CN101929937B - 一种钢筋表层混凝土渗透性的测试方法 - Google Patents

一种钢筋表层混凝土渗透性的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种钢筋表层混凝土渗透性的测试方法，该方法利用位于所述钢筋附近或钢筋表面处定量的氢气向混凝土外部释放，在设定时间内，通过所述钢筋附近或钢筋表面处氢气的压力下降曲线反映钢筋表层混凝土的渗透性。本发明利用氢气从钢筋附近向混凝土外部释放的压力下降曲线评价钢筋表层混凝土的渗透性，可避免现有混凝土渗透性测试方法中采用外部施加渗透介质不能完全到达钢筋表面和不能施加于水下或潮汐带混凝土表面等问题，准确评价钢筋表层混凝土的渗透性，本发明可广泛用于工业与民用建筑、水利、电力、铁道、交通等混凝土结构中钢筋表层混凝土的渗透性测试。

Description

一种钢筋表层混凝土渗透性的测试方法
技术领域
本发明涉及建筑结构物中钢筋表层混凝土的性能检测技术领域，具体涉及一种钢筋表层混凝土渗透性的测试方法。
背景技术
混凝土作为全球最大宗的人造材料，在全球范围大量的被使用。混凝土的拌合水供给水泥水化，但水泥完全水化所需的水不超过水泥质量的20%，其余的水在硬化混凝土中形成孔隙，包括毛细孔和凝胶孔。而毛细孔是介质迁移的通道。迁移的介质可能含有侵蚀性化合物，也可能溶解某些水泥水化物，在零下温度能对混凝土进行冻融破坏，因此可以说，在混凝土中迁移的介质是对混凝土诸多破坏因素的载体，由此可见混凝土的渗透性对耐久性的重要性。
目前，混凝土的渗透性的评价方式都是通过溶液在自然渗透或者压力（水压，电场压）作用下用溶液的渗透深度或其他相关参数进行表征的，主要有：渗透系数法、离子扩散系数法和电参数法：
渗透系数法  渗透系数法是利用流体在一定压力条件下通过被测多孔材料的孔隙，从一端向另一端逐渐渗透的原理来研究材料的渗透性。该方法是通过测定在一定的压力下，流体流经混凝土的稳态流量，并通过达西定律来计算该稳态流动的渗透系数来评价混凝土的渗透性。
离子扩散系数法  一种物质在第二种物质中的扩散系数与第二种物质的孔隙率及材料组成和性质有关。但通常情况下，第二种物质的孔隙率越大，第一种物质在其中的扩散系数越大。由于氯离子对混凝土的亲和力较大，可在其表面附近扩散，因此易于扩散至2nm一下的孔中。同时，混凝土中钢筋锈蚀等耐久性问题与氯离子的浓度有很大的关系，因此常用氯离子在混凝土中的扩散系数来评价混凝土的渗透性。
电参数法  电参数法是指通过各种实验方法测量混凝土材料在不同饱和溶液条件下的电阻（或电导、电导率）、电通量等参数，来评价混凝土的渗透性。
以上关于混凝土渗透性的测试方法的共同点都是在混凝土的外表面施加渗透介质，由外向里进行渗透，该技术方法存在一些问题：（1）由于混凝土在服役过程中会受到碳化等作用，导致表层渗透性与未碳化前完全不同，从而在对碳化层较深的混凝土渗透性评价不够准确；（2）常规混凝土渗透性测试方法所施加的渗透介质不能完全达到钢筋的表面，因而所测试的渗透性不能代表钢筋表层混凝土的结果；（3）在应用于水下工程或没有足够空间的特殊部位混凝土渗透性测试时，由于外加渗透介质不能施加于水下或潮汐带混凝土表面等，致使常规混凝土渗透性测试方法不能在该领域应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种钢筋表层混凝土渗透性的测试方法，具体技术方案如下。
一种钢筋表层混凝土渗透性的测试方法，利用位于所述钢筋附近或钢筋表面处的氢气向混凝土外部释放，在设定时间内，通过所述钢筋附近或钢筋表面处氢气的压力下降曲线反映钢筋表层混凝土的渗透性。
作为上述检测方法的优选方案，所述钢筋附近或钢筋表面处的氢气通过如下方法产生：以内部钢筋作阴极，在混凝土外部附加电网作阳极，并在电网上铺设保水材料提供电解质溶液，所述阴极和阳极与外部电源连接，使钢筋附近生成所述氢气。
上述的钢筋表层混凝土渗透性的测试方法中，在混凝土表层钻一个孔，孔底部位于钢筋表面，将软管一端伸入孔中并与孔的开口边缘周围密封连接，软管的另一端与压力计连接，记录钢筋表面氢气压力。
上述的钢筋表层混凝土渗透性的测试方法中，所述软管为橡皮软管，所述小孔的直径为4~10mm。
上述的钢筋表层混凝土渗透性的测试方法中，通过阴极和阳极与外部电源连接施加外电场，使钢筋附近生成所述氢气，氢气压力达到800mm水柱后，关闭外部电源，以时间t为横坐标，钢筋附近或表面处氢气的压力P为纵坐标，记录氢气压力与时间的变化曲线。
上述的钢筋表层混凝土渗透性的测试方法中，利用钢筋附近或表面处氢气的压力P、氢气的渗流量Q和时间t的关系曲线，以及钢筋的表面积A和钢筋表层混凝土的厚度L，采用达西定律                                                
Figure 845013DEST_PATH_IMAGE001
，计算混凝土的表观渗透系数。
本发明的上述优选方案采用采用电极反应在钢筋附近产生一定量的氢气，利用氢气从钢筋附近向混凝土外部释放的压力下降曲线评价钢筋表层混凝土的渗透性，可避免现有混凝土渗透性测试方法中采用外部施加渗透介质不能完全到达钢筋表面和不能施加于水下或潮汐带混凝土表面等问题，能准确评价钢筋表层混凝土的渗透性。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明采用电极反应所生成的的氢气作为渗透介质，排除了混凝土对渗透介质的化学结合、物理吸附等因素的干扰；
2、本发明中氢气的渗透过程是从钢筋附近通过混凝土向外部渗透，是一个由内而外的渗透过程，可以避免现有混凝土渗透性测试方法中采用外部施加渗透介质，不能定向、完全地到达钢筋表面，因而其所测试的渗透性不能代表钢筋表层混凝土的结果；
3、本发明不受水下工程或或没有足够空间的特殊部位混凝土的限制，可以广泛应用于工业与民用建筑、水利、电力、铁道、交通等混凝土结构中钢筋表层混凝土的渗透性测试。
附图说明
图1为具体实施方式中所使用的测试装置结构示意图。
图2为具体实施方式中水柱高度随时间变化曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。
按表1配合比成型??100×150mm混凝土试件（如图1），混凝土圆心处埋设??12×200mm的光源钢筋，标准条件下养护90天后取出做渗透性测试。以内部钢筋作阴极1，外部附加钛网作阳极4，将试件放置于饱和Ca(OH)2的电解质溶液中，在混凝土表层钻一个Φ5mm小孔2至钢筋表面，利用橡皮软管6与压力计连接，本实施例中压力计由气体接收瓶3和U型管构成，橡皮软管6一端与小孔通过环氧树脂密闭连接，另一端与气体接收瓶3的瓶口密闭连接，气体接收瓶3还与用于显示氢气压力标号的U型管连接，气体接收瓶3放置在支架上。将阳极2和阴极1与电源5连接，开始以3A/m2的电流密度施加电场，记录U型管中的液面高度差。当钢筋表面的氢气压力达到800mm水柱后，关闭电源，以时间（t）为横坐标，U型管中液面高度差为纵坐标，记录氢气压力与时间的变化曲线。
氢气收集装置如图1所示，试样分别按不同配合比，混凝土配合比设计（材料用量kg/m3）如表1。
表1 
编号 水 水泥 粉煤灰 砂 石 减水剂 28d抗压强度MPa
A1 220 314 0 914 952 0.253% 27.0
B1 220 251 63 914 952 0.283% 19.2
A2 170 340 0 812 1077 0.335% 45.8
B2 170 272 68 813 1077 0.495% 41.6
氢气的释放曲线如图2所示（纵坐标为水柱高度h，横坐标为时间t），可以看出相同水胶比的试样，含粉煤灰的试样氢气释放速率明显慢于不含粉煤灰的试样，由于试样经过90天的长龄期养护，粉煤灰的后期水化作用效果已经显示出来，含有粉煤灰的试样要比纯水泥混凝土试样致密。而对于同种原料的试样来说，不论是粉煤灰水泥混凝土还是纯水泥混凝土的试样，水胶比小，强度高的试样的氢气释放速率均慢于高水胶比的试样，这验证了水胶比小的试样孔隙率小，渗透性差，与实际情况相符。说明能够通过氢气释放曲线很好的表征混凝土的渗透性。
利用在氢气扩散到距离钢筋为处钢的压力P、氢气的渗流量Q和时间t的关系曲线，以及氢气的渗透面积A，钢筋表层混凝土的厚度L和大气压力P 0，采用达西定律
Figure 479574DEST_PATH_IMAGE003
，计算混凝土的表观渗透系数。
本例按照达西定律
Figure 830044DEST_PATH_IMAGE003
计算渗透系数方法：
达西定律中                        （1）
        
Figure 404562DEST_PATH_IMAGE005
                                           （2）
                                           （3）
式中
Figure 745862DEST_PATH_IMAGE007
为水的密度，103kg/m3；
Figure 352423DEST_PATH_IMAGE008
为重力加速度；
Figure 345787DEST_PATH_IMAGE009
为U形管的截面积，等于
Figure 37800DEST_PATH_IMAGE010
，本例中d=9mm，即为U形管直径，
Figure 712495DEST_PATH_IMAGE002
为氢气从钢筋表面向外的渗透距离，L为混凝土厚度，本例中L=44mm；h0为收集氢气完毕后液面的高度差，本例中h0=800mm；h为经过时间t之后的液面高度差。
将（1）式、（2）式和（3）式带入达西定律中，可以得到：
                          （4）
则平均表观渗透系数为：
Figure 603407DEST_PATH_IMAGE012
将数据代入则可以计算表观渗透系数K（m/s）
本例中，h0=800mm，h=800mm，L=44mm，
Figure 782716DEST_PATH_IMAGE013
为图2中曲线的切线斜率。以高度差h在600mm处为例计算渗透系数，计算结果如表2所示。
表2 
曲线编号 渗透系数K/(m2/s)
A1 1.78411×e-5
B1 9.76591×e-6
A2 1.31726×e-5
B2 7.54524×e-6

Claims (6)

1.一种钢筋表层混凝土渗透性的测试方法，其特征在于利用位于所述钢筋附近或钢筋表面处的氢气向混凝土外部释放，在设定时间内，通过所述钢筋附近或钢筋表面处氢气的压力下降曲线反映钢筋表层混凝土的渗透性；所述位于钢筋附近或钢筋表面处的氢气通过如下方法产生：以内部钢筋作阴极，在混凝土外部附加电网作阳极，并在电网上铺设保水材料提供电解质溶液，所述阴极和阳极与外部电源连接，使钢筋附近生成所述氢气。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征是在混凝土表层钻一个孔，孔的底部位于钢筋表面，将软管一端伸入该孔中并与孔的开口边缘密封连接，软管的另一端与压力计连接，记录钢筋表面氢气压力。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征是所述软管为橡皮软管。
4.根据权利要求2所述的测试方法，其特征是所述小孔的直径为4~10mm。
5.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于所述阴极和阳极与外部电源连接，通过施加外电场，使钢筋附近生成所述氢气，氢气压力达到800mm水柱后，关闭外部电源，以时间t为横坐标，钢筋附近或表面处氢气的压力P为纵坐标，记录氢气压力与时间的变化曲线。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于利用钢筋附近或表面处氢气的压力P、氢气的渗流量Q和时间t的关系曲线，以及钢筋的表面积A和钢筋表层混凝土的厚度L，采用达西定律                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，计算混凝土的表观渗透系数， P 0为大气压力。
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