一种灯芯效应下经混凝土表面水分蒸发速率测试装置及方法

技术领域

本发明涉及混凝土耐久性研究中抗盐结晶性能评估技术领域，具体涉及一种灯芯效应下经混凝土表面水分蒸发速率测试装置及方法。

背景技术

我国盐渍土总面积约为3600万公顷，占全国可利用土地面积的4.88％，其中70％是内陆盐渍土；盐渍土地区土壤和地下水中通常溶解有多种硫酸盐，譬如新疆库尔勒地区的地下水中硫酸盐浓度高达21299mg/L，成昆铁路百家岭隧道排水沟中的硫酸盐浓度达到了32475mg/L，使得这些环境中的混凝土结构面临严重的硫酸盐侵蚀破坏风险。

盐结晶破坏是混凝土受硫酸盐侵蚀破坏最迅速、最严重的一种破坏形式：当混凝土结构半暴露在盐湖、盐渍土环境中，盐水与混凝土地下部分接触并进入混凝土内部，盐水进一步在灯芯效应作用下向混凝土地上部分传输，并经混凝土表面蒸发；“化学侵蚀学说”认为水分蒸发区域混凝土孔隙盐溶液仅能浓缩，并加速化学侵蚀反应，并不会在孔隙中析出晶体；“物理侵蚀学说”则认为水分蒸发区域混凝土盐溶液浓缩并析出晶体，晶体在孔隙中不断积累并引起混凝土表层膨胀，膨胀内应力超出混凝土抗拉强度时引起混凝土表层剥落。由于硫酸盐侵蚀机理复杂，学术界内“化学侵蚀学说”与“物理侵蚀学说”争论不断，基于以上理论提出的诸多措施均不能很好的解决盐渍土地区半埋置混凝土盐结晶破坏现象，同时亦没有一个指标可以用于快速评价现有混凝土抵御抗盐结晶破坏的能力。

混凝土盐结晶破坏的“化学侵蚀学说”与“物理侵蚀学说”均认为盐水在灯芯效应作用在混凝土内部传输、经表面挥发导致孔溶液浓缩是引发破坏的必备环节，专利CN201710771155与CN201910223962均提出了一种混凝土内灯芯效应下混凝土耐久性研究评估装置，然而这两件专利中所涉及装置均将混凝土圆柱体试块侧面密封，一侧接触盐溶液，另一侧暴露在空气中或一定负压条件下，测试垂直穿过混凝土试块的盐水的蒸发速率。此两项专利所涉及装置仅能测试垂直穿过混凝土试块的盐水的蒸发速率，该种测试方式与工程的含盐水分传输实际不符。

研究表明，盐渍土地区半埋置混凝土受盐结晶破坏时，盐水在灯芯效应下往往沿表层0～10mm厚混凝土快速向上传输，并经混凝土表面蒸发；盐水经混凝土表层传输迅速，随深度增加不断放缓；并且距离盐渍土表面(盐溶液表面)越近蒸发速率越大，距离越远蒸发速率越小，正如盐渍土地区实际混凝土结构距离地面50cm以内部位受盐结晶破坏最为显著。

发明内容

本专利针对盐渍土地区半埋置混凝土受盐结晶快速破坏现象，结合学术界广泛认同的“化学侵蚀学说”与“物理侵蚀学说”的侵蚀破坏机理，将“半埋置(半浸泡)条件下混凝土表面水分蒸发速率”作为量化评价混凝土抵御抗盐结晶破坏能力的指标，提供一种灯芯效应下经混凝土表面水分蒸发速率测试装置及方法。

本专利将“混凝土半埋置(半浸泡)状态下，水分在灯芯效应下经混凝土表面蒸发的速率”作为量化评价混凝土抵御盐结晶破坏能力的指标。水分蒸发速率数值越大，意味着盐水在混凝土表层传输的越快，水分蒸发之后在混凝土表面或表层析出的晶体越多，混凝土表层内孔隙塞满盐晶体、进一步促使混凝土表层膨胀剥落的速率越快，因此该混凝土抵御盐结晶破坏的能力也就越差。

本发明所述灯芯效应下经混凝土表面水分蒸发速率测试装置，其组成包括密闭测试环境箱、环境参数控制系统、质量测试系统、数据传输系统和数据处理系统。

所述的环境参数控制系统和质量测试系统位于密闭测试环境箱内部，所述的数据处理系统位于密闭测试环境箱外部，所述的质量测试系统和数据处理系统通过数据传输系统实现数据的传输；

所述的环境参数控制系统包括智能抽湿机与鼓风机，前者控制密闭测试环境箱的湿度，后者提供特定的风速；

所述的质量测试系统包括称重装置与装样容器，所述的称重装置水平放置在密闭测试环境箱内，所述的装样容器内放置有待测混凝土试块和侵蚀溶液，试块下部浸泡在侵蚀溶液中，试块上部暴露在测试环境中，装样容器水平放置在称重装置上方；

所述的数据传输系统包括RS232数据线与RS232串口分配器，所述的RS232 串口分配器通过单根RS232数据线与数据处理系统相连，所述的RS232串口分配器通过多跟RS232数据线分别与多个称重装置相连；

所述的数据处理系统包括计算机，所述的计算机通过数据传输系统接收称重装置的数据并进行处理。

所述的装样容器为水平放置的PET或PP材质的柱形容器，由容器主体、顶盖及密封垫构成，顶盖设置有顶盖中心孔和盐水注射孔，顶盖中心孔用于插入待测试件，盐水注射孔用于注入盐水；所述试件下部插入装样容器中，上部曝露在可控温、湿度与风速的环境；待测试件放置完毕后，密封待测试件侧面与顶盖之间的缝隙；盐水注射完毕后，密封盐水注射孔。

本发明所述测试装置组成为密闭测试环境箱、环境参数控制系统、质量测试系统、数据传输系统和数据处理系统：所述装置提供特定环境条件，将待检测试块下部浸泡在装样容器的侵蚀溶液中，试块上部暴露在测试环境中；侵蚀溶液仅能在灯芯作用下在待测混凝土试块内传输，并最终通过混凝土上部分蒸发到密封环境中；测试试件质量变化计算出在灯芯效应下经混凝土表面水分蒸发速率。本装置既可以在施工前测试不同混凝土试块的表面水分蒸发速率，用以筛选最优的混凝土配合比；同时还可以结合钻芯取样技术，测试既有混凝土结构的表面水分蒸发速率，用以评估既有混凝土结构的抗盐结晶侵蚀性能。

将待检测试块下部浸泡在装样容器的侵蚀溶液中，试块上部暴露在测试环境中；侵蚀溶液仅能在灯芯作用下在待测混凝土试块内传输，并最终通过混凝土上部分蒸发到密封环境中。

所述的密闭测试环境箱由透明的亚克力板与透明塑料薄膜共同制成，利用透明亚克力板制作一个不含正面板的密闭测试环境箱，每两块亚克力板之间的接缝利用亚克力专用胶进行粘接密封；正面亚克力边沿通过双面胶粘接透明塑料薄膜，与亚克力板形成完整的密闭测试环境箱。

所述的透明亚克力板厚度为3～10mm，所述的透明塑料薄膜厚度为 0.05～0.2mm。

所述密闭测试环境箱左侧亚克力板下侧开一小孔，做为智能抽湿机的排水管用孔。

所述密闭测试环境箱右侧亚克力板下侧开数个小孔，做为RS232数据线与设备电线用孔；排水管与数据线穿过之后进一步密封。

所述的密闭测试环境箱的尺寸为长2～5m，高1～2m，宽0.5～1m。

所述的智能抽湿机的湿度控制范围为30～80％。

所述的鼓风机可提供风速范围为2～20m/s。

所述的电子天平的测试量程为4000g，精度为0.01g。

所述的装样容器为PET或PP材质的圆柱体容器，由圆筒、顶盖及密封垫构成，圆筒直径为10～15cm、高度为5～10cm；顶盖中心位置开孔，孔径为75～77mm；另外在顶盖上还开有一个盐水注射孔，直径为2～4mm，利用软硅胶棒密封；

所述的待测混凝土试块为圆柱体试块，直径为75±2mm，高度为150～200mm；利用硅胶或水玻璃密封待测混凝土试块与装样容器顶盖上之间的空隙；

钻芯获取的待测试样更具有代表意义，钻芯无法获取方形试块，方形试块一般很难规避模具油对测试面的影响，既有结构评价时也只能获取圆柱体芯样；

将待测混凝土试块更换为砂浆或净浆，亦或更改待测试块的形状(横截面为正方形)与尺寸(100mm直径或其他)，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动。

所述的计算机通过RS232串口分配器与多跟RS232数据线，实现一台计算机同时采集多台称重装置的数据并进行处理。

所述的一种灯芯效应下经混凝土表面水分蒸发速率测试方法，包括下述步骤：

(1)、通过钻芯的方式获取实验室或既有混凝土结构的芯样，直径为 75±2mm，高度为150～200mm，105℃烘箱中烘干72±2h，取出后在干燥箱中干燥24h以上待测，干燥箱中湿度低于25％；

(2)、称量待测混凝土芯样的初始重量；

(3)、将加工好的顶盖与圆筒密封完毕，将试块混凝土芯样通过顶盖中心孔洞置于装样容器中，利用硅胶或水玻璃密封待测混凝土试块与装样容器顶盖上之间的空隙，空隙较大时应多次涂抹，在保证密封良好的前提下，尽可能少的接触混凝土侧面；

(4)、利用注射器等仪器通过顶盖的注射孔向装样容器中注射盐水所述盐水是0％～20wt％Na

(5)、将称量装置归零，将装样容器连同混凝土试块一起放置到称量装置上方，计算机开始每间隔一定时间自动采集数据；

(6)、设定智能抽湿机的目标控制湿度为30％～60％，与鼓风机的风速 5～15mm/s，利用双面胶将透明塑料薄膜粘接在正面亚克力的边沿，与亚克力板形成完整的密闭空间；

(7)、持续自动采集数据30天以上或者前后两天质量减小速率的偏差小于 2％，最终取最后两天质量减小速率的平均值作为待测试块的水分蒸发速率。

本专利与现有技术相比，有以下显著优势：

(1)、本发明专利能够使待测混凝土试块更好的模拟实际服役情况，更加真实准确的测试半埋置(半浸泡)条件下混凝土表面水分蒸发速率，而非仅仅能测试垂直穿过混凝土试块的盐水的蒸发速率；

(2)、本发明专利利用智能抽湿机快速精准控制测试空间内的环境湿度，避免使用化学方法控制湿度带来的较大波动性与滞后性，同时可以增大测试空间，确保同时测试多组试块；

(3)、本发明专利利用鼓风机鼓风，模拟实际服役环境中风速对混凝土受盐结晶破坏的影响，既促使整个过程快速达到平衡，又能更加贴近实际服役环境。

综上所述，本装置利用智能抽湿机与鼓风机提供特定条件的环境，将试块下部浸泡在装样容器的侵蚀溶液中，试块上部暴露在测试环境中；侵蚀溶液仅能在灯芯作用下在待测混凝土试块内传输，并最终通过混凝土上部分蒸发到密封环境中；利用数据处理系统与称重装置即可测试质量变化，最终计算出在灯芯效应下经混凝土表面水分蒸发速率。本装置既可以在施工前测试不同混凝土的表面水分蒸发速率，用以筛选最优的混凝土配合比；同时还可以结合钻芯取样技术，测试既有混凝土结构的表面水分蒸发速率，用以评估既有混凝土结构的抗盐结晶侵蚀性能。

本发明专利能够更加吻合混凝土试块的实际服役情况，更加真实准确的测试半埋置(半浸泡)条件下混凝土表面水分蒸发速率。另外，利用智能抽湿机快速精准控制测试空间内的环境湿度，避免使用化学方法控制湿度带来的较大波动性与滞后性，同时还可以增大测试空间，确保同时测试多组试块；此外，利用风机鼓风，模拟实际服役环境中风速对混凝土受盐结晶破坏的影响。本专利既可以在施工前测试不同混凝土的表面水分蒸发速率，用以筛选最优的混凝土配合比；同时还可以结合钻芯取样技术，测试既有混凝土结构的表面水分蒸发速率，用以评估既有混凝土结构的抗盐结晶侵蚀性能。

附图说明

图1为本发明专利所涉及的一种灯芯效应下经混凝土表面水分蒸发速率测试装置；

图2为混凝土试块、装样容器及其组合后的装置；

图3为混凝土试块与装样容器组合后装置的中心视图；

图4为本发明专利所涉及水分蒸发速率测试装置的简易装置；

图5为实施例中五组混凝土水分蒸发速率的演变曲线；

图6为实施例中五组混凝土水分蒸发速率的柱状对比图。

图1～4中的具体标注为：1为密闭测试环境箱，2为智能抽湿机，3为鼓风机， 4为电子天平，5为混凝土试块，6为装有盐水的容器，7为RS232数据线，8为 RS232串口分配器，9为计算机，10为开孔的容器顶盖，11为不含顶盖的容器， 12为盐水注射孔及密闭塞，13为硅胶、水玻璃等密封圈，14为试验用侵蚀溶液。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明专利公开的一种灯芯效应下经混凝土表面水分蒸发速率测试装置主要包括装置主要包括密闭测试环境箱1、环境参数控制系统、质量测试系统、数据传输系统和数据处理系统。其中环境参数控制系统和质量测试系统位于密闭测试环境箱内部，数据处理系统位于密闭测试环境箱外部，质量测试系统和数据处理系统通过数据传输系统实现数据的传输。环境参数控制系统包括智能抽湿机2与鼓风机3，智能抽湿机2控制密闭测试环境箱的湿度，鼓风机3提供特定的风速9；质量测试系统包括称重装置4与装样容器6，称重装置4水平放置在密闭测试环境箱1内，所述的装样容器4内包括待测混凝土试块5和侵蚀溶液14，试块5下部浸泡在侵蚀溶液14中，试块5上部暴露在测试环境中，装样容器水平放置在称重装置4上方；数据传输系统包括RS232数据线7与RS232 串口分配器8，RS232串口分配器8通过单根RS232数据线7与数据处理系统9 相连，所述的RS232串口分配器8通过多跟RS232数据线7分别与多个称重装置4相连。

密闭测试环境箱1由透明的亚克力板与透明塑料薄膜共同制成，利用透明亚克力板制作一个不含正面板的密闭测试环境箱，每两块亚克力板之间的接缝利用亚克力专用胶进行粘接密封；正面亚克力边沿通过双面胶粘接透明塑料薄膜，与亚克力板形成完整的密闭测试环境箱；密闭测试环境箱左侧亚克力板下侧开一小孔，做为智能抽湿机的排水管用孔；密闭测试环境箱右侧亚克力板下侧开数个小孔，做为RS232数据线与设备电线用孔；排水管与数据线穿过之后利用透明胶带进一步密封。

密闭测试环境箱1的尺寸为长2～5m，高1～2m，宽0.5～1m；所述的透明亚克力板厚度为3～10mm，所述的透明塑料薄膜厚度为0.05～0.2mm。智能抽湿机的湿度控制范围为30～80％，所述的鼓风机可提供风速范围为2～20m/s，电子天平的测试量程为4000g，精度为0.01g。

装样容器为PET、PP材质的塑料罐，由塑料罐身、顶盖及密封垫构成，塑料罐身直径为10～15cm、高度为5～10cm；利用75mm开孔器或者激光切割方式在顶盖中心位置开孔，孔径为75～77mm；另外在顶盖上在开一个盐水注射孔，直径为2～4mm，利用橡皮泥密封；待测混凝土试块为圆柱体试块，直径为 75±2mm，高度为150～200mm；利用硅胶或水玻璃密封待测混凝土试块与装样容器顶盖上之间的缝隙；

具体的操作步骤如下：

(1)、通过钻芯的方式获取实验室或既有混凝土结构的芯样，直径为 75±2mm，高度为150～200mm，105℃烘箱中烘干72±2h，取出后在干燥箱中干燥24h以上待测，干燥箱中湿度低于25％；

(2)、称量待测混凝土芯样的初始重量；

(3)、将加工好的顶盖与圆筒密封完毕，将试块混凝土芯样通过顶盖中心孔洞置于装样容器中，如图2所示，利用硅胶或水玻璃密封待测混凝土试块与装样容器顶盖上之间的空隙，空隙较大时应多次涂抹，在保证密封良好的前提下，尽可能少的接触混凝土侧面，如图2中部件13所示；

(4)、利用注射器等仪器通过顶盖的注射孔向装样容器中注射盐水 (0％～20wt％Na

(5)、将称量装置归零，将装样容器连同混凝土试块一起放置到称量装置上方，计算机开始每间隔一定时间自动采集数据；

(6)、设定智能抽湿机的目标控制湿度(一般为30％～60％)与鼓风机的风速(一般为5～15mm/s)，利用双面胶将透明塑料薄膜粘接在正面亚克力的边沿，与亚克力板形成完整的密闭空间；

(7)、持续自动采集数据30天以上或者前后两天质量减小速率的偏差小于 2％，最终取最后两天质量减小速率的平均值作为待测试块的水分蒸发速率。

另外，还给出了本发明专利所涉及水分蒸发速率测试装置的简易装置，如图 4所示：该简易装置将称量装置移动到密闭测试环境箱外部，仅保留一个即可；去掉了鼓风机、数据传输系统和数据处理系统。待测混凝土结构芯样处理过程及与装样容器组装过程均与原有装置一致，区别在于：读数时需要定期掀开密闭测试环境箱正面的塑料薄膜，依次取出样盒连同混凝土试块并分别称重记录。该简易装置的优势是可以在仅占用一台称量装置的前提下，同时测试更多组混凝土试块，但是需要耗费一定人力。

显然，本发明上述实例仅仅是为了清楚地说明本测试装置所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，譬如可以将其他材料构建密闭测试环境箱，利用无线数据传输手段进行数据的发射与接收等，将待测混凝土试块更换为砂浆或净浆，亦或更改待测试块的形状(横截面为正方形)与尺寸 (100mm直径或其他)，这里无法对所有的实施方式予以穷举。由于本装置的核心是利用智能抽湿机与鼓风机提供特定湿度与风速的环境，将试块下部浸泡在装样容器的侵蚀溶液中，试块上部暴露在测试环境中；侵蚀溶液仅能在灯芯作用下在待测混凝土试块内传输，并最终通过混凝土上部分蒸发到密封环境中；利用数据处理系统与称重装置即可测试质量变化，最终计算出在灯芯效应下经混凝土表面水分蒸发速率。因此凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

实施例：

表1水分蒸发试验用配合比

如表1所示设计了四种混凝土，分别对比了0.55与0.45两个水胶比、是否掺入矿物掺合料(25％粉煤灰FA与15％矿粉SL)、同时掺入矿粉掺合料和侵蚀介质抑制剂或防腐剂(江苏苏博特新材料股份有限公司生产的TIA、RMA)对水分蒸发速率的影响。成型175mm×185mm×150mm混凝土试块，养护至28天后，通过钻芯的方式获取直径为75±2mm的芯样，105℃烘箱中烘干72±2h，取出后在干燥箱中干燥至少24h。

使用具体实施方式做所描述的试验装置，参照所述步骤进行测试，控制环境湿度为40％，没有考虑风速的影响，外界温度恒定在25℃，每天掀开密闭测试环境箱正面的塑料薄膜，依次取出样盒连同混凝土试块并分别称重记录，称重结束后必要时需及时补充盐水、密封盐水注射孔并再次称重。两次测试之间的质量差除以测试区间的时长，即为该区间的平均水分蒸发速率，计算公式如下：

式中：R

图5显示五组混凝土水分蒸发速率随时间的演变曲线，基本上先变大后减小的趋势：因为试块是绝干状态，因此根盐溶液接触的开始阶段，整体处于吸水状态经表面挥发量较少，整体质量变化较小，因此起初水分蒸发瞬时速率较小；随着试块内部湿度增大，水分开始从表面进行挥发，水分蒸发瞬时速率逐渐增大；随着时间的推移，盐分开始在内部析出，填充了空隙，逐渐减缓了水分蒸发瞬时速率。由于外界湿度较低、因此整个蒸发过程较快，推荐选取3～4天的水分蒸发瞬时速率，用以评价混凝土配合比抵御抗盐结晶破坏的能力。

将四组混凝土3～4天的水分蒸发瞬时速率绘制到同一柱柱状图中，如图6 所示。由图可知水胶比从0.55降低至0.45，水分蒸发速率降低了62.3％，降低水胶比效果明显；水胶比同为0.45，掺入25％的粉煤灰与15％的矿粉，结果水分蒸发速率几乎一致，可见粉煤灰与矿粉的作用效果有限(亦可能是养护了28d，取芯后马上进行烘干，粉煤灰与矿粉的作用效果尚未体现)；水胶比同为0.45，同为掺入25％的粉煤灰与15％的矿粉，再同比例取代胶凝材料、掺入10％的防腐剂(江苏苏博特新材料股份有限公司生产RMA)，水分蒸发速率降低了64.8％，可见掺入防腐剂效果明显；水胶比同为0.45，同为掺入25％的粉煤灰与15％的矿粉，掺入30kg/m

以上测试结果与实际工程经验结论一致，因此本专利所述装置与测试方法可以用于评估混凝土结构的抗盐结晶侵蚀性能。