一种测定持续荷载作用下混凝土环向气体扩散通量的装置
阅读说明：本技术 一种测定持续荷载作用下混凝土环向气体扩散通量的装置 (Device for measuring diffusion flux of concrete annular gas under continuous load action ) 是由 蔡成功 吴庆 于文剑 王皓 马弘历 张成帅 彭祥东 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种测定持续荷载作用下混凝土环向气体扩散通量的装置,包括环形混凝土试块、水平布置的下加载板、上加载板、环形亚克力内套筒、环形亚克力外套筒、第一密闭腔室、第二密闭腔室；上加载板上开设有与第一密闭腔室和/或第二密闭腔室连通的一个或一个以上的进气孔、一个或一个以上的出气孔、一个或一个以上的浓度传感器安装孔,浓度传感器安装孔内安装有浓度传感器,浓度传感器连接有数据记录仪,进气孔连接外设的气体瓶,所述出气孔设有阀门。与现有技术相比,本发明可以测定环形混凝土试块四周有害气体扩散到环形混凝土试块内部的速率,且可以施加持续压荷载,更加贴合工程实际情况。(The invention discloses a device for measuring diffusion flux of concrete in an annular direction to gas under the action of continuous load, which comprises an annular concrete test block, a lower loading plate, an upper loading plate, an annular acrylic inner sleeve, an annular acrylic outer sleeve, a first closed chamber and a second closed chamber, wherein the lower loading plate, the upper loading plate, the annular acrylic inner sleeve, the annular acrylic outer sleeve, the first closed chamber and the second closed chamber are horizontally arranged; the upper loading plate is provided with one or more air inlet holes, one or more air outlet holes and one or more concentration sensor mounting holes, the one or more air outlet holes are communicated with the first closed chamber and/or the second closed chamber, the concentration sensor is mounted in the concentration sensor mounting holes and is connected with a data recorder, the air inlet holes are connected with an external gas bottle, and the air outlet holes are provided with valves. Compared with the prior art, the method can measure the diffusion rate of harmful gases around the annular concrete test block into the annular concrete test block, can apply continuous pressure load, and is more suitable for the actual engineering situation.)
技术领域
本发明涉及混凝土耐久性测试领域，特别是一种测定持续荷载作用下混凝土环向气体扩散通量的装置。
背景技术
钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀是混凝土结果破坏的重要因素之一，而氧气浓度、氯离子浓度和混凝土的饱和度都会影响钢筋锈蚀的速率。在实际工程结构中，氧气充当钢筋锈蚀的氧化剂，随着氧气扩散速率的提高，钢筋锈蚀速率也会随之增快。
目前钢筋锈蚀的研究主要是从氯离子浓度、饱和度与氧气含量等方面进行研究，而对于氧气浓度与钢筋锈蚀的研究较少，主要集中通过测定氧气扩散系数来研究氧气对钢筋锈蚀的影响。而现有的试验装置中测定的全部是单向氧气扩散系数，而实际工程环境中的混凝土构件基本都是四周与空气接触，气体是从四周向混凝土内部扩散。
混凝土是一种多孔非匀质材料，其中的气体扩散规律遵循菲克扩散定律，即气体的扩散驱动力仅为浓度梯度，发生扩散作用。仅研究混凝土中单向气体扩散研究有一定的片面性。因此，为了更贴近实际设计一个测定荷载作用下混凝土环向气体扩散通量的装置势在必得，为后续计算气体扩散系数，研究气体扩散对钢筋锈蚀的影响奠定基础。
目前已有的试验装置组装起来较为复杂，并且只能测定单向扩散后的气体扩散系数。如中国专利授权公告号CN201710485141.0，授权公告日是2020年05月12日，名称为“一种混凝土氧气扩散系数测试装置”，公开了一种测定氧气扩散系数的装置；中国专利授权公告号CN204944930U，授权公告日是2016年01月06日，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。混凝土是否受压以及混凝土的厚度对氧气扩散系数有着重要影响。实际情况下，混凝土都是受荷载工作，有害气体都是由四周扩散进入混凝土内部，并且荷载作用下对混凝土的气体扩散作用有着重要的影响。因此，设计一种测定持续荷载作用下混凝土环向气体扩散系数的装置势在必得。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种测定持续荷载作用下混凝土环向气体扩散通量的装置。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种测定持续荷载作用下混凝土环向气体扩散通量的装置，包括环形混凝土试块，还包括：
水平布置的下加载板、设置于下加载板上方且与下加载板相互平行的上加载板，所述下加载板上端面固定有环形亚克力内套筒，所述上加载板下端面固定有环形亚克力外套筒，所述环形亚克力外套筒用于套置在环形亚克力内套筒外部且环形亚克力外套筒的内径与环形亚克力内套筒的外径相同，上加载板与下加载板之间可拆卸连接；所述环形混凝土试块内表面与上加载板、下加载板之间的密封圆柱体空间区域形成第一密闭腔室，所述上加载板的下端面与环形亚克力外套筒、环形亚克力内套筒和下加载板上端面与环形混凝土试块外表面之间形成第二密闭腔室，环形混凝土试块的上下两端通过上加载板和下加载板固定；
所述上加载板上开设有与第一密闭腔室和/或第二密闭腔室连通的一个或一个以上的进气孔、一个或一个以上的出气孔、一个或一个以上的浓度传感器安装孔，浓度传感器安装孔内安装有浓度传感器，浓度传感器连接有数据记录仪，进气孔连接外设的气体瓶，所述出气孔设有阀门。
进一步地，所述进气孔、出气孔、浓度传感器安装孔分别设置为两个，其中一个进气孔、出气孔、浓度传感器安装孔形成第一组；另外一个进气孔、出气孔、浓度传感器安装孔形成第二组；第一组的进气孔、出气孔、浓度传感器安装孔呈环形均布在第一密闭腔室上方的上加载板上，第二组的进气孔、出气孔、浓度传感器安装孔呈环形均布在第二密闭腔室上方的上加载板上。
进一步地，所述环形亚克力外套筒与环形亚克力内套筒的高度均设置为环形混凝土试块的高度的三分之二。
进一步地，所述上加载板下端面和下加载板上端面分别设有环形凹槽，环形混凝土试块的顶端嵌入上加载板上的环形凹槽内，环形混凝土试块的末端嵌入下加载板上的环形凹槽内。
进一步地，所述上加载板与下加载板之间通过螺栓和螺母连接，所述下加载板上端面边缘呈环形垂直固定有多根螺栓，螺栓的顶端贯穿上加载板上开设的螺栓孔后用螺母锁紧。
进一步地，为了保证上加载板的下端面与环形亚克力外套筒、环形亚克力内套筒和下加载板上端面之间形成密闭腔室的密封性能，所述环形亚克力外套筒与环形亚克力内套筒重合接缝处涂抹环氧胶。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明可以测定环形混凝土试块四周有害气体扩散到环形混凝土试块内部的速率，且可以施加持续压荷载，更加贴合工程实际情况；
本发明通过在两腔室的出气孔上装备硅胶薄膜，由于硅胶薄膜的易变性，可以保证气体腔室内部的气压与大气压平衡，确保扩散驱动力仅为浓度梯度；
本发明的加压与气体扩散装置一体化，装置轻便，操作便捷，且组合简单，密封性好，试验误差小。
附图说明
图1为本发明的结构示意图.
图2为本发明的上加载板的结构示意图。
图3为本发明的下加载板的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
如图1-图3所示，本实施例具体公开了一种测定持续荷载作用下混凝土环向气体扩散通量的装置，包括环形混凝土试块，还包括：
水平布置的下加载板1、设置于下加载板1上方且与下加载板1相互平行的上加载板3，所述下加载板1上端面固定有环形亚克力内套筒12，所述上加载板3下端面固定有环形亚克力外套筒5，所述环形亚克力外套筒5用于套置在环形亚克力内套筒12外部且环形亚克力外套筒5的内径与环形亚克力内套筒12的外径相同，上加载板3与下加载板1之间可拆卸连接，具体地，如图1所示，所述上加载板3与下加载板1之间通过螺栓2和螺母4连接，所述下加载板1上端面边缘呈环形垂直固定有四根螺栓2，螺栓2的顶端贯穿上加载板3上开设的螺栓孔14后用螺母4锁紧，在组装过程中，可根据需要加载荷载的大小确定拧紧螺母4的力度；所述环形混凝土试块内表面与上加载板3、下加载板1之间的密封圆柱体空间区域形成第一密闭腔室，所述上加载板3的下端面与环形亚克力外套筒5、环形亚克力内套筒12和下加载板1上端面与环形混凝土试块外表面之间形成第二密闭腔室，环形混凝土试块的上下两端通过上加载板3和下加载板1固定。
所述上加载板3上开设有两个进气孔、出气孔、浓度传感器安装孔，分别记为第一进气孔9、第二进气孔8、第一出气孔10、第二出气孔7、第一浓度传感器安装孔11、第二浓度传感器安装孔6，第一进气孔9、第一出气孔10、第一浓度传感器安装孔11呈环形均布在第一密闭腔室上方的上加载板3上，第二进气孔8、第二出气孔7、第二浓度传感器安装孔6呈环形均布在第二密闭腔室上方的上加载板3上；第一浓度传感器安装孔11、第二浓度传感器安装孔6内均安装有氧气浓度传感器，氧气浓度传感器连接有数据记录仪，第一进气孔9连接外设的氮气瓶用于向第一密闭腔室内冲入氮气，第二进气孔8连接外设的氧气瓶用于向第二密闭腔室内冲入氧气；第一出气孔10、第二出气孔7均设有阀门，在实际使用过程中，第一出气孔10、第二出气孔7的作用是排出多余气体。后关闭第一出气孔10、第二出气孔7的阀门，在第一出气孔10、第二出气孔7上套装硅胶薄膜，再打开第一出气孔10、第二出气孔7的阀门，随后从进气孔充入试验气体。套硅胶薄膜的目的是利用硅胶薄膜易变性，保证气体腔室内压强内外一样。
在本实施例中，所述环形亚克力外套筒5与环形亚克力内套筒12的高度均设置为环形混凝土试块的高度的三分之二。加载时，环形亚克力外套筒5与环形亚克力内套筒12之间重合三分之二，即加载时环形亚克力外套筒5的下边缘接触不到下加载板1，这样可确保在施加荷载时环形亚克力外套筒5与环形亚克力内套筒12无需受力，保证第一密闭腔室和第二腔室内体积和压强始终不变。
在实际使用过程中，为了使环形混凝土试块固定在上加载板3和下加载板1之间不发生位移，所述上加载板3下端面和下加载板1上端面分别设有环形凹槽13，环形混凝土试块的顶端嵌入上加载板3上的环形凹槽13内，环形混凝土试块的末端嵌入下加载板1上的环形凹槽13内，当然了，为了更好地保证密封性，环形凹槽13外圈顶部可以先放入密封垫圈，然后再将环形混凝土试块嵌入环形凹槽13中。
在环形亚克力外套筒5套在环形亚克力内套筒12上后，为了保证上加载板3的下端面与环形亚克力外套筒5、环形亚克力内套筒12和下加载板1上端面之间形成密闭腔室的密封性能，所述环形亚克力外套筒5与环形亚克力内套筒12重合接缝处涂抹环氧胶。
利用上述实施例的测定持续荷载作用下混凝土环向气体扩散通量的装置进行混凝土环向气体扩散通量测量时，具体操作如下(该操作为现有技术)：
利用模具浇筑环形混凝土试块，并且养护28d，养护完成后在环形混凝土试块非扩散面上涂抹环氧树脂，保证气密性；
将下加载板放置于平面上，在下加载板的环形凹槽外圈顶部放入密封垫圈，再放上环形混凝土试块，盖上放好密封垫圈的上加载板同时环形亚克力外套筒套在环形亚克力内套筒上，逐步拧好四颗螺母，确保上加载板、下加载板保持平行，可根据需要加载荷载的大小确定拧紧螺母的力度，完成后可在环形亚克力外套筒环形亚克力内套筒重合接缝处涂抹环氧胶，进一步确保试第一密闭腔室和第二腔室的密封性能；
在第一密闭腔室上方的进气孔、浓度传感器安装孔中依次连接好氮气瓶、氧气浓度传感器，并将氧气浓度传感器连接到数据记录仪，在出气孔处设置阀门，开启氮气瓶后缓慢充入氮气后迅速关闭出气孔的阀门，后在阀门上装备硅胶薄膜，再打开阀门；在第二密闭腔室上方的进气孔、氧气浓度传感器安装孔中依次连接好氧气瓶、氧气浓度传感器，并将氧气浓度传感器连接到数据记录仪(两个氧气浓度传感器可以共用一个数据记录仪)，在出气孔处设置阀门，开启氧气瓶后缓慢充入氮气后迅速关闭出气孔的阀门，后在阀门上装备硅胶薄膜，再打开阀门。
等待试验，试验结束后根据数据记录仪所记录的数据进行数据处理及结果分析，打开与两密闭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密闭腔室中的氧气浓度记录并传输到计算机中，由于两密闭腔室内的氧浓度差，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密闭腔室中的氧气浓度，待两腔室氧气浓度接近时，此时两腔室浓度梯度很小，氧气继续通过环形混凝土试块的扩散量很小，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环形混凝土试块中扩散，环形混凝土试块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两密闭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。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
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