荷载作用混凝土孔结构演化原位监测方法与试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及混凝土孔结构测定技术领域，尤其涉及一种非接触式阻抗法测定受轴 拉荷载作用混凝土连通孔隙结构演化的原位监测方法与试验装置。
【背景技术】
[0002] 混凝土是一种多孔材料，在土木工程结构中有着广泛的应用。随着全球经济快速 发展，建设规模空前，水泥基材料使用量逐年上升，对于经济高速发展的中国尤为突出。我 国是一个发展中的大国，正在从事着大规模的基础设施建设，但我国的各种资源和能源并 不丰富，因此更需要从战略高度，合理地利用有限的资源，科学地设计出安全、适用又耐久 的工程项目，更要尽可能延续现有基础设施的使用寿命。
[0003] 处于海洋环境、撒除冰盐环境以及工业环境中的钢筋混凝土结构，由于氯盐、水分 和氧气通过混凝土的毛细孔到达钢筋表面从而引起钢筋腐蚀，会大大降低混凝土结构的使 用寿命。由钢筋锈蚀导致的混凝土结构耐久性问题，已成为国际研究热点问题。据统计，环 境对混凝土结构腐蚀破坏造成的损失，有些国家会达到国民生产总值的2 %~4%。混凝土 中的孔隙分为开口孔、半开口孔和封闭孔。侵蚀介质向混凝土中的传输速度除受环境温湿 度影响外，主要取决于混凝土的开口连通孔隙率。准确测定混凝土的连通孔隙率是预测混 凝土抵抗侵蚀介质传输能力的关键。如今，混凝土孔隙率的测定通常采用压汞法。压汞法的 测定结果容易受汞压力的影响，测得孔隙率通常包括连通孔和部分半连通孔隙，而真正为 介质传输提供通道的是连通孔隙。由于受试验技术和压汞原理的限制，测试混凝土的孔隙 率，如今的做法是将混凝土破碎，然后取混凝土内的砂浆部分进行压汞试验，而且试样尺寸 通常只有黄豆般大小（约直径5mm)。可见，压汞法测试混凝土的孔隙率，实际上是测试砂浆 的孔隙率，没有包含粗骨料。实际应用中的钢筋混凝土结构，混凝土必然都是包含粗骨料 的。要真实测定混凝土的连通孔隙率，需要包含粗骨料，而要保证混凝土中粗骨料的均匀 性，通常试件边长要大于2.5倍骨料粒径，假如粗骨料最大粒径25mm，试件截面边长应该在 65_左右，采用传统测试方法很难做到。
[0004] 事实上，混凝土是包含粗骨料、细骨料和水泥石基体的三相复合材料，而毛细孔 (还有更小的凝胶孔)则主要存在于水泥石基体中。有研究表明，骨料和水泥石的界面过渡 区也是孔隙含量较高的区域。如果采用砂浆反映混凝土的孔隙特征，粗骨料的影响不能很 好测定，且粗骨料与水泥石基体间的界面过渡区会被忽略。要准确预测混凝土结构的抗介 质侵蚀能力，需要准确定量混凝土的连通孔隙率。基于非接触式阻抗法，中国专利授权公告 号CN102539928A，授权公告日是2012年7月4日，名称为"应用于分析水泥基材料孔结构的非 接触式阻抗测量仪"，提供了一种应用于分析水泥基材料孔结构的非接触式阻抗测量仪，用 于测量样品经历物理或化学过程状态变化过程中的阻抗和复电阻率，中国专利授权公告号 CN12226824B，授权公告日是2013年7月31日，名称为"高温环境混凝土形成过程中电阻率变 化的测量装置与方法"，公开了一种高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置与 方法。该两项专利采用无极非接触法分析水泥基材料或混凝土早龄期(通常7天龄期内）的 孔结构发展规律，但不能对成熟后(通常28天龄期后)混凝土进行孔结构定量分析。
[0005] 服役过程中的混凝土结构都是要承受荷载作用的，其中轴拉荷载对混凝土孔结构 的影响最明显。荷载作用会使混凝土孔结构特征改变，随着荷载增大还会使混凝土内部产 生微裂缝，微裂缝的不断产生会增加混凝土的孔隙连通性、降低混凝土孔隙迂曲度，甚至会 增加混凝土的孔隙率，由此导致不同荷载水平下，侵蚀介质向混凝土内部传输性能不同。传 统测试方法，如电通量法、RCM法等主要通过在电场作用下氯离子在混凝土孔隙中的快速迀 移来半定量分析混凝土中的孔结构特征。由于测试时需要从承受荷载的混凝土构件取芯制 样或实验室制得的试件切片制样，实际测试时施加于混凝土的荷载已经卸掉而试验中无法 施加荷载，也就无法测得承受荷载状态下混凝土的孔结构特征，更无法采用同一个试块完 成不同荷载下混凝土孔结构特征的定量表征。
[0006] 通常，对混凝土施加轴拉荷载具有较大困难，主要在于对混凝土试件施加轴拉荷 载容易出现轴线对中难、加载时容易出现偏心，往往导致试验失败。因此，当前的研究和已 有的专利文献中，对材料施加轴拉荷载，通常需要借助于自平衡反力架、千斤顶以及减少偏 心的球铰等措施。例如，中国专利公告号CN104330314A，申请公布日是2015年2月4日，名称 为"用于超高温陶瓷高温直接拉伸强度测试装置的装夹机构"，中国专利授权公告号 CN103175733B，授权公告日是2015年7月2日，名称为"不可压缩材料的直接拉伸试验夹具"， 中国专利申请公布号CN103267682A，申请公布日是2013年8月28日，名称为"拉应力与环境 耦合作用下材料徐变的测试装置及测试方法"，在混凝土轴拉试验方法上有了很多创新，但 是试验装置相对复杂。
[0007] 因此，研发一种操作简便、能够准确测定混凝土连通孔隙率且能够通过较简便的 加载方法对混凝土施加轴拉荷载的试验装置，从而真正实现荷载作用下混凝土孔结构演化 的定量表征，具有十分重要的工程价值，可对荷载作用下混凝土孔结构的演化过程进行原 位监测，从而进行混凝土材料性能分析和耐久性能预测，对科学研究和工程应用都具有很 重要的意义。
【发明内容】
[0008] 为了克服现有测定混凝土连通孔隙率实验技术的不足，本发明提供一种稳定性 高、操作简便、能够实现轴拉荷载施加、混凝土连通孔隙率测试以及荷载作用下混凝土孔结 构演化过程原位监测的试验装置，尤其涉及应用非接触式阻抗技术，轴拉荷载施加方法以 及孔结构演化原位监测技术，且适用于测定混凝土的连通孔隙率并评估混凝土的抗侵蚀性 能，以解决目前尚无有效方法测定荷载作用下混凝土孔结构演化的原位监测问题。
[0009] 本发明所述的荷载作用混凝土孔结构演化原位监测方法，包括以下步骤：
[0010] 1)混凝土待测试件的准备：
[0011] 针对荷载损伤混凝土孔结构演化原位监测试验，浇筑哑铃型试件，将试件养护至 设定龄期，在烘箱中干燥至恒重，然后将待测混凝土试件在标准浓度盐溶液中浸泡或真空 饱盐至孔隙饱和，所述标准氯化钠溶液的浓度为0.1~2mol/L，将轴拉试件除两个对立侧面 待测试区域外的其他区域用环氧树脂或石蜡密封；
[0012] 2)测定前的准备：
[0013] 实验前保证标准浓度盐溶液与步骤1)获得的饱盐待测混凝土试件温度相同，将两 法兰压盘密封对接，在加液管中灌注标准盐溶液以标定仪器，并确定标准浓度盐溶液的电 阻率P0 ;标定结束后，排掉标准盐溶液，将饱盐待测混凝土试件与橡胶密封圈接触处涂少许 凡士林以增加密封性，然后将连接有法兰压盘的加液管与饱盐待测混凝土试件密封紧固成 为一个密封整体，重新向加液管中灌注标准盐溶液，试验中选用NaCl溶液，NaCl溶液的浓度 为0·1~2mol/L;
[0014] 3)电阻率P测定：
[0015] 设置数据采集系统的采样频率，数据处理系统从电阻率测定系统中自动采集感应 电流和电压，计算程序根据式（1)计算电阻率，并实时显示电阻率变化率曲线，待电阻率变 化率随时间的变化曲线接近水平直线时，此时的电阻率值即为混凝土试块在标准盐溶液饱 和情况下的电阻率：
[0016]
[0017] 式中，p为待测试件的电阻率（Ω ·π〇，ν为感应环电压(V)，I为感应环电流(A)，S为 待测试件的有效截面面积(m2)，L为待测试件的厚度(m);
[0018] 通过对轴拉试件分级施加轴拉荷载，分别记录各级荷载下对应的电阻率；
[0019] 4)孔隙率Φ测定：
[0020] 根据Archie方程可得电阻率与孔隙率的关系，如式(2)。将其应用到混凝土连通孔 隙计算，则通过测定混凝土的电阻率值再由式(2)计算混凝土的连通孔隙率Φ:
[0021]
[0022] 式中，P为混凝土的电阻率（Ω · m)，pQ为标准浓度盐溶液的电阻率（Ω · m)，φ为 孔隙率，c^Pm为拟合系数；
[0023] 根据步骤3)测定的不同电阻率，分别计算不同荷载水平下对应的混凝土连通孔隙 率。
[0024] 按照本发明所述的方法构建的试验装置，其特征在于:包括离子迀移单元、电阻测 量单元、加载单元和数据处理单元，所述的离子迀移单元包括两个带通孔的法兰压盘、加液 管、补液水槽和对拉螺杆，所述的加液管的每个端口对应一个法兰压盘;所述的加液管的两 端口分别从相应的法兰压盘外端面插入其通孔内；两个法兰压盘内端面相对并通过对拉螺 杆形成用于夹持待测试件的测试腔，法兰压盘与待测试件之