测定持续拉压作用下不同饱和度混凝土中氧气扩散系数的装置的制作方法

本发明涉及混凝土氧气扩散系数测定装置领域，具体涉及一种测定持续拉压作用下不同饱和度混凝土中氧气扩散系数的装置。

背景技术：

钢筋锈蚀的发生与发展的必要条件之一就是钢筋表面有足够的氧气。自然环境下，氧气由混凝土表面向内部钢筋的传输过程中的驱动力应仅为浓度梯度，发生扩散作用，而不是渗透作用。氧气扩散与水泥基材料内部孔隙密切相关。水泥基材料是由骨料和水泥水化产物组成的具有不同孔隙尺度的多孔复合材料，其孔结构具有随机性、不规则性和复杂性，是影响气体扩散性能的关键因素。因此，开展氧气在混凝土工程中的传输研究对确定钢筋锈蚀速率有着重要的意义。

混凝土内初始损伤是混凝土浇筑、水化的必然产物，而在运行期，由于外部的荷载作用会进一步产生裂缝，导致混凝土内部孔隙结构发生改变。二氧化碳、氧气等气体在混凝土中的渗透对混凝土的服役寿命产生至关重要的影响。因此，有必要研究混凝土气体在荷载作用下混凝土中的渗透性。

进行海洋环境和外部荷载共同作用下氧气的扩散研究，建立海洋环境与荷载共同作用下损伤混凝土中氧气扩散预测模型，将为海洋环境下服役混凝土结构寿命可预计奠定理论基础。

目前已有的研究方法主要是单纯针对混凝土中水、氧气的测量，忽略了荷载作用下混凝土中氧气的扩散。如中国专利cn107290250a，名称为“用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法及实验装置”，公开了一种测定氧气扩散系数的装置和一套计算氧气扩散系数的方法；中国专利cn204944930u，名称为“一种混凝土构件受拉持荷加载架”，公开了一种在混凝土试件上布置持续受拉荷载的装置；中国专利cn101482477a，名称为“拉应力作用下混凝土渗透系数测定装置及测试方法”，公开了一种拉应力作用下混凝土中渗透系数的测试方法。另外，不同环境中混凝土饱和度也不一样，这对氧气扩散系数有着重要影响。自然条件下，氧气扩散都是在持续受荷载作用的混凝土中进行扩散的，混凝土不光有受拉，还有受压的情况。因此，研发一种针对测定受持续拉压荷载作用下不同饱和度混凝土中氧气扩散系数有很重要的意义。

技术实现要素：

本发明为了克服上述技术问题，提供了一种测定持续拉压作用下不同饱和度混凝土中氧气扩散系数的装置以及采用该装置测试的方法，可以检测试件任意位置处的氧气扩散系数且检测的是持续荷载下的氧气扩散系数，更加贴近实际工程操作。

解决上述技术问题的技术方案如下：

测定持续拉压作用下不同饱和度混凝土中氧气扩散系数的装置，包括待测试件、氧气扩散装置和持续拉压荷载装置；

所述的氧气扩散装置包括中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室，所述的中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室呈同心圆结构，中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室上的两侧分别各设置三个带有阀门的外接细管，所述的外接细管从上到下依次是进气管、压力检测管和浓度传感器探测管，所述的中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室的进气管与供气瓶连接，所述的中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室均与待测试件通过橡胶垫紧密贴合，形成密闭空间；

所述的待测试件的一侧的中心圆气体扩散腔室内充入氧气，另一侧充入氮气；

所述的中心圆气体扩散腔室扩散气体为有效气流，所述的持续拉压荷载装置位于气体扩散面垂直方向设置；

所述的持续拉压荷载装置包括底板、带有两个凹槽的第一钢板、第二钢板、中部支撑板和顶板，所述的底板与带有两个凹槽的第一钢板通过均匀分布的四根第一螺栓连接在一起，所述的第二钢板的上表面与中部支撑板的下表面通过第二螺栓连接在一起，所述第一螺栓的顶部与第二钢板连接，中部支撑板的上通过均匀分布的弹簧与顶板连接，所述的中部支撑板的中心放置拉压传感器，所述的拉压传感器与顶板之间由倒立的千斤顶顶住；待测试件放置于第一钢板与第二钢板之间，第一钢板的凹槽内放置化学试剂和与凹槽匹配的海绵块，由海绵块的底部浸入化学试剂内实现化学试剂在海绵块上的扩散，所述的待测试件的两侧由海绵块夹持，所述海绵块的外侧由第三钢板固定，所述的海绵块与待测试件高度一致，所述的第三钢板垂直于第一钢板和第二钢板设置。

化学试剂是根据具体所需目标混凝土饱和度来确定，不同饱和度要求就添加不同的化学试剂。在测试之前，需要提前将待测试件放置养护室内养护到目标饱和度，具体操作如下：

先将待测试件烘干到干燥状态，得到待测试件的干燥质量，之后将待测试件置于智能混凝土真空饱水机中进行饱水处理，得到待测试件的饱水质量，然后再将试件置于烘箱中，根据设置好的孔隙饱和度，用60℃烘干方法将待测试件烘干至目标质量。

中心圆气体扩散腔室扩散气体为有效气流，也是本发明所需测得的气流，外圆气体扩散腔室扩散气体形成保护气流，保护中心圆气体扩散腔室有效气流不向外渗漏。

进一步地说，中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室的浓度传感器探测管上均电连接有氧气传感器，所述的氧气传感器用于测定中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室的氧气浓度，所述的氧气传感器与氧气浓度测试仪连接，所述的氧气浓度测试仪与氧气数据记录仪电连接，所述的氧气数据记录仪与计算机电连接。

进一步地说，所述的第一钢板和第二钢板与待测试件接触面均涂抹世林sl33334强力环氧胶。

本发明的另一个目的是提供上述的装置测定持续拉压作用下不同饱和度混凝土中氧气扩散系数的方法，包括以下步骤：

1)待测试件预处理：

浇注成型标准立方体结构待测试件；并在待测试件外表面用环氧树脂涂抹以隔绝外界大气的影响；

2)组装待测试件：

将待测试件的端面分别于中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室通过橡胶垫紧密贴合形成密封整体，分别将中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室的进气管与供气瓶连接，中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室的浓度传感器探测管上均连接有氧气传感器，保证氧气扩散装置的气密性，将氧气扩散装置放入恒温室内，并于待测试件气体扩散面相垂直的方向组装持续拉压荷载装置；

3)测试：

打开供气瓶出气阀门与氧气扩散装置的进气管道上的进气阀门，分别往中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室内充气，一侧充入氧气，另一侧充入氮气，使得中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室内的气体达到目标试验压强，并通过压力检测管上的检测压力计保证待测试件左右两侧腔室内的压强时刻相等，并记录腔室体积；通过持续拉压荷载装置上的拉压传感器得出待测试件施加荷载量；

其中，检测压力计用于检测气体腔室内气体压强，保证待测试件左右气体腔室在实验开始时气体压强相等(根据气体扩散定律，在相同的温度和压力下，气体的扩散速度与其密度或分子量的平方根成反比)因此，实验开始时，待测试件左侧充入氧气(氧气分子量5.56)，待测试件右侧充入氮气(氮气分子量5.29)，近似认为两者气体分子量相等，因此认为待测试件左右两腔室气体扩散速率相等。所以左右两腔室的压强时刻相等且腔室体积在扩散过程中基本不变。

打开与两腔室相连接的已校准好的氧气数据记录仪，此时时刻记为t＝0，并用数据记录仪将此时两腔室中的氧气浓度记录并传输到计算机中，由于左右腔室内的氧浓度差，氧气逐渐从高氧浓度腔室经过待测试件扩散至低氧腔室，在这个过程中，数据记录仪记录下不同时刻下的两腔室中的氧气浓度，待两腔室氧气浓度接近时，此时两腔室浓度梯度很小，氧气继续通过待测试件的扩散量很小，停止试验，记录此时时刻t；根据以上数据，由于两腔室的氧浓度差，氧气在氧浓度梯度的动力下在待测试件中扩散，待测试件的氧气扩散系数根据以下公式求得

其中，n为低氧腔室t＝0时到试验结束时增加的总氧气的物质的量(mol)；da为等效氧气扩散系数；s为有效扩散面积；t为实验时间；为氧气在x方向上的浓度梯度。

根据fick第一定律，且在该测试方法下，假定氧气的扩散方式为一维扩散，则有其中n为低氧腔室t＝0时到试验结束时增加的总氧气的物质的量(mol)，da为等效氧气扩散系数，为氧气在x方向上的浓度梯度，s为有效扩散面积，t为实验时间。由以上公式可得等效氧气扩散系数为根据左右两腔室所记录的不同时刻下氧气百分比含量以及腔室体积，再结合理想气体状态方程可以得到两腔室不同时刻下的氧气浓度值，假定氧气浓度在混凝土材料中呈线性分布，且氧气为扩散为一维扩散，可得式中：c2为一定时刻下高氧腔室中的氧气浓度(mol/m³)，c1为相同时刻下低氧腔室中的氧浓度值(mo1/m³)，x为水泥基材料试件厚度(m)。由上式可知，是与时间相关的函数，不同时刻下混凝土材料试件的左右两腔室的氧浓度梯度不同。而与时间的函数可根据试验记录的数据，利用originpro软件进行数据拟合得到，由此可由上公式通过计算得到所测混凝土材料试件的氧气扩散系数。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种测定持续拉压作用下不同饱和度混凝土中氧气扩散系数的装置以及采用该装置测试的方法，可以检测试件任意位置处的氧气扩散系数且检测的是持续荷载下的氧气扩散系数，更加贴近实际工程操作。本发明装置简单，便于组装，工程实际应用价值高；氧气在传输过程中的驱动力仅为浓度梯度；且装置采用了精度较高的氧气传感器与氧气数据记录仪，并通过创新结构的持续荷载装置与之进行有效结合，根据试验测试数据可较为方便地计算出氧气在混凝土中的扩散系数，整个过程测量简单，数据准确可靠；本装置除了可以测量荷载作用下氧气扩散系数，还可以检测不同饱和度情况下的氧气扩散系数。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的氧气扩散示意图(单侧为例)；

图2为本发明的氧气扩散装置示意图；

图3为本发明的持续拉压荷载装置示意图；

图4为本发明的持续拉压荷载装置施加拉应力示意图；

图5为本发明的持续拉压荷载装置施加压应力示意图；

图中：1为中心圆气体扩散腔室，2为外圆气体扩散腔室，3为进气管，4为压力检测管，5为浓度传感器探测管，6为待测试件，7为橡胶垫，8为底板，9为第一钢板，10为第二钢板，11为中部支撑板，12为顶板，13为第一螺栓，14为弹簧，15为拉压传感器，16为千斤顶，17为凹槽，18为海绵块,19为第三钢板，20为氧气浓度测试仪，21为氧气数据记录仪，22为计算机。

具体实施方式

实施例1：

如图1-5所示，测定持续拉压作用下不同饱和度混凝土中氧气扩散系数的装置，包括待测试件、氧气扩散装置和持续拉压荷载装置；

氧气扩散装置包括中心圆气体扩散腔室1和外圆气体扩散腔室2，中心圆气体扩散腔室1和外圆气体扩散腔室2呈同心圆结构，中心圆气体扩散腔室1和外圆气体扩散腔室2上的两侧分别各设置三个带有阀门的外接细管，所述的外接细管从上到下依次是进气管3、压力检测管4和浓度传感器探测管5，中心圆气体扩散腔室1和外圆气体扩散腔室2的进气管3与供气瓶连接，中心圆气体扩散腔室1和外圆气体扩散腔室2均与待测试件6通过橡胶垫7紧密贴合，形成密闭空间；

待测试件6的一侧的中心圆气体扩散腔室1内充入氧气，另一侧充入氮气；

中心圆气体扩散腔室1扩散气体为有效气流，持续拉压荷载装置位于气体扩散面垂直方向设置；

持续拉压荷载装置包括底板8、带有两个凹槽17的第一钢板9、第二钢板10、中部支撑板11和顶板12，底板8与带有两个凹槽的第一钢板9通过均匀分布的四根第一螺栓13连接在一起，第二钢板10的上表面与中部支撑板11的下表面通过第二螺栓连接在一起，第一螺栓13的顶部与第二钢板10连接，中部支撑板11的上通过均匀分布的弹簧14与顶板12连接，中部支撑板11的中心放置拉压传感器15，拉压传感器15与顶板12之间由倒立的千斤顶16顶住；待测试件6放置于第一钢板9与第二钢板10之间，第一钢板9的凹槽17内放置化学试剂和与凹槽17匹配的海绵块18，由海绵块18的底部浸入化学试剂内实现化学试剂在海绵块18上的扩散，待测试件6的两侧由海绵块18夹持，海绵块18的外侧由第三钢板19固定，海绵块18与待测试件6高度一致，第三钢板19垂直于第一钢板9和第二钢板10设置。

中心圆气体扩散腔室1扩散气体为有效气流，也是本发明所需测得的气流，外圆气体扩散腔室2扩散气体形成保护气流，保护中心圆气体扩散腔室1有效气流不向外渗漏。

中心圆气体扩散腔室1和外圆气体扩散腔室2的浓度传感器探测管5上均电连接有氧气传感器，氧气传感器用于测定中心圆气体扩散腔室1和外圆气体扩散腔室2的氧气浓度，氧气传感器与氧气浓度测试仪20连接，氧气浓度测试仪20与氧气数据记录仪21电连接，氧气数据记录仪21与计算机22电连接。

第一钢板9和第二钢板10与待测试件6接触面均涂抹世林sl33334强力环氧胶。

通过上述的装置测定持续拉压作用下不同饱和度混凝土中氧气扩散系数的方法，包括以下步骤：

1)待测试件预处理：

浇注成型标准试验立方体结构待测试件；并在待测试件外表面用环氧树脂涂抹以隔绝外界大气的影响；

2)组装待测试件：

将待测试件的端面分别于中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室通过橡胶垫紧密贴合形成密封整体，分别将中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室的进气管与供气瓶连接，中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室的浓度传感器探测管上均连接有氧气传感器，保证氧气扩散装置的气密性，将氧气扩散装置放入恒温室内，并于待测试件气体扩散面相垂直的方向组装持续拉压荷载装置；

3)测试：

打开供气瓶出气阀门与氧气扩散装置的进气管道上的进气阀门，分别往中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室内充气，一侧充入氧气，另一侧充入氮气，使得中心圆气体扩散腔室和外圆气体扩散腔室内的气体达到目标试验压强，并通过压力检测管上的检测压力计保证待测试件左右两侧腔室内的压强时刻相等，并记录腔室体积；通过持续拉压荷载装置上的拉压传感器得出待测试件施加荷载量；

其中，检测压力计用于检测气体腔室内气体压强，保证待测试件左右气体腔室在实验开始时气体压强相等(根据气体扩散定律，在相同的温度和压力下，气体的扩散速度与其密度或分子量的平方根成反比)因此，实验开始时，待测试件左侧充入氧气(氧气分子量5.56)，待测试件右侧充入氮气(氮气分子量5.29)，近似认为两者气体分子量相等，因此认为待测试件左右两腔室气体扩散速率相等。所以左右两腔室的压强时刻相等且腔室体积在扩散过程中基本不变。

打开与两腔室相连接的已校准好的氧气数据记录仪，此时时刻记为t＝0，并用数据记录仪将此时两腔室中的氧气浓度记录并传输到计算机中，由于左右腔室内的氧浓度差，氧气逐渐从高氧浓度腔室经过待测试件扩散至低氧腔室，在这个过程中，数据记录仪记录下不同时刻下的两腔室中的氧气浓度，待两腔室氧气浓度接近时，此时两腔室浓度梯度很小，氧气继续通过待测试件的扩散量很小，停止试验，记录此时时刻t；根据以上数据，由于两腔室的氧浓度差，氧气在氧浓度梯度的动力下在待测试件中扩散，待测试件的氧气扩散系数根据以下公式求得

其中，n为低氧腔室t＝0时到试验结束时增加的总氧气的物质的量(mol)；da为等效氧气扩散系数；s为有效扩散面积；t为实验时间；为氧气在x方向上的浓度梯度。

根据fick第一定律，且在该测试方法下，假定氧气的扩散方式为一维扩散，则有其中n为低氧腔室t＝0时到试验结束时增加的总氧气的物质的量(mol)，da为等效氧气扩散系数，为氧气在x方向上的浓度梯度，s为有效扩散面积，t为实验时间。由以上公式可得等效氧气扩散系数为根据左右两腔室所记录的不同时刻下氧气百分比含量以及腔室体积，再结合理想气体状态方程可以得到两腔室不同时刻下的氧气浓度值，假定氧气浓度在混凝土材料中呈线性分布，且氧气为扩散为一维扩散，可得

式中：c2为一定时刻下高氧腔室中的氧气浓度(mol/m³)，c1为相同时刻下低氧腔室中的氧浓度值(mo1/m³)，x为水泥基材料试件厚度(m)。由上式可知，是与时间相关的函数，不同时刻下混凝土材料试件的左右两腔室的氧浓度梯度不同。而与时间的函数可根据试验记录的数据，利用originpro软件进行数据拟合得到，由此可由上公式通过计算得到所测混凝土材料试件的氧气扩散系数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。