一种表面负压作用下混凝土水分扩散系数测试方法与流程

1.本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种表面负压作用下混凝土水分扩散系数测试方法。


背景技术：

2.已有大量研究表明，混凝土内部湿度水平和水分扩散性质是影响其收缩变形的本质因素，对干燥条件下混凝土内部水分扩散系数进行准确测定是混凝土收缩变形与开裂行为预测的基础和前提。因此，为研究铁路隧道衬砌混凝土开裂机理，进而提出收缩开裂预测方法应首先解决的关键问题是对负压作用下混凝土内部水分扩散系数进行准确测定。
3.混凝土内部水分扩散系数是用来描述混凝土内部相邻毛细孔之间水分扩散速率的物理量，通常用d表示，该参数是影响干燥条件下混凝土内部湿度水平和干燥收缩发展的关键。且表面负压作用将加速混凝土内部水分向周围环境的迁移速率，从而加速干燥收缩变形发展。然而，现有专利和研究对上述问题关注较少。仅有部分专利对常规环境下混凝土湿度测试提出新方法。中国专利cn202010524168.8公开了一种测量混凝土内部湿度的装置及其布置方法，其主要是提出了一种湿度传感器防护壳体。中国专利cn202122625789.8公开了一种测定混凝土孔隙相对湿度的试验装置，其本质是提出了一种可实时记录数据的混凝土内部湿度测试装置。上述专利均提出了常规环境下混凝土内部特定点位的湿度测试方法，但是对于表面负压作用下混凝土内部湿度场的测试涉及较少。更重要的是，基于测试得到的湿度数据计算得到混凝土水分扩散系数对评价混凝土水分扩散性质极为重要，但现有专利对混凝土水分扩散系数的测试尚未涉及。因此，提出表面负压作用下混凝土内部湿度场与水分扩散系数测试方法对评价列车运营条件下隧道衬砌混凝土收缩开裂风险具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，准确测试出表面负压作用下混凝土内部湿度场及水分扩散系数，本发明的目的在于提供一种表面负压作用下混凝土内部湿度场测试系统以及基于湿度场的混凝土内部水分扩散系数计算方法。利用该方法可测试并计算得到不同表面负压水平下混凝土内部湿度变化规律及水分扩散系数，为分析列车运营条件下铁路隧道衬砌混凝土收缩变形机理提供重要依据。
5.本发明是这样实现的：本发明提供一种表面负压作用下混凝土水分扩散系数测试方法，包括如下步骤：采用本发明所述负压作用下混凝土湿度场测试系统，从混凝土浇筑后指定龄期开始，测试表面负压作用下混凝土内部典型位置处的湿度随养护龄期的发展关系；将测试得到的混凝土湿度试验结果代入所述计算方法中，逆推计算得到负压作用下混凝土的水分扩散系数。
6.在一些实施例中，所述负压作用下混凝土湿度场测试系统由负压腔体、压力表、控
制器、负压泵、湿度传感器和数据采集器组成，见图1。所述负压腔体固定于混凝土试件干燥表面以形成表面负压环境；压力表固定于负压腔体上方以监测负压腔体内压力值；控制器与压力表相连以控制负压泵的开启与关闭；负压泵的负压管与负压腔体相连，在负压腔体内压力低于设定值时控制器将发出指令使负压泵开始工作直至压力达到设定值时停止工作；湿度传感器通过pvc管固定于混凝土内部距离负压干燥表面的指定位置，测试得到的湿度数据实时传输并存储于数据采集器中。
7.所述的负压腔体边缘与混凝土干燥面边缘之间采用高分子密封胶进行密封处理，以保证负压腔的密封性。
8.所述的压力表可设置目标负压值，当腔体内部负压高于设定值时，压力表触发控制器发出指令使得负压泵开始工作，直至腔体内负压值达到设定值为止。
9.所述的控制器还可发出主动泄压指令，以实现负压腔体拆卸操作。
10.所述的湿度传感器包括但不限于电容式湿度传感器，湿度传感器通过底部开孔的pvc管浇筑于混凝土内部指定位置，通过密封圈和密封胶实现与外界环境隔绝，湿度传感器与pvc管设置见图2。
11.所述的数据采集器带有数据搜集与存储功能。
12.在一些实施例中，所述的负压作用下混凝土水分扩散系数计算方法是根据负压条件下混凝土水分扩散理论提出的，将试验测试得到的特定位置湿度试验结果代入该方法即可计算得到负压条件下混凝土水分扩散系数。所述的负压作用下混凝土水分扩散计算分为表面扩散与内部扩散两部分。
13.所述负压条件下混凝土表面扩散，如图3所示，混凝土干燥面与环境之间的水分扩散可以用如下公式描述。
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
14.式中，j
x
为混凝土干燥表面扩散至环境中的水分通量（kg/m2s）；am为混凝土表面系数，该参数用以表示混凝土表面水分向周围环境的迁移速率，常规环境下该参数可取为常数3.72
×
10-5 kg/m2s；h1为混凝土干燥表面的湿度值；h
e’为负压腔体内部环境湿度，可通过下式进行计算。
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
15.式中，p
atm
为环境大气压，取为101.325 kpa；dp为负压腔体内部负压值；he为试验环境湿度值。将公式（2）代入公式（1）中，即可得到混凝土干燥表面的扩散方程。
16.所述负压条件下混凝土内部扩散过程可用公式（3）描述。
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
17.式中，hd为试验测试得到的混凝土内部湿度值；x为湿度测试点距离干燥面的坐标位置；t为干燥时间；d即为混凝土内部水分扩散系数，kg/m.s。公式（3）中，水分扩散系数d为相对湿度hd和位置x的函数，因此该方程为非线性偏微分方程。本发明通过引入中间变量s对上述方程进行求解。
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
18.式中，hm为人为选定的湿度值，该参数不影响最终计算结果。将公式（4）经过简单数学变换并代入公式（3）中，即可得到公式（5）。
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
19.本发明采用有限差分法对上述方程进行求解，所采用的有限差分节点如图4所示，有限差分节点分为内部节点、外表面节点和内表面节点。对于内部节点，其有限差分方程见公式（6）。
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
20.对于外表面节点，仍需考虑表面负压作用对水分扩散的影响，如图5所示。考虑表面负压作用后，混凝土外表面节点有限差分方程见公式（7）。
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
21.式中，h为有限差分节点间距；h
2,t
为第二节点湿度值。对于内表面节点，其有限差分方程见公式（8）。
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
22.本发明采用逆推法，基于湿度测试数据逆推试算出混凝土水分扩散系数，过程中采用多段线性函数对水分扩散系数进行描述。
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
23.本发明中，水分扩散系数逆推过程是这样实现的，由于在求解之前混凝土水分扩散系数均为未知数。因此，本发明采用多段线性函数对水分扩散系数进行描述，见公式（9），并由高湿区（hd=1.0）向低湿区逐段求解。具体而言，采用公式（9）从高湿区向低湿区分段逐次假定水分扩散系数，见图6。每假定一段水分扩散系数均要计算对应湿度水平的混凝土特定位置湿度变化程，通过不断优化公式（9）中的kj和dj的取值，使得该阶段湿度变化历程计算值与试验值之差满足误差要求。基于上述方法即可基于负压条件下混凝土内部特定位置湿度试验值逐段求解混凝土内部水分扩散系数。
24.本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供一种表面负压作用下混凝土水分扩散系数测试方法，构建了表面负压作用下混凝土湿度场测试系统，基于水分扩散理论提出了混凝土内部水分扩散系数计算方法。该方法可用于计算不同表面负压状态时混凝土内部水分扩散系数，为分析列车运营条件下铁路隧道衬砌混凝土水分迁移规律及收缩开裂机理提供重要基础。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方
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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
26.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。
27.图1示例性示出本发明一种较佳实施方式的负压作用下混凝土湿度场测试系统，其中（a）负压腔体；（b）压力表；（c）控制器；（d）负压泵；（e）湿度传感器；（f）数据采集器；图2示例性示出本发明一种较佳实施方式的湿度传感器设置方式示意图，其中（a）为装置图；（b）为pvc管开口方式；图3示例性示出本发明中表面负压作用下混凝土水分扩散原理示意图；图4示例性示出本发明一种较佳实施方式的混凝土湿度有限差分节点示意图；图5示例性示出本发明中表面负压作用下混凝土表面节点水分扩散原理示意图；图6示例性示出本发明一种较佳实施方式的混凝土水分扩散系数逆推计算示意图；图7示例性示出本发明一种较佳实施方式的混凝土内部典型位置处湿度随养护龄期的发展关系；图8示例性示出本发明一种较佳实施方式的混凝土内部水分扩散系数逆推计算结果，其中（a）为逆推得到的水分扩散系数，（b）为湿度计算值与试验值对比。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
29.在本发明的描述中，术语“包括/包含”、“由
……
组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含
……”
、“由
……
组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
30.需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是任意合适的设置方式，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”等指示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、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的
方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
32.以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
33.本实施例选取铁路隧道常用的c40混凝土为研究对象，混凝土配合比见表1。
34.表1 隧道衬砌c40混凝土配合比。
35.采用上述配合比制备混凝土后浇筑成型400mm
×
100mm
×
100mm的立方体试块，并在距离干燥面2cm、7cm和12cm设置三支湿度传感器，养护1d拆除模具。采用塑料薄膜覆盖混凝土试件表面，仅保留端部截面（100mm
×
100mm）为干燥面。将本发明提出的负压腔体放置于干燥面上，并采用密封胶密封，保持负压腔体中空气负压为-50 kpa，见图1。混凝土湿度测试试件从拆模时刻起到60d为止，所得到的混凝土内部典型湿度测试结果见图7。采用本发明提出的逆推计算方法，得到的负压条件下混凝土内部水分扩散系数见图8。