一种持续压力作用下混凝土耐久性多功能试验系统及方法

摘要

本发明公开了一种持续压力作用下混凝土耐久性多功能试验系统及方法，其中系统包括：上下相对分布的上端板和下端板；固定在所述上端板和下端板之间，且竖直布置的钢拉杆；位于所述上端板和下端板之间，且与所述钢拉杆滑动配合的第一传压板，该第一传压板的中心处设置有孔洞或者凸起物；由上至下布置在所述上端板和第一传压板之间的千斤顶和压力传感器；铰接在所述第一传压板底面的上铰板；铰接在所述下端板顶面的下铰板；受压在所述上铰板和下铰板之间的混凝土试件；固定在所述混凝土试件上的位移传感器。本发明还公开了利用多功能试验系统测试多种侵蚀环境下的混凝土耐久性的方法，装置简单，方法易行，提供对混凝土耐久性的客观评价。

说明书

技术领域

本发明涉及工程混凝土材料与结构耐久性测试领域，具体涉及一种持 续压力作用下混凝土耐久性多功能试验系统及方法。

背景技术

混凝土耐久性决定混凝土结构在整个使用周期中的安全性。国内外统 计资料表明，因混凝土耐久性差带来的直接和间接损失巨大，无论是在发 达国家还是发展中国家均已造成沉重的财政负担。

目前，我国正在开展大规模的基础设施建设，为世界瞩目，许多跨海 大桥，连岛工程以及跨江越海隧道等大型工程不断上马，这些工程、特别 是处于海洋环境中的大型工程对混凝土结构耐久性有着非常高的要求。

近几十年来，国内外开展了大量的混凝土耐久性研究，但是受试验方 法等研究手段的限制，现有混凝土耐久性研究通常注重于环境腐蚀和化学 反应所导致的材料性能变化，而忽视了混凝土承受的荷载与环境的协同作 用。实际使用环境中的混凝土材料和混凝土结构要承受各种持续荷载和环 境的协同作用，如跨海桥梁工程，其不仅要遭受氯离子等有害离子的侵蚀， 而且还要承受着恒荷载以及车辆荷载等的作用。不考虑荷载作用不能合理 反映混凝土材料与结构所处的真实状态，如将无荷载作用下混凝土的耐久 性研究成果直接用于指导工程实践，会夸大混凝土结构的耐久性能。

目前有研究用卸载之后的混凝土渗透性来评价荷载作用下混凝土的 耐久性，但是卸载之后混凝土的变形、损伤等有所恢复，结果不能够反映 混凝土的真实耐久性。因此，需要根据实际持续荷载作用下混凝土的受力 和变形特征，结合环境作用，建立完善的混凝土耐久性试验装置和方法， 并将所得结果广泛用于指导工程实践，这无论是对混凝土结构耐久性设计， 还是对正确评价混凝土结构耐久性寿命都具有重要意义。

综合现有研究资料发现，目前通过后张预应力法或者通过螺杆、钢板 和扭矩扳手来对混凝土试件施加轴向荷载的方法，由于受长期荷载作用下 混凝土徐变的影响，很难保持原有的荷载水平，且混凝土的变形无法实时 监测和控制；在耐久性测试时，需要将装置放入含有氯离子、硫酸根离子 等有害离子的侵蚀溶液，环境对装置的腐蚀对耐久性研究结果影响很大， 试验结果不能准确反映真实荷载水平与耐久性之间的客观关系；同时测量 指标单一，施加荷载方式或较为复杂或较为不便。

基于现有试验装置中对混凝土施加荷载时，荷载分布不均匀，且荷载 无法实时监测和调整，混凝土形变无法实时测试，将装置放入侵蚀溶液中， 测试耐久性时，环境对装置的腐蚀影响混凝土耐久性的测试结果，因此， 需要提供一种能够真实反应混凝土耐久性的试验系统及测试方法。

发明内容

本发明提供了一种简单稳定的持续压力作用下混凝土耐久性多功能 试验系统及方法，可以实现多种侵蚀环境下的混凝土耐久性的快速和长期 测试，提供对混凝土耐久性的客观评价。

一种持续压力作用下混凝土耐久性多功能试验系统，包括：

上下相对分布的上端板和下端板；

固定在所述上端板和下端板之间，且竖直布置的钢拉杆；

位于所述上端板和下端板之间，且与所述钢拉杆滑动配合的第一传压 板，该第一传压板的中心处设置有孔洞或者凸起物；

由上至下布置在所述上端板和第一传压板之间的千斤顶和压力传感 器；

铰接在所述第一传压板底面的上铰板；

铰接在所述下端板顶面的下铰板；

受压在所述上铰板和下铰板之间的混凝土试件；

固定在所述混凝土试件上的位移传感器。

所述千斤顶对第一传压板施加所需荷载，通过铰接在第一传压板底面 的上铰板将荷载传递给位于上铰板和下铰板之间的混凝土试件，在测试过 程中，通过千斤顶调节混凝土试件所受荷载大小。

受徐变的影响，试验过程中混凝土试件上的荷载大小会发生变化，为 了保持荷载恒定，由位于千斤顶和第一传压板之间的压力传感器实时测量 混凝土试件承载的荷载大小，压力传感器与计算机或者配套的数显设备相 连，一旦压力传感器测得混凝土试件受到的荷载值发生变化，则通过千斤 顶调整荷载，使整个试验过程中混凝土试件承受的荷载值维持恒定。

作为优选，所述千斤顶的底面和压力传感器之间设有第二传压板，所 述第二传压板的中心处设置有孔洞或者凸起物。

为了解决混凝土试件各部位受到千斤顶施加的压力分布不均匀，进而 导致应力不均匀的问题，根据千斤顶和压力传感器尺寸在所述第二传压板 和第一传压板的中心处设置孔洞或者凸起物，上铰板铰接在所述第一传压 板的底面，下铰板铰接在所述下端板的顶面，保证千斤顶施加的荷载均匀 分布于混凝土试件的各个部分。

作为优选，所述混凝土试件的顶部和底部分别固定有支撑钢板，所述 位移传感器感应两块支撑钢板的间距变化。

所述混凝土试件在千斤顶提供的持续荷载作用下，发生形变，通过测 量固定在混凝土试件顶部和底部的支撑钢板间的相对位移来表征混凝土 试件的形变。

优选地，所述混凝土试件的外壁设有相对布置的两个渗透室，所述两 个渗透室背向所述混凝土试件的一侧带有紧固端板，两个渗透室的紧固端 板之间通过不锈钢拉杆连接。

所述不锈钢拉杆贯穿所述紧固端板，位于紧固端板背向渗透室的一端 螺纹连接有紧固螺母，通过旋紧紧固螺母将渗透室固定在混凝土试件两 侧，所述渗透室设有进样口，用于向渗透室内填充所需侵蚀溶液。

优选地，所述渗透室与混凝土试件接触面为圆形，且在接触部位设置 有橡胶密封圈。

所述橡胶密封圈使渗透室内部空间密封，保证试验过程中，渗透室内 的侵蚀溶液无渗漏，同时排除外部环境对试验结果的干扰。

优选地，渗透室内装有不锈钢网片，两个渗透室中的不锈钢网片分别 连接电源的正负极。

所述电源开启后，可对两不锈钢网片施加电压，使氯离子、硫酸根离 子等有害离子的扩散加快，用于快速测量有害离子在混凝土试件中的扩 散。两不锈钢网片可以拆卸，拆除后的装置可用于测量有害离子在混凝土 试件中的自然渗透性。

本发明还提供了利用所述多功能试验系统测试混凝土中各有害离子 (包括氯离子、硫酸根离子等)渗透性以及软水或者酸性溶液侵蚀规律的 方法，解决了测试系统易被侵蚀溶液腐蚀的问题，实现对持续压力作用下 混凝土耐久性的客观评价。

一种利用多功能试验系统测试混凝土中氯离子渗透性的方法，包括：

(1)将混凝土试件安置在上铰板和下铰板之间，由千斤顶施加预定 的荷载；

(2)向与电源负极相连的渗透室中注满质量百分比浓度为3％的NaCl 溶液，向与电源正极相连的渗透室中注满0.3mol/L的NaOH溶液；

(3)开启电源，通过不锈钢网对混凝土试件施加电压，同时间隔的 记录电流，测试过程中如果压力传感器的荷载显示值发生变化，则启动千 斤顶进行补载；

(4)通过测得的电流-时间关系曲线得到持续压力作用下混凝土的氯 离子渗透性。

一种利用多功能试验系统测试混凝土中氯离子自然渗透性的方法，包 括：

(1)将混凝土试件安置在上铰板和下铰板之间，由千斤顶施加预定 的荷载；

(2)向其中一个渗透室中注入NaCl溶液；

(3)利用非金属超声仪测试声速在混凝土试件中的传播情况，同时 记录位移传感器信号，测试过程中如果压力传感器的荷载显示值发生变 化，则启动千斤顶进行补载；

(4)当达到预定的时间后，对混凝土试件进行卸载、切片和研磨， 通过滴定得到氯离子在混凝土试件中的分布规律，依据Fick第二定律得到 自然渗透情况下混凝土中的氯离子渗透性。

一种利用多功能试验系统测试混凝土中硫酸根离子侵蚀规律的方法， 包括：

(1)将混凝土试件安置在上铰板和下铰板之间，由千斤顶施加预定 的荷载；

(2)向其中一个渗透室中注入硫酸盐溶液；

(3)利用非金属超声仪测试声速在混凝土试件中的传播情况，同时 记录位移传感器信号，测试过程中如果压力传感器的荷载显示值发生变 化，则启动千斤顶进行补载；

(4)当达到预定的时间后，对混凝土试件进行卸载、切片和研磨， 测试硫酸根离子在受荷混凝土中的运移规律。

一种利用多功能试验系统测试混凝土中软水或者酸性溶液的侵蚀规 律的方法，包括：

(1)将混凝土试件安置在上铰板和下铰板之间，由千斤顶施加预定 的荷载；

(2)向其中一个渗透室中注入软水或者酸性溶液；

(3)定期测定渗透室中钙离子的溶出量或H+的消耗量，以获得混凝 土试件的腐蚀程度；

(4)当达到预定的时间后，取下混凝土试件，测定混凝土试件的腐 蚀深度，即获得软水或者酸性溶液的侵蚀规律。

本发明提供的持续压力作用下混凝土耐久性多功能试验系统，可以实 现荷载的实施监测与调整，实现多种侵蚀环境下持荷混凝土试件的耐久性 快速及长期测试，试验结果可以客观评价实际荷载作用下混凝土的耐久 性，用于指导工程实践。

附图说明

图1为本发明持续压力作用下混凝土耐久性多功能试验系统剖面示意 图；

图2为图1的侧视图；

图3(a)为第一传压板的俯视图；

图3(b)为第一传压板的仰视图；

图4(a)为第二传压板的俯视图；

图4(b)为第二传压板的仰视图；

图5为实施例3中硫酸根离子在混凝土试件中的含量分布图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明持续压力作用下混凝土耐久性多功能试验系 统做详细描述。

如图1、图2所示，一种持续压力作用下混凝土耐久性多功能试验系统 包括：上下相对分布的上端板1和下端板4，固定在上端板1和下端板4之间 的钢拉杆2，位于上端板1和下端板4之间，且与钢拉杆2滑动配合的第一传 压板3，由上至下布置在上端板1和第一传压板3之间的千斤顶6和压力传感 器7，铰接在第一传压板3底面的上铰板8，铰接在所述下端板4顶面的下铰 板9，位于上铰板8和下铰板9之间的混凝土试件21以及固定在混凝土试件 21上的位移传感器24。

钢拉杆2为4根，均竖直设置且相互平行，钢拉杆2的底端固定在下端 板4的顶面，钢拉杆2的顶端贯穿上端板1，穿出上端板1的端头螺纹连接有 螺母5，通过调节螺母5的位置，可以调节上端板1和下端板4之间的距离， 调节上端板1与下端板4保持平行。

第一传压板3与钢拉杆2滑动配合，可沿钢拉杆2滑动，从而将千斤顶6 施加的荷载传递给混凝土试件21。

上铰板8的顶面中心位置设有半球形凸起，第一传压板3底面中心位置 设有形状相应的凹槽，第一传压板3顶面及其底面示意图分别见图3(a) 和图3(b)，通过凸起与凹槽的相互配合，上铰板8可相对第一传压板3转 动；下铰板9的底面中心位置设有半球形凸起，下端板4顶面中心位置设有 形状相应的凹槽，通过凸起与凹槽的相互配合，下铰板9可相对下端板4转 动。

千斤顶6和压力传感器7之间设有第二传压板23，第二传压板23的中心 位置设有凸出物或孔洞，第二传压板23顶面及其底面示意图分别见图4(a) 和图4(b)，同时，上铰板8铰接在第一传压板3的底面，下铰板9铰接在下 端板4的顶面，保证千斤顶施加的压力均匀分布于混凝土试件21的各个部 分。

压力传感器7与计算机或者配套的数显设备相连，实时监测混凝土试 件21承载的荷载大小，一旦压力传感器7测得混凝土试件21受到的荷载值 发生变化，则通过千斤顶6调整荷载，使整个试验过程中混凝土试件21承 受的荷载值维持恒定。

混凝土试件21的顶部和底部通过水平拉杆20分别固定有支撑钢板19， 4块支撑钢板19位于混凝土试件21两相对的侧面的顶部和底部，水平拉杆 20的两端贯穿位于同一水平高度的两支撑钢板19，水平拉杆20穿出支撑钢 板19的端部设有定位螺母，两支撑钢板19之间设有位移传感器24，用于感 应两块支撑钢板19的间距变化，进而得到混凝土试件的应变，位移传感器 24可以是LVDT直线位移传感器，也可以是精密千分表等用于精密测量位 移的仪器。

混凝土试件21的外壁设有相对布置的两个渗透室11，两个渗透室11背 向混凝土试件21的一侧带有紧固端板10，两个渗透室的紧固端板10贯穿有 不锈钢拉杆17，不锈钢拉杆17穿出紧固端板10的端头螺纹连接有紧固螺母 18，旋紧紧固螺母18可以使渗透室11固定于混凝土试件21两侧外壁；两渗 透室11均设有进样口15，用于向渗透室11内填充所需侵蚀溶液，每个渗透 室11的容量大于4750mL，渗透室11与混凝土试件21接触面为圆形，该圆 形直径为100±2mm。

渗透室11与混凝土试件21接触部位设有橡胶密封圈13，使渗透室内部 空间密封，保证试验过程中，渗透室11内的侵蚀溶液无渗漏，同时排除外 部环境对试验结果的干扰。

两个渗透室11内分别装有不锈钢网片12，两个不锈钢网片12分别连接 电源14的负正极，电源14开启后，可对两不锈钢网片12施加电压，使氯离 子、硫酸根离子等有害离子的扩散加快，用于快速测量有害离子在混凝土 试件21中的扩散；不锈钢网片12以及电源14可拆除，拆除后的装置可用于 测量有害离子在混凝土试件21中的自然渗透性和软水及酸性溶液对混凝 土的侵蚀性。

实施例1

利用多功能试验系统快速测试混凝土中氯离子的渗透性，步骤如下：

(1)制作30±2mm或者50±3mm厚的混凝土试件，混凝土试件经真空 饱水后，安置在上铰板和下铰板之间，由千斤顶缓慢施加荷载，施加到预 定的荷载后，停止加压；

(2)向与电源负极相连的渗透室11中注满质量百分比浓度为3％的 NaCl溶液，向与电源正极相连的渗透室11中注满0.3mol/L的NaOH溶液；

(3)开启电源，当采用30±2mm厚的混凝土试件时，施加24V的电压， 每隔5分钟记录通过的电流，测试时间为6h；当采用50±3mm厚的混凝土试 件时，对混凝土试件施加60V的电压，每隔30分钟记录通过的电流，测试 时间持续6h。测试过程中如果压力传感器的荷载显示值发生变化，则启动 千斤顶进行补载；

(4)通过测得的电流-时间关系曲线得到持续压力作用下混凝土试件 的氯离子渗透性。

实施例2

利用多功能试验系统测试混凝土中氯离子的自然渗透性，步骤如下：

(1)制作混凝土试件，将混凝土试件安置在上铰板和下铰板之间， 由千斤顶施加预定的压力；

(2)向其中一个渗透室中注入质量百分比浓度为3％NaCl溶液；

(3)在混凝土试件两个没有与渗透室接触的面，利用非金属超声仪 测试声速在混凝土试件中的传播情况，同时记录位移传感器信号，测试过 程中如果压力传感器的压力显示值发生变化，则启动千斤顶进行补载；

(4)当达到预定的时间后，对混凝土试件进行卸载、切片和研磨， 通过滴定得到氯离子在混凝土试件中的分布规律，依据Fick第二定律得到 自然渗透情况下混凝土中的氯离子渗透性。

实施例3

利用多功能试验系统测试混凝土中硫酸根离子的渗透性，步骤如下：

(1)将混凝土试件安置在上铰板和下铰板之间，由千斤顶施加预定 的荷载；

(2)向其中一个渗透室中注入硫酸盐溶液；

(3)利用非金属超声仪测试声速在混凝土试件中的传播情况，同时 记录位移传感器信号，测试过程中如果压力传感器的压力显示值发生变 化，则启动千斤顶进行补载；

(4)当达到预定的时间后，对混凝土试件进行卸载、切片和研磨， 利用硫酸钡重量法或者EDTA容量法等方法测试硫酸根离子在受荷混凝土 中的运移规律。

混凝土试件的各组分重量比为水泥∶沙子∶石子∶水＝1∶1.68∶3.27∶ 0.57；混凝土试件采用150mm×150mm×400mm的棱柱体试件，选用质量分 数为10％的Na₂SO₄溶液作为侵蚀溶液，对混凝土试件施加0.7f_c的轴压荷载 (f_c为混凝土的轴心抗压强度)，研究硫酸根离子对受压混凝土试件的侵蚀劣 化作用，试验结果如图5所示。

实施例4

多功能试验系统测试混凝土中软水或者酸性溶液的侵蚀规律，步骤如 下：

(1)将混凝土试件安置在上铰板和下铰板之间，由千斤顶施加预定 的压力；

(2)向其中一个渗透室中注入软水或者酸性溶液；

(3)利用容量法或者电导率仪定期测定渗透室中钙离子的溶出量， 或者利用试纸等定期测定渗透室中酸溶液的pH值或H⁺的含量，以获得混 凝土试件的腐蚀程度；

(4)当达到预定的时间后，取下混凝土试件，利用酚酞试剂测定混 凝土试件的腐蚀深度，即获得软水或者酸性溶液的侵蚀规律。