氯盐-渗透溶蚀耦合下混凝土传质性能试验装置与评价方法

技术领域

本发明属于土木工程混凝土结构耐久性实验方法研究领域，具体涉及氯盐-渗透溶蚀耦合下混凝土传质性能试验装置与评价方法。

背景技术

为了开发海洋资源与发展沿海地区经济，跨海大桥、港口码头、海上风机以及人工岛屿等基础设施在全世界范围内兴建。在相当长的时间内，这些离岸和近岸工程结构物仍将广泛地使用钢筋混凝土材料进行建造。而对于海洋混凝土结构物而言，则要求其应具有足够的耐久性，以保证服役过程中的安全使用。

海水中蕴含大量的氯离子，通过传输行为进入混凝土内部，诱发钢筋锈蚀，材料力学性能的劣化最终将导致混凝土结构发生整体承载能力下降、结构耐久性降低等不可逆的损伤。过去的十几年，许多学者致力于研究氯离子传输机理，提出了扩散、对流、电迁移等单一或耦合传输机制的理论。针对不同工况中氯离子在混凝土内部的传输机理的研究，学者们运用了许多试验手段：自然浸泡法、电化学加速侵蚀法、人工模拟气候侵蚀法。而后续的关于氯离子浓度的检测手段则一般会参考JTJ270-98《水运工程混凝土试验规程》、JGJ/T322-2013《混凝土中氯离子含量检测技术规程》等规范中酸溶性和水溶性氯离子含量分析方法，进行混凝土粉末样品中氯离子总含量和自由氯离子含量的测定。

海水中的氯离子传输机制驱动力除了浓度梯度，不可忽略的还有水压力的驱动作用。水压力作用下氯离子在混凝土中发生对流输运的主要原因是氯离子输运载体—孔隙液在混凝土中发生渗流环境对混凝土内部的渗流压力。学者将结构物受氯离子侵蚀的区域分为大气区、浪溅区、潮差区与水下区，除了大气区，其余区域都是水压力作用范围。而如海底隧道、跨海大桥所受静水压力范围一般在0.3MPa～0.7MPa，一些离岸结构物如海洋平台、深海固碳井筒等所承受水压力范围可以远远超过0.7MPa。而一些处于水下区较浅区域的桥墩或者海洋发电站等，一般承受水压力作用在0.1MPa以下，但这部分结构物所受的往往为有周期性特征的动水压力。

在海洋环境中，除了氯离子侵蚀外，混凝土结构在环境水的作用下会发生一定程度的可溶性水化物溶解析出，称为溶出性侵蚀。这是因为钙离子由于孔隙水与环境水之间存在的浓度梯度，致使氢氧化钙与C-S-H凝胶脱钙溶解，从而发生钙溶蚀，随着钙溶蚀进程的推进，混凝土细微观结构逐渐劣化，最终导致混凝土强度显著降低。对于一些新建与服役一段时间的水利水电工程所发生的溶蚀破坏程度，美国、挪威、加拿大、瑞士等国家均报道过，发现服役40年左右的混凝土溶蚀深度可以达到12～75mm。而国内外提出的混凝土溶蚀试验方法，有去离子水加速法、化学试剂加速法、电化学加速法、压力水加速法以及Weiner加速法等，这些方法在CEN/TR 16142—2011‘Astudy of the characteristic leachingbehaviour of hardened concrete for use in the natural environment’、EN 15863—2015‘Characterization of waste-Leaching behaviour test for basiccharacterization-Dynamic monolithic leaching test with periodic leachantrenewal,under fixed conditions’和ASTM C1308—08(2017)‘Accelerated Leach Testfor Diffusive Releases from Solidified Waste and a Computer Program to ModelDiffusive,Fractional Leaching from Cylindrical Waste Forms’等规范中都有提及。

总的来说，在海洋环境中的混凝土结构受到水压力驱动不仅受到氯离子等外部化学介质的侵蚀，同时自身也会发生可溶性水化物的溶出性侵蚀，导致宏观性能进一步降低，危及其安全服役性能。而综合考虑针对混凝土结构氯盐-渗透溶蚀双重劣化条件的试验装置与方法目前尚存空白，关于双重劣化条件下混凝土机理研究的技术方法与指导标准仍有待完善。首先，现存的无论是针对氯离子侵蚀还是溶蚀影响下的混凝土结构性能劣化研究试验装置或方法很多都是针对单一因素的特定应用场景，尽管在氯离子侵蚀条件时会出现多因素的考虑，但往往针对的都是温度、湿度等环境因素的耦合作用，鲜少考虑渗透溶蚀与氯盐的双重劣化条件的实现；然而，对于真实海洋环境中混凝土结构耐久性能研究而言，氯离子侵蚀与混凝土内部水化物溶蚀都是不可忽略影响因素，忽略其中之一或者将其分开描述都可能导致结构在运维中“欠保护”或偏离实际研究的准确度从而造成相当大的安全隐患。因此，对海洋环境氯盐-渗透溶蚀劣化条件的混凝土相关传质试验研究装置与评价方法的进一步提出与优化应引起重视。

发明内容

本发明的目的在于克服现有试验研究手段的不足之处，提供氯盐-渗透溶蚀耦合下混凝土传质性能试验装置与评价方法。本装置通过水压力数控系统对灌装的氯化钠溶液的亚克力压力仓施加动、静水压作用，使溶液内的氯离子保持一维方向向混凝土试件进行传输，装置配备渗流液收集容器，可以通过收集渗流液测定混凝土内部钙离子溶出浓度。结合混凝土内部氯离子浓度分布特征与渗流液中钙离子浓度演化的同时性测定，以及基于装置可测指标如水分渗透率、离子浓度等推导得到的氯离子扩散系数与氯离子传输行为预测模型，可实现水压作用下混凝土内部由氯盐-渗透溶蚀引起的双重劣化机理研究。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种氯盐-渗透溶蚀耦合下混凝土传质性能试验装置，包括水压力数控系统、增压泵、增压舱、侵蚀反应舱与渗流液收集容器，所述增压泵控制接口与水压力数控系统相连，增压泵出气接口与增压舱相连，所述的侵蚀反应舱和渗流液收集容器从上至下依次连通，侵蚀反应舱底部设有泄水孔；

所述的增压舱内均布用于固定混凝土试件的卡位模具，所述卡位模具位于泄水孔的一侧，通过增压舱为侵蚀反应舱提供动、静水压驱动力，使增压舱内灌装的氯化钠溶液保持对混凝土试件一维方向的侵蚀。

进一步地，所述的水压力数控系统用于调节静水压力强度与动水压力周期，所述静水压力强度调节范围为0～1MPa，动水压力周期为4～20s。本发明采用的水压力数控系统可灵活调节静水压力强度与动水压力周期以实现海洋环境水压力工况的多样性。

进一步地，所述增压舱顶部设有封盖板和第一加强板，所述的第一加强板的直径大于封盖板的直径，密封盖板与增压舱之间设有橡胶气密圈。优选增压舱为亚克力材质，增压舱高350mm～450mm，直径400mm～500mm；优选第一加强板的直径比封盖板的直径大150mm～250mm。

进一步地，所述增压舱上设有用于监测压力波动的压力计、气压阀、泄气阀和液体阀，所述的液体阀与外部的储水罐相连。

进一步地，所述的卡位模具的数量为4-6，所有卡位模具通过第一挡板隔开，由第一挡板隔开的每个区域内均设有泄水孔，所述的渗流液收集容器内设有与第一挡板相对应的第二挡板，由第二挡板隔开的每个区域分别收集相对应的泄水孔排出的渗流液。优选模具直径为102～104mm，高度为52mm、77mm两种规格，混凝土试件直径为100mm。

进一步地，所述的卡位模具的数量与泄水孔的数量一致，泄水孔直径为16-20mm。

进一步地，所述的卡位模具为半工字形的中空圆柱体结构，卡位模具的顶部内径和底部内径小于中部内径，卡位模具的高度低于侵蚀反应舱的高度，卡位模具的腔室边缘内置O型密封圈。

进一步地，所述渗流液收集容器通过2～4个活动卡扣与侵蚀反应舱相连，渗流液收集容器底部设有第二加强板，第二加强板直径大于渗流液收集容器外径。

一种氯盐-渗透溶蚀耦合下的混凝土评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，利用骨料颗粒制备混凝土试件，基于最小骨料粒径d

式中，m

S2，对混凝土试件烘干后称重，记录初始重量M

S3，将混凝土试件安装在权利要求1所述的氯盐-渗透溶蚀耦合下混凝土传质性能试验装置中的卡位模具处，在增压舱中加入浓度为3％～10％的氯化钠溶液，用于提供氯离子侵蚀介质；所述氯化钠溶液完全覆盖卡位模具，氯化钠溶液直接与位于卡位模具中的混凝土试件相接触；

S4，利用水压力数控系统进行静水压力强度、动水压力周期以及占空比调节，通过增压泵向增压舱内增压，直至压力波动达到预期；

S5，增压舱内的氯化钠溶液在压力驱动下沿混凝土试件的一维高度方向渗流，待渗流液收集容器中出现稳定的流体后，开始记录渗流液的流量与时间；

S6，基于达西定律，根据所记录的渗流液的流量与时间数据，计算本征水分渗透系数K

K

式中，μ

S7，对混凝土试件进行称重，记录盐溶液饱和后的质量M

式中，V为盐溶液饱水后混凝土试件的体积；ρ

S8，通过步骤S6计算得到的本征水分渗透系数K

/>

式中，d

对混凝土试件继续进行一个周期的侵蚀试验，根据渗流液收集容器中的渗水量，选择每15天～30天进行一次渗流液内钙离子浓度测定，得到钙离子累计溶出量与溶出时间的拟合关系，根据钙离子累计溶出量求解CH累计溶出量m

所述的孔隙率随时间的变化量如下：

修正后的氯离子扩散系数D

式中，ρ

S10，一个周期的侵蚀试验完成后，取出卡位模具中的混凝土试件并沿直径进行破型，利用酚酞滴定判断溶蚀深度，溶蚀区域不显色，未溶蚀区域显紫红色，记录溶蚀区域深度；沿着离子侵蚀深度方向每2mm取一次混凝土样品，对混凝土样品内部氯离子含量进行实时测定；

综合S1～S10测得的钙离子浓度、溶蚀区域深度和内部氯离子含量三个指标判定当前混凝土内部劣化状态；

S11，基于Fick定律与达西定律，构建氯离子传输对流-扩散模型：

式中，J为氯离子通量，C

所述的对流-扩散模型解析解为：

式中，C

根据修正后的氯离子扩散系数D

进一步地，试验中途需加入氯化钠溶液时，首先停止水压力数控系统中的加压操作，再打开泄气阀，最后再注入氯化钠溶液。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出的混凝土试验装置能够还原海洋环境水压力影响下混凝土结构所受氯离子侵蚀与溶蚀双重劣化作用条件，除了静水压力的工况外，本发明还兼顾考虑了不同周期动水压力对混凝土内部传质影响工况的实现，还原了海洋环境波浪力作用。通过所配备的渗流液收集容器，可实现混凝土内部钙离子溶出溶度与氯离子侵入浓度的同时性测定。基于本装置所测参数与相关理论提出一个氯离子扩散系数与氯离子传输行为预测模型，可以实现考虑水压与渗透溶蚀共同影响下混凝土传质性能的评价。本发明为实现海洋环境氯盐-渗透溶蚀双重作用下混凝土内部劣化机理研究提供了试验条件与理论研究方法，为结构在海洋环境中预期寿命内的安全工作提供更深入的试验数据与理论支持，从而提升混凝土结构的服役健康水平。

附图说明

图1为本发明实施例示出的一种模拟氯盐-渗透溶蚀条件的混凝土试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例示出的侵蚀反应舱示意图，其中(a)为俯视图，(b)为正视图；

图3为本发明实施例示出的卡位模具与混凝土试件的安装结构示意图；

图中，1水压力数控系统、2增压泵、3储水罐、4输气管、5输液管、6压力计、7气压阀、8泄气阀、9螺纹紧固件、10第一加强板、11密封盖板、12气密圈、13增压舱、14侵蚀反应舱、15混凝土试件、16卡位模具、17O型圈、18活动卡扣、19渗流液收集容器、20泄水孔、21挡板、22进液阀，23第二加强板。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，氯盐-渗透溶蚀耦合下混凝土传质性能试验装置与评价方法，包括：水压力数控系统1、增压泵2、增压舱13、侵蚀反应舱14与渗流液收集容器19，；所述增压舱13内灌装有氯化钠溶液，用于为侵蚀反应舱14提供动、静水压驱动力，使氯化钠溶液保持对混凝土试件15一维方向的侵蚀，所述渗流液收集容器19通过活动卡扣18与侵蚀反应舱14相连，渗流液可通过渗流液收集容器19进行收集。

所述压力数控系统1与增压泵2相连，所述增压泵2通过输气管4为增压舱13输送压力，输气管4与增压舱1通过气压阀7连通。

水压力数控系统1可灵活调节静水压力强度与动水压力周期，以实现海洋环境水压力工况的多样性，根据真实海洋环境下混凝土所受水压力特征，强度调节范围为0～1MPa，动水压力周期为4～20s。在水压力数控系统1的调节下，增压舱13内部的氯化钠溶液能够受到不同程度的动、静水压驱动作用，也使氯离子在混凝土试件15中的传输行为有所变化。

所述增压舱13采用亚克力材质制作，其高350mm～450mm，直径400mm～500mm，由亚克力密封盖板11及其上方所配置第一加强板10以及螺纹紧固件9共同保证装置气密性，第一加强板直径比增压舱直径13大150mm～250mm，第一加强板采用铝合金材质制作。同时，第一加强板上还装配可监测压力波动的压力计6、试验结束或中途暂停需泄压的泄气阀8以及试验中途补充或调节溶液浓度的通道口进液阀22。进液阀22通过输液管5与储水罐3相连，亚克力密封盖板11与亚克力增压舱13之间设有橡胶气密圈12来保证气密性。本实施例中，所述的输液管5采用PVC耐压水管。

如图2所示，所述侵蚀反应舱14内配置4～6个半工字形卡位模具16，模具契合混凝土试件15的尺寸，直径为102～104mm，需略大于混凝土试件，模具高度包括52mm、77mm两种规格，可根据试验实际时长与需求选择不同尺寸。混凝土试件15内置其中，混凝土试件15直径为100mm，高度包括50mm、75mm两种规格，侵蚀反应舱14根据半工字形卡位模具16数量于底部设有直径为16～20mm的泄水孔20。如图3所示，所有的半工字形卡位模具16腔室边缘内置O型圈17，以避免混凝土试件15表面磨损导致的渗流方向非一维的情况，同时设有固定式挡板21将半工字形卡位模具16分隔开。

渗流液收集容器19通过2～4个钢制活动卡扣18与侵蚀反应舱14相连，可在试验设置的时间节点进行渗流液收集容器与侵蚀反应舱分离，获取渗流液。渗流液收集容器19内部设有固定式挡板21避免混凝土不同试件之间渗流液的混淆，同时，在渗流液收集容器19的底部还配置有第二加强板10，可采用铝合金材质制作，起到底座的作用。

本发明还提供了一种使用上述装置的氯盐-渗透溶蚀耦合下的混凝土传质性能评价方法，包括如下步骤：

S1，利用骨料颗粒制备混凝土试件，基于最小骨料粒径d

式中，m

本实施例中，混凝土试件需在标准养护条件下养护28d，制备混凝土试件时需保留骨料颗粒样品，以便于后续计算总体几何粒径d

S2，对混凝土试件烘干后称重，记录初始重量M

S3，将混凝土试件安装在卡位模具处，在增压舱中加入浓度为3％～10％的氯化钠溶液，用于提供氯离子侵蚀介质；所述氯化钠溶液完全覆盖卡位模具，氯化钠溶液直接与位于卡位模具中的混凝土试件相接触；

S4，利用水压力数控系统进行静水压力强度、动水压力周期以及占空比调节，通过增压泵向增压舱内增压，利用压力计监测到的压力波动达到预期后开始下一步操作；

S5，增压舱内的氯化钠溶液在压力驱动下沿混凝土试件的一维高度方向渗流，待渗流液收集容器中出现稳定的流体后，开始记录渗流液的流量与时间；

S6，基于达西定律，根据所记录的渗流液的流量与时间数据，计算本征水分渗透系数K

K

式中，μ

S7，对混凝土试件进行称重，记录盐溶液饱和后的质量M

式中，V为盐溶液饱水后混凝土试件的体积，单位L；ρ

S8，假设氯离子传输与水分渗流为同一通道，可以通过步骤S6计算得到的本征水分渗透系数K

式中，d

本实施例中，根据线性路径函数(LPF)求解多孔介质中孔的等效直径d

式中，d

综合以上，可以仅通过所测得的本征水分渗透系数K

S9，对混凝土试件继续进行一个周期的侵蚀试验，本实施例中，一个周期为90d；根据渗流液收集容器中的渗水量，选择每15天～30天打开活动卡扣18，进行一次渗流液内钙离子浓度测定。

本实施例中，使用EDTA络合滴定法进行，当处理过的渗流液加入EDTA由荧光黄绿色变为橘红色时，记录EDTA标准液的用量，利用下式计算钙离子浓度

式中：

认为此时钙离子完全由混凝土中CH组分溶出，得到钙离子累计溶出量与溶出时间的拟合关系：

式中，t为时间，单位s；V

本实施例中，通过化合物摩尔质量的关系换算，

根据拟合关系获得孔隙率随时间的变化量

/>

根据Millington-Quirk模型

式中，m

S10，一个周期的侵蚀试验完成后，取出卡位模具中的混凝土试件并沿直径进行破型，利用酚酞滴定判断溶蚀深度，溶蚀区域不显色，未溶蚀区域显紫红色，记录溶蚀区域深度；沿着离子侵蚀深度方向每2mm取一次混凝土样品，对混凝土样品内部氯离子含量进行实时测定；

综合S1～S10中基于装置可测得的钙离子浓度、溶蚀区域深度和内部氯离子含量三个指标可以判定当前的混凝土内部劣化状态；

S11，基于Fick定律与达西定律，构建氯离子传输对流-扩散模型：

式中，J为氯离子通量，单位mol/m

式中，μ

将修正后的氯离子扩散系数D

式中，C

根据对流-扩散模型解析解，预测氯盐-渗透溶蚀耦合下不同水压、不同时间以及混凝土内部不同位置处的氯离子浓度，根据氯离子浓度对混凝土传质性能进行定量评价。

从S1～S11，可以基于所发明装置实现氯盐-渗透溶蚀下混凝土劣化规律的实时测定；基于该装置所测得的参数而推导得到具有明确物理意义的氯离子扩散系数以及混凝土内部氯离子浓度的预测模型，可以定量评价混凝土传质性能并预测长期处于水压环境下的混凝土内部氯离子浓度。从装置以及装置衍生的评价方法，可以更好地实现氯盐-渗透溶蚀耦合下混凝土传质性能的研究。

S12任何时候需要中止试验都需先停止水压力数控系统1中的加压操作，打开泄气阀8后再对亚克力密封盖板11与铝合金加强板10进行移动，试验中途或需加入氯化钠溶液或调整溶液浓度，则停止水压力数控系统1中的加压操作打开手动泄气阀8后再对进液体阀22进行操作。

S13试验结束后及时清理增压舱13、侵蚀反应舱14以及渗流液收集容器19内的侵蚀性溶液，同时清洗输液管5与密封盖板11，避免溶液残留，对模具进行回收护理，以备重复使用。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。