双轴持续压载下混凝土的氯离子扩散试验装置与测定方法与流程

本发明特别涉及一种双轴持续压载下混凝土的氯离子扩散试验装置与测定方法，适用于研究混凝土试块在多轴应力状态下的一维氯离子渗透性能。

背景技术：

我国海岸线漫长，盐渍土地区分布广泛，大量的钢筋混凝土经受着较为严重的氯盐环境侵蚀，从而导致结构内部钢筋锈蚀，耐久性下降。在正常使用阶段，海洋、盐湖等氯盐环境下钢筋混凝土构件总是经受着荷载与氯盐侵蚀的耦合作用，构件内部钢筋锈蚀导致钢筋截面损失与构件刚度下降。同时，荷载的耦合作用使钢筋承受拉应力，并可能导致混凝土开裂。因此，为了有效评估混凝土构件的耐久性能，开展氯盐侵蚀与荷载耦合作用下的钢筋混凝土构件的劣化机制研究是非常重要的一个环节。

现有技术中，对于荷载与氯盐腐蚀耦合作用的试验研究，其耦合荷载一般用配重方式予以施加。然而，配重方式所施加的荷载水平有限，对于一些承载能力较高的构件，采用此方法较难达到其在役结构构件的正常荷载水平。

同时，现有试验研究了混凝土在持续单轴荷载状态下与氯盐耦合作用下的渗透行为，未考虑混凝土在双轴荷载状态下与氯盐耦合作用下的渗透行为，这可能无法准确预测钢筋混凝土结构的耐久性。

基于此，有必要研究混凝土在持续双轴荷载与氯盐耦合作用下氯离子的渗透行为，为进一步探究钢筋混凝土的氯盐扩散机理奠定基础。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种双轴持续压载下混凝土的氯离子扩散试验装置与测定方法，可以模拟双轴持续荷载作用下不同强度混凝土的氯离子扩散行为，适用范围广。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种双轴持续压载下混凝土的氯离子扩散试验装置，其结构特点是包括第一加载单元、第一测力单元、第二加载单元、第二测力单元，其中第一加载单元和第一测力单元均设置在混凝土试件的一侧，第二加载单元和第二测力单元均设置在混凝土试件的另一侧，第一加载单元和第二加载单元垂直设置；

第一加载单元包括第一加载板、第一动力源；

第一测力单元包括第一立板、第一力传感器；

第二加载单元包括第二加载板、第二动力源；

第二测力单元包括第二立板、第二力传感器；

第一加载板与第一立板平行设置于混凝土试件的一侧，第二加载板与第二立板平行设置于混凝土试件的另一侧，第一加载板垂直于第二加载板；

第一加载板一面与混凝土试件的一侧面相接触，第一加载板另一面依次通过第一动力源、第一力传感器与第一立板相连；

第二加载板一面与混凝土试件的另一侧面相接触，第二加载板另一面依次通过第二动力源、第二力传感器与第一立板相连；

混凝土试件上表面设置与混凝土试件相通的通槽。

进一步地，还包括第三立板、第一反力板、第一定位件、第一螺杆组，第三立板与第一反力板平行设置在混凝土试件的同一侧，混凝土试件夹设于第一加载板与第一反力板之间，第一反力板通过第一定位件与第三立板固连；第一立板与第一螺杆组一端螺接，第三立板与第一螺杆组另一端螺接。

进一步地，还包括第四立板、第二反力板、第二定位件、第二螺杆组，第四立板与第二反力板平行设置在混凝土试件的同一侧，混凝土试件夹设于第二加载板与第二反力板之间，第二反力板通过第二定位件与第四立板固连；第二立板与第二螺杆组一端螺接，第四立板与第二螺杆组另一端螺接。

进一步地，第一加载板与第一反力板相互平行，第一定位件为圆柱钢，第一加载板与第一反力板的轴心、第一定位件共线。

进一步地，第二加载板与第二反力板相互平行，第二定位件为圆柱钢，第二加载板与第二反力板的轴心、第二定位件共线。

作为一种优选方式，所述第一动力源与第二动力源均为螺旋式千斤顶。

作为一种优选方式，所述混凝土试件包括并排设置的多个不同强度等级的混凝土试块。

进一步地，第一动力源、第二动力源、第一力传感器、第二力传感器均与控制器电连接。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的双轴持续压载下混凝土的氯离子扩散试验装置进行测定的方法，其特点是包括以下步骤：

步骤a.确定施加荷载的最大值；

步骤b1.将第一加载单元、第二加载单元、第一测力单元、第二测力单元绕混凝土试件设置；

步骤b2.将第一动力源、第二动力源、第一力传感器、第二力传感器分别与控制器电连接；

步骤b3.分别利用第一加载单元和第二加载单元对混凝土试件进行两个方向的力加载，直至达到步骤a中确定的最大荷载；同时，在施加荷载的过程中，分别利用第一力传感器、第二力传感器对混凝土试件所受荷载大小进行测量，并由控制器控制第一加载单元和第二加载单元持续施加荷载；

步骤b4.在混凝土试件上方的通槽内加入氯盐，对混凝土试件进行一维腐蚀，然后对混凝土试件持续加载一段时间；

步骤c1.将第一加载单元和第二加载单元从混凝土试件上卸载，然后对混凝土试件进行粉末取样；

步骤c2.萃取步骤c1中样品中的氯离子；

步骤c3.标定和测量氯离子的浓度；

步骤c4.绘制氯离子浓度曲线。

进一步地，还包括步骤c5.对混凝土试件进行氯离子扩散深度测定。

与现有技术相比，本发明可以模拟双轴持续荷载作用下不同强度混凝土的氯离子扩散行为，适用范围广，具有以下有益效果：

第一，通过两组加载单元、测力单元的设置，有效实现对混凝土试件两个方向上的轴向加载，避免偏心加载，有效保证试验结果的准确性。

第二，通过加载板与反力板的相对设置，保证施加在混凝土试件表面的荷载是轴向均匀的。

第三，可以同时测定不同强度等级混凝土试块的氯离子扩散情况。

附图说明

图1为本发明双轴持续压载下混凝土的氯离子扩散试验装置结构示意图。

图2为混凝土试件结构示意图。

图3和图4为第三立板、第一定位件、第一反力板结构关系图。

图5和图6为第四立板、第二定位件、第一反力板结构关系图。

图7为第一立板、第一力传感器、第一动力源、第一加载板结构关系图。

图8为第二立板、第二力传感器、第二动力源、第二加载板结构关系图。

图9为混凝土试块一维腐蚀示意图。

其中，1为第一加载板，2为第一动力源，3为第一立板，4为第一力传感器，5为第二加载板，6为第二动力源，7为第二立板，8为第二力传感器，9为通槽，10为第三立板，11为第一反力板，12为第一定位件，13为第一螺杆组，14为第四立板，15为第二反力板，16为第二定位件，17为第二螺杆组，18为螺帽，19为混凝土试件，1901为混凝土试块。

具体实施方式

如图1至图9所示，双轴持续压载下混凝土的氯离子扩散试验装置包括第一加载单元、第一测力单元、第二加载单元、第二测力单元，其中第一加载单元和第一测力单元均设置在混凝土试件19的一侧，第二加载单元和第二测力单元均设置在混凝土试件19的另一侧，第一加载单元和第二加载单元垂直设置；第一加载单元、第一测力单元、第二加载单元和第二测力单元均围绕试件设置。

第一加载单元包括第一加载板1、第一动力源2；第一测力单元包括第一立板3、第一力传感器4；第二加载单元包括第二加载板5、第二动力源6；第二测力单元包括第二立板7、第二力传感器8。

第一加载板1与第一立板3平行设置于混凝土试件19的一侧，第二加载板5与第二立板7平行设置于混凝土试件19的另一侧，第一加载板1垂直于第二加载板5。

第一加载板1一面与混凝土试件19的一侧面相接触，第一加载板1另一面依次通过第一动力源2、第一力传感器4与第一立板3相连。

第二加载板5一面与混凝土试件19的另一侧面相接触，第二加载板5另一面依次通过第二动力源6、第二力传感器8与第一立板3相连。

混凝土试件19上表面设置与混凝土试件19相通的通槽9，通槽9为由玻璃制成的玻璃槽，用于放置氯盐(如nacl溶液)。本实验装置实现对混凝土试件19两个方向的轴向加载，通过第一加载单元、第二加载单元相互间隔90°设置，避免对混凝土试件19偏心加载，保证了试验结果的准确性。

双轴持续压载下混凝土的氯离子扩散试验装置还包括第三立板10、第一反力板11、第一定位件12、第一螺杆组13，第三立板10与第一反力板11平行设置在混凝土试件19的同一侧，混凝土试件19夹设于第一加载板1与第一反力板11之间，第一反力板11通过第一定位件12与第三立板10固连；第一立板3与第一螺杆组13一端螺接，第三立板10与第一螺杆组13另一端螺接。第一定位件12与第一反力板11焊接。

双轴持续压载下混凝土的氯离子扩散试验装置还包括第四立板14、第二反力板15、第二定位件16、第二螺杆组17，第四立板14与第二反力板15平行设置在混凝土试件19的同一侧，混凝土试件19夹设于第二加载板5与第二反力板15之间，第二反力板15通过第二定位件16与第四立板14固连；第二立板7与第二螺杆组17一端螺接，第四立板14与第二螺杆组17另一端螺接。第二定位件16与第二反力板15焊接。可见，第二螺杆组17与第一螺杆组13相互交错且相互垂直设置。由于第一螺杆的约束作用，两相对设置的第一立板3、第三立板10在空间位置上是相互平行的，并且处于同一水平面上。由于第二螺杆的约束作用，两相对设置的第二立板7、第四立板14在空间位置上是相互平行的，并且处于同一水平面上。

第一加载单元、第一测力单元、第二加载单元、第二测力单元轴心均在同一直线上，并且沿加载方向的一侧均相互平行。为了使混凝土试件19的轴心也处于这条直线上，利用第一定位件12和第二定位件16对混凝土试件19进行定位。

第一螺杆组13是指竖直设置的第一立板3和第三立板10之间的带螺纹的水平圆柱形杆件组，第一螺杆组13分别垂直嵌入两个对应立板上预留的孔洞中，再用螺帽18拧紧并与相应立板相连形成整体。第二螺杆组17是指竖直设置的第二立板7和第四立板14之间的带螺纹的水平圆柱形杆件组，第二螺杆组17分别垂直嵌入两个对应立板上预留的孔洞中，再用螺帽18拧紧并与相应立板相连形成整体。每个加载方向上均有四个螺杆，在竖直平面上呈正方形的四角点分布，两个加载方向上的两组螺杆在水平方向上呈垂直交错布置。

所有立板是指在空间上用于固定力传感器或定位件的竖直杆件，各立板的一侧的四个角点位置分别与四根螺杆通过螺纹和螺帽18紧密相连，立板的另一侧处于临空状态。每个加载方向均有两个立板，由于螺杆的约束作用，两相对立板在空间位置上是相互平行的，并且处于同一水平面上。

第一加载板1与第一反力板11相互平行，第一定位件12为圆柱钢，第一加载板1与第一反力板11的轴心、第一定位件12共线。第一定位件12圆柱钢一侧通过螺栓与第三立板10螺接，另一侧与第一反力板11焊接。

第二加载板5与第二反力板15相互平行，第二定位件16为圆柱钢，第二加载板5与第二反力板15的轴心、第二定位件16共线。第二定位件16圆柱钢一侧通过螺栓与第四立板14螺接，另一侧与第二反力板15焊接。

所述第一动力源2与第二动力源6均为螺旋式千斤顶。为了方便安装与拆卸，第一加载板1和第二加载板5的一侧预留带螺纹的卡槽，方便与螺旋式千斤顶相连。

螺旋式千斤顶是由人力通过螺旋副传动产生机械能的、做直线往复运动的加载执行元件，螺旋式千斤顶的一侧与加载板相接触，沿轴线方向可以轻微转动，故在实验加载过程中，如果因操作不当而引起扭矩可通过螺旋式千斤顶的微小转动来消除其影响。螺旋式千斤顶的另一侧与力传感器相连。

加载板是指将螺旋式千斤顶传递过来荷载均匀地反作用在混凝土试件19上，加载板一侧的中心位置与螺旋式千斤顶连接，另一侧与混凝土试件19表面完全贴合，一块长加载板，边缘有两个孔洞是用来穿螺杆，因此加载板的尺寸是由混凝土试件19的尺寸与螺杆共同来决定的。

反力板是指将混凝土试件19传递过来的荷载均匀地反作用在混凝土试件19的表面上的立方体块，反力板一侧与混凝土试件19另一表面贴合，另一侧与定位件焊接。反力板与其对应加载板的轴向中心处在同一直线，并且在空间位置是相互平行的，其沿着加载方向的侧面尺寸均与混凝土试件19尺寸保持一致，故在加载板与和反力板的共同作用下，施加在混凝土试件19表面的荷载是轴向均匀的。

定位件是指定位反力板的结构件，定位件一端与反力板焊接，另一端与对应的立板通过螺栓连接。

第一动力源2、第二动力源6、第一力传感器4、第二力传感器8均与可编程的控制器电连接，实现控制器控制两个动力源的动作，并显示检测到的压力数值。

所述混凝土试件19包括并排设置的多个不同强度等级的混凝土试块1901。即，第一加载板1、第二加载板5、第一反力板11、第二反力板15均与多个不同强度等级的混凝土试块1901直接接触。在本实施例中，混凝土试块1901大小尺寸为150mm*150mm*150mm，取c50、c55、c60强度的混凝土试块1901各一块，在混凝土试块1901上表面中心100mm区域内设置玻璃槽，玻璃槽高度50mm，玻璃槽内倒入400ml3.5％nacl溶液，进行氯盐腐蚀，混凝土试块1901其它面涂环氧树脂，防止滤液侵蚀。倒入氯盐时，在玻璃槽的槽壁边缘倒入3.5％nacl溶液，然后再依次倒溶液至中心位置,使得3.5％nacl溶液能够均匀渗透到混凝土试件19上，玻璃槽的中心与试块中心保持一致。

c50、c55、c60强度的混凝土试块1901各一块按强度大小顺序依次并排放在一起，形成混凝土试件19，采用一维恒温浸泡腐蚀两个月，由于要测定c50、c55、c60强度混凝土试块1901在持续荷载作用下氯离子浓度扩散规律，所以施加的开裂荷载由最小强度试块决定，施加的开裂荷载大小为182kn。

利用所述的双轴持续压载下混凝土的氯离子扩散试验装置进行测定的方法，包括以下步骤：

步骤a.确定施加荷载的最大值。本实施例中，采用如下算法，确定施加荷载大小：

式(1)中，a是混凝土试块1901的顶面积，a是混凝土试块1901的长、宽(本实施例中为150mm)，fcu,50,fcu,55,fcu,60分别指c50、c55、c60混凝土试块1901的轴心抗压强度标准值，pmin是合理施加的荷载为0.25倍c50混凝土试块1901的轴心抗压强度标准值，约为18.1n/mm²，本实施例中可计算施加的f最大荷载约为182kn。

步骤b1.将第一加载单元、第二加载单元、第一测力单元、第二测力单元绕混凝土试件19设置，将混凝土试件19设于第一加载板1、第二加载板5、第一反力板11、第二反力板15围成的腔体间。

步骤b2.将第一动力源2、第二动力源6、第一力传感器4、第二力传感器8分别与控制器电连接。

步骤b3.分别利用第一加载单元和第二加载单元对混凝土试件19进行两个方向的力加载，直至达到步骤a中确定的最大荷载(采用逐级加载，每次加载20kn，持续5～10秒，再进行下一级加载，直至达到最大荷载182kn)；同时，在施加荷载的过程中，分别利用第一力传感器4、第二力传感器8对混凝土试件19所受荷载大小进行测量，并由控制器控制第一加载单元和第二加载单元持续施加荷载。

在施加荷载过程中，人力通过螺旋副转动螺旋式千斤顶开始进程直至加载板紧贴混凝土试件19表面，荷载经加载板传递后均匀施加到混凝土试件19表面；当荷载传至反力板时，反力板紧贴在混凝土试件19的另一侧，使得反力板的反作用力也是均匀轴向的，故在加载板和反力板的共同作用下，混凝土试件19所受荷载必然是均匀轴向的。荷载经螺旋式千斤顶均匀轴向传至力传感器，此时力传感器将压力信号转换成电信号并实时呈现在人机交互界面上。

步骤b4.在混凝土试件19(包括并排设置的c50、c55、c60三个不同强度等级的混凝土试块1901)上方的通槽9内加入氯盐(如3.5％nacl溶液)，对混凝土试件19进行一维腐蚀。在加入氯盐时，首先在玻璃槽的槽壁边缘倒入400ml3.5％nacl溶液，然后再依次倒溶液至中心位置,使得3.5％nacl溶液能够均匀渗透到混凝土试件19上。然后对混凝土试件19持续加载一段时间(如两个月)，用来探究氯离子变化规律。

步骤c1.将第一加载单元和第二加载单元从混凝土试件19上卸载，然后对混凝土试件19进行粉末取样：在对三个混凝土试块1901进行晾晒之后，先用打磨纸将混凝土试块1901表面打磨一遍，清理掉表面的氯盐颗粒，然后依次在混凝土试块1901中心100mm区域内进行钻孔取样。钻孔分为5层，每层钻6mm，在同水平面多处进行取样来排除偶然因素造成的误差。利用方孔筛对取出的粉末进行粉末的过滤筛选。把经过筛选的符合测量标准的混凝土粉末装进密封袋，然后进行相应标号，在把编好号的袋子进行烘干防止测量时产生称量上的误差，最后取出袋子放在外面进行冷却，冷却完成后把袋子按标号摆放整齐，以便进行氯离子的测定试验。

步骤c2.萃取步骤c1中样品中的氯离子：首先将用自封袋封存的高性能混凝土粉样置于105±5°密闭烘箱中烘2h，取出后冷却至室温，再将钻芯粉末搅拌均匀后放到精度为0.01g的电子秤上称取5g左右，误差控制在+/-2％左右。将称好的的粉末放入有50ml蒸馏水的烧杯中进行浸泡，每隔几小时进行搅拌，使含有氯离子的粉末与蒸馏水完全融合，浸泡时间为48h。

步骤c3.标定和测量氯离子的浓度：氯离子浓度测量采用离子选择电极法(ionselectiveelectrode,ise)ise法，采用复合电极现场测试。

步骤c4.绘制氯离子浓度曲线：氯离子浓度曲线用matlab软件或origin软件去描绘，探究不同强度混凝土试块1901氯离子浓度变化规律。

步骤c5.对混凝土试件19进行氯离子扩散深度测定。将腐蚀完成的混凝土试件19表面洒水，并用塑料薄膜覆盖移至标准养护室。14d后，用取芯机把混凝土试件19加工标准试件(直径为100mm±1mm,高度为50mm±2mm),将测试混凝土试件19继续在标准养护条件下养护直到试验，试验时先将混凝土试件19放入保水机中，注入含5％nacl的0.2mol/l的koh溶液进行保水，保水结束时取出混凝土试件19，在压力机上劈成两半，在劈开的混凝土试件19表面喷涂显色指示剂(荧光黄溶液)，混凝土试件19表面一般变黄，含氯离子部分明显较亮。表面稍干后，喷0.1mol/l的agno3溶液，15min后，在含氯离子与无氯离子区便呈现出不同颜色，沿分界线既可量得氯离子的扩散深度

由实验获得扩散深度之后，利用已有的理论公式(2)便可计算得到氯离子扩散系数。公式来源于《混凝土结构耐久性设计与施工指南》。

式(2)中：d为混凝土氯离子扩散系数，m²/s；t为阳极电解液初始和最终温度平均值，k；h为混凝土试件19高度，m；xd为氯离子扩散深度，m；t为通电时间，s；α为辅助变量。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。