技术领域
[0001] 本
发明涉及围岩与混凝土粘结界面上的混凝土腐蚀模拟试验技术，特别是一种模拟隧道衬砌结构与围岩之间的界面混凝土腐蚀试验方法，通过制备混凝土试样，所述试样的上端面具有混凝土与
岩石块的
咬合面，在所述咬合面上堆放设定厚度的岩石块层，所述岩石块层上设置具有设定深度的侵蚀溶液层，所述侵蚀溶液层上设置加压装置，能够结合混凝土特点、岩石块岩性、侵蚀液特性、液体压
力等进行腐蚀试验，从而反映真实服役环境下多因素对隧道衬砌结构与围岩界面处混凝土腐蚀的影响及腐蚀过程。
背景技术
[0002] 隧道结构作为典型的半隐蔽工程，其受腐蚀面常发生在与围岩
接触一侧。当围岩中地下
水发育时，
地下水往往会对围岩产生溶蚀，进而使其常携带有大量离子。当地下水存在能够与混凝土中胶结材料发生反应的有害离子，如氯离子，
硫酸根离子或镁离子等，既会造成与围岩接触的一侧混凝土发生由表及里的腐蚀，如隧址区处于干旱或半干旱环境，溶蚀后的围岩将为隧道结构混凝土与外界大气提供水气交换通道，从而导致迎水侧混凝土结构表面区域发生显著的干湿循环，进一步导致地下水中有害离子浓度增大，加剧混凝土腐蚀程度，最终导致材料溃散，危及结构安全。由于围岩组成成分复杂，
地下水流动差异明显等因素，导致影响隧道衬砌结构迎水面混凝土腐蚀的因素较多，且腐蚀现象初期很难被及时发现。目前，实验室内模拟上述腐蚀现象时均只针对混凝土材料进行
加速腐蚀，即通过将混凝土浸泡在高浓度有害离子溶液中，通过定期观察其外观形貌及成分变化，来判定实际工程中隧道衬砌结构混凝土的腐蚀机理。显然，上述操作存在如下弊端：(1)由于混凝土胶凝材料的腐蚀是一个复杂的物理化学反应，提高离子浓度会导致腐蚀机理发生根本性改变；(2)现场影响混凝土腐蚀是多因素的，如地下水压力、界面干湿循环等，各因素之间相互影响，最终导致混凝土发生腐蚀；(3)现场真实的腐蚀是发生在围岩与混凝土的粘结界面，而室内试验未能真实反映上述情况。本
发明人认为，如果通过制备混凝土试样，所述试样的上端面具有混凝土与岩石块的咬合面，在所述咬合面上堆放设定厚度的岩石块层，所述岩石块层上设置具有设定深度的侵蚀溶液层，所述侵蚀溶液层上设置加压装置，就能够结合混凝土特点、岩石块岩性、侵蚀液特性、液体压力等进行腐蚀试验，从而反映真实服役环境下多因素对隧道衬砌结构与围岩界面处混凝土腐蚀的影响及腐蚀过程。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
[0003] 本发明针对
现有技术中存在的
缺陷或不足，提供一种模拟隧道衬砌结构与围岩之间的界面混凝土腐蚀试验方法，通过制备混凝土试样，所述试样的上端面具有混凝土与岩石块的咬合面，在所述咬合面上堆放设定厚度的岩石块层，所述岩石块层上设置具有设定深度的侵蚀溶液层，所述侵蚀溶液层上设置加压装置，能够结合混凝土特点、岩石块岩性、侵蚀液特性、液体压力等进行腐蚀试验，从而反映真实服役环境下多因素对隧道衬砌结构与围岩界面处混凝土腐蚀的影响及腐蚀过程。
[0004] 本发明的技术方案如下：
[0005] 模拟隧道衬砌结构与围岩之间的界面混凝土腐蚀试验方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤1，制备混凝土试样，所述混凝土试样的上端面具有混凝土与岩石块的咬合面；步骤2，在所述咬合面上堆放设定厚度的岩石块层；步骤3，在所述岩石块层上设置具有设定深度的侵蚀溶液层；步骤4，所述侵蚀溶液层上设置加压装置，并对所述侵蚀溶液层进行加压；步骤5，观察界面混凝土的外观形貌变化。
[0006] 包括步骤6，根据界面混凝土的外观形貌变化，确定界面混凝土腐蚀等级，所述腐蚀等级的判断标准如下：第1等级为界面处混凝土外观无明显变化；第2等级为界面处混凝土有微裂缝出现；第3等级为界面处混凝土有宽裂缝且伴随轻微膨胀；第4等级为界面处混凝土胀裂且与岩块发生剥离；第5等级为界面处混凝土完全
软化溃散，岩块彻底剥离。
[0007] 包括步骤7，对于第2级至第5级的界面处混凝土进行微观组分测试，包括通过
X射线衍射XDR技术或扫描
电子显微SEM技术检测腐蚀物成分，或通过混凝土切片测试所述侵蚀溶液层中的有害离子迁移深度。
[0008] 所述加压装置包括
活塞杆，所述
活塞杆的上端连接砝码台，所述活塞杆的下端连接活塞，所述砝码台上堆放设定重量的一个或多个组合的砝码。
[0009] 所述制备混凝土试样在筒身结构中进行，所述筒身由前半圆筒和后半圆筒合围而成，所述筒身的上部设置有第一环箍，所述筒身的中部设置有第二环箍，所述筒身的下部设置有第三环箍，将活塞从所述筒身的顶部端口插入设定深度，将所述筒身倒置，加入设定厚度的岩石块层，在所述岩石块层上浇筑设计好的混凝土，振捣使其密实，并与岩石块形成良好的接触面，所述接触面为混凝土界面或混凝土与岩石块的咬合面，混凝土表面覆膜常温养护24小时后，将所述筒身拆卸，将硬化后的混凝土及界面上粘结的岩石块一同置于标准养护箱内养护28天后即得所述混凝土试样。
[0010] 所述步骤2至步骤5均在筒身结构中进行，所述筒身由前半圆筒和后半圆筒合围而成，所述筒身的上部设置有第一环箍，所述筒身的中部设置有第二环箍，所述筒身的下部设置有第三环箍，所述第三环箍与所述第二环箍之间的前半圆筒上设置有前部观测窗，所述第三环箍与所述第二环箍之间的后半圆筒上设置有后部观测窗，所述筒身的底部端口通过滤网连接滤液收集器，所述滤液收集器包括上盖板和下
底板，所述上盖板上设置有漏孔区，所述滤网
覆盖所述漏孔区，所述筒身的内部设置有活塞，所述活塞通过活塞杆连接位于所述筒身的顶部端口之外的砝码台。
[0011] 所述前半圆筒的左断面与所述后半圆筒的左断面贴合成所述筒身的左接缝，所述前半圆筒的右断面与所述后半圆筒的右断面贴合成所述筒身的右接缝，所述左接缝的外侧和所述右接缝的外侧均粘贴防水
胶带，所述左接缝内和所述右接缝内均涂抹有防水凡士林，所述前半圆筒和所述后半圆筒均为透明有机玻璃。
[0012] 所述筒身内的下部为模拟衬砌结构的混凝土容置区，所述筒身内的中部为模拟围岩的岩石块容置区，所述筒身内的上部为侵蚀溶液容置区，所述混凝土与所述岩石块的咬合面为模拟出的隧道衬砌结构与围岩之间的界面，所述界面位于所述前部观测窗的观测区域内。
[0013] 当需要模拟隧道围岩与混凝土接触面干湿循坏时，将岩石块上方侵蚀溶液排干，使界面混凝土处溶液自然
蒸发，或将混凝土试样放置于
温度湿度控制箱进行干湿循环。
[0014] 当需要模拟隧道围岩与混凝土接触面干湿循坏时，将岩石块上方侵蚀溶液排干，并将所述前部观测窗和所述后部观测窗均打开，使界面混凝土暴露在空气中加速干湿循环。
[0015] 本发明的技术效果如下：本发明模拟隧道衬砌结构与围岩之间的界面混凝土腐蚀试验方法，采用具有混凝土与岩石块的咬合面作为上端面的混凝土试样，并在所述咬合面上堆放设定厚度的岩石块层，所述岩石块层上设置具有设定深度的侵蚀溶液层，所述侵蚀溶液层上设置加压装置，可以模拟不同配合比混凝土在不同岩性、不同侵蚀液、不同水压力、干湿循环等耦合作用下真实的腐蚀过程。
[0016] 本发明可通过改变围岩与混凝土材料组成，模拟隧道中不同围岩类型及不同配合比混凝土接触界面在自然条件下的腐蚀全过程。同时，也可通过调整砝码
质量来模拟不同水压力下混凝土的腐蚀。另外，本发明还通过在围岩与混凝土接触面处设置可开启观测窗，一方面可实现对接触界面的干湿循环，同时，还可实现对界面处腐蚀物进行搜集，并结合通过观测窗对混凝土与围岩界面腐蚀进行的全过程观测，最终完成对混凝土腐蚀程度的评价。
[0017] 本发明涉及的装置，整个装置的材料均选择透明度好且具有一定强度的有机玻璃。使用时需保证各接缝不漏水。试验过程中，如发现侵蚀液不足应及时进行补充。
[0018] 在评价混凝土腐蚀程度时可同时采用如下2种方法：1)宏观形貌评价法：定期通过筒身透明玻璃或打开筒壁两侧“观测小窗”，观察并记录界面附近混凝土的外观形貌变化，如是否出现疏松、脱落、
颜色变化等，进行分级。2)微观组分测试法：当界面混凝土达到第2等级及以上，应根据腐蚀程度等级提取界面混凝土或拆卸装置，通过XRD、SEM等手段检测腐蚀物成分，或对混凝土进行切片，测试有害离子的迁移深度进一步比较腐蚀程度。(3)为保证试验结果的可靠性，设计每种影响因素对界面混凝土腐蚀的影响时，应制作不少于6组同条件试件，其中2组试件在试验全过程中仅用于观测外观形貌的变化，不进行微观取样分析，其余4组试件用于在不同侵蚀时间下的微观组分测试。
附图说明
[0019] 图1是实施本发明模拟隧道衬砌结构与围岩之间的界面混凝土腐蚀试验示意图。
[0020] 图2是图1中滤液收集器11和滤网10的组合结构示意图。
[0021] 附图标记列示如下：1-砝码台；2-活塞杆；3-第一环箍；4-活塞；5-筒身；6-第二环箍；8-前部观测窗；9-第三环箍；10-滤网；11-滤液收集器；12-上盖板；13-下底板；14-漏孔区；15-前半圆筒；16-后半圆筒；17-左接缝；18-右接缝；19-侵蚀溶液层；20-岩石块层；21-混凝土试样；22-砝码。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。
[0023] 图1是实施本发明模拟隧道衬砌结构与围岩之间的界面混凝土腐蚀试验示意图。图2是图1中滤液收集器11和滤网10的组合结构示意图。参考图1至图2，模拟隧道衬砌结构与围岩之间的界面混凝土腐蚀试验方法，包括以下步骤，步骤1，制备混凝土试样21，所述混凝土试样21的上端面具有混凝土与岩石块的咬合面；步骤2，在所述咬合面上堆放设定厚度的岩石块层20；步骤3，在所述岩石块层20上设置具有设定深度的侵蚀溶液层19；步骤4，所述侵蚀溶液层19上设置加压装置，并对所述侵蚀溶液层19进行加压；步骤5，观察界面混凝土的外观形貌变化。包括步骤6，根据界面混凝土的外观形貌变化，确定界面混凝土腐蚀等级，所述腐蚀等级的判断标准如下：第1等级为界面处混凝土外观无明显变化；第2等级为界面处混凝土有微裂缝出现；第3等级为界面处混凝土有宽裂缝且伴随轻微膨胀；第4等级为界面处混凝土胀裂且与岩块发生剥离；第5等级为界面处混凝土完全软化溃散，岩块彻底剥离。包括步骤7，对于第2级至第5级的界面处混凝土进行微观组分测试，包括通过X射线衍射XDR技术或扫描电子显微SEM技术检测腐蚀物成分，或通过混凝土切片测试所述侵蚀溶液层
19中的有害离子迁移深度。
[0024] 所述加压装置包括活塞杆2，所述活塞杆2的上端连接砝码台1，所述活塞杆2的下端连接活塞4，所述砝码台1上堆放设定重量的一个或多个组合的砝码22。所述制备混凝土试样21在筒身结构中进行，所述筒身5由前半圆筒15和后半圆筒16合围而成，所述筒身5的上部设置有第一环箍3，所述筒身5的中部设置有第二环箍6，所述筒身5的下部设置有第三环箍9，将活塞4从所述筒身5的顶部端口插入设定深度，将所述筒身5倒置，加入设定厚度的岩石块层20，在所述岩石块层20上浇筑设计好的混凝土，振捣使其密实，并与岩石块形成良好的接触面，所述接触面为混凝土界面或混凝土与岩石块的咬合面，混凝土表面覆膜常温养护24小时后，将所述筒身5拆卸，将硬化后的混凝土及界面上粘结的岩石块一同置于标准养护箱内养护28天后即得所述混凝土试样。
[0025] 所述步骤2至步骤5均在筒身结构中进行，所述筒身5由前半圆筒15和后半圆筒16合围而成，所述筒身5的上部设置有第一环箍3，所述筒身5的中部设置有第二环箍6，所述筒身5的下部设置有第三环箍9，所述第三环箍9与所述第二环箍6之间的前半圆筒15上设置有前部观测窗8，所述第三环箍9与所述第二环箍6之间的后半圆筒16上设置有后部观测窗，所述筒身5的底部端口通过滤网10连接滤液收集器11，所述滤液收集器11包括上盖板12和下底板13，所述上盖板12上设置有漏孔区14，所述滤网10覆盖所述漏孔区14，所述筒身5的内部设置有活塞4，所述活塞4通过活塞杆2连接位于所述筒身5的顶部端口之外的砝码台1。所述前半圆筒15的左断面与所述后半圆筒16的左断面贴合成所述筒身5的左接缝17，所述前半圆筒15的右断面与所述后半圆筒16的右断面贴合成所述筒身5的右接缝18，所述左接缝17的外侧和所述右接缝18的外侧均粘贴防水胶带，所述左接缝17内和所述右接缝18内均涂抹有防水凡士林，所述前半圆筒15和所述后半圆筒16均为透明有机玻璃。所述筒身5内的下部为模拟衬砌结构的混凝土容置区，所述筒身5内的中部为模拟围岩的岩石块容置区，所述筒身5内的上部为侵蚀溶液容置区，所述混凝土与所述岩石块的咬合面为模拟出的隧道衬砌结构与围岩之间的界面，所述界面位于所述前部观测窗8的观测区域内。当需要模拟隧道围岩与混凝土接触面干湿循坏时，将岩石块层20上方侵蚀溶液排干，使界面混凝土处溶液自然蒸发，或将混凝土试样放置于温度湿度控制箱进行干湿循环。当需要模拟隧道围岩与混凝土接触面干湿循坏时，将岩石块上方侵蚀溶液排干，并将所述前部观测窗8和所述后部观测窗均打开，使界面混凝土暴露在空气中加速干湿循环。
[0026] 滤液收集器11为扁平圆柱体。滤液收集器11和滤网10相适配。滤液收集器11上方中心
位置留有小孔以便渗流液通过滤网10流入底座，滤网10为圆形，其直径与筒身5的直径相等，其圆心与滤液收集器11上表面中心重合，使用时将整个筒身5放置在滤液收集器11中心。圆柱筒身5上端配有直径与圆筒相同且
密封性好的加压装置，包括活塞4和砝码22，通过在活塞4上的砝码台1放置砝码22对侵蚀溶液加压，从而实现对有压地下水的模拟。
[0027] 根据所模拟隧道围岩成分
选定岩块材料，完成混凝土配合比设计，并按照装置使用方法完成岩块充填、混凝土浇筑养护及试样安装。通过改变岩块类型以完成侵蚀溶液组分对界面混凝土侵蚀程度的影响；通过改变混凝土材料组成以完成混凝土材料性能指标(孔隙率或强度等)对其
耐腐蚀性能的影响；通过改变砝码质量以完成对侵蚀溶液压力对界面混凝土侵蚀的影响；通过将岩块与混凝土界面置于干湿循环下已完成溶液浓度对界面混凝土侵蚀的影响；通过同时改变侵蚀溶液组分、混凝土材料组成、侵蚀溶液压力及干湿环境实现多因素耦合对界面混凝土侵蚀的影响。评价混凝土腐蚀程度。为保证试验结果的可靠性，设计每种影响因素对界面混凝土腐蚀的影响时，应制作不少于6组同条件试件，其中2组试件在试验全过程中仅用于观测外观形貌的变化，不进行微观取样分析，其余4组试件用于在不同侵蚀时间下的微观组分测试。
[0028] 下面通过一个具体操作实例说明本发明：1、将装置筒身两部分边缘对齐拼接成一个圆柱筒，接缝处用防水凡士林粘合，尽量保证筒内壁的光滑。用透明防水胶带将筒外侧的接缝粘牢，并在筒的上中下位置套上环箍拧紧，以防圆桶内侵蚀液通过接缝处外漏。2、筒身两侧可拆卸小窗同样用凡士林和透明防水胶带粘牢，但要保证具有良好的透明度，方便观测及拆卸。3、将密封性好的
橡胶活塞塞入圆柱筒底部，用记号笔标记需要浇筑的混凝土高度和拟放入的岩块厚度。4、在橡胶活塞上先放入试验中模拟围岩环境的岩块，岩块应保证具有透水性，并保证堆积后岩石表面平整。5、在岩块上浇筑设计好的混凝土，振捣使其密实，并与岩块形成良好的接触面。混凝土表面覆膜常温养护24小时后，将筒身拆卸，将硬化后的混凝土及界面上粘结的岩块一同置于标准养护箱内养护28天。6、正式试验前将筒身上下内壁除中间观测位置外均涂抹凡士林，以避免试验时侵蚀液沿筒壁下渗，观测窗位置不涂凡士林，以保证观测界面腐蚀状态时的清晰度。7、取出养护28天后的混凝土，轻轻放入筒身，并保证混凝土与岩块咬合面位于筒身两侧安有可拆卸小窗的位置，根据试验需要可在界面与混凝土粘结的岩块上再加入适量岩块。8、将带有混凝土和岩块的测试装置放于底座中心位置，在岩块上方加入需要的侵蚀液。将带有砝码台的橡胶活塞由上往下放入，直至与侵蚀液液面完全接触，根据需要在砝码台上放置砝码形成设计需要的有压溶液。9、当需要模拟隧道围岩与混凝土接触面干湿循坏时，可将岩块上方侵蚀液排干，使界面混凝土处溶液自然蒸发，也可将筒身两侧的“小窗”打开，使界面混凝土暴露在空气中加速干湿循环，亦可以将其放置于温度湿度控制箱进行干湿循环。10、试验过程中，如发现侵蚀液不足应及时进行补充。
[0029] 在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
