持續荷載作用下混凝土毛細吸水測試裝置及其測試方法
【專利摘要】本發明是為了解決現有測試系統難以實現對混凝土施加持續荷載和毛細吸水的耦合作用過程。本發明公開了一種持續荷載作用下混凝土表面毛細吸水率的測試裝置及其測試方法。測試裝置包括供水單元、水平觀測單元、中空試件單元和鋼板。測試方法包括密封中空試件上下兩端，與供水單元水管和觀測單元連接并密封固定處理；調節觀測管水平后施加持續荷載并注水；記錄觀測管內水柱位置初始值及隨時間的變化。該方法操作簡單、裝置構造巧妙，實現了持續荷載作用下混凝土累積吸水過程的實時、連續地精確測量，基于規定時間和荷載作用下測量得到的累積毛細吸水曲線，可開展混凝土材料在持續荷載作用下的毛細吸水率測試研究及實際工程結構的耐久性評估。
【專利說明】
持續荷載作用下混凝土毛細吸水測試裝置及其測試方法
技術領域
[0001] 本發明屬于混凝土材料耐久性檢測技術領域，具體涉及一種持續荷載作用下混凝 土毛細吸水測試裝置及其測試方法。
【背景技術】
[0002] 對于任何一種劣化過程而言，造成混凝土膨脹、開裂甚至剝落，都離不開水的作 用。幾乎所有影響混凝土結構耐久性的物理和化學過程都涉及水在混凝土孔隙和裂縫中的 傳輸和分布。另外水也是侵蝕性介質(如氯離子)迀移、擴散進入混凝土內部的載體。特別是 非飽和狀態下，由毛細作用產生的吸水過程，成為水分和水溶性介質進入混凝土內部的主 要機理。因此，近年來吸水率(Sorptivity)成為表征混凝土耐久性能的重要指標，其主要與 材料自身的孔隙結構及其分布密切相關。然而，實際工程中混凝土往往承受著低應力水平 的持續荷載和環境因素(干濕循環、凍融循環、碳化等）的耦合作用，因此，研究持載作用下 損傷混凝土的毛細吸水影響機理和分布規律，是準確開展混凝土結構耐久性評估和使用壽 命預測的重要前提和基礎。
[0003] 由于同時實現加載和介質傳輸過程耦合試驗的困難，受試驗條件的制約，關于荷 載作用對混凝土內水分傳輸的影響機理和分布規律的研究，大都局限于遭受荷載作用并卸 載后或開裂混凝土的傳輸分析，卸載后的混凝土試件會產生部分裂縫愈合和孔隙閉合現 象，引起的損傷狀況不同于持續荷載作用下的狀況，未能真實反映實際結構中混凝土的損 傷狀況和傳輸特性。盡管有部分研究關于荷載作用下混凝土滲透性的分析，但是混凝土的 滲透性與毛細吸水二者作用機理不同，對于低應力水平的持續荷載作用下混凝土的毛細吸 水性能測試方法仍鮮有報道。由于現有測試系統難以實現對混凝土施加持續荷載和毛細吸 水的耦合作用過程，以及持載作用下無法對試件毛細吸水量進行實時、連續測量的問題，因 此對于持續荷載作用下低應力水平造成的影響還缺乏統一的認識以及定量的描述，特別是 持載作用下混凝土毛細吸水率的測定還鮮有涉及。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為了解決現有測試系統難以實現混凝土施加持續荷載和毛細吸 水的耦合作用過程，以及無法對試件毛細吸水量進行實時、連續測量的問題，提供一種持續 荷載作用下混凝土表面毛細吸水率的測試裝置及其測試方法。
[0005] 本發明的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置，包括供水單元、水平觀 測單元、中空試件吸水單元和鋼板;所述供水單元包括注水漏斗、注水管、固定結構和注水 控制閥;所述觀測單元包括刻度尺、水平觀測管和固定支座，所述固定支座用于固定水平觀 測管;所述試件吸水單元包括中空試件，塑料蓋板密封中空試件的上下兩端，所述吸水單元 上下兩端與鋼板連接，所述鋼板用于連接軸向施加荷載裝置，所述中空試件下側設有注水 口、上側設有出水口，所述注水口兩端涂膠固定注水口插管，所述出水端口兩端涂膠固定出 水口插管，注水管通過硅膠軟管與注水口插管連通，水平觀測管通過硅膠軟管與出水口插 管連通。
[0006] 本發明選擇中空試件有效解決了荷載作用下混凝土吸水供給的問題，從而實現荷 載與毛細吸水過程的耦合作用。
[0007] 優選所述注水管、水平觀測管、注水口插管、出水口插管以及固定支座材質均為有 機玻璃。
[0008] 優選注水管直徑大于水平觀測管直徑，這樣可以向試件中空單元快速注滿水，減 小注水過程混凝土較短初期的吸水量對后期測量階段的影響。作為進一步優選方案，優選 所述注水管和水平觀測管的外徑范圍分別為8~14mm和4~8mm，內徑范圍分別為6~12mm和 2~6_，這樣可以減小開孔造成的應力集中對圓柱體混凝土極限強度的影響。
[0009] 所述吸水單元上下兩端通過JGN建筑結構膠與鋼板連接。為減少傳力過程荷載損 失，優選厚度為10~20mm的鋼板。
[0010] 所述刻度尺量程范圍可為0.5~2m，精度為0.1mm。
[0011] 優選所述固定結構為固定箱，箱體蓋上設有注水管固定口，注水管由固定口固定。
[0012] 中空試件可以為圓柱體和棱柱體，為了制作簡單，操作方便，優選所述中空試件為 中空圓柱體。
[0013] 所述水平觀測管為倒置L型。
[0014] 本發明還提供一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置的測試方法，包括如 下步驟：
[0015] -、試件吸水單元注水口兩端涂膠固定注水口插管，所述出水口兩端涂膠固定出 水口插管，將塑料蓋板密封中空試件的上下兩端;注水管通過硅膠軟管與注水口插管連通， 水平觀測管通過硅膠軟管與出水口插管連通，安裝注水漏斗和注水管，并用固定結構固定 供水單元；
[0016] 二、將測試裝置通過鋼板安裝施加荷載機器上，調節水平觀測管水平并用固定支 座支撐;施加持續荷載，待荷載達到預期值穩定后，打開注水控制閥開始注水;待水平觀測 管內出現一定長度水柱，關閉注水控制閥，打開計時器開始計時并記錄觀測管內水柱的初 始位置；
[0017] 三、記錄水平觀測管內水柱的長度隨時間的變化，水平觀測管內累積水分體積的 變化等于混凝土試件的吸水體積，從而計算獲得混凝土的累積吸水量和毛細吸水率。
[0018] 本發明所涉及的持續荷載作用下混凝土毛細吸水的測試裝置及測試方法具有以 下優點：
[0019] 1、實現了施加持續荷載作用的同時，測量混凝土的表面吸水率，解決了荷載作用 與混凝土吸水過程的耦合問題，避免了卸載后裂縫閉合對混凝土毛細吸水測量的影響，從 而能夠評價持續荷載作用對混凝土毛細吸水的影響機理和變化規律。
[0020] 2、供水單元為中空混凝土試件及時、連續的補給水分，混凝土的吸水體積等于水 平觀測管內水柱體積的變化，通過間接測量觀測管內水柱長度的變化可以實時測量混凝土 試件的吸水量。
[0021 ] 3、由于供水單元和觀測單元直接與中空吸水試件相連通，裝置簡單且操作方便， 采用觀測管固定在刻度尺的觀測單元可實時、連續測試，具有較高測試精度且能保證不同 低荷載水平下混凝土毛細吸水率的測試要求。
【附圖說明】
[0022] 圖1為持壓(或拉)荷載作用下混凝土毛細吸水率測試系統結構示意圖；其中：1為 供水單元注水漏斗，2為注水管，3為固定箱，4為注水控制閥，5為連通注水管和注水口插管 的硅膠軟管，6為注水口插管，7為施加拉(或壓)荷載，8為鋼板，9為塑料密封蓋板，10為中空 試件，11為出水口插管，12為連通出水口插管和水平觀測管的硅膠軟管，13為水平觀測管， 14為刻度尺，15為固定支座。
[0023] 圖2為供水單元的固定箱結構示意圖，其中16為注水管固定口。
[0024]圖3為觀測單元固定支座示意圖。
[0025] 圖4為中空圓柱體吸水試件示意圖，其中17為出水口，18為注水口，19為密封蓋板 槽。
[0026] 圖5(a)和（b)分別為持壓和拉荷載作用下累積吸水量i的測試計算、線性回歸結 果，（a) 口、〇、Λ分別表示混凝土持壓應力水平為0%、19.81 %和49.55%的實測數據，（b) 〇、Λ分別表示混凝土持拉應力水平為20.65 %和50.25 %的實測數據;--表示擬合曲線。
【具體實施方式】
[0027] 以下，參照附圖詳細說明本發明所選的實施方式。
[0028] 實施例1
[0029] 本實施方式的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測試的整套裝置如圖1所示， 包括供水單元、觀測單元、試件吸水單元和鋼板8;
[0030] 所述供水單元包括注水漏斗1、注水管2、固定結構3和注水控制閥4;所述觀測單元 包括刻度尺14、倒置L型水平觀測管13和固定支座15;固定支座15用于固定倒置L型水平觀 測管13;所述試件吸水單元包括中空試件10,塑料蓋板9密封中空試件10的上下兩端，所述 吸水單元上下兩端與鋼板8連接，所述鋼板8用于連接軸向施加荷載裝置，所述中空試件10 下側設有注水口 18、上側設有出水口 17，所述注水口 18兩端涂膠固定注水口插管6，所述出 水口 17兩端涂膠固定出水口插管11，注水管2通過硅膠軟管5與注水口插管6連通，水平觀測 管13通過硅膠軟管12與出水口插管11連通。
[0031] 所述注水管2、水平觀測管13、注水口插管6、出水口插管11以及固定支座15材質均 為有機玻璃。
[0032] 所述注水管2和水平觀測管13的外徑范圍分別為14mm和8mm，內徑范圍分別為12mm 和 6mm〇
[0033] 所述吸水單元上下兩端通過JGN建筑結構膠與15mm鋼板8連接。
[0034]所述刻度尺14量程為lm，精度為0.1mm。
[0035]固定結構3為固定箱，箱體蓋上設有注水管固定口 16,注水管2由固定口 16固定。 [0036] 所述中空試件10為中空圓柱體。
[0037]所述的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置的測試方法，包括如下步 驟：
[0038] 一、試件吸水單元注水口 18兩端涂膠固定注水口插管6,所述出水口 17兩端涂膠固 定出水口插管11，將塑料蓋板9密封中空試件10的上下兩端;注水管2通過硅膠軟管5與注水 口插管6連通，水平觀測管13通過硅膠軟管5與出水口插管11連通，安裝注水漏斗1并用固定 結構3固定供水單元；
[0039 ]二、將測試裝置通過鋼板8安裝施加荷載機器上，調節水平觀測管13水平并用固定 支座15支撐;施加持續荷載，待荷載達到預期值穩定后，打開注水控制閥4開始注水;待水平 觀測管13內出現一定長度水柱，關閉注水控制閥4,打開計時器開始計時并記下觀測管13內 水柱的初始位置；
[0040] 三、記錄水平觀測管13內水柱長度隨時間的變化，水平觀測管13內累積水分體積 的變化等于混凝土試件的吸水體積，從而計算獲得混凝土的累積吸水量和毛細吸水率。
[0041] 對上述的持載下中空混凝土試件計算不同時刻U所對應的累積吸水量i，然后線 性擬合給出毛細吸水率S，具體步驟如下：
[0042] -、△ t時間內試件的累積吸水體積等于水平觀測管內水柱體積變化量，即AVijt do2 · Δ 1/4,其中do為水平觀測管的內徑；Δ1為水柱長度變化，單位為mm;由此可依據下式 計算混凝土試件的累積吸水量i (mm)為：
[0044]其中：A為混凝土試件與水接觸的橫截面積(mm2)，對于中空圓柱體試件，而面積A 非恒定值，隨著水分傳輸的徑向半徑大小而變化，所以采用等效簡化方法推導累積吸水量i 表達式為
[0046]其中h為試件扣除上下蓋板密封槽厚度的凈高度;d為中空圓柱體試件的內徑;β為 等效簡化系數，其表達式為
[0048]其中r為任意時間t水分侵入半徑，根據水平觀測量水柱長度變化可計算：
[0050]其中p為中空混凝土試件的孔隙率；
[0051]二、將不同時刻t與對應的累積吸水量i按下式進行分段線性擬合：
[0053] 所得斜率SjPS2分別為持載下混凝土試件毛細吸水的初期吸水率和后期吸水率， 單位為 mm/min1/2。
[0054]采用外徑160mm、內徑75mm、高度為200mm的中空圓柱體混凝土試件，密封槽厚度為 10mm，對試件進行干燥密封處理之后，按照上述操作步驟可進行持載作用下混凝土的毛細 吸水率測定，持壓、拉荷載作用下累積吸水量i的測試計算和線性回歸結果如圖5所示，（a) 口、〇、Λ分別表示混凝土持壓應力水平為0%、19.81 %和49.55%的實測數據，（b)〇、Λ分 別表示混凝土持拉應力水平為20.65%和50.25%的實測數據，即可確定中空圓柱體混凝土 試件的初期和后期吸水率，結果表明，擬合函數與實測數據具有較高相關度(R 2>〇.9)。 [0055]上述各實施實例中，各部件的結構、設置位置及其連接都是可以有所變化的，在本 發明技術方案的基礎上，對個別部件進行的改進和等同代換，不應排除在本發明的保護范 圍之外。
【主權項】
1. 一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置，其特征在于，包括供水單元、水平觀 測單元、中空試件吸水單元和鋼板(8);所述供水單元包括注水漏斗（1)、注水管(2)、固定結 構(3)和注水控制閥(4);所述觀測單元包括刻度尺(14)、水平觀測管（13)和固定支座（15); 所述試件吸水單元包括中空試件（10)，塑料蓋板(9)密封中空試件（10)的上下兩端，所述吸 水單元上下兩端與鋼板(8)連接，所述鋼板(8)用于連接軸向施加荷載裝置，所述中空試件 (10) 下側設有注水口（18)、上側設有出水口（17)，所述注水口（18)兩端涂膠固定注水口插 管(6)，所述出水端口（17)兩端涂膠固定出水口插管（11)，注水管(2)通過硅膠軟管(5)與注 水口插管(6)連通，水平觀測管（13)通過硅膠軟管（12)與出水口插管（11)連通。2. 根據權利要求1所述的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置，其特征在于， 所述注水管(2)、水平觀測管（13)、注水口插管(6)、出水口插管（11)以及固定支座（15)材質 均為有機玻璃。3. 根據權利要求1所述的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置，其特征在于 所述注水管(2)的內徑大于水平觀測管（13)的內徑。4. 根據權利要求3所述的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置，其特征在于， 所述注水管(2)和水平觀測管（13)的外徑范圍分別為8~14mm和4~8mm，內徑范圍分別為6 ~12mm 矛口 2 ~6mm 〇5. 根據權利要求1所述的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置，其特征在于， 所述中空試件吸水單元上下兩端通過JGN建筑結構膠與厚度為10~20mm厚的鋼板(8)連接。6. 根據權利要求1所述的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置，其特征在于 所述刻度尺(14)量程范圍可為0.5~2m，精度為0.1_。7. 根據權利要求1所述的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置，其特征在于： 所述固定結構(3)為固定箱，箱體蓋上設有注水管固定口（16)。8. 根據權利要求1所述的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置，其特征在于： 所述中空試件(10)為中空圓柱體，所述水平觀測管（13)為倒置L型。9. 基于權利要求1-7任一項所述的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置的測 試方法，其特征在于，包括如下步驟： 一、 中空試件吸水單元注水端口（18)兩端涂膠固定注水口插管(6)，所述出水口（17)兩 端涂膠固定出水口插管（11)，將塑料蓋板(9)密封中空試件（10)的上下兩端;注水管(2)通 過硅膠軟管（5)與注水口插管(6)連通，水平觀測管（13)通過硅膠軟管（12)與出水口插管 (11) 連通，安裝注水漏斗（1)和注水管(2)，并用固定結構(3)固定供水單元； 二、 將測試裝置通過鋼板(8)安裝施加荷載機器上，調節水平觀測管（13)水平并用固定 支座（15)支撐;施加持續荷載，待荷載達到預期值穩定后，打開注水控制閥(4)開始注水;待 水平觀測管（13)內出現一定長度水柱，關閉注水控制閥門（4)，打開計時器開始計時并記下 水平觀測管（13)內水柱的初始位置； 三、 記錄水平觀測管（13)內水柱長度隨時間的變化，水平觀測管（13)內累積水分體積 的變化等于混凝土試件的吸水體積，從而計算獲得持載作用下混凝土的累積吸水量和毛細 吸水率。10. 如權利要求9所述的一種持續荷載作用下混凝土毛細吸水測量裝置的測試方法，其 特征在于:所述中空試件(10)為中空圓柱體，所述水平觀測管（13)為倒置L型。
【文檔編號】G01N15/08GK105866007SQ201610364985
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】王立成, 鮑玖文
【申請人】大連理工大學