模拟深层环境侵蚀与材料性能劣化的实时评价装置及方法

技术领域

本发明涉及混凝土耐久性实验技术领域，具体涉及一种模拟深层环境侵蚀与材料性能劣化的实时评价装置及方法。

背景技术

随着地下空间埋深的增加以及深海海底隧道的修建，高渗透压耦合高浓度离子的侵蚀逐渐成为威胁深地工程的主要因素。深层地下环境复杂多变，导致地下结构损伤后难恢复，全寿命服役要求高。现有技术针对混凝土长期性能劣化试验评价主要包括两个步骤，第一个步骤是对混凝土进行实验室劣化模拟，一般通过冻融循环，干湿循环，侵蚀离子侵蚀等快速劣化的室内试验方法。第二个步骤即通过外观检查与进行强度试验，以评价混凝土性能的劣化程度。即目前混凝土的长期性能侵蚀过程与强度试验过程分开进行，此外，强度试验为破坏性试验，导致强度指标与离子侵蚀指标无法做到实时对应，且现有的室内试验装置暴露在空气中，不能考虑高渗透压耦合离子侵蚀的影响，无法准确评价深埋地下工程与深海工程混凝土材料的耐久性。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的混凝土的长期性能侵蚀过程与强度试验过程分开进行，导致强度指标与离子侵蚀指标无法做到实时对应的问题，解决现有的室内试验装置暴露在空气中，不能考虑高渗透压耦合离子侵蚀的问题，为解决现有装置无法准确评价深埋地下工程与深海工程的耐久性的缺陷，从而提供一种模拟深层环境侵蚀与材料性能劣化的实时评价装置及方法。

为此，所述的一种模拟深层环境侵蚀与材料性能劣化的实时评价装置包括电通量多功能测定仪主机、计算机、电极板、有机硅橡胶筒、溶液罐、加压罐、溶液配制罐和有机玻璃试验箱；

所述电通量多功能测定仪主机包括六通道接口、可编程电源接口和彩色触摸屏；所述电通量多功能测定仪主机和计算机通过数据传输线连接；

所述有机玻璃试验箱包括第一有机玻璃负极溶液槽、混凝土试块空腔、有机玻璃正极溶液槽、第二有机玻璃负极溶液槽和超声波发射与接收探头；所述混凝土试块空腔用于放置混凝土试块，所述超声波发射与接收探头紧贴混凝土试块，并通过数据传输线与计算机连接；

所述电极板与电通量多功能测定仪主机连接，并分别插入第一有机玻璃负极溶液槽、有机玻璃正极溶液槽和第二有机玻璃负极溶液槽中；

所述有机硅橡胶筒分别设置于混凝土试块空腔两端，用于密封混凝土试块空腔；

所述溶液罐分别由蒸馏水旋拧阀与侵蚀溶液旋拧阀控制开关；所述加压罐与溶液配制罐连接；所述溶液配制罐通过连接管旋拧阀与溶液罐连接；所述溶液罐出口装有总管压力表和总管流量表；

所述溶液罐和溶液配制罐通过侵蚀液与干湿循环管道与有机玻璃试验箱连接。

优选地，所述有机玻璃正极溶液槽下端设有注水通道，所述第一有机玻璃负极溶液槽、有机玻璃正极溶液槽和第二有机玻璃负极溶液槽上端分别设有出水通道；

所述电极板分别通过出水通道插入第一有机玻璃负极溶液槽、有机玻璃正极溶液槽和第二有机玻璃负极溶液槽中；

所述溶液罐和溶液配制罐通过侵蚀液与干湿循环管道分别与有机玻璃正极溶液槽两端的注水通道和出水通道连接，且出水通道外连接有出水口阀门。

优选地，还包括干湿冻融循环装置，所述干湿冻融循环装置包括气体加压机和单片机，所述气体加压机出口装有压力表和流量表；所述溶液罐和干湿冻融循环装置出口分别连接有电磁阀，所述电磁阀通过单片机控制；所述干湿冻融循环装置通过侵蚀液与干湿循环管道分别与有机玻璃正极溶液槽两端的注水通道和出水通道连接。

优选地，还包括橡胶密封垫片和止水密封螺栓；所述有机玻璃试验箱底端为榫卯结构，榫卯结构通过止水密封螺栓与橡胶密封垫片实现密封。

优选地，还包括止水橡胶，所述止水橡胶用于密封注水通道和出水通道。

优选地，还包括电磁加热线圈，所述电磁加热线圈设置于混凝土试块空腔和有机玻璃正极溶液槽之间，用于保持溶液温度。

本发明还提供一种利用上述实时评价装置的模拟深层环境侵蚀与材料性能劣化的实时评价方法，包括如下步骤：

S1：注入试验液体，记录加入液体的时间，不同的工况采用不同的预吸水时间，并在预吸水完成后，同时进行电通量与超声波传输时间的记录，同时超声波发射端与接收端记录超声波声速

S2：超声波传播时间的初始值为

S3：试件的断面进行干湿循环以及侵蚀溶液侵蚀时，吸水率通过液面高度读取，且吸水率、超声波相对传播时间和超声波相对动弹性模量进行一次测量，控制温度为20±2℃；

S4：按照记录超声波初始传输时间的模式记录每段时间超声波的传输时间

S5：利用超声波的传输时间反应动弹性模量的变化，其中，超声波在耦合剂中的传播时间计算公式为

S6：经过冻融循环、干湿循环和离子侵蚀之后，试件传播轴线上传播时间的相对变 化：

S7：经过一定时间的侵蚀之后，相对动弹性模量计算方法为

本发明还提供一种利用上述实时评价装置的高渗透压离子侵蚀方法，包括如下步骤：

A1：阴极溶液采用化学纯试剂配置为质量浓度3.0%的NaCl溶液，阳级溶液采用化学纯试剂配置为0.3mol/L的NaOH溶液；

A2：将试件预先进行真空饱水，应先将试件放入真空容器中，启动真空泵，应在5min内将气压减小到1-5kPa，保持该真空度3h，然后在真空泵仍然运转的情况下，注入足够的蒸馏水，直至淹没试件，1h后恢复常压，继续浸泡24h；

A3：真空饱水后，应从水中取出试件，并抹掉多余水分，将试件侧面均匀涂抹硅胶或者树脂，通过有机硅橡胶筒密封，安装固定到有机玻璃试验箱中，通过底板，顶板的橡胶圈与止水密封；

A4：有机玻璃与有机硅橡胶圈密封完成后，进行初始试加压至2MPa，观察气压表的变化，直到气压表数值不再变化，否则，应检查装置气密性；

A5：检查完装置的气密性后，应将质量浓度为3.0%的NaCl溶液与摩尔浓度为0.3mol/L的NaOH溶液分别注入有机玻璃正、负极溶液漕；

A6：将电通量多功能测定仪主机与有机玻璃试验箱外部导线接口连接，将加压罐阀门打开，保持特定压力，再正确连接电源线，保持试验漕中充满溶液的情况下接通电源；调节可调电压模块，施加（60±0.1）V直流恒电压；

A7：记录电流初始读数

A8：试验结束后，有机玻璃箱可通过试验管路进行蒸馏水冲洗，通过鼓风机进行干燥以备下次使用；

A9：试验过程结束后，绘制电流与时间的关系图，通过将各点数据以光滑曲线连接起来，对曲线做面积积分，按梯形法进行面积积分，得到6h通过的电通量，单位：C；

电通量按照下列简化公式进行计算：

式中，

本发明还提供一种利用上述实时评价装置的干湿冻融循环方法，包括如下步骤：

B1：将试件固定于有机玻璃试验箱，通过气冻水融进行冻融循环，通过有机玻璃试验箱内温湿度计与电磁加热线圈进行温度监控；

B2：通过单片机自动控制，进行数据实时动态显示，并满足断电记忆和试验数据自动存储功能；

B3：按照标准养护，养护龄期24d后，随后将试件放在20±2℃水中浸泡，浸泡水高度高出试件顶面20-30mm，在水中浸泡时间为4d，即试件在28d龄期时开始进行冻融试验；

B4：通过单片机控制电磁阀，开启鼓风机控制温度为-18℃，开始计算时间；此时，正极溶液试验漕控制温度为-20—-18℃，冷冻时间为4h；

B5：蒸馏水溶液罐控制蒸馏水温度为18-20℃，使得试件转化为融化状态，并通过电磁加热线圈保持水温为18-20℃，融化时间为4h；

B6：每隔5min，进行超声波传输时间测试，可得到每一个周期性能指标的五分钟变化曲线。

本发明提供的一种模拟深层环境侵蚀与材料性能劣化的实时评价装置及方法，通过将混凝土的长期性能侵蚀过程与强度试验过程结合进行，使强度指标与离子侵蚀指标可以实时对应，同时还可以考虑高渗透压耦合离子侵蚀的影响，针对深埋地下空间高渗透压下离子侵蚀的耐久性进行评价，实现科学合理地预估深埋地下混凝土结构的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种实时评价装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的有机玻璃试验箱的正视图；

图3为本发明实施例提供的有机玻璃试验箱的侧视图；

图4为本发明实施例提供的有机玻璃试验箱的俯视图；

图5为本发明实施例提供的有机玻璃试验箱的仰视图；

图6为本发明实施例提供的有机玻璃试验箱的拆解图。

附图标记：1、电通量多功能测定仪主机；2、六通道接口；3、可编程电源接口；4、彩色触摸屏；5、计算机；6、数据传输线；7、电极板；8、有机硅橡胶筒；9、第一有机玻璃负极溶液槽；10、混凝土试块空腔；11、有机玻璃正极溶液槽；12、橡胶密封垫片；13、电磁阀；14、压力表；15、气体加压机；16、流量表；17、单片机；18、总管压力表；19、总管流量表；20、侵蚀溶液旋拧阀；21、溶液罐；22、连接管旋拧阀；23、加压罐；24、溶液配制罐；25、总出水管旋拧阀门；26、蒸馏水旋拧阀；27、溶液罐与蒸馏水罐连接阀门；28、止水密封螺栓；29、有机玻璃试验箱；30、第二有机玻璃负极溶液槽；31、超声波发射与接收探头；32、侵蚀液与干湿循环管道；33、止水橡胶；34、电磁加热线圈；35、出水口阀门。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供一种模拟深层环境侵蚀与材料性能劣化的实时评价装置，如图1所示，包括电通量多功能测定仪主机1、计算机5、电极板7、有机硅橡胶筒8、溶液罐21、加压罐23和溶液配制罐24和有机玻璃试验箱29；

所述电通量多功能测定仪主机1包括六通道接口2、可编程电源接口3和彩色触摸屏4；所述电通量多功能测定仪主机1和计算机5通过数据传输线6连接；

如图2至图5所示，所述有机玻璃试验箱29包括第一有机玻璃负极溶液槽9、混凝土试块空腔10、有机玻璃正极溶液槽11、第二有机玻璃负极溶液槽30和超声波发射与接收探头31；所述混凝土试块空腔10用于放置混凝土试块，所述超声波发射与接收探头31紧贴混凝土试块，并通过数据传输线6与计算机5连接；

所述电极板7与电通量多功能测定仪主机1连接，并分别插入第一有机玻璃负极溶液槽9、有机玻璃正极溶液槽11和第二有机玻璃负极溶液槽30中；

所述有机硅橡胶筒8分别设置于混凝土试块空腔10两端，用于密封混凝土试块空腔10；

所述溶液罐21分别由蒸馏水旋拧阀26与侵蚀溶液旋拧阀20控制开关；所述加压罐23与溶液配制罐24连接；所述溶液配制罐24通过连接管旋拧阀22与溶液罐21连接；所述溶液罐21出口装有总管压力表18和总管流量表19；

所述溶液罐21和溶液配制罐24通过侵蚀液与干湿循环管道32与有机玻璃试验箱29连接。

本实施例中，彩色触摸屏4可显示各通道的测试数据，电通量多功能测定仪主机1通过数据传输线6与计算机5连接，从而可以读取电通量与电流数据，并通过可编程电源接口3实现电压的控制。混凝土试块空腔10和混凝土试块为圆柱形结构，通过电通量法或者快速渗透系数法测量渗透系数。

有机玻璃正极溶液槽11留有管道接口，通过外部阀门的开关，实现干湿循环或者加载高渗透压等功能；第一有机玻璃负极溶液槽9和第二有机玻璃负极溶液槽30留有管道接口，通过外部阀门的开关，实现注入负极溶液功能。通过将电极板7与电通量多功能测定仪主机1连接，并分别插入第一有机玻璃负极溶液槽9、有机玻璃正极溶液槽11和第二有机玻璃负极溶液槽30中，可构成电加速侵蚀试验模块。

混凝土试块空腔10通过有机硅橡胶筒8密闭圆柱形试块侧面。有机硅橡胶筒8采用U型橡胶，从而使试块得到进一步挤压密实，实现高渗透压下密闭的可靠性，高压下可进一步涂抹止水胶或者环氧树脂。

通过将超声波发射与接收探头31紧贴混凝土试块，并通过数据传输线6与计算机5连接，可以进行强度试验，构成材料性能劣化实时评价装置模块。电加速侵蚀试验模块结合材料性能劣化实时评价装置模块，由计算机5实现侵蚀数据与超声波数据的同步记录，同步记录超声波传播速度、振幅、频率、波速与时间变化反应动弹性模量，获取强度指标与离子侵蚀指标。

溶液罐21与加压罐23可在不同压力和温度条件下，对混凝土试块进行高压侵蚀。溶液罐21为蒸馏水与侵蚀溶液，分别由蒸馏水旋拧阀26与侵蚀溶液旋拧阀20控制开关，溶液配制罐24与连接管旋拧阀22经加压罐23提供气压实现加压。

本实施例中，所述实时评价装置将混凝土的长期性能侵蚀过程与强度试验过程结合进行，使强度指标与离子侵蚀指标可以实时对应，同时还可以考虑高渗透压耦合离子侵蚀的影响，针对深埋地下空间高渗透压下离子侵蚀的耐久性进行评价，实现科学合理地预估深埋地下混凝土结构的使用寿命。

所述有机玻璃正极溶液槽11下端设有注水通道，所述第一有机玻璃负极溶液槽9、有机玻璃正极溶液槽11和第二有机玻璃负极溶液槽30上端分别设有出水通道；

所述电极板7分别通过出水通道插入第一有机玻璃负极溶液槽9、有机玻璃正极溶液槽11和第二有机玻璃负极溶液槽30中；

所述溶液罐21和溶液配制罐24通过侵蚀液与干湿循环管道32分别与有机玻璃正极溶液槽11两端的注水通道和出水通道连接，且出水通道外连接有出水口阀门35。

本实施例中，注水通道和出水通道为侵蚀液与干湿循环管道32提供了接口，从而可实现溶液的循环流通，出水通道外装有流速计与温湿传感器。注水通道和出水通道与有机玻璃试验箱29为一个整体，保证密实性，通过注水通道注入溶液。

所述实时评价装置还包括干湿冻融循环装置，所述干湿冻融循环装置包括气体加压机15和单片机17，所述气体加压机15出口装有压力表14和流量表16；所述溶液罐21和干湿冻融循环装置出口分别连接有电磁阀13，所述电磁阀13通过单片机17控制；所述干湿冻融循环装置通过侵蚀液与干湿循环管道32分别与有机玻璃正极溶液槽11两端的注水通道和出水通道连接。

本实施例中，干湿冻融循环与高压侵蚀具备不同支路，通过气体加压机15驱动，出口设置压力表14与流量表16，通过单片机17控制电磁阀13，可以实现复杂侵蚀工况。

如图6所示，所述实时评价装置还包括橡胶密封垫片12和止水密封螺栓28；所述有机玻璃试验箱29底端为榫卯结构，榫卯结构通过止水密封螺栓28与橡胶密封垫片12实现密封。

本实施例中，榫卯结构通过止水密封螺栓28与橡胶密封垫片12实现密封，从而可进一步实现有机玻璃试验箱29的密封。

所述实时评价装置还包括止水橡胶33，所述止水橡胶33用于密封注水通道和出水通道。

本实施例中，止水密封螺栓28留有导线接口以及管道接口，通过止水橡胶33止水密封，用螺栓与止水垫片固定，从而可给有机玻璃试验箱29施加气压。注水通道通过止水橡胶33止水密封，留有接口，通过向有机玻璃正极溶液槽11注入空气，关闭出水口阀门35实现加压。电极板7电极部分与有机玻璃试验箱29通过止水橡胶33止水密封，用螺栓与止水垫片固定，留有接口连接外部导线。

所述实时评价装置还包括电磁加热线圈34，所述电磁加热线圈34设置于混凝土试块空腔10和有机玻璃正极溶液槽11之间，用于保持溶液温度。

本实施例还提供一种利用上述实时评价装置的模拟深层环境侵蚀与材料性能劣化的实时评价方法，包括如下步骤：

S1：注入试验液体，记录加入液体的时间，不同的工况采用不同的预吸水时间，并在预吸水完成后，同时进行电通量与超声波传输时间的记录，同时超声波发射端与接收端记录超声波声速

S2：超声波传播时间的初始值为

S3：试件的断面进行干湿循环以及侵蚀溶液侵蚀时，吸水率通过液面高度读取，且吸水率、超声波相对传播时间和超声波相对动弹性模量进行一次测量，控制温度为20±2℃；

S4：按照记录超声波初始传输时间的模式记录每段时间超声波的传输时间

S5：利用超声波的传输时间反应动弹性模量的变化，其中，超声波在耦合剂中的传播时间计算公式为

S6：经过冻融循环、干湿循环和离子侵蚀之后，试件传播轴线上传播时间的相对变 化：

S7：经过一定时间的侵蚀之后，相对动弹性模量计算方法为

本实施例中，所述材料性能劣化实时评价方法可用于混凝土试件经受干湿冻融循环，或侵蚀离子渗透性能劣化后，提供强度性能的表征指标。

本实施例还提供一种利用上述实时评价装置的高渗透压离子侵蚀方法，以典型的氯离子侵蚀为例，包括如下步骤：

A1：阴极溶液采用化学纯试剂配置为质量浓度3.0%的NaCl溶液，阳级溶液采用化学纯试剂配置为0.3mol/L的NaOH溶液；

A2：将试件预先进行真空饱水，应先将试件放入真空容器中，启动真空泵，应在5min内将气压减小到1-5kPa，保持该真空度3h，然后在真空泵仍然运转的情况下，注入足够的蒸馏水，直至淹没试件，1h后恢复常压，继续浸泡24h；

A3：真空饱水后，应从水中取出试件，并抹掉多余水分，将试件侧面均匀涂抹硅胶或者树脂，通过有机硅橡胶筒密封，安装固定到有机玻璃试验箱中，通过底板，顶板的橡胶圈与止水密封；

A4：有机玻璃与有机硅橡胶圈密封完成后，进行初始试加压至2MPa，观察气压表的变化，直到气压表数值不再变化，否则，应检查装置气密性；

A5：检查完装置的气密性后，应将质量浓度为3.0%的NaCl溶液与摩尔浓度为0.3mol/L的NaOH溶液分别注入有机玻璃正、负极溶液漕；

A6：将电通量多功能测定仪主机与有机玻璃试验箱外部导线接口连接，将加压罐阀门打开，保持特定压力，再正确连接电源线，保持试验漕中充满溶液的情况下接通电源；调节可调电压模块，施加（60±0.1）V直流恒电压；

A7：记录电流初始读数

A8：试验结束后，有机玻璃箱可通过试验管路进行蒸馏水冲洗，通过鼓风机进行干燥以备下次使用；

A9：试验过程结束后，绘制电流与时间的关系图，通过将各点数据以光滑曲线连接起来，对曲线做面积积分，按梯形法进行面积积分，得到6h通过的电通量，单位：C；

电通量按照下列简化公式进行计算：

式中，

本实施例中，所述高渗透压离子侵蚀方法即模拟深部地下空间或者深海隧道耦合高渗透压。

本实施例还提供一种利用上述实时评价装置的干湿冻融循环方法，包括如下步骤：

B1：将试件固定于有机玻璃试验箱，通过气冻水融进行冻融循环，通过有机玻璃试验箱内温湿度计与电磁加热线圈进行温度监控；

B2：通过单片机自动控制，进行数据实时动态显示，并满足断电记忆和试验数据自动存储功能；

B3：按照标准养护，养护龄期24d后，随后将试件放在20±2℃水中浸泡，浸泡水高度高出试件顶面20-30mm，在水中浸泡时间为4d，即试件在28d龄期时开始进行冻融试验；

B4：通过单片机控制电磁阀，开启鼓风机控制温度为-18℃，开始计算时间；此时，正极溶液试验漕控制温度为-20—-18℃，冷冻时间为4h；

B5：蒸馏水溶液罐控制蒸馏水温度为18-20℃，使得试件转化为融化状态，并通过电磁加热线圈保持水温为18-20℃，融化时间为4h；

B6：每隔5min，进行超声波传输时间测试，可得到每一个周期性能指标的五分钟变化曲线。

本实施例中，所述干湿冻融循环方法即模拟地下水位上下变化以及模拟部分严酷环境下地下工程，模拟严酷环境下干湿冻融循环。

本实施例中，所述实时评价装置结构合理、操作简单，干湿冻融循环与侵蚀过程在同一试验箱完成，完全避免了扰动的影响，高渗透压侵蚀管路可以更好地模拟深部地下空间与深海工程高渗透压下的耐久性问题。实现了力学参数与侵蚀参数的同步数据，可以实现传统试验不能实现的工况，比如高原隧道（川藏铁路）隧道季节性冻融侵蚀交替等。本发明经济可靠，可更加真实还原深部地下工程与极端气候条件下混凝土材料的耐久性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。