CN110926957A - 模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置及方法，其中，模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，包括高压水溶液供应装置、环境模拟容器、振动装置和数据接收装置，高压水溶液供应装置具有出液口，出液口与环境模拟容器的内腔密封连通，环境模拟容器固定于振动装置上；环境模拟容器的内腔中安装有混凝土试块，混凝土试块内埋设有多个传感器，多个传感器均与数据接收装置相连接；其中，混凝土试块具有渗透面，多个传感器沿垂直于渗透面方向的不同深度设置，传感器至少包括湿度传感器和振动传感器。该装置填补了现有技术的空白，可为开展高水压和振动耦合作用环境下的混凝土耐久性试验研究提供设备支撑。

Description

模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置及方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，轨道交通工程和公路工程领域所涉及隧道总数和总长度增长迅猛。截至2017年底，中国正在运营的铁路隧道14547座，总长15326公里，公路隧道共计16229处，总长15285.1公里，隧道的建设投入仍在不断增大。隧道工程主要以钢筋混凝土结构为主，一般处于地层和围岩的覆盖之下，隐蔽性较强，易受到各种劣化因素的影响，例如地层变化、地震、火灾、渗漏水等，且在产生损伤后不易修复和加固。其中，地下水对隧道衬砌结构的影响是不可忽略的，地下水中通常富含Cl^-和SO₄ ^2-等具有侵蚀性的离子，这些有害离子可以通过混凝土的孔隙结构和表面裂缝进入其内部，引起一系列物理、化学变化，造成钢筋锈蚀和混凝土的胀裂等不良后果，给隧道的安全运营带来严重威胁，使隧道衬砌结构的实际服役寿命远低于设计寿命，因此，隧道的耐久性问题应给予足够重视。

隧道衬砌结构与地上结构所处的环境具有明显差异，隧道通常会穿越地层、山岭或海洋，极有可能长期接触地下水，而一部分隧道由于所处地层的地下水水头较高，或者穿越了围岩裂隙比较发育且雨水充沛的山岭，或者浸没在深海环境中，其衬砌结构的耐久性又会受到高水压的影响。在学术领域已普遍达成共识，在高水压条件下，有害离子将会加速向混凝土内部渗透，从而加快衬砌钢筋混凝土结构的劣化。另外，铁路隧道和公路隧道内的行车振动具有作用时间长，周期性出现的特点，行车振动也会激励隧道衬砌结构产生振动，这种作用也会贯穿隧道的服役期。探究高水压与振动耦合作用下隧道衬砌混凝土结构的耐久性具有充分的现实意义与重要的工程参考价值，但相关研究的开展由于缺乏相关试验设备而受到一定限制，因此，研制出一种能够模拟高水压和振动耦合作用环境的试验装置就显得尤为必要了。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置及方法，该模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置填补了现有技术的空白，能够模拟高水压和振动耦合作用环境，并可开展相应环境下的混凝土耐久性试验，从而为开展高水压和振动耦合作用环境下的混凝土耐久性试验研究提供了设备支撑。

本发明为达到其目的，所采用的技术方案如下：

一种模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，包括高压水溶液供应装置、环境模拟容器、振动装置和数据接收装置，所述高压水溶液供应装置具有出液口，所述出液口与所述环境模拟容器的内腔密封连通，所述环境模拟容器固定于所述振动装置上；所述环境模拟容器的内腔中安装有混凝土试块，所述混凝土试块内埋设有多个传感器，多个所述传感器均与所述数据接收装置相连接；其中，所述混凝土试块具有渗透面，多个所述传感器沿垂直于所述渗透面方向的不同深度设置，所述传感器至少包括湿度传感器和振动传感器。

优选地，所述环境模拟容器包括容器筒以及与所述容器筒的开口密封连接的密封盖，所述容器筒上设有第一压力表、注液阀和溢液阀；其中，所述溢液阀位于所述容器筒的顶部上，所述出液口通过所述注液阀与所述容器筒的内腔相连通，所述混凝土试块安装于所述容器筒的内腔中。

优选地，前述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置还包括连接管，所述连接管上设有流量计和截水阀，所述连接管的一端连接所述注液阀，另一端连接所述出液口。

优选地，所述容器筒的顶部上还设有可视窗口。

优选地，所述密封盖和/或所述容器筒上设有泄液阀。

优选地，所述振动装置包括支撑平台、振动电机、振动反馈传感器和振动控制器，所述环境模拟容器、所述振动电机和所述振动反馈传感器均安装于所述支撑平台上，所述振动控制器分别与所述振动反馈传感器、所述振动电机相连接。

优选地，所述支撑平台包括容器安装板、底座板和多个弹性连接件，所述容器安装板与所述底座板之间存在间隔，且所述容器安装板与所述底座板之间通过多个所述弹性连接件相连接，其中，所述环境模拟容器安装于所述容器安装板的顶部上，所述振动反馈传感器设置于所述容器安装板上，所述振动电机安装于所述容器安装板的底部上。

优选地，所述高压水溶液供应装置包括增压泵，所述增压泵上设有调压阀、第二压力表、所述出液口以及供水溶液进入所述增压泵内部的进液口，其中，所述增压泵用于对进入其内部的所述水溶液进行增压，并将增压后的所述水溶液泵送至所述环境模拟容器的内腔中。

优选地，前述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置还包括上夹板和下夹板，所述混凝土试块安装于所述上夹板与所述下夹板之间而与所述上夹板和所述下夹板形成一体，所述上夹板和/或所述下夹板固定于所述环境模拟容器的内腔中，其中，所述上夹板或所述下夹板上开设有开孔，所述开孔与所述渗透面相对设置，且所述开孔的面积小于所述渗透面的面积。

对应地，本发明还提供一种模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验方法，应用于前述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置中，该方法包括：

向模具内浇筑混凝土以制作所述混凝土试块；

在所述混凝土初凝前,从所述混凝土试块的多个外表面中选择其中一个外表面作为所述渗透面，并在所述混凝土试块中沿垂直于所述渗透面方向的不同深度预埋入多个所述传感器，其中，所述传感器至少包括湿度传感器和振动传感器；

对预埋有多个所述传感器的所述混凝土试块进行养护，并待所述混凝土试块养护至规定龄期后，除所述渗透面外，对所述混凝土试块的其余外表面进行密封处理；

将经过密封处理后的所述混凝土试块安装于所述环境模拟容器的内腔中，使得所述渗透面暴露于所述环境模拟容器的内腔中，并将多个所述传感器与所述数据接收装置进行连接；

以所述混凝土试块的各个外表面处于干燥状态时作为初始状态，并记录此时所述数据接收装置接收到的传感数据作为初始值，其中，所述传感数据至少包括湿度数据；

开启所述高压水溶液供应装置，所述高压水溶液供应装置将带有指定压力的水溶液通过所述出液口注入至所述环境模拟容器的内腔中，直至所述水溶液充满所述环境模拟容器时，关闭所述高压水溶液供应装置，使得所述混凝土试块处于高水压的模拟环境中；

开启所述振动装置，以模拟振动环境，并确保所述振动装置的振动状态达到试验要求，从而使得所述混凝土试块处于一个高水压与振动耦合作用的模拟环境中；

通过所述数据接收装置实时监测所述混凝土试块的振动状态，并记录所述混凝土试块沿垂直于所述渗透面方向不同深度位置上的湿度数据变化，以此可获得所述水溶液在所述混凝土试块中的渗透速率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，通过将预埋有多个传感器的混凝土试块安装于环境模拟容器中，并利用高压水溶液供应装置往环境模拟容器中注入带有指定压力的水溶液，使得待测试的混凝土试块可持续处于一个高水压的模拟环境中，同时利用振动装置对环境模拟容器进行振动，从而实现了对混凝土试块处于高水压和振动耦合作用环境中的模拟，为开展高水压和振动耦合作用环境下的混凝土耐久性试验研究提供了设备支撑；而且，预埋于混凝土试块中的传感器可将试验过程中采集到的传感数据实时输出至数据接收装置中供试验人员进行参考和使用，从而可为试验人员研究混凝土在高水压和振动耦合作用环境下的耐久性问题提供科学数据。

本发明提出的混凝土耐久性试验方法，通过上述模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置可有效模拟衬砌隧道结构所面临的实际服役环境，并为试验人员研究混凝土试块在高水压和振动耦合作用环境下的耐久性问题提供科学数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例中模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明一实施例中高压水溶液供应装置与连接管之间的装配示意图；

图3为本发明一实施例中环境模拟容器与混凝土试块之间的装配示意图；

图4为本发明一实施例中混凝土试块的安装示意图；

图5为本发明一实施例中振动装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-高压水溶液供应装置，11-增压泵，111-出液口，112-进液口，12-第二压力表，13-调压阀；2-环境模拟容器，21-容器筒，22-密封盖，221-封盖螺栓，23-第一压力表，24-注液阀，25-溢液阀，26-泄液阀，27-可视窗口；3-振动装置，31-支撑平台，311-容器安装板，3111-安装孔，312-底座板，313-弹性连接件，32-振动电机，33-振动反馈传感器，34-振动控制器；4-混凝土试块，5-数据接收装置，6-传输线，7-连接管，71-流量计，72-截水阀，73-注液管，74-软管，81-容器支座，82-支座底板，83-底板螺栓，91-上夹板，911-开孔，92-下夹板，93-紧固螺杆。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

参照图1和图3，本发明实施例提供一种模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，包括高压水溶液供应装置1、环境模拟容器2、振动装置3和数据接收装置5，高压水溶液供应装置1具有出液口111，出液口111与环境模拟容器2的内腔密封连通，环境模拟容器2固定于振动装置3上；环境模拟容器2的内腔中安装有混凝土试块4，混凝土试块4内埋设有多个传感器(图中未标示出)，多个传感器均与数据接收装置5相连接；其中，混凝土试块4具有渗透面(图中未标示出)，多个传感器沿垂直于渗透面方向的不同深度设置，传感器至少包括湿度传感器和振动传感器，在一些具体的实施例中，可在沿垂直于渗透面方向的各个深度位置分别设置至少一个湿度传感器和至少一个振动传感器(例如，可在每个深度位置均设置一个湿度传感器和一个振动传感器)。

此处需要说明的是，上述渗透面是指当来自高压水溶液供应装置1中的水溶液浸没混凝土试块4时，暴露于水溶液中的混凝土试块4的一个外表面，例如，混凝土试块4一般为立方体，则可在其6个外表面中选择一个面作为渗透面，其余5个面通过均匀涂抹石蜡等方式进行密封处理，使得试验时仅有渗透面暴露于水溶液中，其余各面则与水溶液相隔绝，因此水溶液只能通过渗透面渗入混凝土试块4的内部中。预埋有传感器的混凝土试块4的个数可以是一个也可以是多个，其可根据环境模拟容器2的体积大小以及实际的试验需求灵活确定，示例性地，用于进行试验的混凝土试块4的个数为两个。传感器的类型可根据实际的试验需求灵活选定，由于本发明实施例主要是通过研究在高水压和振动耦合作用环境下，混凝土试块4在沿垂直于渗透面方向的不同深度位置的振动变化和湿度变化来分析其耐久性，因此传感器的类型主要为湿度传感器和振动传感器。传感器与数据接收装置5之间可通过有线(如数据线等)或无线(如蓝牙等)的方式实现信号连接，示例性地，各个传感器的输出端通过传输线6连接至数据接收装置5的输入端，同时，为延长传输线6的使用寿命，传输线6的表层应选用耐腐蚀材料。在一些具体的实施例中，数据接收装置5可选用读数显示屏，主要作用于接收并显示传感器传送的数据，如湿度数据等。

在本实施中，通过该模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置开展高水压和振动耦合作用环境下的混凝土耐久性试验的过程如下：

首先进行整体设备的安装，具体地，将振动装置3和高压水溶液供应装置1固定安装于设备基础上(如试验台上)、将环境模拟容器2固定安装于振动装置3上、将预埋有多个传感器的混凝土试块4安装于环境模拟容器2的内腔中、将多个传感器的输出端通过传输线6连接至数据接收器中，以及将高压水溶液供应装置1的出液口111与环境模拟容器2进行连通。

试验时，开启高压水溶液供应装置1，高压水溶液供应装置1将带有指定压力(该压力根据试验要求而定)的水溶液注入至环境模拟容器2的内腔中，待环境模拟容器2中充满水溶液时，关闭高压水溶液供应装置1，同时确保环境模拟容器2处于密封状态；随后，开启振动装置3对环境模拟容器2进行振动，并确保环境模拟容器2的振动状态达到试验要求的振动状态，从而使得混凝土试块4可处于一个高水压与振动耦合作用环境中，其中，预埋于混凝土试块4中的传感器可将整个试验过程中采集到的传感数据实时输出至数据接收装置5中进行显示。

在本实施例中，该模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，通过将预埋有多个传感器的混凝土试块4安装于环境模拟容器2中，并利用高压水溶液供应装置1往环境模拟容器2中注入带有指定压力的水溶液，使得待测试的混凝土试块4可持续处于一个高水压的模拟环境中，同时利用振动装置3对环境模拟容器2进行振动，从而实现了对混凝土试块4处于高水压和振动耦合作用环境中的模拟，为开展高水压和振动耦合作用环境下的混凝土耐久性试验研究提供了设备支撑；而且，预埋于混凝土试块4中的传感器可将试验过程中采集到的传感数据实时输出至数据接收装置5中供试验人员进行参考和使用，从而可为试验人员研究混凝土试块4在高水压和振动耦合作用环境下的耐久性问题提供科学数据。

参照图1和图3，在一个可选的实施例中，环境模拟容器2包括容器筒21以及与容器筒21的开口密封连接的密封盖，容器筒21上设有第一压力表23、注液阀24和溢液阀25；其中，溢液阀25位于容器筒21的顶部上，出液口111通过注液阀24与容器筒21的内腔相连通，混凝土试块4安装于容器筒21的内腔中。

在本实施例中，容器筒21和密封盖可由不锈钢制作且接触溶液的内表面应进行防腐处理，以避免锈蚀损伤；密封盖与容器筒21之间可通过封盖螺栓221紧固连接，取下封盖螺栓221后密封盖可与容器筒21完全分离，此时容器筒21的一端可完全敞开，此时可将混凝土试块4放入容器筒21中进行安装固定，同时为保证环境模拟容器2的密封性，密封盖与容器筒21之间的对接口处应设置密封圈；示例性地，第一压力表23位于容器筒21的顶部上，通过第一压力表23可实时测量容器筒21内的溶液压力；注液阀24和溢液阀25可开闭，其中，溢液阀25的作用包括两方面：一方面在注入水溶液的过程中将其开启，可使容器筒21内外空气连通，保证溶液注入的顺畅；另一方面可显示溶液是否注满容器，当溶液溢出溢液阀25口部时，说明容器筒21内已充满溶液，同时也表明容器筒21中的混凝土试块4已被水溶液完全浸没，此时可将溢液阀25和注液阀24关闭，以保证环境模拟容器2的密封性，使得混凝土试块4可持续处于一个高水压的模拟环境中。

参照图1和图2，在一个可选的实施例中，前述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置还包括连接管7，连接管7上设有流量计71和截水阀72，连接管7的一端连接注液阀24，另一端连接出液口111。示例性地，连接管7包括注液管73和软管74，注液管73的一端连接注液阀24，另一端通过软管74连接出液口111；其中，流量计71设置于注液管73上，截水阀72设置于软管74与注液管73相连接的一端上。

在本实施中，通过设置连接管7可方便将高压水溶液供应装置1与环境模拟容器2进行连通，同时，通过截水阀72配合流量计71，可方便对注入环境模拟容器2中的水溶液的流量大小进行调节。

参照图1，在一个可选的实施例中，容器筒21的顶部上还设有可视窗口27，其中，可视窗口27可选用透明的有机玻璃制作，如此，通过设置可视窗口27可方便在试验过程中查看环境模拟容器2内混凝土试块4的情况，比如试块的损坏程度、试块的固定状态等。

参照图1，在一个可选的实施例中，密封盖和/或容器筒21上设有泄液阀26，示例性地，泄液阀26设置于密封盖的下部上。

在本实施例中，泄液阀26可开闭，试验过程中关闭泄液阀26可保证环境模拟容器2的密封性，环境模拟容器2泄压后开启泄液阀26可排出溶液。

参照图1和图5，在一个可选的实施例中，振动装置3包括支撑平台31、振动电机32、振动反馈传感器33和振动控制器34，环境模拟容器2、振动电机32和振动反馈传感器33均安装于支撑平台31上，振动控制器34分别与振动反馈传感器33、振动电机32相连接，示例性地，振动控制器34通过导线的方式分别与振动反馈传感器33、振动电机32电连接。

在本实施例中，振动电机32内含有偏心转子，因此其工作时可令支撑平台31随之发生振动并将振动传至环境模拟容器2中，实现振动环境的模拟，从而使得混凝土试块4可处于一个高水压与振动耦合作用环境中。具体地，试验过程中，振动反馈传感器33实时获取支撑平台31的当前振动状态(如振幅、频率等)并反馈给振动控制器34，振动控制器34将接收到的当前振动状态与预设的试验振动状态进行比对，并根据比对的结果自适应地逐步调节振动电机32的工作状态，以使支撑平台31的当前振动状态与预设的试验振动状态相符，从而使得环境模拟容器2的实际振动状态可逐步达到试验要求的振动状态。

参照图1和图5，在一个具体的实施例中，支撑平台31包括容器安装板311、底座板312和多个弹性连接件313，容器安装板311与底座板312之间存在间隔，且容器安装板311与底座板312之间通过多个弹性连接件313相连接，其中，环境模拟容器2安装于容器安装板311的顶部上，振动反馈传感器33设置于容器安装板311上，振动电机32安装于容器安装板311的底部上。示例性地，弹性连接件313选用弹簧，容器安装板311与底座板312之间通过四个弹簧相连接，振动反馈传感器33设置于容器安装板311的侧面上。

在本实施中，底座板312与设备基础(如实验台)之间采用刚性连接(如焊接等)，试验进行时底座板312应相对设备基础保持静止。弹性连接件313可在一定范围内伸长和收缩，可限制容器安装板311在竖直方向的振幅。

参照图1和图3，在一个具体的实施例中，前述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置还包括容器支座81和支座底板82，容器支座81固定于支座底板82上，其中，环境模拟容器2固定于容器支座81上，支座底板82固定于容器安装板311上。示例性地，容器支座81与容器筒21、支座底板82之间均以焊接的方式连接，以保证振动装置3的振动效应可有效地传递至混凝土试块4中；容器安装板311上开设有安装孔3111，通过往安装孔3111中安装底板螺栓83可将支座底板82固定于容器安装板311上，以保证振动的有效传递。

参照图1和图2，在一个可选的实施例中，高压水溶液供应装置1包括增压泵11，增压泵11上设有调压阀13、第二压力表12、出液口111以及供水溶液进入增压泵11内部的进液口112，其中，增压泵11用于对进入其内部的水溶液进行增压，并将增压后的水溶液泵送至环境模拟容器2的内腔中。

在本实施例中，增压泵11的进液口112与外围的水溶液供应装置(图中未示意出)相连接，进液口112处的水溶液为常压力(与自来水压力相近，一般低于0.2MPa)，从进液口112进入增压泵11内部的常压水溶液，经过增压泵11进行增压后，可变为具有相对高压的水溶液并从出液口111输出至环境模拟容器2中；其中，第二压力表12可显示增压泵11出液口111处的液体压力，同时通过调压阀13可对出液口111处的液体压力进行调节以满足不同的试验要求。

参照图1、图3和图4，在一个可选的实施例中，前述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置还包括上夹板91和下夹板92，混凝土试块4安装于上夹板91与下夹板92之间而与上夹板91和下夹板92形成一体，上夹板91和/或下夹板92固定于环境模拟容器2的内腔中，其中，上夹板91或下夹板92上开设有开孔911，开孔911与渗透面相对设置，且开孔911的面积小于渗透面的面积。

在本实施例中，示例性地，下夹板92通过焊接的方式固定于容器筒21的内腔中，如此可保证振动的有效传递；混凝土试块4通过紧固螺杆93夹持于上夹板91和下夹板92之间，混凝土试块4的顶面为渗透面，上夹板91上开设有开孔911，开孔911与混凝土试块4的顶面相对设置且开孔911的尺寸小于混凝土试块4的顶面尺寸，如此，试验过程中只有混凝土试块4顶面的一部分暴露于溶液中，水溶液只能通过开孔911和渗透面渗入混凝土试块4的内部中。从而，基于上述结构设计，可将混凝土试块4方便且稳固地安装于环境模拟容器2的内腔中，同时保证试验过程中水溶液只能通过渗透面渗入混凝土试块4的内部中。

对应地，本发明实施例还提供一种模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验方法，应用于上述任一实施例中的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置中，该模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验方法，包括以下步骤：

S1，向模具内浇筑混凝土以制作混凝土试块4；

S2，在混凝土初凝前,从混凝土试块4的多个外表面中选择其中一个外表面作为渗透面，并在混凝土试块4中沿垂直于渗透面方向的不同深度预埋入多个传感器，其中，传感器至少包括湿度传感器和振动传感器；

S3，对预埋有多个传感器的混凝土试块4进行养护，并待混凝土试块4养护至规定龄期后，除渗透面外，对混凝土试块4的其余外表面进行密封处理；

S4，将经过密封处理后的混凝土试块4安装于环境模拟容器2的内腔中，使得渗透面暴露于环境模拟容器2的内腔中，并将多个传感器与数据接收装置5进行连接；

S5，以混凝土试块4的各个外表面处于干燥状态时作为初始状态，并记录此时数据接收装置5接收到的传感数据作为初始值，其中，传感数据至少包括湿度数据；

S6，开启高压水溶液供应装置1，高压水溶液供应装置1将带有指定压力的水溶液通过出液口111注入至环境模拟容器2的内腔中，直至水溶液充满环境模拟容器2时，关闭高压水溶液供应装置1，使得混凝土试块4处于高水压的模拟环境中；

S7，开启振动装置3，以模拟振动环境，并确保振动装置3的振动状态达到试验要求，从而使得混凝土试块4处于一个高水压与振动耦合作用的模拟环境中；

S8，通过数据接收装置5实时监测混凝土试块4的振动状态，并记录混凝土试块4沿垂直于渗透面方向不同深度位置上的湿度数据变化，以此可获得水溶液在混凝土试块4中的渗透速率。

在上述S1中，具体地，可按照构成混凝土试块4各组分的配比，在模具内浇筑出尺寸符合要求的混凝土试块4。

在上述S3中，具体地，可通过涂抹石蜡的方式对混凝土试块4的其余外表面进行密封处理。

在本实施例中，该混凝土耐久性试验方法基于上述步骤，可有效模拟衬砌隧道结构所面临的实际服役环境，并为试验人员研究混凝土试块4在高水压和振动耦合作用环境下的耐久性问题提供科学数据。

参照图1至图5，为更好理解本发明实施例的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置及方法，在一个更为具体的实施例中，利用模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置开展高水压和振动耦合作用环境下的混凝土耐久性试验的具体流程如下：

(1)制作多个混凝土试块4，成型时选择至少一个混凝土试块4用于进行试验；

(2)从混凝土试块4的多个外表面中选择其中一个外表面作为渗透面，并在混凝土试块4沿垂直于渗透面方向的不同深度预埋入多个微型湿度传感器和振动传感器，其中，各个传感器自带有传输线6，传输线6表层选用耐腐蚀材料；

(3)对预埋有传感器的混凝土试块4进行养护，并待混凝土试块4养护至规定龄期后，除渗透面外，其他各面均匀涂抹石蜡进行密封，因此试验时仅有渗透面暴露于溶液中；

(4)将预埋有传感器的混凝土试块4放置于下夹板92上，使渗透面朝上，加盖上夹板91并用紧固螺杆93进行固定，使得混凝土试块4被牢固地夹持与上夹板91与下夹板92之间，然后将下夹板92与容器筒21的内腔表面进行焊接，从而将待测试的混凝土试块4固定于容器筒21的内腔中；

(5)将各根传输线6与数据接收装置5在容器筒21内预留的接口进行相连，从而实现各个传感器与数据接收装置5之间的信号连接，同时以混凝土试块4表面干燥时的状态为初始状态，并记录此时数据接收装置5接收到的湿度数据作为初始值；

(6)用封盖螺栓221将密封盖与容器筒21紧固连接，其中，密封盖与容器筒21之间的对接口处设置橡胶密封圈，以保证容器的水密性；

(7)关闭泄液阀26，开启溢液阀25、注液阀24以及截水阀72，开启增压泵11，将预先配制好的带有腐蚀性的水溶液泵送至容器筒21中，查看第二压力表12和流量计71，并通过调节调压阀13和截水阀72，使当前液体的压力和流量接近家用自来水的压力与流量，并通过可视窗口27观察容器筒21中的注水情况，避免当前液体压力与流量过大而导致容器筒21中的混凝土试块4和传输线6遭到高压溶液冲刷，进而避免混凝土试块4表面的石蜡脱落以及传输线6的折断与松脱，直至容器筒21中的水溶液由溢液阀25溢出时，关闭溢液阀25；

(8)调节调压阀13，使溶液压力逐步增大，此时观察第一压力表23，直至第一压力表23显示的读数达到试验要求的溶液压力水平后，关闭注液阀24，此时，在容器筒21密封状态良好的情况下，容器筒21内的液体压力可维持在试验要求的水平；

(9)关闭增压泵11，并依次关闭截水阀72和调压阀13，以卸去增压泵11中的液体压力，随后将注液管73从注液阀24上卸下；

(10)开启振动装置3，使振动电机32开始工作，此时环境模拟容器2跟随容器安装板311共同振动，振动通过各个中间部件可传递至混凝土试块4处，其中，在振动的过程中，通过振动反馈传感器33和振动控制器34的反复自动调节，可使环境模拟容器2的实际振动状态逐步达到试验要求的振动状态，最终，使得混凝土试块4可处于一个高水压与振动耦合作用的模拟环境中；

(11)通过数据接收装置5可实时监测混凝土试块4的振动状态，并可观察混凝土试块4沿垂直于渗透面方向各个深度位置上的湿度变化，以此可获得水溶液在混凝土试块4中的渗透速率；

若在试验过程中，发现容器筒21泄压而需要增压时，则可通过以下步骤进行调整：

(a)首先将振动装置3关闭，待振动电机32停止振动后，再将注液管73插入注液阀24中，然后开启截水阀72和调压阀13，并观察第二压力表12的溶液压力读数，直至第二压力表12的读数与第一压力表23显示的读数相近(说明环境模拟容器2与增压泵11之间的溶液压差很小)后，可开启注液阀24；

(b)调节调压阀13，使第二压力表12显示的溶液压力读数逐渐增加，直至达到试验要求的水平时，关闭注液阀24，在执行上述步骤(9)后，重启试验。

(12)试验结束后，首先关闭振动装置3，然后依次开启溢液阀25和泄液阀26，将容器筒21内的溶液排出，接着开启密封盖并取下紧固螺杆93后，即可将混凝土试块4从容器筒21中取出。

基于上述试验流程，本发明实施例提出的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，可设置多种试验环境工况，通过改变试验环境参数，如溶液种类及浓度、试验时间、激振状态(通过振动控制器34改变激振状态)、溶液压力(通过调节增压泵11上的调压阀13改变溶液压力)等，可以获得混凝土中不同溶液介质的渗透速率随各个试验环境参数的变化规律，如此，针对不同环境作用后的混凝土试块4进行力学性能、孔隙结构分析以及化学成分分析等耐久性相关测试，可考察这些特性随溶液种类及浓度、激振状态、溶液压力水平以及试验时间的变化规律，从而可为开展高水压与振动耦合作用环境下的混凝土耐久性试验研究提供设备与数据支撑。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，其特征在于，包括高压水溶液供应装置、环境模拟容器、振动装置和数据接收装置，所述高压水溶液供应装置具有出液口，所述出液口与所述环境模拟容器的内腔密封连通，所述环境模拟容器固定于所述振动装置上；所述环境模拟容器的内腔中安装有混凝土试块，所述混凝土试块内埋设有多个传感器，多个所述传感器均与所述数据接收装置相连接；其中，所述混凝土试块具有渗透面，多个所述传感器沿垂直于所述渗透面方向的不同深度设置，所述传感器至少包括湿度传感器和振动传感器。

2.根据权利要求1所述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，其特征在于，所述环境模拟容器包括容器筒以及与所述容器筒的开口密封连接的密封盖，所述容器筒上设有第一压力表、注液阀和溢液阀；其中，所述溢液阀位于所述容器筒的顶部上，所述出液口通过所述注液阀与所述容器筒的内腔相连通，所述混凝土试块安装于所述容器筒的内腔中。

3.根据权利要求2所述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，其特征在于，还包括连接管，所述连接管上设有流量计和截水阀，所述连接管的一端连接所述注液阀，另一端连接所述出液口。

4.根据权利要求2所述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，其特征在于，所述容器筒的顶部上还设有可视窗口。

5.根据权利要求2所述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，其特征在于，所述密封盖和/或所述容器筒上设有泄液阀。

6.根据权利要求1所述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，其特征在于，所述振动装置包括支撑平台、振动电机、振动反馈传感器和振动控制器，所述环境模拟容器、所述振动电机和所述振动反馈传感器均安装于所述支撑平台上，所述振动控制器分别与所述振动反馈传感器、所述振动电机相连接。

7.根据权利要求6所述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，其特征在于，所述支撑平台包括容器安装板、底座板和多个弹性连接件，所述容器安装板与所述底座板之间存在间隔，且所述容器安装板与所述底座板之间通过多个所述弹性连接件相连接，其中，所述环境模拟容器安装于所述容器安装板的顶部上，所述振动反馈传感器设置于所述容器安装板上，所述振动电机安装于所述容器安装板的底部上。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，其特征在于，所述高压水溶液供应装置包括增压泵，所述增压泵上设有调压阀、第二压力表、所述出液口以及供水溶液进入所述增压泵内部的进液口，其中，所述增压泵用于对进入其内部的所述水溶液进行增压，并将增压后的所述水溶液泵送至所述环境模拟容器的内腔中。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置，其特征在于，还包括上夹板和下夹板，所述混凝土试块安装于所述上夹板与所述下夹板之间而与所述上夹板和所述下夹板形成一体，所述上夹板和/或所述下夹板固定于所述环境模拟容器的内腔中，其中，所述上夹板或所述下夹板上开设有开孔，所述开孔与所述渗透面相对设置，且所述开孔的面积小于所述渗透面的面积。

10.一种模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验方法，应用于如权利要求1-9中任一项所述的模拟水压和振动共存环境的混凝土耐久性试验装置中，其特征在于，所述方法包括：

向模具内浇筑混凝土以制作所述混凝土试块；

在所述混凝土初凝前,从所述混凝土试块的多个外表面中选择其中一个外表面作为所述渗透面，并在所述混凝土试块中沿垂直于所述渗透面方向的不同深度预埋入多个所述传感器，其中，所述传感器至少包括湿度传感器和振动传感器；

对预埋有多个所述传感器的所述混凝土试块进行养护，并待所述混凝土试块养护至规定龄期后，除所述渗透面外，对所述混凝土试块的其余外表面进行密封处理；

将经过密封处理后的所述混凝土试块安装于所述环境模拟容器的内腔中，使得所述渗透面暴露于所述环境模拟容器的内腔中，并将多个所述传感器与所述数据接收装置进行连接；

以所述混凝土试块的各个外表面处于干燥状态时作为初始状态，并记录此时所述数据接收装置接收到的传感数据作为初始值，其中，所述传感数据至少包括湿度数据；

开启所述高压水溶液供应装置，所述高压水溶液供应装置将带有指定压力的水溶液通过所述出液口注入至所述环境模拟容器的内腔中，直至所述水溶液充满所述环境模拟容器时，关闭所述高压水溶液供应装置，使得所述混凝土试块处于高水压的模拟环境中；

开启所述振动装置，以模拟振动环境，并确保所述振动装置的振动状态达到试验要求，从而使得所述混凝土试块处于一个高水压与振动耦合作用的模拟环境中；

通过所述数据接收装置实时监测所述混凝土试块的振动状态，并记录所述混凝土试块沿垂直于所述渗透面方向不同深度位置上的湿度数据变化，以此可获得所述水溶液在所述混凝土试块中的渗透速率。

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