滴定法检测溶液中钙离子的量M₀。

根据CaSO₄

，同理对受侵蚀的混凝土试件进行研磨和600℃高温加热，加水溶解排除经过侵蚀形成CaSO₄的干扰后，采用EDTA滴定法检测溶液中未受到侵蚀钙离子的量M₂。根据M₃=M₀-M₁-M₂，计算出铁路隧道中初期支护衬砌中受到侵蚀的钙离子的量M₃。

需要说明的是，上述实施例中，变频水泵、溶液浓度计、流量计和搅拌电机具体的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，同时，上述EDTA滴定法检测溶液中钙离子的量为现有技术，具体过程此处不再赘述。

综上所述，本实用新型提供的这种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置结构简单，制作成本低，试验数据受环境影响小，通过设置不同的侵蚀溶液流动速度和配置不同组合、不同溶度的侵蚀溶液，模拟在流动地下水作用下，对混凝土的侵蚀作用，并通过测定第一存储件和第二存储件内溶液浓度的变化，可以精确判断在此种溶液下喷射混凝土的钙离子的浓度变化，从而探明喷射混凝土表层的物理冲刷和混凝土的化学侵蚀反应下钙离子的变化规律。

以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，其特征在于：包括用于存储原始侵蚀溶液的第一存储件，用于存储冲刷混凝土试件后侵蚀溶液的第二存储件，以及用于放置混凝土试件的试验箱；所述第一存储件与试验箱之间通过第一管道连接，所述试验箱与第二存储件之间通过第二管道连接，所述第一存储件和第二存储件中分别设置有用于检测侵蚀溶液浓度的第一浓度检测机构和第二浓度检测机构，所述第一管道和第二管道上分别设置有用于检测管道中溶液流量的第一流量检测机构和第二流量检测机构。

2.如权利要求1所述的一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，其特征在于：所述第一管道上设有用于调节管道内溶液流速的变频水泵。

3.如权利要求1所述的一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，其特征在于：所述第一管道和第二管道的管径相同。

4.如权利要求1所述的一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，其特征在于：所述第一存储件和第二存储件均为顶部开口设置的存储箱，且其侧壁上均连接有进液管和出液管。

5.如权利要求1所述的一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，其特征在于：所述第一存储件和第二存储件底部均设置有搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌电机以及通过联轴器连接在搅拌电机输出端的搅拌桨，所述搅拌电机位于存储件底部外侧，搅拌桨位于存储件底部内侧。

6.如权利要求1所述的一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，其特征在于：所述试验箱顶部设有可开启的盖板，所述盖板与试验箱的接触面之间设有密封圈。

7.如权利要求6所述的一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，其特征在于：所述试验箱内底部设有用于固定混凝土试件的固定件，所述固定件上表面设有定位槽。

8.如权利要求1所述的一种模拟流动地下水对喷射混凝土钙离子侵蚀的试验装置，其特征在于：所述第一浓度检测机构和第二浓度检测机构均为溶液浓度计，所述第一流量检测机构和第二流量检测机构均为流量计。

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