CN114002273A - 一种混凝土劣化进程监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土劣化进程监测装置及其监测方法，该装置包括阴极槽和阳极槽，阴极槽设有第一电极、第二电极，阳极槽设有第三电极、第四电极，混凝土试件的一端伸入阴极槽内与第二电极接触，另一端伸入阳极槽内与第三电极接触，第一电极、第四电极分别连接电源的正极、负极，第二电极、第三电极连接电压测试装置。本发明通过设有两个相互独立的阴极槽与阳极槽，使混凝土试件的两端分别与阴极溶液、阳极溶液接触，不仅可以作为腐蚀装置，还可以通过测量试件的电阻，实时地反映混凝土试件的劣化进程；还可以通过对比不同混凝土试件的电阻随侵蚀时间的变化规律，评估混凝土试件的抗侵蚀性能。

Description

一种混凝土劣化进程监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种电阻测试装置及方法，尤其涉及一种混凝土劣化进程监测装置及其监测方法。

背景技术

混凝土作为土木工程中应用范围最广的建筑材料，在不同的工程环境中受到了不同耐久性劣化因素的影响。例如，地铁工程中的钢筋混凝土结构长期处于地下水丰富的地质结构中，地下水中的硫酸根离子侵入混凝土后，会与Ca(OH)₂、水化硅酸钙及水化铝酸钙反应生成石膏、钙矾石(AFt)等膨胀性产物，产生膨胀应力，当膨胀应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土发生开裂。硫酸根离子对混凝土的侵蚀是一个由表及里的过程，同时伴随着混凝土内孔隙率、孔结构及微裂缝等微观结构的变化，进而影响混凝土的电导率。因此，混凝土的电阻率可以反映混凝土内部微观结构的变化，监测并表征混凝土耐久性劣化进程。

目前关于混凝土电阻率的研究主要集中于材料的掺入方式和种类对混凝土电阻的影响，而实际工程环境下混凝土的电阻率变化规律及预测研究还鲜有报道。另外，大多数关于混凝土电阻率的研究所采用的混凝土试件需要预埋电极，操作繁琐且电极位置不一致造成的误差较大，另一方面实验室环境与实际工程环境相差较大，这会导致研究结论不能较好地应用于实际工程中。因此，急需一种可以精确简便地反映实际工程环境下混凝土微观结构的演变规律，监测混凝土劣化进程的电阻测试装置及方法。

常规的电阻测试装置主要集中于试件本身的电阻测试，很少有反映混凝土耐久性的电阻测试装置。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种既能作为腐蚀装置又能实时反映混凝土试件劣化进程的混凝土劣化进程监测装置；

本发明的第二个目的是提供一种混凝土劣化进程监测方法。

技术方案：本发明所述的混凝土劣化进程监测装置，包括阴极槽和阳极槽，所述阴极槽设有第一电极、第二电极，所述阳极槽设有第三电极、第四电极，混凝土试件的一端伸入阴极槽内与第二电极接触，另一端伸入阳极槽内与第三电极接触，所述第一电极、第四电极分别连接电源的正极、负极，所述第二电极、第三电极连接电压测试装置。

其中，为确保接通电源后溶液和混凝土试件内形成稳定的电流，所述第一电极与第四电极与混凝土试件的横向间距分别为100～150mm。

其中，所述混凝土试件插入阴极槽与阳极槽内的长度分别为混凝土试件长度的1/5～1/4，在保证混凝土试件与阴极槽和阳极槽良好连接性的同时，有效避免了同位置溶液与试件内部电势相差过大导致混凝土试件表面的环氧树脂击穿损坏的现象。这里，试件插入槽内越短，表面的环氧树脂越不容易被击穿。

其中，所述的电源为直流电源或脉冲直流电源。

其中，为确保通电后溶液内所形成的电场分布均匀与提高离子的传输速率，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极分别由铜网固定有相互垂直的铜条制成；其中，钢网为高纯度钢网；铜网尺寸为100～150mm×100～150mm，单孔径尺寸为3～5mm×3～5mm，铜网顶部横向铜条的长度L1＝100～150mm，宽度W1＝10～20mm，钢网顶部竖向铜条长度L2＝50～100mm，宽度W2＝10～20mm；钢网与铜条之间通过焊接方式固定。

其中，为准确模拟实际工程环境中混凝土结构受腐蚀性介质侵蚀的过程，所述阴极槽内的阴极溶液为实际工程混凝土结构所浸泡原溶液或模拟实际工程混凝土结构所处环境的腐蚀溶液；所述阳极槽内的阳极溶液为模拟混凝土孔隙液的饱和氢氧化钙溶液，有效减小了钙离子浸出对混凝土试件电阻率的影响。

其中，所述阴极槽与阳极槽非接触并排设置或非接触嵌套设置。

其中，所述的第二电极与第三电极分别连接万用表的COM插孔与V/Ω插孔。

其中，混凝土试件分别与阴极槽、阳极槽相接触的位置采用环氧树脂密封。

利用上述混凝土劣化进程监测装置进行混凝土劣化进程监测的方法，包括以下步骤：

(1)将混凝土试件的两端分别放入阴极槽、阳极槽内，并分别与阴极槽的第二电极接触、阳极槽的第三电极接触；按监测要求放入阴极电解液与阳极电解液；

(2)接通电源及电压测试装置，记录电源电流所对应的电压值，通过数据拟合，计算出混凝土试件的初始电阻率；

(3)关闭电源及电压测试装置，待混凝土试件被侵蚀至预期龄期后，重复步骤(2)；通过侵蚀时间与混凝土电阻率的曲线拟合，获得混凝土试件的劣化进程。

其中，通过对比不同混凝土曲线拟合后的参数，评估混凝土试件的抗侵蚀性能。

其中，所述施加的电流为1～10mA。

其中，步骤(2)中，通过式(1)计算出混凝土试件的初始电阻率ρ0。

式(1)中，ρ为试件电阻率，单位kΩ·cm；U为试件两端电压，单位V；I为通过试件的电流，单位mA；S为试件的横截面积，单位cm²；L为试件长度，单位cm。

有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、本发明装置通过设有两个相互独立的阴极槽与阳极槽，使混凝土试件的两端分别与阴极溶液、阳极溶液接触，该装置不仅可以作为腐蚀装置，还可以通过测量试件的电阻，实时地反映混凝土试件的劣化进程。2、本发明还可以通过对比不同混凝土试件的电阻随侵蚀时间的变化规律，评估混凝土试件的抗侵蚀性能；3、本发明测试方法通过记录混凝土试件在具体电流下的电压值，并通过数据拟合，获得侵蚀时间与混凝土电阻率的规律曲线，从而获得混凝土试件的劣化进程与评估混凝土试件的抗侵蚀性能。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明电极结构示意图；

图3为实施例1混凝土试件两侧电压与电流的拟合结果图；

图4为实施例1混凝土试件电阻率与侵蚀时间的拟合函数图；

图5为实施例2混凝土试件两侧电压与电流的拟合结果图；

图6为实施例2混凝土试件电阻率与侵蚀时间的拟合函数图；

图7为实施例3混凝土试件两侧电压与电流的拟合结果图；

图8为实施例3混凝土试件电阻率与侵蚀时间的拟合函数图；

图9为实施例4混凝土试件两侧电压与电流的拟合结果图；

图10为实施例4混凝土试件电阻率与侵蚀时间的拟合函数图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例提供了一种地铁工程环境下混凝土劣化进程监测装置，包括独立并排放置的阴极槽和阳极槽，其中，阴极槽与阳极槽还可以是相嵌套设置；阴极槽与阳极槽之间留有间隙，阴极槽与阳极槽相互靠近的两个侧边分别开有通孔，用于使混凝土试件的一端伸入阴极槽、另一端伸入阳极槽内。阴极槽、阳极槽内分别放入阴极溶液7、阳极溶液8。阴极槽设有第一电极1、第二电极2，阳极槽设有第三电极3、第四电极4。混凝土试件的一端伸入阴极槽内与第二电极接触，另一端伸入阳极槽内与第三电极接触，第一电极、第四电极分别连接电源的正极、负极，第二电极、第三电极连接电压测试装置。其中，本实施例的电压测试装置为万用表。第一电极1与阴极溶液7连接电源10的负极，第四电极4与阳极溶液8连接电源10的正极，第二电极2与阴极溶液7连接台式万用表的COM插孔，第三电极3与阳极溶液8连接台式万用表V/Ω插孔。

混凝土试件9两端分别插入阴极槽5与阳极槽6的长度为混凝土试件1/4的长度。混凝土试件9为标准养护28d后尺寸为Φ100mm×100mm的混凝土试件，混凝土配合比如表1所示。混凝土试件9的侧面采用环氧树脂密封。混凝土试件9与阴极槽5、阳极槽6的接触部分采用环氧树脂密封，环氧树脂静置24h保证其硬化。

阴极槽5与阳极槽6均是由4块尺寸为200mm×200mm的亚克力板和一块尺寸为200mm×200mm、中心孔径为101mm的亚克力板粘结而成。

第一电极1与第四电极4距离混凝土试件9的距离为100mm，第二电极2与第三电极3通过给定夹具固定混凝土试件9的两端表面。

如图2所示，第一电极1、第二电极2、第三电极3、第四电极4均由高纯度铜网焊接相互垂直的两根铜条制成，且前述四个电极相互平行，铜网尺寸为100mm×100mm，单孔径尺寸为3mm×3mm，铜网上部焊接的横向铜条的长度L1＝100mm，宽度W1＝10mm，竖向铜条长度L2＝50mm，宽度W2＝10mm。

本实施例的阳极溶液8为模拟混凝土孔隙液的饱和氢氧化钙溶液；阴极溶液7为3％NaCl+5％Na₂SO₄复合溶液，模拟含氯盐、硫酸盐及杂散电流的地铁工程环境；电源10的电流为5mA，模拟地铁工程中列车运行时从轨道传输至混凝土内部的杂散电流。

表1实施例1混凝土试件配合比(kg/m³)

种类	水	水泥	碎石(5～20mm)	砂	减水剂
						重量/体积	144	450	1112	682	2.25

利用上述装置监测地铁工程环境下混凝土劣化进程的电阻测试方法如下：

(1)测试前，采用环氧树脂均匀涂覆待测试的混凝土试件侧面，静置24h保证其硬化。将待检测的混凝土试件放入上述装置中，采用环氧树脂密封混凝土试件与装置的接触部分，环氧树脂静置24h保证其硬化。阴极溶液与阳极溶液浸没混凝土试件。

(2)混凝土试件初始电阻ρ0测试：电源电流设为直流电，依次接通电源与万用表，电流大小依次设为1mA、2mA、3mA、4mA、5mA，并记录电源电流为1mA、2mA、3mA、4mA、5mA对应台式万用表读数U1、U2、U3、U4、U5。通过数据的直线拟合，拟合结果如图3所示，并采用上述式(1)得出混凝土试件的初始电阻率ρ0＝13.35kΩ·cm。

(3)关闭台式万用表，电源电流设置为5mA。通电10d、20d、30d、40d后，重复步骤(2)，计算出侵蚀10d、20d、30d、40d后的混凝土试件电阻率ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，并建立混凝土试件电阻率ρ与侵蚀时间t的拟合函数，如图4所示。

从图6中可以看出，当侵蚀时间为10d、20d、30d、40d时，混凝土电阻率分别为15.46kΩ·cm、15.99kΩ·cm、16.46kΩ·cm、16.77kΩ·cm。ρ＝13.25×(t+1.12)^0.06可以精确地表征混凝土试件电阻率与侵蚀时间的关系，且拟合程度好，R²＝0.99。

实施例2

本实施例与实施例1的区别是，混凝土试件9为标准养护28d后尺寸为Φ100mm×100mm的混凝土试件，混凝土配合比如表2所示。第一电极1与第四电极4距离混凝土试件9的距离为150mm。混凝土试件插入阴极槽与阳极槽内的长度分别为混凝土试件长度的1/5。

表2实施例2混凝土试件配合比(kg/m³)

利用上述装置监测地铁工程环境下混凝土劣化进程的电阻测试方法如下：

(1)测试前，采用环氧树脂均匀涂覆待测试的混凝土试件侧面，静置24h保证其硬化。将待检测的混凝土试件放入电阻测试装置中，采用环氧树脂密封混凝土试件与装置的接触部分，环氧树脂静置24h保证其硬化。阴极溶液与阳极溶液浸没混凝土试件。

(2)混凝土试件初始电阻ρ0测试。依次接通电源与万用表，电流大小依次设为6mA、7mA、8mA、9mA、10mA，并记录电源电流为6mA、7mA、8mA、9mA、10mA对应台式万用表读数U6、U7、U8、U9、U10。通过数据的直线拟合，拟合结果如图5所示，并采用式(1)得出混凝土试件的初始电阻率ρ0＝23.08kΩ·cm。

(3)关闭台式万用表，电源电流设置为5mA。通电10d、20d、30d、40d后，重复步骤(2)，计算出侵蚀10d、20d、30d、40d后的混凝土试件电阻率ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，并建立混凝土试件电阻率ρ与侵蚀时间t的拟合函数，如图6所示。从中可以看出，当侵蚀时间为10d、20d、30d、40d时，混凝土电阻率分别为24.72kΩ·cm、25.04kΩ·cm、25.38kΩ·cm、25.61kΩ·cm。ρ＝23.14×(t+0.92)^0.03可以精确地表征混凝土试件电阻率与侵蚀时间的关系，且拟合程度好，R²＝0.99。对比实施例1的拟合函数ρ＝13.25×(t+1.12)^0.06，实施例2的拟合函数ρ＝23.14×(t+0.92)^0.03随侵蚀时间t的增长速率较低，故实施例2中的混凝土试件抗侵蚀性能好。

实施例3

本实施例与实施例1的区别是，混凝土试件9为标准养护28d后尺寸为Φ100mm×100mm的混凝土试件，混凝土配合比如表3所示。第一电极1与第四电极4距离混凝土试件9的距离为120mm。混凝土试件插入阴极槽与阳极槽内的长度分别为混凝土试件长度的1/5。

表3实施例3混凝土试件配合比(kg/m³)

利用上述装置监测地铁工程环境下混凝土劣化进程的电阻测试方法如下：

(1)测试前，采用环氧树脂均匀涂覆待测试的混凝土试件侧面，静置24h保证其硬化。将待检测的混凝土试件放入电阻测试装置中，采用环氧树脂密封混凝土试件与装置的接触部分，环氧树脂静置24h保证其硬化。阴极溶液与阳极溶液浸没混凝土试件。

(2)混凝土试件初始电阻ρ0测试。依次接通电源与万用表，电流大小依次设为3mA、4mA、5mA、6mA、7mA，并记录电源电流为3mA、4mA、5mA、6mA、7mA对应台式万用表读数U3、U4、U5、U6、U7。通过数据的直线拟合，拟合结果如图7所示，并采用式(1)得出混凝土试件的初始电阻率ρ0＝19.15kΩ·cm。对比实施例1和实施例2，实施例3的混凝土试件电阻率介于两者之间。

(3)关闭台式万用表，电源电流设置为5mA。通电10d、20d、30d、40d后，重复步骤(2)，计算出侵蚀10d、20d、30d、40d后的混凝土试件电阻率ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，并建立混凝土试件电阻率ρ与侵蚀时间t的拟合函数，如图8所示。从中可以看出，当侵蚀时间为10d、20d、30d、40d时，混凝土电阻率分别为21.15kΩ·cm、21.66kΩ·cm、22.09kΩ·cm、22.35kΩ·cm。ρ＝19.05×(t+1.12)^0.04可以精确地表征混凝土试件电阻率与侵蚀时间的关系，且拟合程度好，R²＝0.99。对比实施例1的拟合函数ρ＝13.25×(t+1.12)^0.06和实施例2的拟合函数ρ＝23.14×(t+0.92)^0.03，实施例3的拟合函数ρ＝19.05×(t+1.12)^0.04随侵蚀时间的增长速率小于实施例1，大于实施例2。因此，与实施例1和实施例2相比，实施例3的混凝土试件耐久性劣化速率小于实施例1，大于实施例2。

实施例4

本实施例与实施例1的区别是，混凝土试件9为标准养护28d后尺寸为Φ100mm×100mm的混凝土试件，混凝土配合比如表4所示。第一电极1与第四电极4距离混凝土试件9的距离为140mm。混凝土试件插入阴极槽与阳极槽内的长度分别为混凝土试件长度的6/25。

表4实施例4混凝土试件配合比(kg/m³)

利用上述装置监测地铁工程环境下混凝土劣化进程的电阻测试方法如下：

(1)测试前，采用环氧树脂均匀涂覆待测试的混凝土试件侧面，静置24h保证其硬化。将待检测的混凝土试件放入电阻测试装置中，采用环氧树脂密封混凝土试件与装置的接触部分，环氧树脂静置24h保证其硬化。阴极溶液与阳极溶液浸没混凝土试件。

(2)混凝土试件初始电阻ρ0测试。依次接通电源与万用表，电流大小依次设为2mA、4mA、6mA、8mA、10mA，并记录电源电流为2mA、4mA、6mA、8mA、10mA对应台式万用表读数U2、U4、U6、U8、U10。通过数据的直线拟合，拟合结果如图9所示，并采用式(1)得出混凝土试件的初始电阻率ρ0＝25.51kΩ·cm。对比实施例1、实施例2和实施例3，实施例4的初始电阻率最高。

(3)关闭台式万用表，电源电流设置为5mA。通电10d、20d、30d、40d后，重复步骤(2)，计算出侵蚀10d、20d、30d、40d后的混凝土试件电阻率ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，并建立混凝土试件电阻率ρ与侵蚀时间t的拟合函数，如图10所示。从中可以看出，当侵蚀时间为10d、20d、30d、40d时，混凝土电阻率分别为26.83kΩ·cm、27kΩ·cm、27.19kΩ·cm、27.39kΩ·cm。ρ＝25.88×(t+0.38)^0.02可以精确地表征混凝土试件电阻率与侵蚀时间的关系，且拟合程度好，R²＝0.99。对比实施例1的拟合函数ρ＝13.25×(t+1.12)^0.06、实施例2的拟合函数ρ＝23.14×(t+0.92)^0.03和实施例3的拟合函数ρ＝19.05×(t+1.12)^0.04、实施例4的拟合函数ρ＝25.88×(t+0.38)^0.02随侵蚀时间的增长速率最慢。因此，与实施例1、实施例2和实施例3相比，实施例4的混凝土试件耐久性劣化速率最慢。

Claims (10)

1.一种混凝土劣化进程监测装置，其特征在于，包括阴极槽(5)和阳极槽(6)，所述阴极槽(5)设有第一电极(1)、第二电极(2)，所述阳极槽(6)设有第三电极(3)、第四电极(4)，混凝土试件(9)的一端伸入阴极槽(5)内与第二电极(2)接触，另一端伸入阳极槽(6)内与第三电极(3)接触，所述第一电极(1)、第四电极(4)分别连接电源(10)的正极、负极，所述第二电极(2)、第三电极(3)连接电压测试装置。

2.根据权利要求1所述的混凝土劣化进程监测装置，其特征在于，所述第一电极(1)与第四电极(4)与混凝土试件(9)的横向间距分别为100～150mm。

3.根据权利要求1所述的混凝土劣化进程监测装置，其特征在于，所述混凝土试件(9)插入阴极槽(5)与阳极槽(6)内的长度分别为混凝土试件(9)长度的1/5～1/4。

4.根据权利要求1所述的混凝土劣化进程监测装置，其特征在于，所述的电源(10)为直流电源或脉冲直流电源。

5.根据权利要求1所述的混凝土劣化进程监测装置，其特征在于，所述阴极槽(5)内的阴极溶液(7)为实际工程混凝土结构所浸泡原溶液或模拟实际工程混凝土结构所处环境的腐蚀溶液。

6.根据权利要求1所述的混凝土劣化进程监测装置，其特征在于，所述阴极槽(5)与阳极槽(6)非接触并排设置或非接触嵌套设置。

7.根据权利要求1所述的混凝土劣化进程监测装置，其特征在于，所述的第二电极(2)、第三电极(3)分别与万用表(11)的COM、V/Ω连接。

8.根据权利要求1所述的混凝土劣化进程监测装置，其特征在于，混凝土试件(9)分别与阴极槽(5)、阳极槽(6)相接触的位置采用环氧树脂密封。

9.一种利用权利要求1所述混凝土劣化进程监测装置监测混凝土劣化进程的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(A)将混凝土试件(9)的两端分别放入阴极槽(5)、阳极槽(6)内，并分别与阴极槽(5)的第二电极(2)接触、阳极槽(6)的第三电极(3)接触；按监测要求放入阴极电解液与阳极电解液；

(B)接通电源(10)及电压测试装置，记录电源(10)电流所对应的电压值，通过数据拟合，计算出混凝土试件(9)的初始电阻率；

(C)关闭电源(10)及电压测试装置，待混凝土试件(9)被侵蚀至预期龄期后，重复步骤(B)；通过侵蚀时间与混凝土电阻率的曲线拟合，获得混凝土试件(9)的劣化进程。

10.根据权利要求9所述的监测混凝土劣化进程的方法，其特征在于，所述施加的电流为1～10mA。

Images