模拟温度-渗流-应力耦合的渗透溶蚀试验装置及方法与流程

1.本发明涉及水利工程领域，特别是一种模拟温度-渗流-应力耦合的渗透溶蚀试验装置及方法。


背景技术：

2.渗透溶蚀是水利工程中一种常见的化学腐蚀现象。水工建筑物在渗透溶蚀的作用下，材料孔隙率和渗透性会不断增大，材料的强度会不断降低，最终导致材料结构的破坏，渗透溶蚀是影响水工建筑物安全和耐久性的重要因素之一，因此，研究渗透溶蚀对水工建筑物材料的影响是十分必要的。
3.现有的研究渗透溶蚀的试验更多的考虑渗透溶蚀对材料微观组成的影响，对宏观因素影响的考虑还不够完善，此外，所考虑的因素大多较单一，不能真实全面地模拟材料发生渗透溶蚀的影响因素。
4.美国麻省理工学院、德国鲁尔大学、法国lmt-cachan试验室、比利时核能研究中心和中国水科院、东南大学等研究机构所开发的混凝土溶蚀设备，只能进行接触溶蚀试验，没有考虑水头和水力梯度的作用。武汉大学研制的溶蚀设备，只能进行不同围压和去离子水条件下的渗透溶蚀试验，但无法同时模拟三向应力、温度和化学场的影响。现有装置不能满足如今高寒区混凝土结构所面临的复杂环境因素，特别是寒区高水力梯度渗透溶蚀所带来的挑战。
5.基于此，针对高寒严酷环境多重损伤因数耦合下混凝土结构渗透溶蚀问题，发明了一种能模拟温度-渗流-应力三场耦合条件下的渗透溶蚀试验装置及方法，有助于探索水工混凝土结构长效服役性能演化规律及驱动机制，提升水工程长效服役与安全保障基础性科学问题的解决能力。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种模拟温度-渗流-应力耦合的渗透溶蚀试验装置及方法，该模拟温度-渗流-应力耦合的渗透溶蚀试验装置及方法能用于了解多种因素影响下渗透溶蚀的破坏过程，并得到定量的试验数据，从而进行渗透溶蚀破坏的相关分析。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种模拟温度-渗流-应力耦合的渗透溶蚀试验装置，包括压力室、试件固定架、围压施加系统、渗流系统、轴压系统和温控系统。
8.压力室包括压力室底座和密封可拆卸式罩设在压力室底座上的压力室外壳。
9.试件固定架位于压力室中，用于固定试件。试件固定架包括底板、盖板、实心连接杆和空心连接杆。底板安装在压力室底座上，盖板位于底板正上方，且高度能调整，实心连接杆用于连接底板和盖板，空心连接杆用于排出盖板中的液体。
10.试件位于底板和盖板之间，试件与盖板之间以及试件与底板之间均设置有透水
板。试件外周的压力室空腔形成围压腔。
11.围压施加系统包括施压水体、围压进水孔、围压出水孔和围压溢水孔。围压进水孔和围压出水孔均设置在与围压腔相对应的压力室底座上，围压溢水孔设置在压力室外壳顶部。施压水体与围压进水孔相连接。
12.渗流系统包括渗流介质、渗流注水孔和渗流出水孔。渗流介质与渗流注水孔相连接，渗流注水孔和渗流出水孔均设置在透水板相对应的压力室底座上。
13.轴压系统用于向试件施加轴向压力。
14.温控系统设置在压力室外壳中部或外周，能使压力室温度控制在-30℃~90℃。
15.试件内部具有预制裂纹，试件以及两个透水板的外周均包覆有热缩膜。
16.试件为圆柱形的混凝土试件，试件的底面直径为50mm，高度为100mm。
17.渗流介质为耐低温腐蚀溶液。
18.渗流介质为5%的硫酸钠溶液，能够用于模拟渗透水流与混凝土材料之间的离子交换与矿物溶蚀的过程。
19.压力室和试件固定架均为金属材质。
20.一种模拟温度-渗流-应力耦合的渗透溶蚀试验方法，包括如下步骤。
21.步骤1，安装试件：将热缩膜剪成设定长度后，把具有预制裂缝的试件放入热缩膜中，将装有试件的热缩膜置于试件固定架中，并使试件的两端与位于两端的透水板完全重合，热缩膜两端将两端的透水板均进行包裹。随后，采用用热风设备均匀加热热缩膜，热缩膜收缩，使试件与两端透水板形成一体。
22.步骤2，压力室外壳及温控系统安装：将压力室外壳与压力室底座密封连接，试件与压力室外壳间形成围压腔。温控系统安装在压力室外壳外周。
23.步骤3，围压加载：施压水体通过围压进水孔向压力室注水，打开围压出水孔，直至有水流出后，再关闭围压出水孔。同时，打开围压溢水孔，直至围压溢水孔溢水，再关闭围压溢水孔，使围压腔内的围压达到设定值后，停止向围压进水孔注水。
24.步骤4，渗透压加载：通过渗流注水孔向试件内注入渗流介质，并控制渗流介质的渗透压力至设定值。
25.步骤5，温度加载：通过温控系统，使压力室温度控制在-30℃~90℃中的设定值。
26.步骤6，轴压加载：待渗透压力和温度均达到设定值后，通过加压装置向试件施加轴向压力，并使轴压稳定在试验设定值。
27.步骤7，渗透溶蚀过程研究：通过测量试件的渗透流量，进而研究耦合条件下试件的渗透溶蚀过程。
28.步骤3中的围压设定值为5mpa，步骤4中的渗透压力设定值为3mpa；步骤5中的温度设定值为9.3℃；步骤6中的轴压15kn，从而用于模拟高寒地区高水压作用下的混凝土裂缝渗透溶蚀问题。
29.还包括步骤8，试验分析：记录加载的围压、渗透压、温度和轴压，分析试件破坏过程，试验结束后，拆卸压力室，取出试件，观察试件破坏情况并拍摄试件破坏图像。
30.步骤9，改变轴压、渗压、围压以及温度的加载方案，重复步骤1至步骤7，进行不同条件下试件破坏过程的研究。
31.本发明具有如下有益效果：
1、通过控制进水与出水控制压力室内部的温度，从而实现温度-渗流-应力的耦合环境。
32.2、固定试件支架上的金属棒可替换，当压力过大导致金属棒变形时，能及时进行更换与拆卸。
33.3、能通过控制轴压、围压、渗压以及温度，进行不同条件下的渗透溶蚀破坏特性研究。
34.4、试验过程中的轴压、围压、渗压、温度、变形数据同步采集，自动保存。
附图说明
35.图1显示了本发明一种模拟温度-渗流-应力耦合的渗透溶蚀试验装置的结构示意图。
36.图2显示了安装有底板中心透水板的压力室底座的俯视图。
37.图3显示了固定支架盖板的结构示意图，其中，图3a显示了固定支架中盖板的示意图；图3b显示了固定支架中盖板的俯视图。
38.其中有：1-轴向压力；2-位移传感器；3-传力轴；4-保温外壳；5-温控系统进水孔；6-海绵保温材料；7-温控系统出水孔；8-螺栓；9-压力室底座；10-围压出水孔；11-围压溢水孔；12-压力室外壳；13-盖板；14-盖板中心透水板；15-热缩膜；16-试件；17-实心连接杆；18-底板中心透水板；19-底板；20-围压进水孔；21-渗流注水孔；22-渗流出水孔；23-空心连接杆；24-凹槽。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
41.如图1所示，一种模拟温度-渗流-应力耦合的渗透溶蚀试验装置，包括压力室、试件固定架、围压施加系统、渗流系统、轴压系统和温控系统。
42.压力室包括压力室底座9和密封可拆卸式罩设在压力室底座上的压力室外壳12。
43.试件固定架位于压力室中，用于固定试件。
44.试件固定架包括底板19、盖板13、实心连接杆17和空心连接杆23。
45.底板安装在压力室底座上，底板顶面中心安装有底板中心透水板18。
46.盖板位于底板正上方，且高度能调整，盖板顶部中心优选设置有凹槽24，用于轴压的施加。盖板底部中心安装有盖板中心透水板14。
47.上述盖板中心透水板和底板中心透水板18同轴设置，均称为透水板。
48.连接杆用于连接底板和盖板，连接杆优选为金属棒。
49.上述压力室和试件固定架均优选为金属材质，主要起固定试件的作用，防止试件在加压的过程中产生变形，所以采用金属这种刚性材质；此外，金属材质也可防止液压油和
腐蚀溶液对仪器造成腐蚀而产生损伤。
50.试件位于底板和盖板之间，试件两端分别为盖板中心透水板和底板中心透水板18相重合。
51.试件内部具有预制裂纹，试件以及两个透水板的外周均包覆有热缩膜15。热缩膜优选为硅胶热缩膜，用于固定试件位置以及形成密封环境。
52.试件为圆柱形的混凝土试件，试件的底面直径优选为50mm，高度优选为100mm。
53.试件外周的压力室空腔形成围压腔。
54.围压施加系统包括施压水体、围压进水孔20、围压出水孔10和围压溢水孔11。围压进水孔和围压出水孔均设置在与围压腔相对应的压力室底座上，围压溢水孔设置在压力室外壳顶部。施压水体与围压进水孔相连接。
55.渗流系统包括渗流介质、渗流注水孔21和渗流出水孔22。渗流介质与渗流注水孔相连接，渗流注水孔和渗流出水孔均设置在透水板相对应的压力室底座上。本发明中，渗流出水孔与渗流注水孔相重合，通过阀门与连接进行控制。
56.上述渗流介质为耐低温腐蚀溶液，优选为5%的硫酸钠溶液，能够用于模拟渗透水流与混凝土材料之间的离子交换与矿物溶蚀的过程。内蒙古部分盐湖、八盘峡水电站等库区水质中硫酸根离子浓度可达2.5 %，在硫酸盐溶蚀试验中，室内试验常配置硫酸钠质量分数5%的溶液进行加速溶蚀。
57.轴压系统用于向试件施加轴向压力。轴压系统包括加压装置和位于加压装置底部的传力轴3，传力轴底部伸入压力室中，并能与盖板顶部的凹槽相配合，从而对试件施加轴压1，采用位移传感器2测量试件的轴向移动位移。
58.温控系统设置在压力室外壳中部或外周，能使压力室温度控制在-30℃~90℃，精度为2
‰
，最快速率为1℃/min；用于研究变温条件对混凝土渗透溶蚀过程的影响。
59.温控系统优选包括保温外壳4，保温外壳底部优选通过螺栓8与压力室底座密封连接。保温外壳内部填充海绵保温材料6，保温壳体与压力室壳体之间形成加热腔，保温壳体上设置有与加热腔相连通的温控系统进水孔5和温控系统出水孔7，通过温控系统进水孔5和温控系统出水孔7向加热腔内通入设定温度的介质。为满足低温要求，介质为防冻液，采用精密恒温控制系统，制冷量大，且保温外壳的保温性能较好，可实现快速控温。
60.进一步，保温外壳4优选由两个半圆柱体组合而成，优选为内部填充有海绵保温材料的金属外壳，以保持压力室中的温度。
61.一种模拟温度-渗流-应力耦合的渗透溶蚀试验方法，包括如下步骤。
62.步骤1，安装试件：将热缩膜剪成设定长度（约比试件高度长6厘米）后，把具有预制裂缝的试件放入热缩膜中，将装有试件的热缩膜置于试件固定架中，并使试件的两端与位于两端的透水板完全重合，热缩膜两端将两端的透水板均进行包裹，硅胶热缩膜包裹底板中心透水板和盖板中心透水板的长度大致应相等。随后，采用用热风设备（优选为热风机等）均匀加热热缩膜，热缩膜收缩，使试件与两端透水板形成一体，如手用力转不动试件为止。
63.步骤2，压力室外壳及温控系统安装：将压力室外壳与压力室底座密封连接，试件与压力室外壳间形成围压腔。温控系统安装在压力室外壳外周。压力室外壳的具体优选安装方法为：用起吊机将压力室外壳放下，对称用力将螺栓拧紧，完成压力室的安装与紧固工
作，使压力室处于密封状态。
64.步骤3，围压加载：施压水体通过围压进水孔向压力室注水，打开围压出水孔，直至有水流出后，再关闭围压出水孔。同时，打开围压溢水孔，直至围压溢水孔溢水，再关闭围压溢水孔，使围压腔内的围压达到设定值（优选为5mpa）后，停止向围压进水孔注水。
65.步骤4，渗透压加载：通过渗流注水孔向试件内注入渗流介质，并控制渗流介质的渗透压力至设定值（优选为3mpa）。顶部透水板在施加渗压时可将渗压水从顶部透水板流入盖板中，盖板上连接有两根空心连接杆，用来将盖板中的渗压水排出至底板。
66.上述渗流介质的渗透压力设定值，可以根据试验需要，可在0-20mpa之间任意设定，一般通过试验可设定为0.3mpa、0.5mpa、1.0mpa、2.0mpa、2.5mpa、3.0mpa等。本实施例中优选为3mpa。
67.步骤5，温度加载：通过温控系统，使压力室温度控制在-30℃~90℃中的设定值（优选为9.3℃）。外部温控系统通过压力室外壳内槽空腔里的介质，经由压力室外壳导热到围压腔内溶液，再传热至试件，实现压力室内部温度的控制。
68.步骤6，轴压加载：待渗透压力和温度均达到设定值后，通过加压装置向试件施加轴向压力，并使轴压稳定在试验设定值。
69.上述轴压设定值，可根据试验需要，在0-1000kn之间任意设定，一般通过试验可设定为5kn、10kn、15kn等，本实施例中优选为15kn。
70.步骤7，渗透溶蚀过程研究：通过测量试件的渗透流量，进而研究耦合条件下试件的渗透溶蚀过程。渗透流量的测试方法有为：通过导管把渗流出水孔流出渗透溶液导入到标准量筒，在电子秤称量折算成流量。
71.上述步骤3中的围压设定值、步骤4中的渗透压力设定值、步骤5中的温度设定值以及步骤6中的轴压设定值的设置，能够用于模拟高寒地区高水压作用下的混凝土裂缝渗透溶蚀问题。高寒地区的年平均气温较低，例如西部高寒地区某大型水电工程坝址的月均最低气温0.3℃、最高气温16.6℃,年平均气温为9.3℃。通常1.0mpa的水压，相当于100m水头，可以称为高压。一般300m级的高坝，其坝踵水压约为3.0mpa左右，模拟坝踵处混凝土裂缝的溶蚀过程是因为高坝常年在高水位条件下服役,容易发生水力劈裂现象,而水环境中存在的na

、h

、so
42-等离子会不可避免地对混凝土结构产生影响，高渗透水压环境会使其损伤区加速劣化，影响坝体整体性，威胁大坝安全。因此，有必要对这种特殊情况下的混凝土裂缝渗透溶蚀进行研究。围压、渗透压、温度和轴压的组合方案可根据试验要求设定，本试验装置可达到围压范围为0-40mpa，渗透压范围为0-20mpa，温度范围为-30℃-90℃，轴压范围为0-1000kn。
72.步骤8，试验分析：记录加载的围压、渗透压、温度和轴压，分析试件破坏过程，试验结束后，拆卸压力室，取出试件，观察试件破坏情况并拍摄试件破坏图像。
73.步骤9，改变轴压、渗压、围压以及温度的加载方案，重复步骤1至步骤7，进行不同条件下试件破坏过程的研究。
74.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。