专利名称：水工混凝土在荷载作用下的渗透性能测试装置及测试方法
技术领域：
本发明涉及一种测量水工混凝土渗透性能的测试装置，具体地说是涉及一种在持续稳定荷载作用下水工混凝土渗透性能的测试装置及其测试方法。
背景技术：
水工混凝土的一些耐久性问题，包括氯离子侵蚀、水的渗透溶蚀、碱集料反应、碳化和钢筋锈蚀、冻融循环破坏等都与渗透性密切相关。良好的抗渗性是保证许多重要工程安全、耐久的必要条件。多年来人们对水工混凝土渗透性以及由于气液介质的渗透引起的耐久性问题已进行了研究，但大都围绕单一影响因素展开。然而，工程实际中的水工混凝土并不是在单一因素下工作的，一般都承受两种或两种以上的因素共同作用。多种因素共同作用时，对水工混凝土的损伤作用并不是各单一因素作用的简单叠加，各因素产生的交互作用使得实际服役过程中水工混凝土的破坏过程复杂化。在实际工程中，几乎所有水工混凝土都会承受不同类型的荷载作用，荷载往往引起水工混凝土中微裂缝产生和扩展，从而影响水工混凝土的渗透性。目前我国水工混凝土抗渗性试验采用的渗水高度法，即将上口径为175mm、下口径为185mm、高150mm的截头实心圆锥体混凝土试件放入渗透仪内，通过渗透仪在试件下表面加压力水，直至上表面出现渗水现象。这种方法只能评价水工混凝土在受水压力单一因素作用下的渗透性，而实际服役中的水工混凝土结构常同时承受着荷载的作用，而常规实验装置结构简单(截头圆锥形金属筒)，且不能给试件加载，因此，受实验装置的制约，对在荷载作用下水工混凝土水渗透性的研究几乎为空白。另外，用常规方法及实验装置测量水工混凝土渗透系数时，由于水工混凝土渗透性很小，要使足量的水透过水工混凝土以保证测量精度，实验常需持续很长时间。对于无荷载作用下的渗透实验，对时间是没有限制的，但对于有荷载作用的渗透实验，如果采用常用的液压式压力机作为加载装置，过长的时间不仅不能保证荷载的持续稳定，还会导致液压式压力试验机故障，缩短其使用寿命，对其损害较大。因此，采用液压式压力试验机给试件加载是不可取的。
发明内容
本发明的目的在于针对常规试验装置不能给试件加载以及采用液压式压力试验机加载不能保证荷载持续稳定等问题，而提供了一种水工混凝土在荷载作用下的渗透性能测试装置，该装置不仅能给试件加载，而且试件所加荷载不再由常用的液压式压力机长期提供，新的加载装置能够保证荷载的长期持续稳定，避免荷载的不稳对实验结果的干扰。
本发明的另一个目的是利用该测试装置对水工混凝土在荷载作用下渗透性能的测试方法。
本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的将该装置设计如下如图1和图2所示一种水工混凝土在荷载作用下渗透性能测试装置，其特征在于它是由加压装置及混凝土试件室两部分组成，其中加压装置由钢底盘(1)、钢立柱(2)、钢板(3)、钢板(4)、弹簧(5)、螺栓帽(6)构成，钢底盘(1)、钢板(3)和钢板(4)的四周各钻有对称的四个圆孔，将四根圆形钢立柱(2)分别穿过钢底盘(1)、钢板(3)、钢板(4)上的四个圆孔中，在钢底盘(1)与钢板(4)之间放置混凝土试件室(17)，钢板(3)与钢板(4)之间的四根钢主柱(2)上分别套上一根弹簧(5)，然后分别用螺栓帽(6)固定；混凝土试件室(17)中的圆形套筒(7)固定在钢底盘(1)上，圆筒形混凝土试件(12)放置在套筒(7)内，混凝土试件(12)的底部垫上一块下压钢垫板(9)，其顶部盖上一块上压钢垫板(8)，在上压钢垫板(8)与钢板(4)之间放置一个球座(10)。
上述的测试装置，其特征在于所述的圆形钢立柱(2)的基部是座子，上部带有螺纹。
上述的测试装置，其特征在于所述的圆形套筒(7)是用有机玻璃制成，并用环氧树脂胶粘固定在钢底盘(1)上，套筒(7)的一侧开有一个溢流孔(11)。
上述的测试装置，其特征在于所述的混凝土试件(12)与套筒(7)两侧之间均留有充水空隙，并在两侧的空隙上用橡皮圈(14)盖住。
上述的测试装置，其特征在于所述的上压钢垫板(8)内开有一个小孔(15)与进水管(16)相连后再连接至抗渗仪上。
该装置的工作原理及测试方法为工作时由液压式压力试验机对弹簧加压，压力值大小则由读取压力机表盘数值来控制，到达规定压力值时立即将螺栓拧紧并撤掉压力机，此时试件所受的外部压荷载就由弹簧(5)提供。由于弹簧弹力受混凝土变形等因素的影响很小、保压性能良好并且应力损失小、不受外部断电等干扰因素的影响，故可以进行长时间的持续稳定荷载作用状态下混凝土渗透溶蚀等性能的研究。弹簧(5)产生的压力通过钢板(4)、球座(10)、上压钢垫板(8)传递作用到试件(12)上。上压钢垫板(8)上的进水管(16)接至抗渗仪，压力水由经抗渗仪提供并流经进水管(16)和上压钢垫板内部的小孔(15)作用于圆筒形试件(12)的内表面，水压由抗渗仪上的压力表调节控制。试件外表面浸在注满水的有机玻璃套筒(7)中，套筒上方用橡皮圈(14)盖住以避免水蒸发。套筒上的溢流孔(11)控制水位，用一个塑料管连接溢流孔(11)至放于低处的量筒，这样透过环型试件壁的渗透水量可以通过量筒收集。试验测试步骤如下步骤1液压式压力试验机通过钢板(3)对弹簧(5)加压，当到达规定压力值时立即将螺栓(6)拧紧并撤掉压力机，此时外部压荷载就由弹簧(5)提供了；步骤2弹簧(5)产生的压力通过钢板(4)、球座(10)、上压钢垫板(8)传递作用到圆筒形混凝土试件(12)上；步骤3抗渗仪产生压力水，将压力水通过进水管(16)及小孔(15)注入混凝土试件(12)的内表面；步骤4给混凝土试件(12)外表面及有机玻璃套筒(7)之间空隙注水，使水面与溢流孔(11)齐平，然后用橡皮圈(14)盖住套筒(7)以避免水蒸发；步骤5收集经套筒(7)上的溢流孔(11)流至外接的量筒中的渗透水；步骤6利用量筒中的渗透水，用以下的推导公式换算求得混凝土的渗透系数。
圆环型混凝土试件渗透系数计算公式k=-μq·lnr1r22π·h·Δh]]>式中k-渗透系数(cm/s)；q-单位时间内收集的水流量(cm3/s)；r2-环状试件的外半径(cm)；r1-环状试件的内半径(cm)；h-环状试件的高度(cm)；Δh-水流入面和流出面间的水头差，μ-水的粘度。
本发明解决了常规试验装置不能给试件加载，以及采用液压式压力试验机加载不能保证荷载持续稳定等问题，而本发明是以受压弹簧为荷载的压力渗透实验装置，研究持续压荷载作用对水工混凝土的水渗透性的影响，从而揭示多因素组合条件下的水工混凝土老化和病变的机理以及组合机理，其研究成果如果推广应用于实际工程，为病险水工混凝土结构的补强加固以及高混凝土坝的设计施工和运行提供源头技术支持。
四
下面结合附图和实施例对本发明装置作进一步说明图1是受荷载作用混凝土试件水渗透试验加载装置的结构示意2是混凝土试件室的结构示意图附图标记1.钢底盘，2.钢立柱，3.钢板①，4.钢板②，5.弹簧，6.螺栓帽，7.套筒，8.上压钢垫板，9.下压钢垫板，10.球座，11.溢流孔，12.混凝土试件，13.水，14.橡皮圈，15.小孔，16.进水管，17试件室。
五具体实施例方式
实施例1 水工混凝土在荷载作用下的渗透性能测试装置该测试装置由加压装置和试件室(17)两部分组成，其中加压装置中的钢底盘(1)、钢板(3)和钢板(4)，分别为长340mm，宽170mm，高28mm，在其四周各钻有4个对称的直径为18mm的圆孔，将四根长650mm，直径为16mm下端有直径为25mm的座子，上端带有螺纹的钢立柱(2)，穿入钢底盘(1)上的四个圆孔中，钢底盘(1)上放置试件室(17)，它是由直径为130mm，高120mm，厚8mm的有机玻璃套筒(7)放置在钢底盘(1)上，把内外直径分别为30mm和110mm，高110mm的混凝土试件(12)放入套筒(7)中，试件(12)得底部有一块直径110mm，高10mm的下压钢垫板(9)，试件(12)的上部放置一块直径为120mm，高18mm的上压钢垫板(8)，在钢垫板(8)上面再放置一个直径为35mm的球座(10)；再将钢板(4)通过四个圆孔套入钢立柱(2)上，使钢板(4)与球座(10)紧密相接，并在四根钢立柱(2)上分别套上直径为3mm，高450mm的弹簧(5)，然后将钢板(3)从四个圆孔中套在四根钢立柱(2)上，最后用螺栓帽(6)拧紧固定钢板(3)，上压钢垫板(8)内钻有一个小圆孔(15)，并与进水管(16)相连接后再接置抗渗仪上，在混凝土试件(12)与套筒(7)之间充水(13)，并使水面与溢流孔(11)齐平，充水后套筒(7)上方用橡皮圈(14)盖住，溢流孔(11)通过橡皮管连接量筒，积留从溢流孔(11)流出的渗漏水，根据渗漏水量用渗透系数计算公式(3)求出渗漏系数值。
实施例2 对水工混凝土荷载渗透系数的测试方法。
1、原材料与试件用P·O32.5级水泥(物理性能见表1)，II级粉煤灰，细度模数为2.5的河砂，最大粒径10mm的石灰岩人工碎石及自来水按表2所示配合比配制混凝土，成型成内、外直径分别为30mm和110mm的圆筒形试件，每组试样6个。试件在混凝土标准养护室养护28d后，用金刚石锯片将试件两头截去，得到高度为110mm的试件。每组试件中取3个测定抗压强度，作为其余试件进行抗渗实验时加荷大小的参考。各组试件的抗压强度见表2。
表1 水泥的基本物理性能
表2 混凝土试件配合比和抗压强度
2、试验步骤每组试件取2个分别进行试验。
步骤1试验时将内、外直径分别为30mm和110mm、高110mm的圆筒形混凝土试件(12)先用环氧树脂砂浆粘贴在直径为120mm、高18mm上压钢垫板(8)和直径为110mm、高10mm下压钢垫板(9)上，待环氧树脂硬化后放入真空吸水仪抽真空3h，随后吸入自来水并保持真空1h，关闭真空吸水仪让试件吸水18h，以便在试验时尽快达到渗流稳定。
步骤2将预处理过的试件在0.8MPa的水压下渗流至出水流量基本稳定。
步骤3确定初次施加荷载的大小f。初次施加荷载f为试件的抗压强度fc的0.1倍，即应力比η(η＝f/fc)为0.1。
步骤4液压式压力试验机通过长340mm、宽170mm、高28mm的钢板(3)对直径为3mm、高450mm的弹簧(5)加压，当到达规定压力值f时立即将螺栓(6)拧紧并撤掉压力机，此时外部压荷载就由弹簧(5)提供。弹簧(5)产生的压力通过长340mm、宽170mm、高20mm的钢板(4)、高35mm的球座(10)、上压钢垫板(8)传递作用到试件(12)上。
步骤5抗渗仪产生0.8MPa的压力水，将压力水通过内径为5mm的进水管(16)及直径为5mm的小孔(15)注入试件(12)的内表面。
步骤6给试件(12)外表面与外径为138mm、厚4mm的有机玻璃套筒(7)之间注水，并用橡皮圈(14)盖住套筒(7)以避免水蒸发。
步骤7当渗流持续时间为7～10h后，收集经套筒(7)上的内径为4mm溢流孔(11)流至外接的量筒中的渗透水，并用精度为0.1g的电子秤计量。记录渗透水的重量、压力f的大小、渗流持续时间。
步骤8增加荷载f，重复步骤4～步骤7。荷载增量由η控制，每次η增大0.1，直至η达到0.8为止(η＝0.1，0.2，...，0.8)，因此，每个试件可得到8组试验结果。
步骤9对其它试件重复步骤1～步骤8，直至完成全部的6个试件的试验工作。
3、试验结果(1)渗透系数计算公式的推导混凝土的渗透系数根据达西定律计算，即q=kμSΔhL---(1)]]>式中q-单位时间内的流量(cm3/s)；k-渗透系数(cm/s)；S-过水面积(cm2)；Δh-水的流入面和流出面间的水头差(cm)；L-渗透距离(cm)；μ-水的粘度。
达西公式要求孔隙平行不发生横向渗透，对混凝土内部孔结构复杂且不断变化的材料是难以做到的，但目前国内外学者认为达西定律对于水泥混凝土还是适用的。对圆环形试件假设仅发生径向渗透，当流量q一定时，在半径为r，厚度为Δr的薄壁两边的水压差Δhr为Δhr=qΔrkμ·2πr·h---(2)]]>对式(2)两边作积分q·∫r1r2drr=kμ·2π·h·∫h1h2dh]]>可得圆环型试件渗透系数计算公式k=-μq·lnr1r22π·h·Δh---(3)]]>
式中k-渗透系数(cm/s)；q-单位时间内收集的水流量(cm3/s)；r2-环状试件的外半径(cm)；r1-环状试件的内半径(cm)；h-环状试件的高度(cm)；Δh-水流入面和流出面间的水头差，本实验中即为砂浆渗透仪压力表读数；μ-水的粘度。
(2)荷载对混凝土渗透性的影响表3 不同应力比下混凝土试件的渗透系数k/10-10cm.s-1
表3分别为不同配合比、不同强度混凝土试件的渗透系数k随应力比η的变化。由表3看出①混凝土试件的渗透性与抗压强度密切相关，强度越高，渗透系数越小。强度高的混凝土试件，不仅由于成型水灰比较低，水泥浆体结构较致密，而且由于单位体积集料用量较少，因此集料-水泥浆体界面较少。然而，集料-水泥浆体界面处的过渡区是混凝土中的薄弱部位，容易成为水渗透的通道，在受应力作用时也容易引发裂缝的生成和扩展。
②各试件的渗透系数随应力比的变化规律基本相同。当应力比小于0.3时，各试件的渗透系数随应力比增大而逐渐减小，除个别试件外，大约在应力比为0.6左右渗透系数达到最小。当应力比超过0.6后，渗透系数突然增大。
究其原因，应力引起的混凝土渗透性的变化显然与结构变化、尤其是水泥浆体—集料界面和裂缝状态的变化有关。在试件所受到的是轴向压力，荷载方向与水的渗流方向垂直。压力对混凝土中裂缝状态和渗透性有相反的两个作用在一定范围内，压力将引起混凝土中与荷载方向平行、或者说与荷载方向偏差较小的原生裂缝的扩展及新生裂缝的形成，导致混凝土渗透性的增大；而另一方面，压力方向垂直于原生裂缝则在一定程度上被“压合”，使得混凝土渗透性的降低。因此，压力对混凝土渗透性的影响是这两种作用的综合效应。值得注意的是，本实验中所用混凝土试件是圆筒状试件，受压荷载作用时，试件轴向变形导致被“压合”裂缝(严格讲应该为“裂面”)是与水的渗流方向平行，而径向变形产生的裂缝(裂面)则多数与水的渗流方向垂直，这两类裂缝对混凝土渗透系数的影响程度是有较大差异。
③由于以上两种效应，混凝土在所受压应力f低于30％极限应力fc时，其中的集料—水泥浆体界面缝是稳定的，不会扩展。当f达到30～50％fc时，界面缝将在过渡区内缓慢扩展。当f超过fc的50％时，裂缝扩展就可以延伸到水泥基材中。而当f超过fc的75％时，水泥基材中的裂缝也会不停扩展，最终导致混凝土破坏。本实验中混凝土试件在应力比为0.1～0.2时，渗透系数略有降低但变化较小。而当应力比0.3时候，渗透系数会突然变小，这是压应力使得混凝土内部的一些原始微裂缝闭合所致，而此时应力还不能使骨料与水泥浆体界面产生裂缝。当应力比增加到0.3～0.6时，渗透系数继续减小，从理论上讲，此时荷载已足以引起裂缝的扩展，因此渗透系数的继续减小说明此时裂缝的扩展和形成对混凝土渗透性的增大效应仍小于与于水渗流方向平行的裂缝“压合”对渗透性的降低效应。应力比进一步增加到0.6时，渗透系数转为增大，这是因为骨料与水泥浆体界面裂缝不断产生新裂缝并开始扩展。当应力达0.7和0.8时候渗透系数呈显著增加。按照混凝土中裂缝产生扩展规律，这时试件中的砂浆部分也开始产生裂缝，并不断发展与毛细孔等渗水通道相互联结，裂缝扩展对渗透性的影响已大大超过了裂缝“压合”的影响。
(3)渗透系数与应力比及混凝土强度的关系根据本实验结果，当应力比小于0.6时，渗透系数随着应力比的增加而减小，渗透系数随着应力比的变化趋势看，两者近似呈负指数函数关系。因此，对表3中各组试件(每组2个)实验数据按下式进行拟合k＝k0e-aη(4)式中k-不同应力比η(η≤0.6)时混凝土的渗透系数(10-10cm/s)；k0和a-回归系数，其中k0的物理意义也就是无应力状态下混凝土的渗透系数(10-10cm/s)。
由式(4)拟合的结果(k0、a)见表4。
表4 表3中实验数据按式(4)拟合结果
从表4看出①渗透系数与应力比密切相关。这样利用式(4)只需试验得出没有外部应力作用下试件的平均渗透系数，便能估算在一定应力比(小于0.6)下该组试件的渗透系数了。
②混凝土试件的渗透性与抗压强度密切相关，强度越高，渗透系数越小。从表4的拟合结果也可以看，抗压强度不同的各组试件的拟合参数中，a的值相差不大，即压力对不同强度混凝土的渗透性的影响基本相同。不同抗压强度试件k0值相差较大，说明无应力状态下混凝土的渗透系数与抗压强度密切相关。
根据表4中结果，用下式对kfc4～η关系进行拟合kfc4=k1e-a1η---(5)]]>其中k的单位为10-10cm/s，fc的单位为MPa。拟合结果为k1＝8.694×106，a1＝1.4425，复相关系数R＝0.865。
从拟合结果可以看出，各组试件按式(5)和式(4)拟合结果无明显差别。比较式(5)和式(4)，实际上可以看作k0=kfc-4,]]>即无应力状态下混凝土的渗透系数与抗压强度4次方得倒数成正比。根据式(5)可以在相似条件下，制备的不同强度混凝土在不同压荷载的条件下的渗透系数，估算某一强度混凝土在相应压荷载下的渗透系数。
综上分析，压荷载的存在会影响混凝土的渗透性。当压应力低于60％极限应力时，压力使得混凝土与荷载方向垂直的原生裂缝则在一定程度上被“压合”，使得混凝土的渗透系数随应力比的增大而近似呈负指数函数减小。压应力达到70％极限应力后，荷载引起的裂缝扩展对渗透性的影响已超过了裂缝“压合”的影响，混凝土的渗透性随应力比的增大而显著增大。混凝土的渗透系数与其抗压强度4次方的倒数存在密切的相关性。
权利要求
1.一种水工混凝土在荷载渗作用下透性能测试装置，其特征在于它是由加压装置及混凝土试件室两部分组成，其中加压装置由钢底盘(1)、钢立柱(2)、钢板(3)、钢板(4)、弹簧(5)、螺栓帽(6)构成，钢底盘(1)、钢板(3)和钢板(4)的四周各钻有对称的四个圆孔，将四根圆形钢立柱(2)分别穿过钢底盘(1)、钢板(3)、钢板(4)上的四个圆孔中，在钢底盘(1)与钢板(4)之间放置混凝土试件室(17)，钢板(3)与钢板(4)之间的四根钢主柱(2)上分别套上一根弹簧(5)，然后分别用螺栓帽(6)固定；混凝土试件室(17)中的圆形套筒(7)固定在钢底盘(1)上，圆筒形混凝土试件(12)放置在套筒(7)内，混凝土试件(12)的底部垫上一块下压钢垫板(9)，其顶部盖上一块上压钢垫板(8)，在上压钢垫板(8)与钢板(4)之间放置一个球座(10)。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于所述的圆形钢立柱(2)的基部是座子，上部带有螺纹。
3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于所述的圆形套筒(7)是用有机玻璃制成，并用环氧树脂胶粘固定在钢底盘(1)上，套筒(7)的一侧开有一个溢流孔(11)。
4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于所述的混凝土试件(12)与套筒(7)两侧之间均留有充水空隙，并在两侧的空隙上用橡皮圈(14)盖住。
5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于所述的上压钢垫板(8)内开有一个小孔(15)与进水管(16)相连后再连接至抗渗仪上。
6.一种用权利要求1的测试装置对水工混凝土在荷载作用下渗透性能的测试方法，其特征在于测试步骤如下(1)液压式压力试验机通过钢板(3)对弹簧(5)加压，当到达规定压力值时立即将螺栓帽(6)拧紧并撤掉压力机，此时外部压荷载就由弹簧(5)提供了；(2)弹簧(5)产生的压力通过钢板(4)、球座(10)、上压钢垫板(8)传递作用到圆筒形混凝土试件(12)上；(3)抗渗仪产生压力水，将压力水通过进水管(16)及小孔(15)注入混凝土试件(12)的内表面；(4)给混凝土试件(12)外表面及有机玻璃套筒(7)之间空隙注水，使水面与溢流孔(11)齐平，然后用橡皮圈(14)盖住套筒(7)以避免水蒸发；(5)收集经套筒(7)上的溢流孔(11)流入外接的量筒中的渗透水；(6)利用量筒中的渗透水，用以下的推导公式换算求得混凝土的渗透系数；圆环型混凝土试件渗透系数计算公式k=μq·lnr1r22π·h·Δh]]>式中k-渗透系数(cm/s)；q-单位时间内收集的水流量(cm3/s)；r2-环状试件的外半径(cm)；r1-环状试件的内半径(cm)；h-环状试件的高度(cm)；Δh-水流入面和流出面间的水头差，μ-水的粘度。
全文摘要
一种水工混凝土荷载渗透性能测试装置，包括加压装置和试件室两部分，其中的加压装置是由钢底盘、钢板、钢立柱、弹簧和螺栓帽等部件组成；试件室由套筒、上压钢垫板、下压钢垫板、球座、混凝土试件等组成；其测试步骤为，将压力试验机通过钢板对弹簧加压，达到规定压力后立即用螺栓拧紧，并撤掉压力机，此时外部压荷载就由弹簧提供；弹簧产生的压力通过钢板、球座、上压钢垫板传递到混凝土试件上；由抗渗仪产生的压力水通过进水管及小孔注入试件的内表面；给试件外表面与套筒之间的空隙中注水，使水面与溢流孔齐平后用橡皮圈盖住；收集溢流孔流入量筒中的渗透水，用推导的公式计算出混凝土试件的渗透系数，本装置结构简单，能保证荷载长期稳定，测试数据可靠。
文档编号G01N13/04GK101074912SQ200710023139
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月6日 优先权日2007年6月6日
发明者顾冲时, 方永浩, 吴中如, 郑东健, 包腾飞, 苏怀智, 王建 申请人:河海大学