一种研究荷载与腐蚀作用RC轴压构件性能的装置及试验方法

本发明涉及长期加载与腐蚀耦合试验装置，特别是涉及一种研究荷载与腐蚀作用rc轴压构件(即钢筋混凝土轴压构件)性能的装置及试验方法。

背景技术：

1、钢筋混凝土因兼顾钢与混凝土的优点而被大规模应用于基础建设中。然而，氯离子、碳化、冻融和化学侵蚀等环境因素均会导致钢筋混凝土耐久性的劣化。其中，氯离子侵入引起的钢筋腐蚀是钢筋混凝土性能劣化最主要的原因。作为建筑工程和桥梁工程中最主要的承重构件，钢筋混凝土柱在服役期间时刻承受压缩荷载作用。压缩应力会造成混凝土材料内部孔隙的改变，影响氯离子的扩散行为，进而影响钢筋的腐蚀速率。为研究压缩荷载与氯盐腐蚀耦合作用下钢筋混凝土轴压构件的性能劣化，人们开发了大量耦合试验方法和装置。例如，wang等人采用预应力筋的方法实现轴压荷载，为减少混凝土收缩和徐变导致的预应力损失，施加荷载时超张拉3％；wu等人采用万能试验机对钢筋混凝土柱试件的上下承重板施加压应力，达到设计应变后拧紧与上下钢板连接的螺栓持荷。但由于持荷装置本身的蠕变和混凝土收缩徐变的影响，施加的轴向荷载会随时间发生非线性损失，上述试验装置无法监测剩余轴向荷载，也难以在后续试验中进行荷载补充，从而影响试验荷载水平的准确性。且上述试验方法在完成加载后，将试件和装置一同放入nacl溶液中开展电化学腐蚀试验，试验过程中装置将发生较严重的腐蚀，影响可持续利用。

2、钢筋混凝土的徐变会导致结构位移增加和内力重分布，准确预测氯盐环境下钢筋混凝土柱的徐变规律是保障钢筋混凝土结构长期性能与耐久性能的重要方面。目前，对于不同荷载水平与氯盐腐蚀耦合作用下钢筋混凝土柱徐变规律的研究还未见到。此外，在长期荷载与氯盐腐蚀耦合试验过程中，氯离子(cl-)不断进入混凝土内部，造成柱试件表面氯离子浓度降低，影响氯离子扩散速率；钢筋腐蚀后会产生部分游离的铁离子(fe3+)和亚铁离子(fe2+)，在外部直流电压的作用下，这两种离子会转移到nacl溶液中，这两种离子的浓度反应了试件内部钢筋的腐蚀程度，在目前的试验研究中还未见到。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种研究荷载与腐蚀作用rc轴压构件性能的装置及试验方法，目的在于采用ppr塑料水槽隔绝nacl溶液与加载装置防止腐蚀，采用千斤顶施加轴向荷载，采用荷载传感器与应变采集系统监测长期荷载变化以便准确维持长期荷载水平，在钢筋混凝土柱中部埋入振弦式应变计以便监测混凝土的徐变规律，采用离子计测量cl-的浓度以便及时更换nacl溶液，采用铁离子三参数测试仪测量nacl溶液中fe2+和fe3+的浓度以便建立试件钢筋的腐蚀程度预测模型。

2、为了实现上述目的，本发明的具体方案如下：

3、研究荷载与腐蚀作用rc轴压构件性能的装置，包括加载机构、钢筋混凝土柱试件、腐蚀机构和测量机构，所述加载机构包括拉杆、由下至上分别依次穿设并通过螺母安装在拉杆的第一承重板、第二承重板和第三承重板以及安装在第二承重板和第三承重板之间的千斤顶；

4、所述腐蚀机构包括装有nacl溶液的ppr塑料水槽、ppr绝缘板、不锈钢阴极棒、垫片和直流电源，装有nacl溶液的ppr塑料水槽安装在第一承重板上，钢筋混凝土柱试件和不锈钢阴极棒浸泡在nacl溶液的ppr塑料水槽中，不锈钢阴极棒位于钢筋混凝土柱试件一侧，直流电源分别连接不锈钢阴极棒和钢筋混凝土柱试件的钢筋外接导线，ppr绝缘板设在钢筋混凝土柱试件顶部，垫片设在ppr绝缘板上；

5、所述测量机构包括pc机、荷载传感器、应变片、应变采集系统、振弦式应变计和读数仪，pc机通过应变采集系统分别与应变片和荷载传感器连接，荷载传感器设在第二承重板与垫片之间，应变片连接在钢筋混凝土柱试件的相邻两侧，振弦式应变计埋设在钢筋混凝土柱试件内，读数仪连接振弦式应变计。

6、进一步地，所述测量机构还包括离子计和铁离子三参数测试仪，离子计的电极传感器和铁离子三参数测试仪的探头分别浸入装有nacl溶液的ppr塑料水槽。

7、进一步地，所述拉杆、第一承重板、第二承重板、第三承重板和垫片均分别由钢材质或金属材质制成。

8、进一步地，所述nacl溶液的质量分数为5％，所述直流电源的电压为0～30v，电流为0～3a，不锈钢阴极棒与钢筋混凝土柱试件的距离为15mm。

9、一种所述的研究荷载与腐蚀作用rc轴压构件性能的装置的试验方法，包括如下步骤：

10、步骤1：制作钢筋混凝土柱试件：根据确定的混凝土强度等级、配合比、尺寸、钢筋型号和尺寸制作钢筋混凝土柱试件，并养护；

11、步骤2：安装加载装置：将第一承重板、第二承重板和第三承重板分别由下至上依次穿设并通过螺母安装在拉杆上；

12、步骤3：安装钢筋混凝土柱试件：将养护完成的钢筋混凝土柱试件放入ppr塑料水槽中，并将ppr塑料水槽放置在第一承重板上，再将ppr绝缘板、钢垫片和荷载传感器由下至上依次放置在钢筋混凝土柱试件顶部，转动螺母使第二承重板与荷载传感器相抵；

13、步骤4：将pc机通过应变采集系统分别连接荷载传感器和应变片后调试清零，将千斤顶安装在第二承重板和第三承重板之间，通过千斤顶施加恒定长期荷载nl，长期荷载nl由长期荷载水平n和钢筋混凝土柱试件设计承载力nd决定，通过pc机观察施加过程中的荷载大小和方向，钢筋混凝土柱试件的混凝土两相邻表面的应变值相差不超过10％时，则认为荷载为轴向，达到钢筋混凝土柱试件设计承载力nd后扭紧第二承重板上的螺母持荷；

14、步骤5：电化学腐蚀试验：将直流电源分别连接不锈钢阴极棒和钢筋混凝土柱试件的钢筋外接导线，将nacl溶液注入ppr塑料水槽中，浸泡若干天后打开直流电源开关，调整至设计直流电流icorr并保持恒定，开始电化学腐蚀试验；

15、步骤6：离子浓度测量：离子浓度测量共取4个测点，4个测点分别布设在钢筋混凝土柱试件4个面周围的nacl溶液中，离子浓度取4个测点的平均值；将离子计的电极传感器依次浸入4个测点处的nacl溶液中测量cl-的浓度并记录，每15天测量1次；将铁离子三参数测试仪的探头依次浸入4个测点处的nacl溶液中测量fe2+和fe3+的浓度并记录，每15天测量1次；

16、步骤7：混凝土应变测量：通过读数仪读取振弦式应变计输出的频率信号fi，用来计算混凝土的纵向总应变εtotal，每天读取一次；将钢筋混凝土柱试件养护完成时混凝土产生的纵向总应变定义为收缩应变εsh；将长期荷载施加完成时混凝土增加的纵向应变定义为加载瞬时应变ε0；将混凝土纵向总应变εtotal与收缩应变εsh和加载瞬时应变ε0的差值定义为徐变应变εc(t,τ0)；将徐变应变εc(t,τ0)与加载瞬时应变ε0的比值定义为混凝土徐变系数φ(t,τ0)；

17、步骤8：综合评估钢筋混凝土柱试件的性能劣化：取出经电化学腐蚀试验结束后的钢筋混凝土柱试件进行极限承载力试验；破开钢筋混凝土柱试件混凝土取出钢筋，测量钢筋的实际腐蚀程度；整理筋混凝土柱试件的徐变数据；建立fe2+和fe3+的浓度与钢筋实际腐蚀程度的对应关系，综合评定钢筋混凝土柱试件的性能劣化程度。

18、6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，步骤1所述的钢筋混凝土柱的养护龄期为28天。

19、进一步地，步骤1所述的钢筋混凝土柱的养护龄期为28天；

20、进一步地，步骤4所述长期荷载水平n的计算公式如下：

21、

22、所述钢筋混凝土柱试件设计承载力nd的计算公式如下：

23、

24、式(2)中，为稳定系数，ac为混凝土截面面积，as为全部纵筋面积，fcd为混凝土轴向抗压强度设计值，fsd为纵筋抗压强度设计值。

25、进一步地，步骤5所述的设计直流电流icorr根据电化学的法拉第定律按以下公式计算：

26、icorr＝icorr×as0        (7)

27、式(4)中，icorr为腐蚀电流密度；as0为待腐蚀钢筋的原表面面积。

28、进一步地，步骤7所述混凝土纵向总应变εtotal的计算公式为：

29、

30、式(5)中，k(×10-4με/hz2)表示修正系数，fo表示初始频率值，fi表示试验实测频率；

31、所述混凝土的徐变应变εc(t,τ0)的计算公式：

32、εc(t,τ0)＝εtotal-ε0-εsh       (7)

33、式(6)中，ε0表示混凝土的加载瞬时应变；εsh表示收缩应变；

34、所述混凝土的徐变系数φ(t,τ0)的计算公式：

35、

36、本发明的优点

37、1、本发明的研究荷载与腐蚀作用rc轴压构件性能的装置与方法采用pc机、应变采集系统和荷载传感器实时监测轴向荷载的大小，轴向荷载损失后能及时被发现和补充，确保荷载水平为设计水平，保证试验的准确性。

38、2、与加载装置浸泡在nacl溶液中相比，本发明采用ppr塑料水槽隔绝nacl溶液与加载装置，有效防止了加载装置的腐蚀，试验装置可持续利用。

39、3、与现有长期荷载与腐蚀耦合作用钢筋混凝土柱试验相比，本发明能研究不同荷载水平下钢筋混凝土柱的徐变规律，而非单一研究极限承载力的劣化，所得到的试验结果更为全面，能相互印证。

40、4、本发明通过离子计测量了nacl溶液中cl-的浓度变化，能及时更换nacl溶液，确保了试件表面cl-浓度的一致性，使试验环境更接近真实自然环境。

41、5、本发明通过铁离子三参数测试仪测量了nacl溶液中fe3+和fe2+的浓度随时间的变化，能建立fe3+和fe2+的浓度与电化学腐蚀试验时间的映射关系，试验结束后可破开试件测量钢筋的实际腐蚀程度，从而建立腐蚀程度η与时间的映射关系，进一步地建立fe3+和fe2+的浓度与腐蚀程度η的映射关系，可用于评估真实环境中钢筋混凝土柱的钢筋腐蚀程度。