复杂作用下混凝土面板溶蚀劣化试验装置及其方法与流程

本发明属于模拟试验技术领域，特别涉及一种复杂作用下混凝土面板溶蚀劣化试验装置及其方法。

本发明涉及到复杂作用下混凝土面板溶蚀劣化试验方法及其装置，尤其是一种模拟混凝土面板复杂应力状态，承受垫层摩擦力作用和高水力梯度下硫酸盐、氯盐等侵蚀性溶液渗透溶蚀作用的试验装置及方法。

背景技术：

水工混凝土是一种多孔介质材料，应力状态与其孔隙比息息相关。在压应力较小时，混凝土内部孔隙闭合，在压应力较大时孔隙张开。承受拉力作用时，内部孔隙会张开，孔隙比增大。混凝土面板作为防渗结构在土石坝、砌石坝、碾压混凝土坝的防渗系统及其加固工程中被广泛应用。应力状态复杂，通常高混凝土面板坝的面板中间受压、两端受压，并且受到垫层摩擦力作用。混凝土面板长期受环境水作用，水中侵蚀性离子如硫酸根、氯离子等与水泥水化产物发生反应使其失去胶凝性而产生劣化，导致混凝土强度降低，面板承载力下降，严重的还会威胁大坝安全。因此，研究混凝土面板在拉、压应力-垫层摩擦-高水力梯度耦合作用下的溶蚀劣化性能对大坝安全运行和面板耐久性评价具有重要意义。

国内外开展相对较多的是单向拉、压、弯曲荷载-化学侵蚀耦合作用下的混凝土溶蚀劣化试验，专门针对混凝土面板在拉、压应力、垫层摩擦以及高水力梯度耦合作用下的溶蚀劣化性能研究相对较少。如何对混凝土面板试件施加拉压应力、垫层摩擦力和侵蚀溶液高水力梯度作用是室内溶蚀试验的重点和难点。在对垫层施加水平向压力作用时，如何使垫层与试件间摩擦力与之平衡而不受反力支架及垫层底部透水石摩擦影响是试验能否进行的关键。并且，常规三向拉压荷载采用千斤顶液压加载，但是不能提供长期稳定荷载，装置成本高。配重和弹簧加载不能达到要的高应力水平，且装置笨重，不方便。

技术实现要素：

为了实现在室内模拟混凝土面板在拉压力、垫层摩擦力和高水力梯度作用下的渗透溶蚀试验，本发明提供一种复杂作用下混凝土面板溶蚀劣化试验装置及其方法，该装置及其方法可提供长期稳定垫层摩擦和三向应力作用研究侵蚀溶液对混凝土面板性能的影响。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复杂作用下混凝土面板溶蚀劣化试验装置，包括密封室、隔离室和溶蚀室，所述密封室内设置有隔离室，隔离室内设置有溶蚀室；

所述溶蚀室包括高弹性橡胶管2，高弹性橡胶管2内自下而上设置的基座8、下透水石9、钢珠轨道11、不锈钢珠10、垫层块12、混凝土面板试件1和上透水石15，基座8安装于密封室底板19上；

所述混凝土面板试件1外高弹性橡胶管2两个相对的侧壁为受拉面，所述混凝土面板试件1外高弹性橡胶管2另外两个相对的侧壁为受压面，受拉面设置有拉力钢板3和拉力螺栓22，所述拉力螺栓22一端穿过拉力钢板3抵住混凝土面板试件1，另一端抵住受拉侧隔离室钢板16，所述拉力螺栓22上安装有拉力传感器24，所述受压面通过软钢垫层4连接压力钢板5，所述压力钢板5通过压力螺栓6固定于软钢垫层4上，所述压力螺栓6上安装有压力传感器7；

所述隔离室包括受拉侧隔离室钢板16和受压侧隔离室钢板25，所述受拉侧隔离室钢板16和受压侧隔离室钢板25的底部固定于密封室底板19上，且分别位于受拉面和受压面外侧，受拉侧隔离室钢板16和受压侧隔离室钢板25的顶部分别连接高弹性橡胶管2顶部外壁，受拉侧隔离室钢板16、受压侧隔离室钢板25与高弹性橡胶管2之间形成密闭空间；

所述密封室包括顶部设置有进水口、水压传感器29和内置轴压加载杆传感器36的轴压加载杆34，

其中：所述上透水石15顶部设置有加压盖，所述加压盖的位置与轴压加载杆34相对应，溶蚀室对应的密封室底板19上设置有溶蚀室排水管，密封室外对应的密封室底板19上设置有密封箱排水管。

进一步的，所述密封室包括密封室侧墙21，所述密封室侧墙21与密封室顶板35的相接处设置有密封箱止水橡皮32，所述轴压加载杆34穿过密封室顶板35伸入密封室，密封室顶板35与轴压加载杆34之间设置有轴压杆止水橡皮38，所述轴压加载杆34的伸入端外设置有轴压杆保护壳37。

进一步的，所述垫层块12沿着不锈钢珠10运动的一侧设置有摩擦力加载轴13，所述摩擦力加载轴13上安装有摩擦力加载杆传感器33，所述摩擦力加载轴13通过加载支架14固定于密封室底板19上。

进一步的，所述受拉侧隔离室钢板16、受压侧隔离室钢板25分别与高弹性橡胶管2的顶部外壁相接，且高弹性橡胶管2顶部内侧设有一凹槽，所述凹槽内设置有止水钢板，凹槽内外设置有止水橡皮27，所述止水橡皮27、高弹性橡胶管2和止水钢板通过螺钉26分别与受拉侧隔离室钢板16、受压侧隔离室钢板25固定。

进一步的，所述受拉侧隔离室钢板16的外侧顶部通过传力杆20连接密封室侧墙21，所述受拉侧隔离室钢板16、受压侧隔离室钢板25的底部分别与密封室底板9之间设置有底面止水橡皮17，并通过底面螺栓18固定。

进一步的，所述进水口上设置有进水口阀门28，所述溶蚀室排水管上设置有溶蚀室排水阀门31，所述密封室排水管上设置有密封室排水阀门30。

进一步的，所述拉力螺栓22与受拉侧隔离室钢板16的连接处设置有滚轴支座23。

进一步的，所述高弹性橡胶管的受拉面设置有预留孔，所述预留孔内安装有拉力钢板3，所述拉力钢板3和混凝土面板试件1通过结构胶粘结，所述高弹性橡胶管的受压面通过结构胶粘结软钢垫层4。

进一步的，通过密封室的进水口通入侵蚀溶液，所述侵蚀溶液为硫酸钠、硫酸镁、氯化钠、氯化镁中任意一种或几种溶液的混合液。

一种复杂作用下混凝土面板溶蚀劣化试验方法，包括以下步骤：

第一步，侵蚀溶液压力计算；

第二步，压力螺栓和拉力螺栓强度要求计算；

第三步，密封混凝土试件，首先在浇筑并养护好的混凝土标准试件1的受压面涂上乳胶，并采用高弹性橡胶管2在混凝土标准试件1外面密封；密封后，在受拉面的高弹性橡胶管2上切开预留口，并涂抹结构胶，将拉力钢板3粘贴在混凝土面板试件1上，待其达到粘结强度后，在受压面的高弹性橡胶管外粘贴软钢垫层4，在软钢垫层4上粘贴压力钢板5，在压力钢板5、拉力钢板3上均预留螺栓孔；限定渗流通道自混凝土标准试件1顶部流向底部；

第四步，正向预紧力施加：采用压力螺栓6穿过压力钢板5上的螺栓孔，并旋紧压力螺栓6给混凝土标准试件1施加压应力，通过压力传感器7来监测预应力大小，直到指定荷载；

第五步，组装基座并安装混凝土标准试件：在基座8上安装下透水石9，下透水石9上安装若干排内部设置有不锈钢珠10的钢珠轨道11，不锈钢珠10上安装垫层块12，并在垫层块12的一侧安装摩擦力加载轴13和用于支撑摩擦力加载轴13的加载支架14，混凝土标准试件1顶部安装上透水石15，基座8安装于密封室底板19上；

第六步，安装受拉侧隔离室钢板：安装受拉侧隔离室钢板16，并采用底面止水橡皮17和底面螺栓18将其固定于密封室底板19上，将传力架20焊接到受拉侧隔离室钢板16和密封箱侧墙21之间；

第七步，施加反向预紧力和摩擦力：将一端焊接在受拉侧隔离室钢板16上的拉力螺栓22穿过拉力钢板3上的螺纹孔，并旋紧拉力螺栓22给拉力钢板3施加拉力，施加反向预紧力到指定值；然后，通过摩擦力加载轴13施加水平向垂直受拉方向的摩擦力到指定值，并通过拉力传感器24监测摩擦力大小；

第八步，安装受压侧隔离室钢板并密封：安装受压侧隔离室钢板25，将混凝土标准试件1、基座和摩擦力加载支架14封闭在隔离室内，并通过螺栓26固定隔离室顶部高弹性橡胶管2、止水钢板和止水橡皮27，隔离室内部与外部侵蚀溶液的密封室隔离；

第九步，注入侵蚀溶液：打开密封室顶部进水口阀门28，注入试验用侵蚀溶液，并加压，水压传感器29监测密封室内溶液压力，直至达到需要的高水力梯度；

第十步，补充溶液压力和预紧力：当水压传感器29监测到密封室内溶液压力损失超过设定值，则通过进水口阀门28注入侵蚀溶液，补充溶液压力，若隔离室内压力、拉力螺栓预紧力损失超过设定值打开密封箱排水阀门30，放出侵蚀溶液，打开密封室，用扭矩扳手调整压力、拉力螺栓补充预紧力到指定值，然后密封，重新注入侵蚀溶液继续溶蚀试验。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的一种拉、压应力-高水力梯度耦合作用混凝土面板溶蚀劣化试验装置，可以对面板持续施加拉压力和垫层摩擦力，又可提供高水力梯度侵蚀环境，可以方便进行混凝土面板溶蚀劣化试验。

2.在面板试件下设置垫层块，模拟面板与垫层的接触状态以及相互摩擦作用，可反映工程实际状态下混凝土面板的溶蚀。

3.采用压力杆和支架可对垫层块施加长期恒定压应力，并通过加载杆保护壳和密封室将其与外部腐蚀溶液分隔开，防止由于溶液腐蚀导致压应力衰减过快，并通过压力传感器监测摩擦力衰减情况，在超出允许范围时，进行补充摩擦力。

4.在垫层块和透水石之间设置不锈钢珠和两条轨道，用来减小垫层与底部透水石间摩擦力，使混凝土面板试件与垫层块之间摩擦来平衡压力杆施加的水平力，增加试验精度。

5.受拉侧隔离室钢板既作为反力架，提供反向预紧力于高强螺栓以对面板试件施加拉力，又设置滚轴支座轨道不限制摩擦力方向位移，使摩擦力加载杆施加的水平力全部由垫层块和试件间摩擦力平衡，提高试验精度，保证摩擦力顺利加载。

5.本装置可以进行不同三向拉压力、摩擦力和高水力梯度作用下的混凝土面板溶蚀试验，可根据需要调整高强螺栓预紧力大小以及轴压大小以模拟面板试件不同的应力状态，调整加载杆压力大小以施加不同大小的摩擦力，通过控制溶液压力大小以施加不同水力梯度。

6.通过在密封箱内提供不同溶液，本装置可以实现三向拉压力-垫层摩擦力-高水力梯度-硫酸盐侵蚀耦合、三向拉压力-垫层摩擦力-高水力梯度-氯盐侵蚀耦合、三向拉压力-垫层摩擦力-高水力梯度-溶蚀耦合及三向拉压力—垫层摩擦力-高水力梯度-多种化学作用耦合下混凝土面板劣化试验。

所以作者设计一种既可以长期保持不同拉压力又可以提供不同水力梯度和不同化学侵蚀物质作用的技术性好且经济的装置。该装置可以同时提供长期恒定拉压力作用、高水力梯度作用和化学侵蚀作用，也可根据需要调整不同方向应力大小、应力水平、摩擦力大小、水力梯度和化学作用水平。

附图说明

图1本发明受拉侧的结构示意图；

图2是图1中的局部结构放大图；

图3本发明受压侧的结构示意图；

图4是图3中的局部结构放大图；

其中：1-混凝土面板试件，2-高弹性橡胶管，3-拉力钢板，4-软钢垫层，5-压力钢板，6-压力螺栓，7-压力传感器，8-基座，9-下透水石，10-不锈钢珠，11钢珠轨道，12-垫层块，13-摩擦力加载轴，14-加载支架，15-上透水石，16-受拉侧隔离室钢板，17-底面止水橡皮，18-底面螺栓，19-密封室底板，20-传力杆，21-密封室侧墙，22-拉力螺栓，23-滚轴支座，24-拉力传感器，25-受压侧隔离室钢板，26-螺栓，27-止水橡皮，28-进水口阀门，29-水压传感器，30-密封室排水阀门，31-溶蚀室排水阀门，32-密封室止水橡皮，33-摩擦力加载杆传感器，34-轴压加载杆，35-密封室顶板，36-轴压加载杆传感器，37-轴压杆保护壳，38-轴压杆止水橡皮。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-4所示，一种复杂作用下混凝土面板溶蚀劣化试验装置，包括密封室、隔离室和溶蚀室，所述密封室内设置有隔离室，隔离室内设置有溶蚀室；

所述溶蚀室包括高弹性橡胶管2，高弹性橡胶管2内自下而上设置的基座8、下透水石9、钢珠轨道11、不锈钢珠10、垫层块12、混凝土面板试件1和上透水石15，基座8安装于密封室底板19上；

所述混凝土面板试件1外高弹性橡胶管2两个相对的侧壁为受拉面，所述混凝土面板试件1外高弹性橡胶管2另外两个相对的侧壁为受压面，受拉面设置有拉力钢板3和拉力螺栓22，所述拉力螺栓22一端穿过拉力钢板3抵住混凝土面板试件1，另一端抵住受拉侧隔离室钢板16，所述拉力螺栓22上安装有拉力传感器24，所述受压面通过软钢垫层4连接压力钢板5，所述压力钢板5通过压力螺栓6固定于软钢垫层4上，所述压力螺栓6上安装有压力传感器7；

所述隔离室包括受拉侧隔离室钢板16和受压侧隔离室钢板25，所述受拉侧隔离室钢板16和受压侧隔离室钢板25的底部固定于密封室底板19上，且分别位于受拉面和受压面外侧，受拉侧隔离室钢板16和受压侧隔离室钢板25的顶部分别连接高弹性橡胶管2顶部外壁，受拉侧隔离室钢板16、受压侧隔离室钢板25与高弹性橡胶管2之间形成密闭空间；

所述密封室包括顶部设置有进水口、水压传感器29和内置轴压加载杆传感器36的轴压加载杆34，

其中：所述上透水石15顶部设置有加压盖，所述加压盖的位置与轴压加载杆34相对应，溶蚀室对应的密封室底板19上设置有溶蚀室排水管，密封室外对应的密封室底板19上设置有密封箱排水管。

所述密封室包括密封室侧墙21，所述密封室侧墙21与密封室顶板35的相接处设置有密封箱止水橡皮32，所述轴压加载杆34穿过密封室顶板35伸入密封室，密封室顶板35与轴压加载杆34之间设置有轴压杆止水橡皮38，所述轴压加载杆34的伸入端外设置有轴压杆保护壳37。

所述垫层块12沿着不锈钢珠10运动的一侧设置有摩擦力加载轴13，所述摩擦力加载轴13上安装有摩擦力加载杆传感器33，所述摩擦力加载轴13通过加载支架14固定于密封室底板19上。

所述受拉侧隔离室钢板16、受压侧隔离室钢板25分别与高弹性橡胶管2的顶部外壁相接，且高弹性橡胶管2顶部内侧设有一凹槽，所述凹槽内设置有止水钢板，凹槽内外设置有止水橡皮27，所述止水橡皮27、高弹性橡胶管2和止水钢板通过螺钉26分别与受拉侧隔离室钢板16、受压侧隔离室钢板25固定，隔离室通过止水橡皮27和止水钢板共同作用，以保证侵蚀溶液不进入隔离室，从而保护了拉、压力螺栓及其相对应的传感器。

所述受拉侧隔离室钢板16的外侧顶部通过传力杆20连接密封室侧墙21，所述受拉侧隔离室钢板16、受压侧隔离室钢板25的底部分别与密封室底板9之间设置有底面止水橡皮17，并通过底面螺栓18固定。

所述进水口上设置有进水口阀门28，所述溶蚀室排水管上设置有溶蚀室排水阀门31，所述密封室排水管上设置有密封室排水阀门30。

所述拉力螺栓22与受拉侧隔离室钢板16的连接处设置有滚轴支座23。

所述高弹性橡胶管的受拉面设置有预留孔，所述预留孔内安装有拉力钢板3，所述拉力钢板3和混凝土面板试件1通过结构胶粘结，所述高弹性橡胶管的受压面通过结构胶粘结软钢垫层4。

通过密封室的进水口通入侵蚀溶液，所述侵蚀溶液为硫酸钠、硫酸镁、氯化钠、氯化镁中任意一种或几种溶液的混合液。

本发明可对模拟混凝土面板试件实际工作状态，进行复杂应力状态和高水力梯度作用下的溶蚀劣化试验，通过正反向预紧力对混凝土面板试件施加拉、压力、垫层摩擦力和高压侵蚀溶液渗透溶蚀作用。.

受拉侧隔离室钢板16在底部固定以后，可提供反力，故称之为起到反力架作用。受拉侧隔离室钢板一方面用来分离侵蚀溶液，另一方面作为反向预紧力的反力架，内部连接受拉侧高强螺栓，外部连接传力杆，并采用焊接方式连接，增加受拉侧隔离室钢板刚度，通过两侧传力杆可使反向预紧力在密封箱内自平衡，增加拉压力面板溶蚀系统刚度。受拉侧两片密封钢板相互支撑，使结构保持稳定。

受拉侧隔离室钢板内设有滚轴支座，结合垫层块底部和垫层块底部设置滚轴支座，使试件在摩擦力方向无约束，可自由移动，保证摩擦力加载杆的水平力全部由垫层块和面板试件间摩擦力来平衡，保证了垫层摩擦力的有效施加。

本发明公开了一种复杂作用下混凝土面板溶蚀劣化试验装置及方法，该装置通过正反向预紧力对面板试件施加恒定拉、压应力，密封高压侵蚀溶液施加高水压力和高水力梯度作用，并采用垫层摩擦装置提供面板所承受的摩擦力。该装置分为密封箱、隔离室和溶蚀室，密封箱密封高压侵蚀溶液，隔离箱用来保护传感器、加载轴等避免溶液侵蚀并作为拉应力施加的反力装置，溶蚀室限定渗透通道。滚轴支座使加载杆的水平压力全部由垫层块与面板试件间摩擦力来平衡，并通过压力传感器和水压传感器监控试件三向应力、垫层摩擦力和侵蚀溶液压力大小，并通过二次旋紧和补充溶液的方法来保持预紧力、摩擦力、溶液压力长期稳定。密封箱内可提供硫酸盐、氯盐等一种或几种渗透溶蚀环境。

一种复杂作用下混凝土面板溶蚀劣化试验方法，包括以下步骤：

第一步，侵蚀溶液压力计算：

假定所需要的水力梯度为100，本实施例中采用的水工混凝土试件为标准试件，尺寸为150×150×150mm，由此可计算混凝土试件顶部水头为：h＝150×100×10^-3＝15m，试件顶部压强为：p＝15×1000×10＝0.15mpa；

由此可知，在水力梯度为100时，密封室内溶液压力为0.15mpa。

第二步，压力螺栓和拉力螺栓强度要求计算：

假定所需要的水平向拉、压应力为1mpa，则压力为

f＝σa＝1×10⁶×150×150×10^-6＝22.5kn

每块拉力钢板和压力钢板上有四根高强螺栓，则每根压力或拉力螺栓所承受的拉力或压力为5.625kn，因此，所需要的8.8级压力或拉力高强螺栓最小直径为：

考虑到压力或拉力螺栓需要安装压拉、力传感器，故选用直径10mm8.8级高强螺栓即可满足拉力、压力钢板水平向1mpa压力要求，同理，可得轴压加载杆选用10mm8.8级高强螺栓也可满足要求。

第三步，密封混凝土试件，首先在浇筑并养护好的混凝土标准试件1的受压面涂上乳胶，并采用高弹性橡胶管2在混凝土标准试件1外面密封；密封后，在受拉面的高弹性橡胶管2上切开150×150mm的方形预留口，并涂抹结构胶，将拉力钢板3粘贴在混凝土面板试件1上，待其达到粘结强度后，在受压面的高弹性橡胶管外采用乳胶粘贴软钢垫层4，在软钢垫层4上粘贴压力钢板5，在压力钢板5、拉力钢板3上均预留螺栓孔；限定渗流通道自混凝土标准试件1顶部流向底部；每个受拉面设置有上下左右四组拉力螺栓22，每个受压面设置有上下左右四组压力螺栓6，

第四步，正向预紧力施加：采用压力螺栓6穿过压力钢板5的螺栓孔，并旋紧压力螺栓6给混凝土标准试件1施加压应力，通过压力传感器7来监测预应力大小，直到指定荷载；

第五步，组装基座并安装混凝土标准试件：在基座8上安装下透水石9，下透水石9上安装两排排内部设置有不锈钢珠10的钢珠轨道11，不锈钢珠10上安装垫层块12，并在垫层块12的一侧安装摩擦力加载轴13和用于支撑摩擦力加载轴13的加载支架14，加载支架14底部固定于密封室底板19上，混凝土标准试件1顶部安装上透水石15，基座8安装于密封室底板19上；

第六步，安装受拉侧隔离室钢板：安装受拉侧隔离室钢板16，并采用底面止水橡皮17和底面螺栓18将其固定于密封室底板19上，将传力架20焊接到受拉侧隔离室钢板16和密封箱侧墙21之间；

第七步，施加反向预紧力和摩擦力：将一端焊接在受拉侧隔离室钢板16上的拉力螺栓22穿过拉力钢板3上的螺纹孔，并旋紧拉力螺栓22给拉力钢板3施加拉力，施加反向预紧力到指定值；然后，通过摩擦力加载轴13施加水平向垂直受拉方向的摩擦力到指定值，并通过拉力传感器24监测摩擦力大小；

第八步，安装受压侧隔离室钢板并密封：安装受压侧隔离室钢板25，将混凝土标准试件1、基座和摩擦力加载支架14封闭在隔离室内，并通过螺栓26固定隔离室顶部高弹性橡胶管2、止水钢板和止水橡皮27，隔离室内部与外部侵蚀溶液的密封室隔离，防止预应力螺栓侵蚀而导致预紧力损失和压力、拉力螺栓及其内部拉、压力传感器失效；

第九步，注入侵蚀溶液：打开密封室顶部进水口阀门28，注入试验用侵蚀溶液，并加压，水压传感器29监测密封室内溶液压力，直至达到需要的高水力梯度；

第十步，补充溶液压力和预紧力：当水压传感器29监测到密封室内溶液压力损失超过设定值，则通过进水口阀门28注入侵蚀溶液，补充溶液压力，若隔离室内压力、拉力螺栓预紧力损失超过设定值打开密封箱排水阀门30，放出侵蚀溶液，打开密封室，用扭矩扳手调整压力、拉力螺栓补充预紧力到指定值，然后密封，重新注入侵蚀溶液继续溶蚀试验。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。