磁场-持续荷载耦合作用下混凝土氯离子侵蚀装置及方法

摘要

本发明公开磁场‑持续荷载耦合作用下混凝土氯离子侵蚀装置及方法，千斤顶下端连接压力传感器，变向荷载装置下表面垂直压在混凝土试验块的上端面，混凝土试验块的下段浸在盛放有氯化钠溶液的储液槽内，储液槽两侧的每个空腔中各放置一个磁铁，两个磁铁之间的磁场穿过氯化钠溶液和混凝土试验块下段；按配合比制备混凝土试验块，养护后选择光滑侧面进行散斑制作，有散斑的表面朝向盛放体；千斤顶施加压力，打开DIC设备，根据设定的试验周期对混凝土试验块表面进行定期图像采集，对采集的图像进行分析，将混凝土试验块取出分析，得到侵蚀结果；不但可长时间对混凝土测试块进行监测，而且可最大限度地模拟真实的应力、磁场和侵蚀，提高模拟的准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑用混凝土的耐久性试验技术领域，具体地，涉及磁场和持续荷载耦合作用下的混凝土氯离子侵蚀装置及其试验方法。

背景技术

混凝土是基础设施建设中重要的工程材料，混凝土结构占到全世界土建工程的80-90％。对于沿海地区的钢筋混凝土结构，服役期间会受到明显的氯离子侵蚀作用，氯离子的侵蚀会导致钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀，从而造成严重的耐久性问题。真实环境下，氯离子对混凝土的侵蚀不是单独作用的，会受到其它因素的影响。服役状态下的钢筋混凝土构件，例如柱、桥墩等长期处于受压状态，便产生混凝土的徐变，徐变会导致混凝土产生微裂缝，从而加速氯离子的侵蚀。磁电相生，电荷的流动会产生感应磁场。随着科学技术的进一步发展与电子科技的广泛应用，自然和工业环境中会产生大量的磁场，而钢筋混凝土结构正服役于这样的磁场环境中，带电粒子在磁场中会受到磁场力的作用，氯离子作为带电粒子在混凝土中侵蚀必然会受到磁场的影响。因此，对于沿海地区的钢筋混凝土结构耐久性研究，尤其是氯离子侵蚀的研究，考虑磁场和持续荷载耦合作用下的氯离子侵蚀具有重要的理论和工程价值。

当前已有的混凝土长期持载装置，用的是千分尺来测量混凝土表面的应变，从而获得相应的徐变结果，但是通过千分尺进行测量只能得到局部的应变数据，局部的应变数据无法准确分析整个构件的徐变情况，而通过DIC设备进行测量，可以得到整个平面以及任意位置的应变结果，但因为其高昂的价格无法做到每一块被测混凝土都能配备且进行长期测量。中国专利公开号为CN115683856A、名称为“混凝土矩形截面柱竖向荷载现场监测方法”的文献中公开的混凝土监测方法，在柱体中下部选定加载测试区，布置柱体围压加载系统。在加载测试区上布置水准尺和正交型应变片，虽然克服了钢筋混凝土柱体结构竖向荷载监测造成的柱体弯曲、倾斜和人为误判因素等问题，但是，并没有考虑到混凝土的徐变以及磁场对于氯离子的侵蚀存在影响。

发明内容

本发明的目的为了解决以上现有技术存在的问题，本发明提出一种磁场-持续荷载耦合作用下的混凝土氯离子侵蚀装置及其试验方法，考虑到混凝土的徐变以及磁场对于氯离子的侵蚀存在影响，进行相应的多因素耦合作用下的氯离子侵蚀试验，达到模拟磁场和持续荷载耦合作用下的混凝土受氯离子侵蚀的目的。

为了实现上述发明目的，本发明所述的磁场-持续荷载耦合作用下混凝土氯离子侵蚀装置采用如下技术方案：混凝土试验块垂直布置，上端从下至上依次设置变向荷载装置、压力传感器和千斤顶，千斤顶下端连接压力传感器，压力传感器的下端压在变向荷载装置上表面的中心，变向荷载装置下表面垂直压在混凝土试验块的上端面，混凝土试验块的下段浸在盛放有氯化钠溶液的储液槽内，混凝土试验块和盛放体面对面布置，盛放体内设有DIC设备；所述的储液槽两侧各开有一个与氯化钠溶液不相通的空腔，每个空腔中各放置一个磁铁，两个磁铁之间形成磁场，磁场穿过氯化钠溶液和混凝土试验块的下段；所述的变向荷载装置具有一个壳体，壳体内部设置压块、压力球和压力柱，压块盖在壳体的上口，压力传感器的下端接触压在压块上表面的正中间，压块的下底面上开有若干个开孔，每个开孔内嵌有一个压力球，压力球的下半部分向下伸出开孔外，每个压力球下方均设有一个压力柱，一个压力柱上端与一个压力球下端点相接触，每个压力柱均穿过壳体底面上相应的一个通孔，下端均压在混凝土测试块的上端面上。

进一步地，所述的储液槽的顶部设有第一激光笔和第二激光笔，第一激光笔和第二激光笔的照射方向夹角呈直角，第一激光笔的对面是第一参照板，第二激光笔的对面是第二参照板，与第二参照板相对应。

进一步地，所述的压力柱是圆柱体或是斜圆柱体。

所述的侵蚀装置的试验方法采用的技术方案是：

按照设定的混凝土配合比制备混凝土试验块，经养护后选择光滑的侧面进行散斑制作，将混凝土试验块下端浸在储液槽内，有散斑的表面朝向盛放体；千斤顶施加压力，压力传感器显示压力值大小，打开DIC设备，根据设定的试验周期对混凝土试验块表面进行定期图像采集；图像采集后对采集的图像进行分析，将混凝土试验块取出分析，得到磁场和荷载耦合作用下氯离子对混凝土的侵蚀结果。

进一步地，混凝土试验块所用的配合比为：水泥360kg/m3、水190kg/m3、砂665kg/m3、碎石1167kg/m3，搅拌后制备成型后，放在温度为20±2℃，相对湿度大于95％的标准养护室养护，养护28d后取出静置24h。

进一步地，对混凝土试验块的氯盐侵蚀区域取样，利用氯离子含量测定仪测量氯离子浓度并计算氯离子扩散系数，图像分析时采用表面的纵向应变值来表征长期荷载作用下混凝土试验块所产生的损伤，再结合所磁场强度，得到侵蚀结果。

本发明通过设置千斤顶、压力传感器、激光笔、变向荷载装置和磁场模拟装置等，以此来达到有效模拟磁场和复杂压应力环境作用下混凝土受氯离子侵蚀的目的。本发明实用性强，使用起来非常方便，不但可以长时间对混凝土测试块进行监测，而且可以最大限度地模拟真实的应力、磁场和侵蚀，极大的提高了模拟的准确度，提高了监测混凝土受氯离子侵蚀的准确度。

附图说明

图1为本发明所述的磁场-持续荷载耦合作用下混凝土氯离子侵蚀装置的立体结构示意图；

图2为图1中千斤顶、压力传感器、变向荷载装置与局部混凝土试验块的结构放大图；

图3为图1中标定板、盛放体与两个遮挡板之间的装配结构放大图；

图4为图3中第一遮挡板的铰接结构放大图；

图5为图2中变向荷载装置与局部混凝土试验块的结构放大图；

图6为图5中压块的仰视图；

图7为图1中磁场模拟装置的俯视图；

图8为实施例的试验结果曲线图。

图中：1、第一板体；2、第一立柱；3、第二立柱；4、第一遮挡板；5、盛放体；6、第二遮挡板；7、标定板；8、第四板体；9、轮子；10、第一参照板；11、第一激光笔；12、第二激光笔；13、千斤顶；14、压力传感器；15、混凝土试验块；16、第二参照板；17、凹槽；18、销孔；19、销子；20、第二板体；21、第三立柱；22、第四立柱；23、变向荷载装置；24、压块；25、开孔；26壳体；27、压力球；28、压力柱；29、第三板体；31、储液槽；32、第一磁铁；33、第二磁铁；34、第三激光笔；35、第一空腔；36、第二空腔。

具体实施方式

参见图1-2所示，本发明磁场-持续荷载作用下混凝土氯离子侵蚀试验装置，混凝土试验块15垂直布置，其上端从下至上依次设置变向荷载装置23、压力传感器14和千斤顶13，千斤顶13的上端固定连接于第一板体1上，第一板体1水平设置。千斤顶13的下端连接压力传感器14，压力传感器14用于检测千斤顶13加载的压力。压力传感器14的下端压在变向荷载装置23上表面的中心，变向荷载装置23的下表面垂直压在混凝土试验块15的上端面，变向荷载装置23固定连接于第二板体20上。混凝土试验块15、变向荷载装置23、压力传感器14和千斤顶13四者的中心轴共线。

混凝土试验块15的下段浸在磁场模拟装置内，磁场模拟装置外部是一个储液槽31，储液槽31内盛放了氯化钠溶液，使混凝土试验块15的下段浸在氯化钠溶液中。

储液槽31固定置放在第三板体29上表面中间位置，在第三板体29下方设置第四板体8。所述的第一板体1、第二板体20、第三板体29和第四板体8由上至下有间隔地水平布置，均是方形结构。在第一板体1、第二板体20、第三板体29和第四板体8方形结构的四个角的每角处各用一个立柱将这四个板体共同固定，四个立柱分别是第一立柱2、第二立柱3和第三立柱21、第四立柱22。在立柱与板体的连接处用螺母调节和固定，调节上下两个板体之间的距离并固定。第一板体1、第二板体20、第三板体29和第四板体8结构相同且面积相同，最下方的第四板体8的面积大于第一板体1、第二板体20和第三板体29的面积。第四板体8的底部设有轮子9，用于移动整个装置。

磁场模拟装置的顶部面上和侧面上均设有激光笔，磁场模拟装置顶部面上的激光笔与设置在第四板体8上的参照板相对应，磁场模拟装置侧边板体上的激光笔与第三板体29的顶部面相对应，测试块15通过变向荷载装置和磁场模拟装置来模拟实际的应用场景。

第二板体20的一个侧面铰接第一遮挡板4的一端，第一遮挡板4的下方是第二遮挡板6，第二遮挡板6的一端铰接第三板体29的侧面，第一遮挡板4和第二遮挡板6的另一端共同铰接盛放体5，盛放体5内设有DIC设备。在第二板体20和第三板体29的侧面之间设有标定板7，标定板7在盛放体5和混凝土试验块15之间，标定板7为垂直的长方形结构，其两侧面分别与混凝土试验块15和盛放体5面对面。

如图3所示，第一遮挡板4与第二遮挡板6均为梯形结构，与第二板体20和第三板体29相铰接的这端的边长较长，与盛放体5连接的这端的边长较短。如图4所示，第一遮挡板4与第二板体20连接的这端面的中间开有长形的凹槽17，凹槽17的两旁边开有插孔18，凹槽17的尺寸稍大于标定板7的尺寸，通过销子19插入到插孔18中，与第二板体20形成铰接结构。当第二板体20向下移动或标定板7需要抽出时，标定板7可以从凹槽17中穿出。第二遮挡板6上不开有凹槽17，但与第三板体29之间通过销子19和插孔18铰接。第一遮挡板4与第二遮挡板6通过销子19进行旋转，第一遮挡板4与第二遮挡板6除了起到固定作用外，对DIC设备的观测范围进行限定，第一遮挡板4与第二遮挡板6内侧可以设置锡纸，DIC设备进行监测时可最大程度地增强观测光线。

盛放体5为长方型壳体结构，与标定板7相互平行，盛放体5在与标定板7面对的一侧面上设有开口，DIC设备的摄像头通过该开口与标定板7相对应。

储液槽31的顶部面上设有第一激光笔11和第二激光笔12，第一激光笔11和第二激光笔12的照射方向夹角呈直角，第一激光笔11的对面是第一参照板10，与第一参照板10相对应，第二激光笔12的对面是第二参照板16，与第二参照板16相对应。第一参照板10和第二参照板16结构相同，均为长方型结构，均垂直布置，相互垂直，下端均固定连接于第四板体8上。

在储液槽31的侧面上设置第三激光笔35，第三激光笔35的发射方向是上下垂直方向，垂直于第三板体29，第三激光笔35向地面照射，以地面作为参照画上标记。

如图5和图6所示的变向荷载装置23，设置在第二板体20的底部面上，变向荷载装置23与第三板体29之间是混凝土试验块15。变向荷载装置23具有一个壳体26，为正方型凹槽结构，上口是凹槽敞口，壳体26的上口边缘与第二板体20的底部面相固定。壳体26内部设置压块24、压力球27和压力柱28。压块24的上表面与壳体26的上表面平齐。压块24为方形结构，盖在壳体26的凹槽上口，封在壳体26凹槽的开口处。压力传感器14的下端接触压在压块24上表面的正中间，压块24的下底面上开有若干个开孔25，通常若干个开孔25呈阵列均匀布置。每个开孔25内嵌有一个压力球27，压力球27的外径与开孔25的内径相适应，压力球27的下半部分向下伸出开孔25外。每个压力球27下方均设有一个压力柱28，一个压力柱28上端与一个压力球27下端点相接触，每个压力柱28均穿过壳体26底面上相应的一个通孔，下端均压在同一个混凝土测试块15的上端面上。压力柱28采用圆柱体或者是斜圆柱体，即压力柱28的中心轴垂直或者倾斜，压力柱28根据实际的模拟场景进行测试，变向荷载装置23通过其中的压力柱28对混凝土测试块15进行按压。

压块24的开孔25可以根据实际的应用进行选装，在通常情况下开孔25均匀分布在压块24上面，而需要改变的时候可以选择开孔25的布局，同样改变压力球27的大小监测的效果也不同。特别是对于一些特殊建筑混凝土进行监测的时候，通过压力柱28的形状进行不同位置和压力方向的监测，可最大程度最真实地反应出监测结果。

如图7和图1所示的磁场模拟装置，外部是储液槽31，储液槽31上口敞开，中间是储液槽容腔，储液槽容腔的两侧各开有第一空腔35和第二空腔36，第一空腔35和第二空腔36与储液槽中间容腔不相通，相对于储液槽中间容腔对称布置。在每个空腔中各放置一个磁铁，第一空腔35中放置第一磁铁32，为永磁铁，第二空腔36中放置第二磁铁33，为永磁铁。在第一磁铁32和第二磁铁33之间形成磁场，磁场穿过储液槽中间容腔中的氯化钠溶液，也穿过浸在其中的混凝土试验块15的下段。在第一空腔35和第二空腔36的底部面上设有位置刻度线，记录第一磁铁32和第二磁铁33当前位置以及移动位置。

在使用的时候，通过变向荷载装置23对混凝土试验块15进行夹装，通过千斤顶13对混凝土试验块15进行按压，压力传感器14将压力传送，检测混凝土试验块15所承受的压力，而监测混凝土试验块15在持续荷载作用下所产生的徐变需要很长的时间，通过盛放体5内的DIC设备通过标定板7对混凝土试验块15进行监测，将激光笔照射在参照板上的光斑做好标记，作为磁场模拟装置的初始位置，在长期加载的过程中，通过对比初始位置来保证磁场模拟位置的不变，这样能够让磁场模拟装置和混凝土试验块15的相对位置长期保持不变的，再通过DIC设备进行定期拍摄，解决长久测量的目的。在实际的模拟场景中，混凝土所承受的力是来自多方向的压力，而并非是垂直的压力，本发明采用变向荷载装置23，这样可以通过多变的压力方向来长时间对混凝土试验块15进行监测，变向荷载装置23采用压块24按压压力球27，并通过压力球27将压力传递给混凝土试验块15，模拟实际应用场景的效果。

在模拟真实场景时，变向荷载装置23、磁场模拟装置和储液槽31这三者的加持下可以模拟出所需要的实用场景，磁场模拟装置内的氯化钠溶液可以模拟出氯离子对混凝土成分的侵蚀，而第一磁铁32和第二磁铁33所形成的磁场模拟出磁场对于混凝土的影响。可以采用霍尔探头和磁感应器以及通过在储液槽31上设刻度可以对整个磁场模拟装置的磁场强度和氯盐溶液含量进行量化。第一空腔35和第二空腔36内的刻度线可以用来作为参考调整第一磁铁32和第二磁铁33的位置，从而达到改变磁场强度大小的目的。

参见图1-7，本发明试验装置工作时，试验方法按以下步骤来实现：

按照设定的混凝土配合比制备混凝土试验块15，养护完成后选择光滑的侧面进行散斑制作便于DIC成像，散斑制作完成静置半天后备用。将制备好的混凝土试验块15放置到磁场模拟装置中，下段浸在储液槽31内，将有散斑的表面朝向盛放体5，打开激光笔将照射在参照板上的光斑做好标记，作为磁场模拟装置的初始位置。将确定好位置的混凝土试验块15利用变向荷载装置进行夹装，同时设定好压力施加方向，随后通过千斤顶13施加压力，压力传感器14显示压力值大小，进一步调整压力至所需荷载大小。通过第一空腔35和第二空腔36的底部面上的刻度线调节磁场大小，利用霍尔探头和磁感应器确定储液槽31中的磁场大小及磁场的N、S极，随后根据储液槽31中的刻度线加注一定质量分数的氯化钠溶液至所需高度。将DIC摄像设备放置在盛放体5中，将标定板7透过第一遮挡板4上的凹槽17插入，打开DIC设备，利用标定板7进行摄像设备的对焦，对焦完成后，将标定板7通过凹槽17取出，随后对混凝土试验块15表面进行一定时间的图像采集，根据设定的试验周期进行定期图像采集。采集完毕后取出DIC摄像设备。试验结束后将混凝土试验块15取出分析侵蚀结果，同时将长期采集的试件表面图像利用相应的图像分析软件进行分析，共同得到磁场和荷载耦合作用下氯离子对混凝土的侵蚀作用。

实施例：

采用长×宽×高的尺寸为100mm×100mm×300mm的混凝土试验块15，混凝土试验块15所用的配合比为：水泥360kg/m3、水190kg/m3、砂665kg/m3、碎石1167kg/m3。在单轴卧式搅拌机进行搅拌，制备成型后放在温度为20±2℃，相对湿度大于95％的标准养护室进行养护，养护28d后取出静置24h，对混凝土试验块15进行散斑制作，先在表面均匀喷洒白色哑光漆形成白色底面，随后均匀喷洒黑色哑光漆形成散斑，静置半天后用于试验。将混凝土试验块15放置到磁场模拟装置中，将有散斑的表面朝向盛放体5，放置完成后，利用第一激光笔11、第二激光笔12和第三激光笔34照射在第一参照板10和第二参照板16上，确定磁场模拟装置在参照板上的初始位置，并用记号笔做好位置标注，使得混凝土试验块15与磁场模拟装置的相对位置保持长期不变。然后，对调整好的混凝土试验块15进行荷载施加，首先调整变向荷载装置23的压力柱28的方向均为垂直向下，随后通过千斤顶13施加压力，根据压力传感器14读数将施加的压力调整到6Mpa。然后利用磁场模拟装置中第一、第二空腔35、36内底部的刻度线调整第一磁铁32、第二磁33的位置，使得两块磁铁离储液槽31的距离相同，用霍尔探头确定储液槽31中磁场的N、S极，通过磁感应器读取储液槽31中的磁场强度大小为4T。确定好磁场方向及大小之后，开始向储液槽31中注入质量分数为5％的氯化钠溶液，加至储液槽31刻度线最高处。将DIC摄像设备放置在盛放体5中，采用DIC摄像设备长期检测，将标定板7透过第一遮挡板4的凹槽17插入，打开DIC设备，利用Snap8软件通过标定板7进行摄像设备的对焦与图像标定，对焦完成后将标定板取出，随后对混凝土试验块15表面进行5s的图像采集，图像采集频率设定为50ms/张，采集完毕后取出DIC摄像设备。试验周期设定为每3天进行一次图像采样，共计10个周期。

试验结束后将混凝土试验块15取出，对试验结果作分析：对氯盐侵蚀区域进行取样，利用快速氯离子含量测定仪测量氯离子浓度并基于Fick定律计算氯离子扩散系数，同时将长期采集的混凝土试验块15表面图像利用相应的图像分析软件进行分析，使用试件表面的纵向应变值来表征长期荷载作用下混凝土试验块15所产生的损伤，记为D，结合所设置的磁场强度值，便可得到磁场-荷载耦合作用下氯离子对混凝土的侵蚀结果。依照上述方法，总计设了6种耦合环境，其中磁场强度共3种。分别为0T、2T、4T，2种压应力为6Mpa和12Mpa，对应所产生的损伤记为D＝1和D＝2。试验结果如图8所示，图8中X轴是磁场强度，Y轴是氯离子扩散系数，由此可见在持续荷载产生相同损伤时，磁场的作用能够明显加速氯离子在混凝土中的扩散，当施加的磁场强度相同时，持续荷载产生的损伤增大，混凝土内氯离子扩散也有所增大，但增幅较小，所以持续荷载和磁场的耦合作用能够明显加速氯离子在混凝土中的扩散。

本发明未详述部分为现有技术，尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，具体实现该技术方案方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。