模拟杂散电流与隧道空气环境的混凝土耐久性试验装置与方法

摘要

本发明涉及一种模拟杂散电流与隧道空气环境的混凝土耐久性试验装置与方法，所述的试验装置包括液体环境室、气体环境室、测试电极对、气体状态传感器、气体环境调节单元和控制器，其中，气体环境室设置于液体环境室上方，两者之间对应位置设有刚好安装混凝土试块的开口，液体环境室内装有试验液体，气体状态传感器和气体环境调节单元安装在气体环境室内，并与控制器连接，测试电极对分别置于液体环境室和混凝土试块上部，并通过导线连接至控制器上。与现有技术相比，本发明能够模拟混凝土中有杂散电流存在，且受到隧道复杂的风速、温度、湿度、二氧化碳浓度等空气环境作用的情况，各参数可独立调节、协调作用，环境模拟的真实性强等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混凝土耐久性试验装置与方法，尤其是涉及一种模拟杂散电流与隧道空气环境的混凝土耐久性试验装置与方法。

背景技术

当地铁隧道中有列车经过时，极易产生杂散电流的泄露：电流未从钢轨回流，而是从钢轨泄露到道床混凝土中，并通过隧道衬砌混凝土向土体或地下水中泄露。而地铁隧道中的混凝土服役环境较为特殊：混凝土一侧与地下水或含水土体接触，其中的侵蚀性离子(硫酸根离子、氯离子、镁离子)为杂散电流的产生、混凝土的离子侵蚀提供基本条件；混凝土另一侧与隧道内部空气接触，当空气的温度、湿度、二氧化碳浓度及列车经过时的风速发生变化时，会对混凝土产生一定的破坏作用，或对杂散电流的形成与混凝土的侵蚀起到加快作用。在这样复杂的气体环境下，混凝土耐久性破坏机理具有一定的特殊性，若以传统的耐久性试验方法进行试验，难以得出真实可靠的试验结果，可能为工程应用埋下一定的安全隐患。

传统的杂散电流模拟试验装置主要有两类：一类为模拟杂散电流在土壤中的分布情况的装置，另一类为模拟杂散电流作用下管道等金属材料的锈蚀状况的装置。这两类装置在设计过程中只考虑了电流与土壤环境两种条件，并未考虑隧道中复杂空气环境的模拟方法。同时，现有的恒温恒湿机、碳化箱等设备，均只能控制一种或两种空气环境参数，无法实现复杂参数的模拟，更无法模拟隧道杂散电流、混凝土单侧临水等实际环境。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟杂散电流与隧道空气环境的混凝土耐久性试验装置与方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟杂散电流与隧道空气环境的混凝土耐久性试验装置，包括液体环境室、气体环境室、测试电极对、气体状态传感器、气体环境调节单元和控制器，其中，所述气体环境室设置于液体环境室上方，两者之间对应位置设有刚好安装混凝土试块的开口，并使得测试时，混凝土试块的下部置于液体环境室内，上部处于气体环境室中，所述液体环境室内装有试验液体，所述的气体状态传感器和气体环境调节单元安装在气体环境室内，并与所述控制器连接，所述的测试电极对的其中一个置于液体环境室内，另一个预埋入混凝土试块伸入气体环境室的上部，所述测试电极对还分别通过导线连接至控制器上。

作为优选的实施方案，所述的气体环境调节单元包括安装在气体环境室内壁上的进气口、降温除湿机、风扇、电阻丝和增湿机，并用于调节气体环境室内的测试气体浓度、风速环境以及温湿度，所述进气口还通过管道连接外部装有测试气体的气瓶。本发明中，测试气体主要为二氧化碳，各调节部件中，气瓶内一般填充二氧化碳气体，以调节气体环境室内的二氧化碳浓度，也可以根据需要填充其他气体；降温除湿机(压缩机)分为内机与外机，可以对气体环境室实现降温、除湿两种功能；电阻丝可以提高气体环境室内温度；增湿机可以提高气体环境室内的湿度；风扇可对混凝土试块24表面施加不同的风速。

作为优选的实施方案，所述的混凝土试块的中间套有使其上部和下部分别与气体环境室和液体环境室密封的密封圈。

作为上述优选的实施方案的更优选，所述的液体环境室和气体环境室之间采用紧固螺栓拧紧固定，并保证密封圈压缩变形实现密封。

作为优选的实施方案，所述的液体环境室的侧壁上部还安装有液面观察窗。

作为优选的实施方案，所述的液体环境室上端还设有放气阀，在液体环境室内侧壁上还安装有气压继电器，所述气压继电器还反馈连接控制所述放气阀。气压继电器可测试液体环境室中的气压，并在气压过高时自动控制放气阀放气，也可手动操作放气阀进行放气，防止杂散电流模拟过程中生成的气体使液体环境室内气压过高，产生安全隐患；液面观察窗为有机玻璃等透明材质制成，可观察液体环境室部的液面高度。

作为优选的实施方案，所述的液体环境室内安装有高度可调节的支架，所述混凝土试块通过支架安置在液体环境室内，并通过支架调节高度，进而调节混凝土试块处于液体环境室和气体环境室内的尺寸比例。

作为上述优选的实施方案的更优选，所述的支架和液体环境室为采用耐腐蚀且绝缘的塑料材质，或经过耐腐蚀绝缘处理的金属材质。

采用模拟杂散电流与隧道空气环境的混凝土耐久性试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(a)按照所需尺寸成型混凝土试块，并将测试电极预先埋入混凝土试块中；

(b)向液体环境室中加入试验液体，再往液体环境室和气体环境室内密封装入混凝土试块，固定；

(c)将包括电流、风速、温度、湿度和测试气体浓度的试验所需参数设置在控制器上，启动并开始试验，收集混凝土试块的耐久性数据。

本发明的气体状态传感器可监控气体环境室内部的温度、湿度、二氧化碳浓度等指标，并反映在控制器上；控制器可输入试验所需空气环境参数，并通过控制风扇、气瓶、压缩机、电阻丝、增湿机的工作状态，使气体环境室内各参数范围在风速0-20米/秒、温度0-100℃、湿度10-100％、二氧化碳浓度0.03-100％范围内的某一指定下稳定工作，或控制上述参数在相应范围内单向或周期性变化。控制器还可以控制不同的电流输出方式，模拟不同电压强度、电流大小与方向、电流形式直流电或交流电等形式的杂散电流。

本发明的测试电极对可以使用石墨电极，以研究混凝土基体的耐久性，也可以是钢筋电极，以研究钢筋的锈蚀与钢筋混凝土结构的耐久性。

本发明的试验装置可同时模拟不同杂散电流形式，温度、湿度、风速、二氧化碳浓度等空气环境，混凝土单侧临水的复杂环境特征，各个参数可独立调节、协同运作，特别适用于地铁隧道等类似环境下的混凝土耐久性模拟试验。该装置使用方便，运行稳定，可长期连贯使用，且各参数模块之间的协同性好，自动化程度高，运行过程中无需额外操作，节省人力成本。

与现有技术相比，本发明提出的模拟杂散电流与隧道空气环境的混凝土耐久性试验装置，可以同时模拟杂散电流存在，隧道内部不同温度、湿度、二氧化碳浓度、风速的空气环境，混凝土单侧接触地下水等复杂环境条件共同作用于混凝土的过程。其中，杂散电流大小、方向、形式等参数，空气环境中温度、湿度、二氧化碳浓度、风速等参数均可以独立调节，并可根据模拟环境的需要实现协同作用，既可以实现单一状态的长时间模拟，也可以实现复杂状态的周期性模拟。装置使用方便，功能齐全，试验结果可靠，具有良好的推广前景。

附图说明

图1为本发明的试验装置的结构示意图；

图中，1为液体环境室，2为第一测试电极，3为第二测试电极，4为支架，5-7为导线，8为密封塞，9为液面观察窗，10为放气阀，11为气压继电器，12为密封圈，13为紧固螺栓，14为气体环境室，15为环境室操作盖，16为风扇，17为气瓶，18为进气口，19为压缩机，20为电阻丝，21为增湿机，22为气体状态传感器，23为控制器，24为混凝土试块，25为管道，26为试验液体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种模拟杂散电流与隧道空气环境的混凝土耐久性试验装置，其结构如图1所示，包括液体环境室1、气体环境室14、测试电极对、气体状态传感器22、气体环境调节单元和控制器23。

气体环境室14设置于液体环境室1上方，两者之间对应位置设有刚好安装混凝土试块24的开口，并使得测试时，混凝土试块24的下部通过支架4置于液体环境室1内，上部处于气体环境室14中，液体环境室1内装有试验液体26，混凝土试块24的中间套有使其上部和下部分别与气体环境室14和液体环境室1密封的密封圈12，当混凝土试块24装入液体环境室1和气体环境室14内时，通过紧固螺栓13拧紧固定液体环境室1和气体环境室14，使得密封圈12压缩变形，进而实现混凝土试块24在开口处的密封。液体环境室1内安装有支架4，混凝土试块24通过支架4安置在液体环境室1内，并通过支架4调节高度，进而调节混凝土试块24处于液体环境室1和气体环境室14内的尺寸比例。气体环境室14上部还设有环境室操作盖15。

气体状态传感器22和气体环境调节单元安装在气体环境室14内，并与控制器23连接，其中，气体状态传感器22通过导线7与控制器23连接，气体环境调节单元包括安装在气体环境室14内壁上的进气口18、降温除湿机、风扇16、电阻丝20和增湿机21，并用于调节气体环境室14内的测试气体浓度、风速环境以及温湿度，进气口18还通过管道25连接外部装有测试气体的气瓶17。本发明中，测试气体主要为二氧化碳，各调节部件中，气瓶17内一般填充二氧化碳气体，以调节气体环境室14内的二氧化碳浓度，也可以根据需要填充其他气体；降温除湿机(压缩机19)分为内机与外机，可以对气体环境室14实现降温、除湿两种功能；电阻丝20可以提高气体环境室14内温度；增湿机21可以提高气体环境室14内的湿度；风扇16可对混凝土试块24表面施加不同的风速。

测试电极对的其中一个(即第一测试电极2)置于液体环境室1内，另一个(第二测试电极3)预埋入混凝土试块24伸入气体环境室14的上部，测试电极对还分别通过导线5、6连接至控制器23上。其中，第一测试电极2由导线穿过液体环境室1底部的密封塞8，并连接控制器23。

液体环境室1的侧壁上部还安装有液面观察窗9。液体环境室1上端还设有放气阀10，在液体环境室1内侧壁上还安装有气压继电器11，气压继电器11还反馈连接控制放气阀10。气压继电器11可测试液体环境室1中的气压，并在气压过高时自动控制放气阀10放气，也可手动操作放气阀10进行放气，防止杂散电流模拟过程中生成的气体使液体环境室1内气压过高，产生安全隐患；液面观察窗99为有机玻璃等透明材质制成，可观察液体环境室1部的液面高度。

支架4和液体环境室1为采用耐腐蚀且绝缘的塑料材质，或经过耐腐蚀绝缘处理的金属材质。

实施例1

按照表1的配合比成型C30混凝土试块24，成型时在试块内埋入直径10mm的光圆钢筋作为测试电极。成型好的混凝土试块24在20℃±2℃，湿度大于95％的养护室中养护至60天龄期。

表1混凝土试块24成型配合比(单位：kg/m³混凝土)

P·O 42.5水泥II级粉煤灰水中砂碎石220901806901260

调整支架4高度，使混凝土试块24恰好有一半在液体环境室1中，一半在气体环境室14中。向液体环境室1中注入适量预先配制好的3％氯化钠溶液，将混凝土试块24放在支架4上，保证液体环境室1内部的溶液几乎加满。将密封圈12套在混凝土试块24上，并将气体环境室14(气体环境室14操作盖保持打开以便操作)放好，拧紧紧固螺栓13，使液体环境室1、气体环境室14密封性良好，最后关闭气体环境室14操作盖。

在控制器23上设置以下参数：左侧接线柱为正极，右侧接线柱为负极，直流电输出，恒电压20V；风速恒定为15米/秒；温度恒定为50℃，湿度恒定为20％；二氧化碳浓度不进行控制(即始终保持空气中二氧化碳浓度)。启动电源，即开始模拟试验。

实施例2：

按照实施例1的操作方法，改变电流、风速、温湿度、二氧化碳浓度、试验液体26等条件，进行MN-1至MN-7共七组试验，模拟试验时间统一设置为7天，每组试验的具体参数设置见表2。

表2模拟试验条件

模拟试验结束后，采用以下几种方法评价混凝土试块24的耐久性：

采用硝酸银显色法测试氯离子在混凝土试块24中的扩散深度，操作方法为：将试块沿竖向剖开，在其中的一个剖面上喷洒0.1mol/L的硝酸银溶液，待15min后观察白色的氯化银沉淀生成位置，测试该部位距离混凝土试块24下表面的距离，即为氯离子扩散深度。以每组两个混凝土试块24的氯离子扩散深度平均值作为最终测试结果。

采用酚酞滴定法测试混凝土的碳化深度，操作方法为：将上述剖开后的混凝土试块24剖面碎屑清理干净，滴上或喷洒上浓度为1％的酚酞酒精溶液，经过30s后，测试显色位置距离混凝土试块24上表面的距离，即为混凝土碳化深度。以每组两个混凝土试块24的氯离子扩散深度平均值作为最终测试结果。

采用混凝土抗压强度试验机测试试块的抗压强度，以每组两个试块的测试结果平均值作为抗压强度值，除以一组未进行模拟试验的混凝土试块24强度，得出混凝土试块24在模拟试验后的强度指数。

各组试验的测试结果见表3。

表3混凝土试块24耐久性测试结果

试验编号氯离子扩散深度(mm)碳化深度(mm)强度指数(％)MN-142<298.4MN-29<299.0MN-335<297.4MN-44313100.5MN-526<285.7MN-68<295.1MN-724<289.1

从表3的各组的氯离子扩散深度与强度指数测试结果可以看出，试验液体26、气体环境室14内的蒸发条件(主要包括风速、温度、湿度)、电流都会影响侵蚀性离子向混凝土内部的传输，影响混凝土的耐久性。同时，二氧化碳浓度也会明显影响混凝土的碳化深度。

从试验结果中还可以得出，本装置所控制的各个试验参数均可实现独立的调节，不会产生明显的相互影响，不会影响试验装置的正常运行，能够良好地模拟实现杂散电流与隧道空气环境下混凝土耐久性的模拟。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。