双轴压力作用下混凝土氯离子扩散性能测试系统及其方法与流程

本发明属于混凝土氯离子迁移系数测量技术领域，尤其涉及一种双轴压力作用下混凝土氯离子扩散性能测试系统及其方法。

背景技术：

钢筋锈蚀是引起混凝土结构破坏的主要因素，氯离子侵蚀又是引起钢筋锈蚀的主要因素。因此，氯离子侵蚀是表征混凝土结构耐久性的重要依据。国内外对混凝土结构抗氯离子渗透性能的测定方法做了不少研究，并制定了相关的实验规程。目前主要采用的有电通量法和快速氯离子迁移法(简称rcm法)来表述混凝土抗氯离子渗透性能。电通量法是用在φ100*50mm的混凝土试件两端施加60v的直流电压，通过记录6h内流过的电通量大小来评价混凝土氯离子的渗透性能。恒压下的快速氯离子迁移法是指在φ100*50mm混凝土试件两端施加30±0.2v直流电压，通过初始电流确定通电时间，通过试件中的平均渗透深度来计算混凝土的氯离子迁移系数来评价混凝土氯离子的渗透性能。然而，这两种实验方法无法实现在测试的同时施加各类荷载，而实际情况中混凝土试件常常受到荷载和各类环境因素耦合作用，试件在卸载后裂缝或空隙部分变小或完全闭合，从而影响了氯离子在混凝土结构内部的传输扩散，即氯离子渗透性能。

中国专利“混凝土氯离子渗透性测试的加载装置及测试方法”(专利号200910212680.2公开日20100602)公开了一种双轴压荷载下混凝土氯离子渗透性电量法测试加载装置及测试方法，然而该实验装置采用的是电通量法来评价混凝土氯离子的渗透性能，不能得出混凝土氯离子迁移系数，只能得到表征混凝土渗透能力的电通量。同时，该实验装置通过受拉螺杆维持对混凝土试件的压力，当测试时间较长时由于混凝土试块的徐变而造成压力降低。中国专利申请“混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置及其方法”(申请号201210013077.3公开日20120711)公开了一种单轴持续压荷载下混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置及其方法。

综上，目前对持续双轴压力作用下利用快速氯离子迁移原理测试混凝土氯离子扩散性能的测试装置以及方法在国内仍然是空白。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便的双轴压力作用下混凝土氯离子扩散性能测试系统及其方法，便于对混凝土试件施加持续双轴压缩荷载用于快速氯离子迁移法测试混凝土氯离子渗透性。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

双轴压力作用下混凝土氯离子扩散性能测试系统，包括双轴压缩加载装置和电加速快速氯离子迁移装置；

双轴压缩加载装置主要由钢垫板、掏空的钢板(8)、液压千斤顶一(1)、液压千斤顶二(2)组成；钢垫板包括第一钢垫板(14)、第二钢垫板(15)、第三钢垫板(13)、第四钢垫板(12)、第五钢垫板(16)、第六钢垫板(17)，其中，第一钢垫板(14)和第二钢垫板(15)的一端分别置于直四棱柱体混凝土试件(9)的左下端、右下端，另一端紧靠掏空的钢板(8)，第三钢垫板(13)和第四钢垫板(12)分别置于直四棱柱体混凝土试件(9)的左上端、右上端；第一钢垫板(14)和第五钢垫板(16)之间设有千斤顶一顶压缸(11)，第一钢垫板(14)、千斤顶一顶压缸(11)和混凝土试件(9)三者中心处于同一直线上；第二钢垫板(15)和第六钢垫板(17)之间设有千斤顶二顶压缸(10)，第二钢垫板(15)、千斤顶二顶压缸(10)和混凝土试件(9)三者中心处于同一直线上；

掏空的钢板内部掏空一个五棱柱形；第一钢垫板(14)、第二钢垫板(15)、第五钢垫板(16)、第六钢垫板(17)和掏空的钢板(8)形成一个反力架，掏空的钢板(8)与第一钢垫板(14)、第二钢垫板(15)、第五钢垫板(16)、第六钢垫板(17)之间夹有防导电的聚四氟乙烯膜(28)，混凝土试件(9)与第一钢垫板(14)、第二钢垫板(15)、第三钢垫板(13)、第四钢垫板(12)之间夹有防导电的聚四氟乙烯膜(28)；

电加速快速氯离子迁移装置主要由阳极实验槽(26)、阴极实验槽(24)和圆形储水槽组成，混凝土试件(9)两侧的阳极实验槽(26)和阴极实验槽(24)由夹具(23)和两侧木块(25)固定；阳极实验槽(26)和阴极实验槽(24)均为透明有机玻璃腔体，且腔体与混凝土试件(9)外表面之间紧夹着一层电极板网(31)，电极板网(31)与腔体之间设置着四个沿正方形分布的弹簧(30)；阳极实验槽(26)和阴极实验槽(24)上表面分别设置入水管口一(27)、入水管口二(29)，阴极一侧设有小圆孔口一(32)、小圆孔口三(21)，阳极一侧设有小圆孔口二(33)；

圆形储水槽(18)内设有一个潜水泵(2)，潜水泵(2)、圆形储水槽(18)、圆孔口处套有的软管一(22)、软管二(34)形成一个闭合的流动水循环；软管一(22)一端与阴极实验槽侧面的小圆孔口一(32)处相连，另一端与潜水泵(24)相连；软管二(34)一端与阴极实验槽表面的小圆孔口三(21)处相连，另一端悬置于圆形储水槽(18)上方，软管三(35)一端与小圆孔口二(33)连接，另一端悬空，并通过止水夹控制开关。

阳极实验槽(26)通过上表面入水管口一(27)引出的电源导线与直流稳压电源(19)的正极相连，阴极实验槽(24)通过上表面入水管口二(29)引出的电源导线与直流稳压电源(19)的负极相连。

阳极实验槽(26)和阴极实验槽(24)内分别盛有摩尔浓度0.2mol/l的koh溶液和质量浓度5％的nacl溶液；圆形储水槽(18)中盛有质量浓度为5％的nacl溶液。

掏空的钢板最小尺寸、钢材型号、钢垫板厚度、千斤顶高度、千斤顶承载力之间满足以下关系模型：

a)自变量为钢板尺寸、钢材型号、钢垫板厚度、千斤顶高度，因变量为千斤顶承载力；建立自变量与因变量之间的关系模型；

已知直四棱柱体混凝土试件(9)尺寸为100mm×100mm×50mm，钢垫板(12)、钢垫板(14)、钢垫板(16)、千斤顶一顶压缸(11)、混凝土试件(9)相互平行，且各接触面的垂线与y轴夹角为45度，千斤顶二顶压缸(10)、钢垫板、混凝土试件(9)沿钢板x轴中线对称布置；设千斤顶承载力为f，不同型号的钢材所对应的抗弯强度设计值f，易知最危险点位于钢板内壁的左下角点和右下角点处，基于能量强度理论钢材的最危险点在弯曲拉应力和剪切应力状态下处于弹性工作状态应满足式(1)，

其中，

将(2)式代入(1)式得

将(3)式改写为

上述式(1)-(3)中，钢板掏空处内壁距钢板外表面最短的垂直向间距为a，钢板横向和纵向对应的尺寸为x，钢垫板(12)、钢垫板(13)、钢垫板(14)、钢垫板(15)厚度为d，钢垫板(16)、钢垫板(17)厚度为2d，千斤顶高度为q；

b)自变量为千斤顶承载力、钢材型号、钢垫板厚度、千斤顶高度，因变量为钢板尺寸，建立自变量与因变量之间的关系模型；

设千斤顶承载力为f，不同型号的钢材所对应的抗弯强度设计值f，根据加载装置的内部布局得钢板横向尺寸和纵向尺寸关系式(5)为

将(5)式代入(3)式得

上述式(5)-(7)中，钢板横向尺寸为x，钢板纵向尺寸为y。

使用上述测试系统的双轴压力作用下混凝土氯离子扩散性能测试方法，包括以下步骤：

<一>先放置各钢垫板、千斤顶和混凝土试件(9)，用千斤顶对钢垫块施加压力，通过反力架将力传递到混凝土试件(9)上；

<二>将带电极板网(3)的阳极实验槽(26)和阴极实验槽(24)别分放置在混凝土试件(9)的两侧，同时用木块(25)和夹具(23)固定，随后阳极实验槽(26)下表面小圆孔口二(33)处的软管用夹子夹住，在阳极实验槽(26)入水管口一(27)处注满0.2mol/l的koh溶液，阴极实验槽(24)通过潜水泵(2)注满质量浓度为5％的nacl溶液，随后将阳极实验槽(26)与直流稳压电源(19)的正极相连，阴极实验槽(24)与直流稳压电源(19)的负极相连；

<三>根据cces01－2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，电压调整为30±0.2v的恒压并确定持续时间；

<四>断开电源，先卸去阴阳极实验槽，再卸去荷载，将混凝土试件(9)取出，并擦去试件表面多余水分；然后，在压力试验机上沿混凝土试样上表面纵向中心线处和横向中心线处等分劈裂4成个部分，并在各劈裂面上喷洒0.1mol/l的agn03显色剂，15分钟后，用防水笔描绘出渗透轮廓分界线，并将截面沿顶压缸1中心点铅垂线处和顶压缸2中心点铅垂线处划分成10个部分，取所有切面渗透深度的平均值作为氯离子扩散深度xd,σ，并计算试件在不同荷载下的压应力；

按下式计算混凝土在不同方向轴压状态下的压应力：

式(8)、(9)中：

σ1—截面沿顶压缸1处的平均压应力/mpa；

σ2—截面沿顶压缸2处的平均压应力/mpa；

f1—手动液压千斤顶1所施加的荷载/n；

f2—手动液压千斤顶2所施加的荷载/n；

b—混凝土两极间试件厚度/mm；

h—混凝土试件高度/mm；

<五>按下式计算混凝土非稳态氯离子迁移系数

式(10)中：

drcm，0—rcm测定的混凝土的氯离子扩散系数(m²/s)；

t—阳极电解液的初始温度和结束温度的平均值(k)；

h—试件厚度(m)；

xd,σ—氯离子渗透深度的平均值(m)；

t—通电试验时间(s)。

针对目前混凝土氯离子迁移系数测量存在的技术问题，发明人设计并制作了一种双轴压力作用下混凝土氯离子扩散性能测试系统，包括双轴压缩加载装置和电加速快速氯离子迁移装置；双轴压缩加载装置主要由钢垫板、掏空的钢板(8)、液压千斤顶一(1)、液压千斤顶二(2)组成；电加速快速氯离子迁移装置主要由阳极实验槽(26)、阴极实验槽(24)和圆形储水槽组成。在此基础上，发明人研究了掏空的钢板尺寸、钢材型号、钢垫板厚度、千斤顶高度、千斤顶承载力之间的关系模型，为双轴受压加载装置的设计提供了理论依据。据此，发明人建立了相应的测试方法，利用本发明的测试系统在持续双轴压力作用下对混凝土氯离子扩散性能进行测试，并结合dic图像处理技术，即可用于应力与氯离子扩散系数的关系。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优势：

1.本发明解决了利用快速氯离子迁移原理测试混凝土氯离子扩散性能的测试装置不能对被测试件施加持续双轴压力荷载，无法模拟在役混凝土的实际载荷状态，无法利用快速氯离子迁移法测定持续双轴压荷载条件下混凝土氯离子渗透性的问题。

2.本发明利用千斤顶作为加载源，利用反力架的反作用力对混凝土试件施加持续稳定的双轴压荷载，可以对被测试件施加多种状态下的压力荷载，研究复杂压荷载条件下的混凝土氯离子渗透性，从而揭示混凝土渗透性演变规律，损伤机理及组合机理，若广泛推广于实际工程，可为混凝土结构设计，补强加固，施工提供理论依据。

3.本发明测试装置结构简单，操作方便，测试过程中荷载稳定、可实时显示，并可按需要随时调整、逐级加载，测试结果稳定、可靠。

4.本发明建立了掏空的钢板尺寸、钢材型号、钢垫板厚度、千斤顶高度、千斤顶承载力之间的关系模型，节省了设计加载装置的材料，为双轴受压加载装置的设计提供了理论依据。

5.基于本发明，引入了dic图像处理技术，可以分析应变与氯离子扩散系数的关系，为揭示混凝土结构在多场耦合作用下规律提供了补充。

附图说明

图1是安装有直四棱柱体混凝土试件的本发明测试系统的结构和使用状态示意图。

图2是图1的正视图。

图3是图1的左视图。

图4是图1的俯视图。

图5是安装有直四棱柱体混凝土试件的本发明测试系统结合dic图像处理的结构和使用状态示意图。

图6是图5的正视图。

图7是图5的左视图。

图8是图5的俯视图。

图9是本发明测试系统中含有潜水泵的圆形储水槽的结构示意图。

图10是展示直四棱柱体混凝土试件、千斤顶、聚四氟乙烯膜、钢垫板相对位置关系的爆炸视图。

图11是展示直四棱柱体混凝土试件、阳极实验槽、阴极实验槽、电极板网相对位置关系的爆炸视图。

图12是应用本发明进行氯离子迁移实验后混凝土切片的示意图。

图13是应力水平与氯离子扩散系数的关系曲面。

图14是本发明测试方法的流程图。

图中：1液压千斤顶一，2液压千斤顶二，3电脑，4钢块，5工业相机，6动滑轮，7高强螺丝，8掏空的钢板，9直四棱柱体混凝土试件，10千斤顶一顶压缸，11千斤顶二顶压缸，12第四钢垫板，13第三钢垫板，14第一钢垫板，15第二钢垫板，16第五钢垫板，17第六钢垫板，18圆形储水槽，19电源，20潜水泵，21小圆孔口三，22软管一，23夹具，24阴极实验槽，25木块，26阳极实验槽，27入水管口一，28聚四氟乙烯膜，29入水管口二，30弹簧，31电极板网，32小圆孔口一，33小圆孔口二，34软管二，35软管三。

具体实施方式

如前所述和图1-图11展示，本发明双轴压力作用下混凝土氯离子扩散性能测试系统，包括双轴压缩加载装置和电加速快速氯离子迁移装置。为便于dic图像处理分析，在测试系统的基础上增加了电脑3和工业相机5，工业相机5通过数据线来连接电脑且工业相机5镜头对准混凝土试块9；通过电脑操作记录相同材料和配合比的混凝土试件在不同双轴压荷载作用下的应变，并将之前的氯离子扩散系数与应变联系起来，从而为混凝土在荷载和氯离子耦合作用下的分析提供补充。

根据前述基于能量强度理论推导的公式，本装置在实验所需施加的最大荷载和安全范围内选用的掏空钢板(10)为边长为500mm的正方形，厚度为50mm，第一钢垫板(14)、第二钢垫板(15)、第三钢垫板(13)、第四钢垫板(12)厚度均为10mm，第五钢垫板(16)、第六钢垫板(17)厚度均为20mm，顶压缸高度为75mm，且钢垫板(12)、钢垫板(14)、钢垫板(16)、千斤顶一顶压缸(11)、混凝土试件(9)相互平行，且各接触面的垂线与铅垂线夹角为45度，钢垫板(13)、钢垫板(15)、钢垫板(17)、千斤顶二顶压缸(10)、分别与钢垫板(12)、钢垫板(14)、钢垫板(16)、千斤顶一顶压缸(11)沿钢板水平边中线对称布置。其中，为方便移动，掏空的钢板(10)下表面焊接着一个钢块(4)，钢块(4)底面四角分别通过高强螺栓(7)连接外径为75mm动滑轮(6)。

首先安置好各钢垫块、顶压缸、混凝土试件，由于此时未加载，各钢垫块、顶压缸、混凝土试件之间有富余空间，调整各部件使垫板(12)、钢垫板(14)、钢垫板(16)、千斤顶一顶压缸(11)、混凝土试件(9)接触面中心点位于同一直线上，钢垫板(13)、钢垫板(15)、钢垫板(17)、千斤顶二顶压缸(10)、混凝土试件(9)接触面中心点位于同一直线上；调整完毕后用液压千斤顶(1)对钢垫板(14)施加压力，通过反力架作用于混凝土试件上，同理用液压千斤顶(2)对钢垫板(15)施加压力，通过反力架将力传递到混凝土试件上，当千斤顶压力计数表数值达到设定数值时，停止施加荷载，通过各钢垫板和掏空的钢板之间构成的反力架使得施加的荷载保持持续和稳定；基于能量强度理论推导的数据见表1、表2。

表1因变量为钢板尺寸的双轴压缩加载装置的各项参数

表2因变量为钢板尺寸的双轴压缩加载装置的各项参数

其中，垫板1指第一钢垫板(14)、第二钢垫板(15)、第三钢垫板(13)、第四钢垫板(12)，垫板2指第五钢垫板(16)、第六钢垫板(17)。

用弹簧将电极板网和阴阳极实验槽连接起来并分别置于混凝土试件的两侧，通过夹具和木块将实验槽和混凝土试件牢牢固定，之后用止水夹夹住阳极实验槽出水口处软管，在阳极实验槽处注满水后检查试件与阳极实验槽边缘处是否有滴水现象，若有滴水则重新装载直至不滴水为止；阴极实验出水口处软管连接接有电源的潜水泵，将潜水泵置于有水的圆形储水槽内，启动电源，储水槽中水流入阴极实验槽中，在阴极实验槽处注满水后检查试件与阴极实验槽边缘处是否有滴水现象，若有滴水则重新装载直至不滴水为止；检查完毕后打开止水夹并关闭电源，放出水后再用止水夹夹住软管，随后将直流稳压电源的正极引出的导线放入阳极实验槽的入水口中，将电源负极引出的导线放入阴极实验槽的入水口中，即：阳极实验槽(26)通过上表面入水管口一(27)引出的电源导线与直流稳压电源(19)的正极相连，阴极实验槽(24)通过上表面入水管口二(29)引出的电源导线与直流稳压电源(19)的负极相连。此时即可进行电加速快速氯离子迁移试验。

参照前述测试方法(图14)，以下采用双轴压缩荷载作用下的电加速快速氯离子迁移试验的具体操作如下；

用p.o42.5级海螺牌普通硅酸盐水泥，细度模数为3.08的钦州河沙，最大粒径为20mm的天然粗骨料按表3所述的配合比浇筑3个150mm×150mm×150mm的立方体试件，置于恒温养护室中养护28d，测定其单轴抗压强度作为氯离子渗透实验双轴加载的参考依据；同时按相同的材料和配合比浇筑100mm×100mm×50mm的棱柱体试件，用来进行双轴荷载作用下电加速氯离子渗透试验。

表3混凝土配合比和混凝土试件立方体抗压强度

步骤一、将钢垫板和100mm×100mm×50mm的棱柱体试件放置于掏空的钢板之间，调整好各接触面中点的位置，调整完毕后用液压千斤顶对钢垫板稍微施加一点压力使得试件能够保持稳定即可。

步骤二、将带电极板网的阳极实验槽和阴极实验槽别分放置在混凝土试件的两侧，同时用木块和夹具固定，随后阳极实验槽下表面出水口处的软管用夹子夹住，在阳极实验槽入水口处注满0.2mol/l的koh溶液。圆形储水槽(30)中盛有质量浓度为5％的nacl溶液，阴极实验槽通过潜水泵注满质量浓度为5％的nacl溶液，随后将阳极实验槽与直流稳压电源的正极相连，阴极实验槽与直流稳压电源的负极相连；

步骤三、根据cces01－2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》确定电压和并确定持续时间。

步骤四、断开电源，先卸去阴阳极实验槽，再卸去荷载，将混凝土试件取出，并擦去试件表面多余水分。然后在压力试验机上沿混凝土试样上表面顶压缸1中心点铅垂线处和顶压缸2中心点铅垂线处等分劈裂4成个部分，并在各劈裂面上喷洒0.1mol/l的agn03显色剂，15分钟后，用防水笔描绘出渗透轮廓分界线，并将截面沿顶压缸1中心点铅垂线处和顶压缸2中心点铅垂线处划分成10个部分，测量白色显色分界线离试件与溶液接触面的平均距离，即氯离子渗透深度平均值xd,σ，并计算试件在不同荷载下的压应力：

按下式计算混凝土沿不同方向轴压状态下的压应力：

式中：

σ1—截面沿顶压缸1处的平均压应力/mpa；

σ2—截面沿顶压缸2处的平均压应力/mpa；

f1—手动液压千斤顶1所施加的荷载/n；

f2—手动液压千斤顶2所施加荷载/n；

b—混凝土两极间试件厚度/mm；

h—混凝土试件高度/mm；

步骤五：按下式计算混凝土非稳态氯离子迁移系数

式(10)中：

drcm，0—rcm测定的混凝土的氯离子扩散系数(m²/s)；

t—阳极电解液的初始温度和结束温度的平均值(k)；

h—试件厚度(m)；

xd,σ—氯离子渗透深度的平均值(m)；

t—通电试验时间(s)。

表4不同双轴压荷载条件下混凝土中氯离子扩散系数

注：nc0.5表示水灰比为0.5的原生混凝土

实验结果表明：

(1)用该测试系统既可以进行在单轴压荷载作用下电加速氯离子迁移实验，也可以进行两个垂直方向的复杂压荷载作用下电加速氯离子迁移实验。

(1)当混凝土试件同时受到两个方向的荷载作用时，沿顶压缸1方向加载水平为最大加载水平的75％时，沿顶压缸2方向加载水平为最大加载水平的25％时，混凝土在荷载作用下的氯离扩散系数最大。这是因为荷载较大时使得混凝土内部的微裂缝持续扩大，为氯离子在其内部的扩散创造了有利条件。同时也注意到未施加荷载时混凝土氯离子扩散系数最大。应力水平与氯离子扩散系数的关系图如图13所示，其中实验最大荷载值为40mpa。