技术领域
[0001] 本
发明涉及模拟试验领域，特别是一种高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验装置及方法。
背景技术
[0002] 水工混凝土结构长期与环境水
接触，易产生溶蚀作用，内部固相
钙溶解，并在
对流和扩散作用下析出，导致结构发生劣化，承载力降低，危害工程安全。坝工结构如混凝土面板、防渗帷幕以及深隧洞长期在高水力梯度下运行，渗透水流对离子的析出作用远大于浓度差所引起的扩散作用，劣化速度相比闸墩、桥墩等构件的接触溶蚀更快。现在，国内外兴建的一批高坝工程如水布垭面板堆石坝、混凝土双曲拱坝坝高已达到200m和300m。一旦工程失事，危害极大，其混凝土的耐久性尤其是高水力梯度下的溶蚀耐久性是高坝工程长期安全运行过程中不容忽视的重要问题。
[0003] 现有混凝土的溶蚀试验研究，加速溶蚀
进程的方法有化学溶液侵蚀法和电加速溶蚀方法，化学溶液侵蚀采用
硝酸铵溶液，然而硝酸铵是一种烈性炸药，不易获得且十分危险，溶蚀过程中需要不停通入
氨气，以保持溶液酸
碱稳定。氨气具有刺激性气味，试验过程中难以保持完全密封，易对试验环境带来不利影响。采用电加速溶蚀试验方法，多用于接触溶蚀试验。由于渗透溶蚀试验水压高，通常要达到1 2MPa，对溶蚀试验箱的强度、
刚度以及~和溶蚀试件间的
密封性的要求高，现有研究限于试验设备和试验技术，还不能将其用于渗透溶蚀试验。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是针对上述
现有技术的不足，而提供一种高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验装置，该高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验装置能在长期恒定高水力梯度作用下测试渗透溶蚀对混凝土性能的影响，能够测得相关试验数据，进行混凝土溶蚀试验研究。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验装置，包括试验箱、外部压力机、外部电源和测试
电极。
[0006] 试验箱内设置有至少一个压力测试室，压力测试室的内壁面均为绝缘表面；压力测试室的中部设置有试件固定凹槽，混凝土试件的四周能与试件固定凹槽密封配合，且混凝土试件将压力测试室分隔为
阳极测试区和
阴极测试区；测试电极包括测试阳极和测试阴极，测试阳极设置在阳极测试区中，并通过
导线与外部电源的阳极相连接；测试阴极设置在阴极测试区中，并通过导线与外部电源的阴极相连接。
[0007] 阳极测试区和阴极测试区均充填有导电溶蚀液。
[0008] 外部压力机与压力管道相连接，压力管道的另一端伸入阳极测试区中的导电溶蚀液中；阳极测试区和阴极测试区的底部均设置有排水取样管。
[0009] 阴极测试区设置有用于
支撑混凝土试件的支撑架。
[0010] 支撑架包括两根相互平行的不锈
钢支架，每根
不锈钢支架的两端各设置一个高弹性
橡胶基座，每根不锈钢支架的外周均包覆有橡胶套。
[0011] 阳极测试区和阴极测试区内均设置有
温度传感器和
压力传感器。
[0012] 试验箱内设置有三个相互平行的压力测试室，每个压力测试室均为正方体形状。
[0013] 试验箱采用不锈钢材料制成，试验箱的内壁面涂覆有静电绝缘涂层。
[0014] 导电溶蚀液为pH=7的去离子水。
[0015] 本发明还提供一种高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验方法，该高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验方法能在长期恒定高水力梯度作用下测试渗透溶蚀对混凝土性能的影响，能够测得相关试验数据，进行混凝土溶蚀试验研究。
[0016] 一种高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验方法，包括如下步骤。
[0017] 步骤1，布设试件固定凹槽：压力测试室的中部设置试件固定凹槽，试件固定凹槽包括均相互连通的顶盖凹槽、
底板凹槽和两个
侧壁凹槽，试件固定凹槽中铺设橡胶防水材料，并采用结构胶粘结，后用
铁棍碾压使其粘结紧密。
[0018] 步骤2，安装温度传感器与压力传感器：阳极测试区和阴极测试区各布设一个温度传感器和压力传感器；所有温度传感器和压力传感器均与主机相连。
[0019] 步骤3，安装混凝土试件：制作混凝土试件并养护，养护完成的混凝土试件放入步骤1布设的试件固定凹槽中，并在底部与两侧用结构胶粘牢，使混凝土试件与试件固定凹槽之间形成密封结构；位于混凝土试件的两侧的区域分别为阳极测试区和阴极测试区。
[0020] 步骤4，设置支撑架：支撑架的一端与阴极测试区的内壁面相连接，支撑架的另一端与步骤3安装的混凝土试件相连接。
[0021] 步骤5，安装测试电极：测试电极包括测试阳极和测试阴极，测试阳极设置在阳极测试区中，并通过导线与外部电源的阳极相连接；测试阴极设置在阴极测试区中，并通过导线与外部电源的阴极相连接。
[0022] 步骤6，注入导电溶蚀液：阳极测试区和阴极测试区均注入导电溶蚀液，然后，封上顶盖，采用高压
螺栓使顶盖与试验箱的侧壁相连接，形成密闭环境。
[0023] 步骤7，阳极测试区加压：打开外部压力机，向阳极测试区中的导电溶蚀液加压，当阳极测试区中的导电溶蚀液的压力达到设定压力时，打开外部电源
开关，设置
电压60V，开始设定压力时高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验。
[0024] 步骤8，抽样检测：按照设定间隔时间，启闭排水取样管上的止水
阀门，从而对阳极测试区和阴极测试区中的导电溶蚀液进行取样检测，并判断试验箱内混凝土试件的
腐蚀情况。
[0025] 步骤9，取出混凝土试件：试验结束后，打开试验箱，取出混凝土试件，观察腐蚀情况，记录数据。
[0026] 步骤1中，试验箱中具有三个相互平行的压力测试室，每个压力测试室均按照步骤1至步骤7的方法进行操作，在步骤7中，三个压力测试室中的设定压力分别为1.0MPa、
1.5MPa和2.0MPa。
[0027] 步骤5中，测试阳极为采用单面
氧化物涂层的
钛合金电极板，测试阴极为不锈钢板。
[0028] 本发明具有如下有益效果：1、本发明能对水工混凝土试件提供高水力梯度渗透溶蚀环境，又能提供稳定电化学
势能，加速孔隙溶液中钙离子的移动速率，能进行高水力梯度下电加速混凝土的溶蚀试验。
[0029] 2、常规溶蚀试验是在不封闭的塑料溶蚀槽内进行，本试验装置是一个封闭的不锈钢试验箱，具有强度高、密封性能好的特点，能灌入高压水，水压最高可到2MPa，最高水力梯度可达2000，完全可以满足模拟高混凝土坝、面板坝混凝土防渗体所处的高水力梯度工作条件。
[0030] 3、常规接触溶蚀和渗透溶蚀试验周期长，一般都需要半年、一年甚至几年，如何快速高效的进行溶蚀试验是进行水工混凝土耐久性评价的一个难点，本发明采用电加速试验手段，耦合高水力梯度条件，相比常规溶蚀手段，具有试验周期短、效果显著的优点。
[0031] 4、本发明试验箱设置的试件固定凹槽，能固定混凝土试件，同时用橡胶防水材料包裹，用结构胶粘结紧密，形成混凝土试件与试验箱间的密封结构，有效防止了阴阳两极的溶液发生互通渗漏，使试验结果更准确。
[0032] 5、高水力梯度作用下的混凝土试件，在阳极测试区承受了较大的水压力，易产生弯曲
变形，导致局部孔隙的张开、闭合，影响渗透系数和扩散系数，使试验结果产生空间变异，本装置该试验箱中阴极测试区设置了两根不锈钢支架，不锈钢支架均用橡胶套包裹，可有效防止混凝土试件在溶蚀劣化后损伤开裂，使试验结果更准确。
[0033] 6、本试验装置可以进行不同水压力、不同电压条件组合工况下的水工混凝土溶蚀试验，在试验过程中可实时监测水压力、溶液温度，可通过监控阳极和阴极侧水压力的变化来验证密封装置的工作状态，当试验箱水压降低后，可通过压力水进口阀门注入压力水，补充压力，本装置可在阳极和阴极侧出口阀进行侵蚀溶液取样，研究溶蚀过程中侵蚀溶液的变化。
附图说明
[0034] 图1显示了本发明一种高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验装置的结构示意图。
[0035] 图2显示了顶盖的结构示意图。
[0036] 图3显示了试验箱的结构示意图。
[0037] 其中有：1.外部电源；2.阴极测试区压力传感器；3.高压螺栓；4.顶盖凹槽；5.阴极测试区温度传感器；6.高弹性橡胶基座；7.阴极电极；8.不锈钢支架；9.底板凹槽；10.阳极测试区压力传感器；11.外部压力机；12.压力管道阀门；13.顶盖；14.压力管道；15.阳极测试区温度传感器；16.阳极电极；17. 试验箱侧壁；18.混凝土试件；19.底板；20.阳极测试区止水阀门；21.阳极测试区排水取样管；22.橡胶防水材料；23.阳极测试区；24.阴极测试区；25.高分子绝缘涂层；26.阴极测试区排水取样管；27.阴极测试区止水阀门；28.压力测试室一；29. 压力测试室二；30. 压力测试室三。
具体实施方式
[0038] 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。
[0039] 如图1所示，一种高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验装置，包括试验箱 、外部压力机11、外部电源2和测试电极。
[0040] 试验箱内设置有至少一个压力测试室，优选为3个压力测试室，压力测试室的数量具体根据使用需求进行设置。3个压力测试室相互平行，如图3所示，分别为压力测试室一28、压力测试室二29和压力测试室三30。3个压力测试室能同时进行3组试验，进行控制变量试验，研究在不同压力下，不同水温下，不同电压下、不同
电解质溶液下混凝土试件的溶蚀情况。
[0041] 当压力测试室为一个时，试验箱优选为正方体，当压力测试室为两个以上时，试验箱优选为长方体，每个压力测试室均优选为正方体形状。
[0042] 如图3所示，试验箱的优选尺寸为长1300mm，高450mm，宽450mm的大型长方体，3个压力测试室沿长边方向布设，每个压力测试室的尺寸分别为400*400*400的正方体，壁厚均为25mm。
[0043] 试验箱优选采用不锈钢材料制成，试验箱的内壁面均优选采用静电涂覆的方式涂覆有2mm的静电绝缘涂层，形成绝缘表面，防止内壁在实验时发生电化学反应，使实验结果更准确。上述静电绝缘涂层优选为高分子绝缘涂层25。
[0044] 试验箱包括试验箱侧壁17、底板19和顶盖13，底板与试验箱侧壁优选为一体设置，顶盖的结构如图2所示，顶盖优选通过设置在四周的高压螺栓与试验箱侧壁密封固定连接。上述试验箱的内壁面包括试验箱侧壁的内壁面，底板上表面和顶盖下表面。
[0045] 压力测试室的中部设置有试件固定凹槽，混凝土试件18的四周能与试件固定凹槽密封配合，且混凝土试件将压力测试室分隔为阳极测试区23和阴极测试区24。
[0046] 试件固定凹槽包括均相互连通的顶盖凹槽4、底板凹槽9和两个侧壁凹槽。
[0047] 测试电极包括测试阳极16和测试阴极7，测试阳极设置在阳极测试区中，并通过导线与外部电源的阳极相连接；测试阴极设置在阴极测试区中，并通过导线与外部电源的阴极相连接。
[0048] 测试阳极优选为采用单面氧化物涂层的钛合金电极板，测试阴极优选为不锈钢板。
[0049] 阳极测试区和阴极测试区均充填有导电溶蚀液，导电溶蚀液优选为pH=7的去离子水，但也可以为已知的其他溶蚀液。
[0050] 外部压力机与压力管道14相连接，压力管道的另一端穿过顶盖上的通孔后伸入阳极测试区中的导电溶蚀液中，本发明利用外部压力机为试验箱提供稳定的水压，形成高水力梯度环境。压力管道上设置有压力管道阀门12。
[0051] 阳极测试区的底部设置有排水取样管21，排水取样管上设置有止水阀门20。阴极测试区的底部设置有排水取样管26，排水取样管上设置有止水阀门27。阴极测试区设置有用于支撑混凝土试件的支撑架，防止阳极测试区施加水压力时混凝土试件受弯形成裂缝。
[0052] 上述支撑架优选包括两根相互平行的不锈钢支架8，每根不锈钢支架的两端各设置一个高弹性橡胶基座6，每根不锈钢支架的外周均包覆有橡胶套。每根不锈钢支架优选长为150mm，直径为30mm。高弹性橡胶基座优选采用结构胶粘在混凝土试件或试验箱侧壁上，其直径优选为50mm，高弹性橡胶基座设置有一定大小的孔，能将不锈钢支架插入孔中。
[0053] 阳极测试区和阴极测试区内均优选设置有温度传感器和压力传感器；其中，位于阳极测试区内的温度传感器和压力传感器分别为阳极测试区温度传感器15和阳极测试区压力传感器10；位于阴极测试区内的温度传感器和压力传感器分别为阴极测试区温度传感器5和阴极测试区压力传感器2。
[0054] 一种高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验方法，包括如下步骤。
[0055] 步骤1，布设试件固定凹槽：先打开顶盖，用
扳手拧松顶盖上的所有高压螺栓，拿出顶盖；接着在压力测试室的中部设置试件固定凹槽，试件固定凹槽包括均相互连通的顶盖凹槽、底板凹槽和两个侧壁凹槽，顶盖凹槽和底板凹槽的长宽高优选为420mm*100*10mm，两个侧壁凹槽的长宽高优选为100mm*10mm*420mm。试件固定凹槽中铺设橡胶防水材料，并在试件固定凹槽的
外延也铺上橡胶防水材料，并采用结构胶粘结，后用铁棍碾压使其粘结紧密。
[0056] 本步骤其中，试验箱中优选具有三个相互平行的压力测试室，每个压力测试室均按照上述方法进行试件固定凹槽的布设。因而能同时进行3组或更多组试验，如在不同压力下，不同水温下，不同电压下、不同
电解质溶液下等等，高效便捷。
[0057] 步骤2，安装温度传感器与压力传感器：阳极测试区和阴极测试区各布设一个温度传感器和压力传感器，温度传感器优选从侧壁螺栓孔旋转插入试验箱内部以测量阴极测试区或阳极测试区内的温度；压力传感器从顶盖螺栓孔旋转插入试验箱内部以测量阴极测试区或阳极测试区内的压力。所有温度传感器和压力传感器均与主机相连，在主机上实现实时测量和数据保存。另外，优选采用厚度较薄的橡胶套包裹所有温度传感器和压力传感器。
[0058] 当压力测试室为2个或以上时，每个压力测试室均按照上述方法进行温度传感器与压力传感器的布设按照。
[0059] 步骤3，安装混凝土试件：制作混凝土试件，混凝土试件优选为四棱柱形，然后养护一段时间，使得适龄期的混凝土试件长宽高优选为420mm*100mm*420mm。养护完成的混凝土试件的顶部、底部和两侧均用橡胶防水材料包裹，用结构胶粘结紧密，并用铁棍碾压使其粘结紧密。
[0060] 养护完成的混凝土试件在饱水时
电阻率优选为1000Ωm，干燥时优选为109Ωm。
[0061] 接着，小心地将混凝土试件放入步骤1布设的试件固定凹槽中，放置好之后在底部与两侧再用结构胶粘牢，使混凝土试件与试件固定凹槽之间紧密相连，形成混凝土试件与试验箱间的密封结构，防止阴阳两极的溶液发生互通渗漏，使试验结果更准确。位于混凝土试件两侧的区域分别为阳极测试区和阴极测试区。
[0062] 当压力测试室为2个或以上时，每个压力测试室均按照上述方法进行混凝土试件的安装。
[0063] 步骤4，设置支撑架：支撑架的一端与阴极测试区的内壁面相连接，支撑架的另一端与步骤3安装的混凝土试件相连接。
[0064] 两根不锈钢支架均优选采用橡胶套包裹紧密，在混凝土试件与试验箱侧壁对应
位置用结构胶粘结四个高弹性橡胶基座，其直径为50mm，高弹性橡胶基座设置有一定大小的孔，将不锈钢支架插入孔中，防止阳极测试区施加水压力时试件受弯形成裂缝。
[0065] 当压力测试室为2个或以上时，每个压力测试室均按照上述方法进行支撑架的安装。
[0066] 步骤5，安装测试电极：测试电极包括测试阳极和测试阴极，测试阳极设置在阳极测试区中，并通过导线与外部电源的阳极相连接；测试阴极设置在阴极测试区中，并通过导线与外部电源的阴极相连接。测试阳极优选为采用单面氧化物涂层的钛合金电极板，尺寸优选为Φ50mm×150mm；测试阴极优选为不锈钢板，尺寸优选为Φ50mm×150mm，阴阳两电极板与装置中去离子水接触面积为Φ50mm×150mm。
[0067] 当压力测试室为2个或以上时，每个压力测试室均按照上述方法进行测试电极的安装。
[0068] 步骤6，注入导电溶蚀液：实验开始后，通过压力管道阀门向阳极测试区和阴极测试区注入导电溶蚀液，然后，封上顶盖，用扳手拧紧顶盖与试验箱侧壁之间的所有高压螺栓，形成密闭环境。
[0069] 上述导电溶蚀液优选为pH= 7的去离子水。
[0070] 当压力测试室为2个或以上时，每个压力测试室均按照上述方法进行导电溶蚀液的注入。
[0071] 步骤7，阳极测试区加压：打开外部压力机，向阳极测试区中的导电溶蚀液加压，当阳极测试区中的导电溶蚀液的压力达到设定压力时，打开外部电源开关，设置电压60V，开始设定压力时高水力梯度下电加速混凝土溶蚀试验。主机实时检测压力数据，通过调节外部压力机使压力始终稳定在设定压力值附近。
[0072] 当压力测试室为三个时，三个压力测试室中的设定压力优选分别为1.0MPa、1.5MPa和2.0MPa，当然也可以为其他压力，从而进行不同压力的研究。
[0073] 当然，也可以改变每个压力测试室的温度或改变导电溶蚀液的成分或不同电压值，从而进行不同温度或不同导电溶蚀液成分或不同电压值的测试研究。
[0074] 步骤8，抽样检测：按照设定间隔时间，启闭排水取样管上的止水阀门，从而对阳极测试区和阴极测试区中的导电溶蚀液进行取样检测，并判断试验箱内混凝土试件的腐蚀情况。
[0075] 步骤9，取出混凝土试件：试验结束后，打开试验箱，取出混凝土试件，观察腐蚀情况，记录数据。通过多个压力测试室得到的结果进行对比得出在其他条件下相同，不同水力梯度情况对混凝土试件溶蚀的影响。也可以进行同样水力梯度条件下，不同电压对混凝土溶蚀的影响等等。
[0076] 综上所述，本发明能施加高达1 2MPa水压力，采用压力传感器监测水压力并适时~调节以维持压力稳定；试验箱分成三个正方体区域，可同时进行3组试验（在不同压力下，不同水温下，不同电压下等等）；试验箱底板、顶板和两边侧壁均设置凹槽，凹槽和试件接触部位及外沿用橡胶塑料类防水材料包裹，用结构胶粘结。从而在常规电加速接触溶蚀试验
基础上增添了高水力梯度环境的模拟，该发明克服了传统溶蚀试验无法模拟高水力梯度环境的特点，能更加真实地反映大坝混凝土溶蚀的试验机理，适用于进行渗透溶蚀对大坝运行安全的影响研究，具有很好的市场转化前景，适合推广。
[0077] 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。
