CN103364313B - 一种确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的试验装置及方法。所述试验装置包括试块支架；所述试块支架两侧各设有一块与试块支架分体的钢板；两块钢板通过穿插于钢板四周的四根预应力筋连接，所述预应力筋两端设有预应力锚具。本发明试验装置及方法，能满足实际的需要，其测定的多因素下的氯离子扩散系数与实际相符。

Description

一种确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的方法

技术领域

本发明涉及一种确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的试验装置及方法。

背景技术

在目前模拟人工气候环境下多因素氯离子腐蚀试验都是在无应力状态下进行的，然而，在实际的气候环境中，混凝土结构，包括钢筋混凝土桥梁、混凝土房屋建筑、地下混凝土结构等都是在受不同作用力的情况下服役的。因此，无应力状态下模拟氯离子扩散试验得出的氯离子在混凝土内的扩散机理不能满足实际的需要，同时无应力试验条件下测定的多因素下的氯离子扩散系数与实际不符。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的试验装置及方法，在施加预应力的状态下探究多因素环境下氯离子的扩散机理，同时研究氯离子扩散系数随各种因素变化的影响规律。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的试验装置包括试块支架；所述试块支架两侧各设有一块与试块支架分体的钢板；两块钢板通过穿插于钢板四周的四根预应力筋连接，所述预应力筋两端设有预应力锚具。

其中，所述钢板底部设有斜撑。所述试验装置还包括用于放置试块支架和钢板的铁槽。

基于上述试验装置的确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的试验方法，包括如下步骤:

(1)采用C50—C80级混凝土(即高强度混凝土，《高强混凝土结构技术规程》1.0.2条明确规定：高强混凝土为采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰超细矿渣硅灰等矿物掺合料以常规工艺配制的C50—C80级混凝土)制备若干个混凝土试块；

(2)将混凝土试块并排放置在试块支架上，在试块支架两侧用钢板夹住试块；将四根预应力筋一端用预应力锚具锚固，另一端用千斤顶同时进行第一次张拉至设定的预应力值；第一次张拉完毕后，当预应力锚具的夹片松弛时进行第二次张拉，张拉至设定的预应力值后用预应力筋锚具将预应力筋未锚固的一端锚固，张拉完毕；所述设定的预应力值为预应力筋的极限抗拉强度的0.7—0.8倍，优选为0.75倍(按照《预应力张拉施工工艺标准》对钢绞线(预应力筋)进行张拉。设定的应力值为0.75倍钢绞线极限抗拉强度。取值为1395Mpa)。

(3)将试验装置涂布环氧树脂，待环氧树脂硬化后，将装有混凝土试块的试验装置放入人工气候箱中，运行人工气候箱，从人工气候箱的盐雾喷嘴中喷入NaCl盐雾，对混凝土试块进行腐蚀，腐蚀25—30天，优选为30天，NaCl盐雾的流量控制为150～250L/h；所述带盐雾喷嘴的人工气候箱为本领域可市售的常规实验仪器；

(4)将腐蚀后的混凝土试块取出，用常规方法进行氯离子含量测定和氯离子扩散系数测定。

与现有技术相比，本发明的试验装置利用张拉预应力筋的方法，依靠钢板传递压应力，从而使得混凝土试块受压。利用本试验装置，通过制作一批混凝土试块，考虑混凝土配合比、骨料粗细等参数影响，对试块施加不同程度的持续压应力，将试块放入人工环境模拟箱，调节氯离子盐雾浓度、温度和湿度，考虑氯离子从一个方向渗透和两个方向渗透方式，进行氯离子在预应力混凝土中的扩散试验。采用本发明试验装置及方法，能满足实际的需要，其测定的多因素下的氯离子扩散系数与实际相符。

附图说明

图1为本发明试验装置结构示意图；

图2为混凝土试块放置于试块支架上的示意图；

图3为混凝土试块示意图；

图4为试验装置放置于人工气候箱内的示意图；

图5为混凝土试块二维腐蚀示意图；

图6为一维腐蚀试验预应力施加前后侵蚀曲线图；

图7为二维腐蚀试验预应力施加前后侵蚀曲线图；

图8为氯离子渗透深度曲线图。

图中：1、盐雾喷嘴；2、人工气候箱；3、预应力筋；4、斜撑；5、混凝土试块；6、钢板；7、预应力锚具；8、铁槽；9、试块支架。

具体实施方式

实施例1

参见图1至5，所述确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的试验装置包括试块支架9；所述试块支架9两侧各设有一块与试块支架9分体的钢板6；两块钢板6通过穿插于钢板6四周的四根预应力筋3连接，所述预应力筋3两端设有预应力锚具7。所述钢板6底部设有斜撑4。所述试验装置还包括用于放置试块支架9和钢板6的铁槽8。

实施例2

基于实施例1所述试验装置的确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的试验方法，步骤如下：

(1)制备混凝土试块5：本次试验考虑温度、湿度、氯盐浓度、水灰比4个环境因素。其中以水灰比、温度、湿度三个因素做正交试验，每个因素考虑三个水平数。每个混凝土试块5的尺寸为标准尺寸150×150×150mm，混凝土试块浇筑完成1天后拆模，放在温度为(20±2℃)相对湿度为90％的养护室中养护28d后，每组共取出6个试块作为腐蚀试块，如图3所示，每个混凝土试块5的前、后、左、右、上、下面分别标号为③、⑥、②、⑤、①、④；其中三个在②、③、④、⑤、⑥五个面涂抹环氧树脂(本实施例中的环氧树脂采用E-44(610)型环氧树脂与低分子—650聚酰胺树脂按照1：1的比例配成)，以保证其一顶面①为氯离子的侵蚀面，此三个试块作为一维腐蚀。另外三个在②、④、⑤、⑥面涂上环氧树脂，①、③面作为侵蚀面，此三个试块作为二维腐蚀；

注解：一维腐蚀指的是把混凝土试块5的五个面(②、③、④、⑤、⑥)涂上环氧树脂，仅留一个面①进行氯盐腐蚀。同理，二维腐蚀把(②、④、⑤、⑥)四个面面涂上环氧树脂，相邻两面(①、③)进行腐蚀(见图5)。在现有的混凝土氯盐腐蚀的实验中，为了简化计算一般采用一维腐蚀，然而，在实际的自然环境下，暴露在大气中的混凝土结构往往是多方向受到氯盐腐蚀，因此一维腐蚀已经不能满足实际工程需要。一维腐蚀和二维腐蚀在相同参数的情况下，氯离子浓度和氯离子扩散系数是不相同的，这个需要实验和理论的验证；

试块编号说明：C1、C2、C3分别表示水胶比为0.4、0.5、0.6的试块；T1、T2、T3表设计温度为15℃、30℃、45℃；H1、H2、H3表设计相对湿度为60％、75％、90％；C1T1H1表示水灰比0.4，温度15℃，相对湿度60％，采用正交实验(L₉(3³))，砂率均采用30％。每组七个试块，其中六个进行一维和二维的实验，另外一个进行强度试验。配合比设计及编号如表1：

表1混凝土配合比(单位立方用水量180kg)

注：采用高强度混凝土，《高强混凝土结构技术规程》1.0.2条明确规定：高强混凝土为采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰超细矿渣硅灰等矿物掺合料以常规工艺配制的C50—C80级混凝土；

(2)将一维或者二维试块并排放置在支架9上，注意试块腐蚀面位置的放置，将(①、③)分别朝上和朝前。将带有斜撑4的钢板6放置试块的两边，穿梭好四根预应力筋3，预应力筋3的一端用预应力锚具7锚固，另一端用张拉千斤顶同时张拉4根预应力筋3，直到设计应力值1395MPa。在第一次张拉完毕两小时后，当预应力锚具7中夹片松弛时，预应力损失，这时进行二次张拉，直到设计应力值1395MPa。最后用预应力锚具7锚固张拉端，张拉完毕；

(3)将试验装置涂布环氧树脂，待环氧树脂硬化后，将装有混凝土试块的试验装置放入人工气候箱2中，运行人工气候箱2，从人工气候箱2的盐雾喷嘴1中喷入体积百分比浓度为5％的NaCl盐雾，对混凝土试块5进行腐蚀，腐蚀30天(即NaCl盐雾喷雾时间为30天)，NaCl盐雾的流量控制为200L/h；

(4)氯离子含量测定：将人工气候箱2中腐蚀完成的混凝土试块5从试验装置上取出，采用HDM.150混凝土研磨机，将混凝土试块5按厚度5mm的规格从其表面一侧逐步向内侧研磨成粉末，将每次磨进5mm后的磨出粉末通过0.63mm的方孔筛，以去除粗颗粒，然后将样品隔离收集包装，混凝土试块5磨至距离混凝土试块原外表面以下30mm结束，即每一个芯样可取得6个数据。将收集的混凝土试块5粉末(每个芯样共得到6份)置于烘箱内烘2h，取出粉末，用蒸馏水与粉末配置成溶液，用氯离子含量测定仪测定氯离子浓度。结果见图6和图7，图6是以C1T1H1对预应力施加前后一维实验的结果进行的对比分析；图7是以C1T1H1对预应力施加前后二维实验的结果进行的对比分析；其中，A表示一维腐蚀，AB表示二维腐蚀；从图6和图7中可以看出预应力施加后无论是一维腐蚀还是二维腐蚀氯离子浓度比预应力施加前浓度要小，说明在预应力的作用下，氯离子渗透效应减弱；

(5)氯离子扩散深度测定：将腐蚀完成的混凝土试块5表面洒水，并用塑料薄膜覆盖移至标准养护室。14d后，用取芯机把混凝土试块5加工成标准测试试块(100mm±1mm，高度为50mm±2mm)，将测试试块继续在标准养护条件下养护直到试验，试验时先将试块放入保水机中，注入含5％NaCl的0.2mo1/L的KOH溶液进行保水，保水结束时取出试块，在压力机上劈成两半，在劈开的试块表面喷涂显色指示剂(萤光黄溶液)，混凝土表面一般变黄，含氯离子部分明显较亮。表面稍干后喷0.1mol/L的AgNO₃溶液，15min后，在含氯与无氯区便呈现出不同颜色，沿分界线即可量得氯离子的扩散深度。

由实验获得扩散深度之后，利用已有的理论公式(1)便可计算得到氯离子扩散系数。公式来源于《混凝土结构耐久性设计与施工指南》：

$D=2.872\×{10}^{-6}\frac{Th(x_d-\mathrm{\α}\sqrt{x_d})}{t}$

$\mathrm{\α}=3.338\×{10}^{-3}\sqrt{Th}$

式中：D为混凝土氯离子扩散系数，m²/s；T为阳极电解液初始和最终温度平均值，K；h为试块高度，m；x_d为氯离子扩散深度，m；t为通电时间，s；α为辅助变量。

图8中选取不同水灰比(0.4、0.5、0.6)A、B、C三块试块预应力施加前后的渗透深度，可以看出，试块施加预应力后氯离子渗透深度减小，同时，水灰比越大氯离子渗透深度越大。

Claims (2)

1.一种确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的试验方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:

(1)基于一种确定多因素作用下预应力混凝土氯离子扩散机理的试验装置；所述试验装置包括试块支架(9)；所述试块支架(9)两侧各设有一块与试块支架(9)分体的钢板(6)；两块钢板(6)通过穿插于钢板(6)四周的四根预应力筋(3)连接，所述预应力筋(3)两端设有预应力锚具(7)；所述钢板(6)底部设有斜撑(4)；所述试验装置还包括用于放置试块支架(9)和钢板(6)的铁槽(8)；

(2)采用C50—C80级混凝土制备若干个混凝土试块；

(3)将混凝土试块并排放置在试块支架上，在试块支架两侧用钢板夹住试块；将四根预应力筋一端用预应力锚具锚固，另一端用千斤顶同时进行第一次张拉至设定的预应力值；第一次张拉完毕后，当预应力锚具的夹片松弛时进行第二次张拉，张拉至设定的预应力值后用预应力筋锚具将预应力筋未锚固的一端锚固，张拉完毕；所述设定的预应力值为预应力筋的极限抗拉强度的0.7—0.8倍；

(4)将试验装置涂布环氧树脂，待环氧树脂硬化后，将装有混凝土试块的试验装置放入人工气候箱中，运行人工气候箱，调节氯离子盐雾浓度、温度和湿度，考虑氯离子从一个方向渗透和两个方向渗透方式，进行氯离子在预应力混凝土中的扩散试验，从人工气候箱的盐雾喷嘴中喷入NaCl盐雾，对混凝土试块进行腐蚀，腐蚀25—30天；

(5)将腐蚀后的混凝土试块取出，用常规方法进行氯离子含量测定和氯离子扩散系数测定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定的预应力值为预应力筋的极限抗拉强度的0.75倍。