CN102564916A - 混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置及其方法。其采用呈压缩状态的弹性连接件对混凝土试件施加持续的荷载，并对前述加载有持续应力的混凝土试件进行电加速氯离子迁移试验，以计算出处于该状态的混凝土试件的氯离子迁移系数。由此可知，本发明针对常规混凝土氯离子迁移系数测试装置不能对被测试件加载，因此不能模拟在役混凝土实际载荷状态，无法测定持续压荷载条件下混凝土氯离子迁移系数的问题；利用弹性连接件的反弹力对混凝土试件的纵向施加持续稳定的压力，可以避免用受拉螺杆加载时由于混凝土试件的徐变造成压应力降低，从而可以研究持续压荷载条件对混凝土氯离子渗透性的影响。

Description

混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种测量混凝土氯离子迁移系数的测试装置和方法，具体地说是涉及一种在持续压荷载条件下混凝土氯离子迁移系数的快速测试装置及方法。

背景技术

钢筋锈蚀是各类钢筋混凝土结构的主要破坏形式之一。引起钢筋混凝土结构钢筋锈蚀的主要原因之一是氯离子的侵入，因此混凝土的氯离子渗透性是钢筋混凝土在氯盐含量较高环境（如海洋工程、地下工程和一些水工构筑物）耐久性的重要标志。多年来人们对混凝土的氯离子渗透性的测定方法进行了研究，制订了相关的试验规程。目前采用的主要有电通量法和快速氯离子迁移法，但两种方法中受测试件都不涉及荷载的作用。然而实际服役中的混凝土，不仅经受水压、氯离子浓度差等影响氯离子渗透的外界因素的作用，几乎所有的混凝土工程都会承受不同类型的荷载的作用，其中最为常见的是其上部构筑物的纵向压荷载，荷载往往会影响混凝土中微裂缝的产生和扩展，影响混凝土的渗透性，包括氯离子渗透性。目前许多国家采用电通量法和快速氯离子迁移系数法（简称RCM法）评价混凝土抵抗氯离子渗透能力。电通量法是用在Φ95×50 mm的混凝土试件两端施加60 V 的直流电压，通过检测 6 h 内流过的电通量大小，定性地划分混凝土氯离子渗透性等级；快速氯离子迁移系数法是在Φ100×50 mm混凝土试件两端施加10 V-60 V 的直流电压，通过测定检查通电6h-96h后氯离子在试件中的平均渗透深度，由此计算混凝土的氯离子迁移系数，定量评价混凝土的渗透性。这两种方法所用试件形状、装置和方法均未考虑、也无法实现对受测试件同时施加压荷载。对于压荷载下混凝土氯离子渗透性的测定，ZL 2009 1 0212680.2 提供了一种用电通量法测试同时承受纵向和侧向压力是混凝土氯离子渗透性的加载装置和测试方法，但一方面该装置对混凝土试块加载后是通过受拉螺杆维持对试件的压力，当测试时间较长时（如96 h时）由于混凝土试块的徐变而造成压力降低，在测试过程中必须多次调整紧固螺母以维持稳定的压力；另一方面电通量法不能得出混凝土的氯离子迁移系数，仅能得到定性的结果。ZL 2009 1 0184937.8 提供了一种用电通量法测试混凝土在弯曲荷载作用混凝土氯离子渗透性的加载装置和测试方法，同样是通过受拉螺杆来维持对试件的加载力；公告中专利CN 102042949 A公布了一种混凝土氯离子渗透性测试拉伸装置及其应用，通过弹簧的反弹作用对试件持续拉伸荷载，但这种装置不能提供压荷载，提供的测试方法也仅为电通量法。因此，由于受常规试验装置的制约，对受压荷载条件下混凝土快速氯离子迁移系数的测试装置和方法仍是空白。

发明内容

本发明针对常规混凝土快速氯离子迁移系数的测试装置不能给试件加载的问题，提供一种持续压荷载条件下混凝土快速氯离子迁移系数测试的加载和测试装置。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置，该装置包括压缩加载装置和电加速氯离子快速迁移装置；其中：所述压缩加载装置，包括测试架以及直线驱动装置；测试架包括底座、导向架、下压钢板、上加压钢板，且下压钢板与底座之间设置弹性连接件；导向架的一端与底座固定，而导向架的另一端依次穿过下压钢板、上加压钢板放置，且下压钢板、上加压钢板均与导向架活动设置，直线驱动装置的动力输出端面向上加压钢板设置；上加压钢板的下表面安装测力传感器，该测力传感器的信号输出端与测量器仪表连接，而下压钢板的上表面设置用于置放混凝土试件的试件承接区，所述测力传感器、试件承接区、底座、下压钢板、上加压钢板的中心处于同一直线；所述电加速氯离子快速迁移装置，包括测试槽以及直流稳压电源；测试槽分体设置为阴极测试槽、阳极测试槽，直流稳压电源配置有能够同时显示直流稳压电源输出电压、电流的显示装置；混凝土试件通过螺纹紧固件夹持在阴极测试槽、阳极测试槽之间，且阴极测试槽、阳极测试槽分别与直流稳压电源的负极、正极对应连接，同时阴极测试槽盛装含有Cl^- 的盐溶液。

所述导向架包括两根以上的螺杆，各螺杆均布于底座的四周，且每一根螺杆的一端与底座螺纹固定，而每一根螺杆的另一端则依次穿过下压钢板、上加压钢板放置，同时每一根螺杆均与下压钢板、上加压钢板之间活动设置。

上加压钢板的上下两表面分别设置有上限位锁紧螺母和下承托螺母，所述上限位锁紧螺母和下承托螺母均与螺杆螺纹配合连接。

所述直线驱动装置为液压千斤顶；所述上加压钢板的上方还设置有顶板，所述顶板与导向架固定，同时液压千斤顶安置在上加压钢板与顶板之间。

所述弹性连接件为弹簧，下压钢板与底座之间的每一根螺杆杆体***均套接有弹簧，该弹簧的两端分别与底座和下压钢板相抵触。

试件承接区包括呈上下叠放的上垫板和下垫板，混凝土试件置于上垫板和下垫板之间，且测力传感器与上垫板之间设置球座。

混凝土试件为立方体试件，且试件初始氯离子渗透面为正方形，该试件初始氯离子渗透面为混凝土试件与阴极测试槽的接触面。

阴极测试槽、阳极测试槽的腔体均为长方体。

一种上述混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将待测混凝土试件放置于下垫板和上垫板中间，松开下承托螺母；用液压千斤顶对上加压钢板施加压力，压力通过上加压钢板、测力传感器、球座、上垫板施加到混凝土试件上，并由混凝土试件通过下压垫板、下压钢板将压力继续施加到弹性连接件上；当测力器仪表显示设定压力值时，拧紧上限位锁紧螺母；

步骤二、将阴极测试槽、阳极测试槽通过试验槽紧固螺栓分别密封安装于混凝土试件的两相对侧面；然后在阳极测试槽、阴极测试槽中分别注入NaOH溶液和NaCl溶液；

步骤三、打开直流稳压电源，根据混凝土试件介于阴极测试槽、阳极测试槽之间的极间厚度L，调节直流稳压电源的初始电压至0.6L/伏，继而测定出通过混凝土试件的初始电流；然后根据所测得的初始电流值，按照表1调整直流稳压电源在后续试验中对混凝土试件的施加电压；

初始电压时初始电流值(mA)

<15

15~20

20-30

30-40

40-60

60-90

90-120

120-180

≥180-360

调整电压（V）

1.2L

1.0L

0.8L

0.7L

0.6L

0.5L

0.4L

0.3L

0.2L

表1

施加调整电压后所对应电流值(mA)	<10	10-20	20-120	>120
					试验持续时间（h）	98	48	24	6

表2

根据该调整后的施加电压所获得的相应电流值，按照表2设定试验持续时间；

步骤四、达到设定试验时间后，断开直流稳压电源，先卸去阴极测试槽、阳极测试槽，再逐步拧松上限位锁紧螺母，卸去荷载；然后采用自来水冲洗混凝土试件表面并用干布擦净表面多余水；将混凝土试件沿着试件初始氯离子渗透面的对称线劈开成4块，该试件初始氯离子渗透面为混凝土试件与阴极测试槽相的接触面，在劈开的混凝土试件断面上立即喷洒0.1mol/L的AgNO₃水溶液，15分钟后，测量白色显色分界线与试件初始氯离子渗透面之间的平均距离，即可获取氯离子渗透深度平均值X_d；

步骤五、按下式计算混凝土的非稳态氯离子迁移系数：

式中：

D——混凝土非稳态氯离子迁移系数，单位为10^-12m²/s；

V——所用电压，单位为V；

T——阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值，单位为℃；

L——试件极间厚度，单位为mm；

X _d ——氯离子渗透深度平均值，单位为mm；

t——试验持续时间，单位为h。

根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

1、解决了常规混凝土氯离子迁移系数测试装置不能对被测试件加载，因此不能模拟在役混凝土实际载荷状态，无法测定持续压荷载条件下混凝土氯离子迁移系数的问题。

2、采用弹性连接件作为加载源，利用弹簧的反弹力对混凝土试件的纵向施加持续稳定的压力，可以避免用受拉螺杆加载时由于混凝土试件的徐变造成压应力降低，从而可以研究持续压荷载条件对混凝土氯离子渗透性的影响，评价混凝土在受压荷载条件下的抗氯离子渗透能力，其研究成果若推广应用于实际工程，可为混凝土结构的设计、补强加固和服役年限的评估提供依据。

3、装置结构简单，操作方便，测试过程中压荷载稳定，可实时显示，测试结果稳定可靠。

附图说明

图1是装有混凝土试件的混凝土快速氯离子迁移系数测试装置的示意图；

图2是装有混凝土试件的混凝土快速氯离子迁移系数测试加载装置的示意图；

图3是图1和图2的A-A剖面图；

图4是试验槽的结构示意图；

图5是图4的B-B剖视图；

附图标记：1、底座 ；2、螺杆；3、弹簧定位圆筒；4、弹性连接件；5、下压钢板；6、下垫板； 7、上垫板；8、球座；91、测力传感器；92、测力器仪表；10、下承托螺母；11、上加压钢板；12、上限位锁紧螺母；13、液压千斤顶；14、顶板承托螺栓帽；15、顶板；16、顶板紧固螺栓帽；17、 混凝土试件；18 、阳极试验槽；181、阳极试验槽槽体； 182、阳极试验槽铜网片；183、阳极试验槽橡胶密封圈；19、试验槽装配螺栓；20、直流稳压电源。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1至5所示，本发明所述混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置包括压缩加载装置和电加速氯离子快速迁移装置，其中压缩加载装置由钢底板1、螺杆2、弹簧定位圆筒3、弹性连接件4、下压钢板5、下垫板6、上垫板7、球座8、测力传感器91、测力器仪表92、下承托螺母10、上加压钢板11、上限位锁紧螺母12、液压千斤顶13、顶板承托螺栓帽14、顶板15和顶板紧固螺栓帽16构成；

钢底板1、下压钢板5、上加压钢板11和顶板15均为边长500mm的正方形，厚度均为30mm。

钢底板1的四个顶角附近离两边均为55mm处各有一个M34螺孔，下压钢板5、上加压钢板11和顶板15的四个顶角附近离两边均为55mm处各有一个φ38mm圆孔；钢底板1上面的四个顶角附近离两边均为30mm处各有一个外径为200mm，壁厚为5mm、高250 mm的弹簧定位圆筒3。

将四根高500mm、弹性系数500N/mm的弹性连接件4分别套在四个弹簧定位圆筒3上，将四根长1200mm，M34的螺杆2拧入钢底板1的四个螺孔，将螺杆2分别穿过下压钢板5、下承托螺母10、上加压钢板11、上限位锁紧螺母12、顶板承托螺栓帽14、顶板15和顶板紧固螺栓帽16；在下压钢板5上正中间依次放置下垫板6、上垫板7、球座8、最大量程为400kN的测力传感器91，在上加压钢板11上正中间位置放置400kN液压千斤顶13。

将待测混凝土试件17放置于下垫板6和上垫板7中间，松开下承托螺母10；用液压千斤顶13对上加压钢板11施加压力，压力通过上加压钢板11、测力传感器91、球座8、上垫板7施加到混凝土试件17上，并由混凝土试件17通过下压垫板6、下压钢板5将压力继续施加到四根弹性连接件4上；当测力器仪表92显示设定压力值时，拧紧上限位锁紧螺母12，使弹簧处于压缩状态；弹性连接件的回弹力通过下压钢板5和下垫板6对混凝土试件17施加了持续稳定的压缩荷载。

将电加速氯离子快速迁移装置的两个试验槽18分别安装于混凝土试件两相对的侧面，用试验槽装配螺栓19连接，将直流稳压电源20的正极和负极分别与两个试验槽18中的铜网片182连接，就可以按设定程序进行稳定压荷载作用下混凝土快速氯离子迁移系数测定。

上述装置中，弹性连接件可以选择弹簧，也可以不选择，另外，为对弹性连接件进行很好的定位，可以将本发明所述的靠近底座的螺杆端部设置弹簧定位圆筒；对于液压千斤顶，可以采用直线电机、气缸等其他往复直线移动装置进行替代；本发明可以不采用螺杆，而只需采用导向柱即可，因为螺杆的主要目的也是为了导向；另外，本发明的下承托螺母为不必要的部件，采用了下承托螺母只是为了方便整个装置的组装。

基于上述的加载测试装置，本发明所述混凝土快速氯离子迁移系数加载测试方法如下：

用P·O 42.5级水泥，细度模数为2.6的河砂、最大粒径为20 mm的石灰岩人工碎石及自来水按表1所示配合比配制混凝土，成型成100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土试件，每个配比18个试件。试件在混凝土标准养护室养护28 d后，每个配比的试件中取3个测定抗压强度作为其余试件进行氯离子渗透性试验时加荷大小的参考。各组试件的抗压强度见表3。

 

表3 混凝土配合比和试件抗压强度

每个配比分成6组，按压荷载水平分别为0、20%、40%、60%、80%加载方式测定，每组测定3个试件。

步骤一、将100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土试件17放置于下垫板6和上垫板7中间，松开下承托螺母10；启动液压千斤顶13；当测力器仪表92显示设定压力值时，关闭液压千斤顶13，拧紧上限位锁紧螺母12；

步骤二、将电加速氯离子快速迁移装置的两个试验槽18分别安装于混凝土试件17两相对的侧面，用试验槽装配螺栓19连接。在与直流稳压电源20正极连接的试验槽18中注满浓度为0.3mol/L的NaOH溶液，在与直流稳压电源20负极连接的试验槽18中注满质量浓度为10.0%的NaCl溶液；测定阳极溶液初始温度。

步骤三、打开直流稳压电源20，将初始电压调节到60V，测定通过试件的初始电流；根据初始电压时测量得的初始电流值调整后续试验施加电压，根据调整电压后新的初始电流值，确定试验持续时间。具体试验程序如表4所示。

表4 各组试件测试程序

步骤四、达到设定试验时间后，断开直流稳压电源20，测定阳极溶液终止温度；卸去电加速氯离子快速迁移装置的两个试验槽18，逐步拧松上限位锁紧螺母12，卸去荷载。立即用自来水冲洗混凝土试件17表面并用干布擦净表面多余水。将混凝土试件17与迁移面垂直方向从中间按“+”劈开成4块，在劈开的试件断面上立即喷洒0.1mol/L的AgNO₃水溶液，15分钟后，测量白色显色分界线离试件与NaCl溶液接触面的平均距离，即氯离子渗透深度平均值X_d；

步骤五、按下式计算混凝土的非稳态氯离子迁移系数：

式中：D——混凝土非稳态氯离子迁移系数，（×10^-12m²/s）；U——所用电压（V）；T——阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值（℃）；X _d ——氯离子渗透深度平均值（mm）；t——试验持续时间（h）。

取同组的3个试件氯离子迁移系的平均值，作为该组试件的氯离子迁移系来评价混凝土在该受载状态下的抗氯离子渗透性。

表5不同压荷载条件下水工混凝土氯离子迁移系数测定结果

从试验结果可以看出：

（1）用实施例1所述装置可有效进行不同压载条件下混凝土快速氯离子迁移系数的测定。

（2）两种强度不同的混凝土在压荷载下的氯离子迁移系数均显示出了相同的变化规律。在加载水平较低时，随着加载水平的增大，混凝土的氯离子迁移系数略有降低但变化较小；加载水平在40%-60%之间氯离子迁移系数降低幅度较大。这是由于在加载水平低于80%时，压荷载对于混凝土试件的破坏作用很小，相反具有将试件“压密实”的作用，使试件中原生微裂纹闭合，从而降低混凝土的氯离子渗透性。当在加载水平达到80%时，试件的氯离子迁移系数增大，这是由于在加载水平达到80%时，试件发生了较大的侧向变形，荷载引发了微裂纹的形成和扩展，使混凝土的氯离子渗透性增大。

Claims (9)

1.一种混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置，其特征在于，该装置包括压缩加载装置和电加速氯离子快速迁移装置；其中：

所述压缩加载装置，包括测试架以及直线驱动装置；测试架包括底座、导向架、下压钢板、上加压钢板，且下压钢板与底座之间设置弹性连接件；导向架的一端与底座固定，而导向架的另一端依次穿过下压钢板、上加压钢板放置，且下压钢板、上加压钢板均与导向架活动设置，直线驱动装置的动力输出端面向上加压钢板设置；上加压钢板的下表面安装测力传感器，该测力传感器的信号输出端与测量器仪表连接，而下压钢板的上表面设置用于置放混凝土试件的试件承接区，所述测力传感器、试件承接区、底座、下压钢板、上加压钢板的中心处于同一直线；

所述电加速氯离子快速迁移装置，包括测试槽以及直流稳压电源；测试槽分体设置为阴极测试槽、阳极测试槽，直流稳压电源配置有能够同时显示直流稳压电源输出电压、电流的显示装置；混凝土试件通过螺纹紧固件夹持在阴极测试槽、阳极测试槽之间，且阴极测试槽、阳极测试槽分别与直流稳压电源的负极、正极对应连接，同时阴极测试槽盛装含有Cl^- 的盐溶液。

2.根据权利要求1所述的混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置，其特征在于，所述导向架包括两根以上的螺杆，各螺杆均布于底座的四周，且每一根螺杆的一端与底座螺纹固定，而每一根螺杆的另一端则依次穿过下压钢板、上加压钢板放置，同时每一根螺杆均与下压钢板、上加压钢板之间活动设置。

3.根据权利要求2所述的混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置，其特征在于，上加压钢板的上下两表面分别设置有上限位锁紧螺母和下承托螺母，所述上限位锁紧螺母和下承托螺母均与螺杆螺纹配合连接。

4.根据权利要求3所述的混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置，其特征在于，所述直线驱动装置为液压千斤顶；所述上加压钢板的上方还设置有顶板，所述顶板与导向架固定，同时液压千斤顶安置在上加压钢板与顶板之间。

5.根据权利要求4所述的混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置，其特征在于，所述弹性连接件为弹簧，下压钢板与底座之间的每一根螺杆杆体***均套接有弹簧，该弹簧的两端分别与底座和下压钢板相抵触。

6.根据权利要求5所述的混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置，其特征在于，试件承接区包括呈上下叠放的上垫板和下垫板，混凝土试件置于上垫板和下垫板之间，且测力传感器与上垫板之间设置球座。

7.根据权利要求6所述的混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置，其特征在于，混凝土试件为立方体试件，且试件初始氯离子渗透面为正方形，该试件初始氯离子渗透面为混凝土试件与阴极测试槽的接触面。

8.根据权利要求1所述的混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置，其特征在于，阴极测试槽、阳极测试槽的腔体均为长方体。

9.一种权利要求7所述混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将待测混凝土试件（17）放置于下垫板（6）和上垫板（7）中间，松开下承托螺母（10）；用液压千斤顶（13）对上加压钢板（11）施加压力，压力通过上加压钢板（11）、测力传感器（91）、球座（8）、上垫板（7）施加到混凝土试件（17）上，并由混凝土试件（17）通过下压垫板（6）、下压钢板（5）将压力继续施加到弹性连接件（4）上；当测力器仪表（92）显示设定压力值时，拧紧上限位锁紧螺母（12）；

步骤二、将阴极测试槽、阳极测试槽通过试验槽紧固螺栓（19）分别密封安装于混凝土试件（17）的两相对侧面；然后在阳极测试槽、阴极测试槽中分别注入NaOH溶液和NaCl溶液；

步骤三、打开直流稳压电源，根据混凝土试件（17）介于阴极测试槽、阳极测试槽之间的极间厚度L/mm，调节直流稳压电源的初始电压至0.6L/伏，继而测定出通过混凝土试件的初始电流；然后根据所测得的初始电流值，按照表1调整直流稳压电源在后续试验中对混凝土试件的施加电压；

初始电压时初始电流值(mA) <15 15~20 20-30 30-40 40-60 60-90 90-120 120-180 ≥180-360 调整电压（V） 1.2L 1.0L 0.8L 0.7L 0.6L 0.5L 0.4L 0.3L 0.2L

表1

 施加调整电压后所对应电流值(mA) <10 10-20 20-120 >120 试验持续时间（h） 98 48 24 6

表2

根据该调整后的施加电压所获得的通过混凝土试件的相应电流值，按照表2设定试验持续时间；

步骤四、达到设定试验时间后，断开直流稳压电源，先卸去阴极测试槽、阳极测试槽，再逐步拧松上限位锁紧螺母（12），卸去荷载；然后采用自来水冲洗混凝土试件表面并用干布擦净表面多余水；将混凝土试件（17）沿着试件初始氯离子渗透面的对称线劈开成4块，该试件初始氯离子渗透面为混凝土试件与阴极测试槽的接触面，在劈开的混凝土试件断面上立即喷洒0.1mol/L的AgNO₃水溶液，15分钟后，测量白色显色分界线与试件初始氯离子渗透面之间的平均距离，即可获取氯离子渗透深度平均值X_d；

步骤五、按下式计算混凝土的非稳态氯离子迁移系数：

式中：

D——混凝土非稳态氯离子迁移系数，单位为10^-12m²/s；

V——所用电压，单位为V；

T——阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值，单位为℃；

L——试件极间厚度，单位为mm；

X _d ——氯离子渗透深度平均值，单位为mm；

t——试验持续时间，单位为h。

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