本發(fā)明涉及水工混凝土研究的技術領域，特別是一種模擬高水力梯度下水工混凝土溶蝕劣化試驗裝置及方法。
背景技術：
目前，關于水工混凝土結構的耐久性研究，大都針對其在單一荷載作用（單向拉壓、彎矩）下的接觸溶蝕試驗，沒有同時考慮水工混凝土所受的高水力梯度作用。且相關滲透試驗研究，多以清水為介質，進行單向拉、壓應力狀態(tài)下的滲透溶蝕試驗。實際工程中幾乎所有的混凝土結構都是承受三向應力狀態(tài)，一方面應力水平較低時，壓應力會使混凝土內(nèi)部孔隙閉合，減緩溶蝕劣化速率，另一方面應力水平較高時，又會使混凝土內(nèi)部孔隙張開，加速混凝土的劣化進程。高水力梯度作用下侵蝕性溶液會全面侵入混凝土結構，加速其與水泥水化產(chǎn)物的反應。因此，研究水工混凝土結構在三向壓應力和高水力梯度作用下的溶蝕劣化性能對于結構安全運行和耐久性評價具有重要意義。
但是，國內(nèi)外開展相對較多的是單向拉、壓、彎曲荷載-化學耦合作用下的混凝土溶蝕劣化試驗，有關三向壓應力作用下的混凝土性能研究相對較少，因為模擬三向壓應力需要進行常規(guī)三軸或真三軸試驗。三軸儀設備昂貴，且不可能油泵長期運行進行溶蝕試驗。而水工混凝土長期受高水力梯度和環(huán)境水作用，溶蝕劣化不可避免。因此，有必要研制一種可模擬高水力梯度作用下水工混凝土溶蝕劣化試驗裝置及試驗方法。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，而提供一種模擬高水力梯度下水工混凝土溶蝕劣化試驗裝置，該模擬高水力梯度下水工混凝土溶蝕劣化試驗裝置能夠解決現(xiàn)有技術中不能同時兼顧模擬三向應力和高水力梯度作用條件下水工混凝土溶蝕劣化過程的缺陷，能夠真實反映高水力梯度作用下水工混凝土溶蝕劣化演化特性。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：
一種模擬高水力梯度下水工混凝土溶蝕劣化試驗裝置，包括密封箱、基座、三向加載裝置、侵蝕液和水壓傳感器。
密封箱的內(nèi)腔形成密封儲液室，密封儲液室能充填所述侵蝕液，水壓傳感器用于檢測充填在密封儲液室中的侵蝕液的壓力。
密封儲液室的底部固設有所述基座，基座具有中心通孔。
混凝土標準試件同軸放置在基座的上方，混凝土標準試件和基座的外周均套裝有高彈性橡膠管，使基座的中心通孔形成溶蝕室。
三向加載裝置包括x向加載裝置、y向加載裝置和軸向加載裝置。
x向加載裝置和y向加載裝置的數(shù)量均為兩個，兩個x向加載裝置對稱設置在混凝土標準試件的左右兩側壁上，兩個y向加載裝置對稱設置在混凝土標準試件的前后兩側壁上。
每個x向加載裝置和每個y向加載裝置均包括軟鋼墊板、壓力鋼板、高強螺栓和壓力傳感器。
軟鋼墊板設置在混凝土標準試件與壓力鋼板之間，高強螺栓通過壓力鋼板和軟鋼墊板向混凝土標準試件施加x向或y向荷載，壓力傳感器固設在高強螺栓上。
軸向加載裝置包括軸向加載桿、軸壓力傳感器和凹型加載殼，凹型加載殼同軸固設在混凝土標準試件的頂部，軸向加載桿設置在凹型加載殼的正上方，軸向加載桿高度能夠升降，軸向加載桿的頂部從密封箱的頂板中穿出；當軸向加載桿高度下降后，軸向加載桿的底部能與凹型加載殼相配合，并向混凝土標準試件施加軸向載荷，軸壓力傳感器設置在軸向加載桿內(nèi)。
還包括設置在密封儲液室中的密封保護室，該密封保護室能將三向加載裝置中的所有高強螺栓密封在內(nèi)。
還包括兩端開口的密封鋼筒，密封鋼筒套設在安裝有x向加載裝置和y向加載裝置的混凝土標準試件外周，密封鋼筒底部與密封儲液室的底部密封連接，密封鋼筒頂部的中心開口處設置有豎向向下的密封止水固定筒，套設在混凝土標準試件外周的高彈性橡膠管向上延伸，向上延伸的高彈性橡膠管與密封止水固定筒固定連接，密封鋼筒、混凝土標準試件以及密封儲液室底部圍合形成所述密封保護室。
所述凹型加載殼中均勻設置有若干個豎向通孔。
所述基座和三向加載裝置的數(shù)量均為三個。
所述凹型加載殼與混凝土標準試件的頂部之間設置有頂部透水石，混凝土標準試件的底部與基座之間設置有底部透水石。
所述侵蝕液為硫酸鈉、硝酸銨、氯化鈉和氯化鎂溶液中的任一種或多種混合液。
本發(fā)明提供一種模擬高水力梯度下水工混凝土溶蝕劣化試驗方法，該模擬高水力梯度下水工混凝土溶蝕劣化試驗方法能夠解決現(xiàn)有技術中不能同時兼顧模擬三向應力和高水力梯度作用條件下水工混凝土溶蝕劣化過程的缺陷，能夠真實反映高水力梯度作用下水工混凝土溶蝕劣化演化特性。
一種模擬高水力梯度下水工混凝土溶蝕劣化試驗方法，包括如下步驟。
步驟1，制作混凝土標準試件：按照設計要求制作混凝土標準試件若干個，然后將制作完成的所有混凝土標準試件均在室溫環(huán)境中成型、養(yǎng)護不低于28天。
步驟2，混凝土標準試件密封：采用高彈性橡膠管包裹在每個混凝土標準試件的外周，并在混凝土標準試件的頂部和底部各預留一段長度，使混凝土標準試件的滲流通道限定為由混凝土標準試件頂部流向底部。
步驟3，x向和y向預應力加載：包括如下兩個步驟。
步驟31，x向預應力加載：對每個混凝土標準試件均進行x向預應力加載，具體加載過程為：采用高強螺栓連接左右兩側壓力鋼板，并在壓力鋼板與高彈性橡膠管間設置軟鋼墊板，旋緊螺帽，并通過壓力傳感器來監(jiān)測預應力大小，直到指定荷載。
步驟32，y向預應力加載：先采用高強螺栓連接前后兩側壓力鋼板，再采用與步驟31同樣的加載方法，對每個混凝土標準試件均進行y向預應力加載。
步驟4，混凝土標準試件安裝：密封儲液室中設置有1-3個基座，基座頂部鋪設底部透水石；在每個鋪設有透水石的基座上放置一個x向和y向預應力加載完成的混凝土標準試件，并使高彈性橡膠管的底部套設在基座的外周；混凝土標準試件頂部安裝頂部透水石。
步驟5，安裝密封保護室：在每個混凝土標準試件的外周均安裝密封保護室，使每個混凝土標準試件外周固定的高強螺栓均密封在內(nèi)。
步驟6，軸向壓應力加載：在步驟4中安裝有頂部透水石的每個混凝土標準試件頂部各固定一個凹型加載殼，然后將密封箱側墻和頂板拼裝密封，并通過軸向加載桿與對應的凹型加載殼相配合，實現(xiàn)對每個混凝土標準試件施加軸向壓應力，位于軸向加載桿內(nèi)部的軸壓力傳感器將實時監(jiān)測軸向壓應力的大小。
步驟7，注入侵蝕液：打開密封箱上部進水口，注入試驗用侵蝕液，并加壓；同時，水壓傳感器將實時監(jiān)測密封儲液室內(nèi)侵蝕液的壓力，直至達到需要的高水力梯度。
步驟8，溶蝕劣化過程分析：通過分析試驗過程中水壓力傳感器、三向加載裝置中的軸壓力傳感器和各個壓力傳感器的測值變化，分析混凝土標準試件溶蝕劣化演化過程和溶蝕劣化機理。
所述步驟5中，密封保護室的具體安裝方法為：將密封鋼筒套設在安裝有x向加載裝置和y向加載裝置的混凝土標準試件外周，密封鋼筒底部與密封儲液室的底部密封連接，密封鋼筒頂部的中心開口處設置有豎向向下的密封止水固定筒，該密封止水固定筒與高彈性橡膠管的頂部密封固定連接。
所述步驟7中，當密封儲液室內(nèi)侵蝕液的壓力達到需要的高水力梯度后，溶蝕實驗過程中，若水壓傳感器檢測到侵蝕液的壓力損失超過設定值，則通過密封箱上的進水閥門注入侵蝕液，補充溶液壓力；若壓力傳感器檢測到高強螺栓的預緊力損失超過設定值時，則打開密封儲液室排水管閥門，放出侵蝕液，使用扭矩扳手旋緊高強螺栓以補充預緊力到指定值，然后重新注入侵蝕液繼續(xù)溶蝕試驗。
本發(fā)明采用上述結構和方法后，具有如下有益效果：
1.能對水工混凝土持續(xù)施加三向壓應力，同時可模擬高水力梯度侵蝕環(huán)境，能夠真實模擬水工混凝土結構所處的復雜受力狀況。
2.x向和y向通過預緊力加載對混凝土施加兩向恒定壓應力，豎向通過軸向加載桿施加豎向壓應力，模擬三向受壓環(huán)境，裝置加載占用空間小，經(jīng)濟實用，且可重復加載。
3.壓力鋼板與高彈性橡膠管間設置軟鋼墊板，軟鋼墊板剛度小于壓力鋼板又大于高彈性橡膠管，可將壓力鋼板的擠壓力均勻傳遞給軟鋼墊層和混凝土標準試件。每個壓力鋼板接受四根高強螺栓傳遞過來的緊固力，中間存在較大彎矩和撓曲變形，導致荷載承受的不是均勻壓應力。通過添加軟鋼墊板，可有效避免應力集中現(xiàn)象。
4.設置密封保護室，將高強螺栓及壓力傳感器和侵蝕液分離開，保證x向和y向加載裝置和壓力傳感器安全，提高持荷穩(wěn)定性。
5.密封箱底板上共設置三處基座，可同時進行三組不同壓應力狀態(tài)下的水工混凝土試件溶蝕試驗，提高試驗效率，減小試驗周期，顯著降低試驗成本。
6.密封保護室底部設置止水橡皮，密封箱底板和密封保護室底板間各有凹槽，用以填充止水橡皮并采用螺栓固定，可延長滲徑，增強防滲效果。
7.密封保護室頂部設有止水橡皮和密封止水固定筒，用以連接高彈性橡膠管頂部和密封保護室頂板，可以防止高壓的侵蝕液通過密封保護室頂板與密封止水固定筒間縫隙深入密封保護室，也可限定高彈性橡膠管位置，保證高壓侵蝕溶液由試件頂部向底部滲出溶蝕室。
8.通過在密封箱內(nèi)提供不同溶液，可以實現(xiàn)三向壓應力/高水力梯度作用/多種化學作用耦合條件下水工混凝土溶蝕劣化試驗。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一種模擬高水力梯度下水工混凝土溶蝕劣化試驗裝置的結構示意圖。
其中有：1-混凝土標準試件，2-高彈性橡膠管，3-軟鋼墊板，4-左右側壓力鋼板，5-左右側高強螺栓，6-左右側壓力傳感器，7-前后側壓力鋼板，8-前后側高強螺栓，9-前后側壓力傳感器，10-基座，11-底部透水石，12-頂部透水石，13-底板，14-止水橡皮，15-安裝板，16-密封止水固定筒，17-中心開口，18-溶蝕室排水管，19-溶蝕室排水管閥門，20-密封儲液室排水管，21-密封儲液室排水管閥門，22-頂板，23-進水閥門，24-水壓傳感器，25-密封橡膠，26-軸向加載桿，27-軸壓力傳感器，28-凹型加載殼，29-密封鋼筒；30.密封儲液室；31.密封保護室；32.溶蝕室。
具體實施方式
下面結合附圖和具體較佳實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
如圖1所示，一種模擬高水力梯度下水工混凝土溶蝕劣化試驗裝置，包括密封箱、基座10、三向加載裝置、侵蝕液和水壓傳感器24。
密封箱包括頂板22、底板13和側墻。
底板優(yōu)選通過螺栓與地面或臺面固定連接，側墻與底板一體設置，側墻的頂部優(yōu)選設置有外凸緣，該外凸緣與頂板之間優(yōu)選設置有密封橡膠25，并優(yōu)選通過螺栓固定連接。
密封箱的內(nèi)腔形成密封儲液室30，密封儲液室能充填侵蝕液。
侵蝕液優(yōu)選為硫酸鈉、硝酸銨、氯化鈉和氯化鎂溶液等中的任一種或多種混合液。
密封箱的頂板上設置有與密封儲液室相連通的進水口和進水閥門23，密封箱的底板上設置有密封儲液室排水管20，該儲液室排水管上設置有密封儲液室排水管閥門21。
水壓傳感器24優(yōu)選固設在密封箱的頂板上，水壓傳感器的探頭伸入密封儲液室內(nèi)，用于檢測充填在密封儲液室中的侵蝕液的壓力。
密封儲液室的底部固設有至少一個基座10，優(yōu)選設置有三個。另外，根據(jù)需要，也可設置一個、兩個或多個，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
每個基座均具有中心通孔。
混凝土標準試件1同軸放置在基座的上方，混凝土標準試件和基座的外周均套裝有高彈性橡膠管2，使基座的中心通孔形成溶蝕室32。
位于溶蝕室下方的密封箱的底板上設置有溶蝕室排水管18，該溶蝕室排水管上設置有溶蝕室排水管閥門19。
三向加載裝置的數(shù)量與基座的數(shù)量相等，也優(yōu)選為三個。
每個三向加載裝置均包括x向加載裝置、y向加載裝置和軸向加載裝置。
每個三向加載裝置中的x向加載裝置和y向加載裝置的數(shù)量均為兩個，兩個x向加載裝置對稱設置在混凝土標準試件的左右兩側壁上，兩個y向加載裝置對稱設置在混凝土標準試件的前后兩側壁上。
每個x向加載裝置和每個y向加載裝置均包括軟鋼墊板3、壓力鋼板、高強螺栓和壓力傳感器。
軟鋼墊板設置在混凝土標準試件與壓力鋼板之間，高強螺栓通過壓力鋼板和軟鋼墊板向混凝土標準試件施加x向或y向荷載，壓力傳感器固設在高強螺栓上。
其中，每個x向加載裝置均包括左右側壓力鋼板4、左右側高強螺栓5和左右側壓力傳感器6，左右側壓力傳感器6固設在左右側高強螺栓5上。
每個y向加載裝置均包括前后側壓力鋼板7、前后側高強螺栓8和前后側壓力傳感器9，前后側壓力傳感器9固設在前后側高強螺栓8上。
每個軸向加載裝置包括軸向加載桿26、軸壓力傳感器27和凹型加載殼28。
凹型加載殼同軸固設在對應混凝土標準試件的頂部，優(yōu)選通過螺栓連接，凹型加載殼中均勻設置有若干個豎向通孔。
凹型加載殼與混凝土標準試件的頂部之間優(yōu)選設置有頂部透水石12，混凝土標準試件的底部與基座之間優(yōu)選設置有底部透水石11。
軸向加載桿設置在凹型加載殼的正上方，軸向加載桿高度能夠升降，軸向加載桿的頂部從密封箱的頂板中穿出。
軸向加載桿的高度升降為現(xiàn)有技術，優(yōu)選為搖桿或手柄或電機等驅動的升降桿。
當軸向加載桿高度下降后，軸向加載桿的底部能與凹型加載殼相配合，并向混凝土標準試件施加軸向載荷，軸壓力傳感器設置在軸向加載桿內(nèi)。
另外，本發(fā)明還包括設置在密封儲液室中的密封保護室31，該密封保護室能將對應三向加載裝置中的所有高強螺栓密封在內(nèi)。
密封保護室31主要優(yōu)選由密封鋼筒29、混凝土標準試件1以及密封儲液室底部（即底板）圍合形成。
密封鋼筒兩端開口，密封鋼筒套設在安裝有x向加載裝置和y向加載裝置的混凝土標準試件外周。
密封鋼筒底部與密封儲液室的底部密封連接，密封連接方式優(yōu)選為：密封鋼筒底部優(yōu)選設置有安裝板15，該安裝板與底板間優(yōu)選設置有止水橡皮14，并優(yōu)選通過螺栓實現(xiàn)密封固定連接。
密封鋼筒頂部的中心開口17處設置有豎向向下的密封止水固定筒16。
套設在混凝土標準試件外周的高彈性橡膠管向上延伸，向上延伸的高彈性橡膠管與密封止水固定筒優(yōu)選通過螺栓和止水橡皮實現(xiàn)密封固定連接。
一種模擬高水力梯度下水工混凝土溶蝕劣化試驗方法，包括如下步驟。
步驟1，制作混凝土標準試件：按照設計要求制作混凝土標準試件若干個，優(yōu)選為三個。然后將制作完成的所有混凝土標準試件均在室溫環(huán)境中成型、養(yǎng)護不低于28天。
步驟2，混凝土標準試件密封：采用高彈性橡膠管包裹在每個混凝土標準試件的外周，并在混凝土標準試件的頂部和底部各預留一段足夠長的長度，以封閉混凝土標準試件的前后和左右側，使混凝土標準試件的滲流通道限定為由混凝土標準試件頂部流向底部。
步驟3，x向和y向預應力加載：包括如下兩個步驟。
步驟31，x向預應力加載：對每個混凝土標準試件均進行x向預應力加載，具體加載過程為：采用高強螺栓連接左右兩側壓力鋼板，并在壓力鋼板與高彈性橡膠管間設置軟鋼墊板，優(yōu)選采用扭矩扳手旋緊螺帽，并通過壓力傳感器來監(jiān)測預應力大小，直到指定荷載。
步驟32，y向預應力加載：先采用高強螺栓連接前后兩側壓力鋼板，再采用與步驟31同樣的加載方法，對每個混凝土標準試件均進行y向預應力加載。
步驟4，混凝土標準試件安裝：密封儲液室中設置有1-3個基座，優(yōu)選為三個基座，能同時進行三組試驗。每個基座頂部均鋪設底部透水石；在每個鋪設有透水石的基座上放置一個x向和y向預應力加載完成的混凝土標準試件，并使高彈性橡膠管的底部套設在基座的外周；混凝土標準試件頂部安裝頂部透水石。
步驟5，安裝密封保護室：在每個混凝土標準試件的外周均安裝密封保護室，使每個混凝土標準試件外周固定的高強螺栓均密封在內(nèi)。
密封保護室的具體優(yōu)選安裝方法為：將密封鋼筒套設在安裝有x向加載裝置和y向加載裝置的混凝土標準試件外周，密封鋼筒底部與密封儲液室的底部優(yōu)選通過螺栓和止水橡皮實現(xiàn)密封固定連接，密封鋼筒頂部的中心開口處設置有豎向向下的密封止水固定筒，該密封止水固定筒與高彈性橡膠管的頂部優(yōu)選通過螺栓和止水橡皮實現(xiàn)密封固定連接，密封保護室內(nèi)部與外部侵蝕液相隔離。
步驟6，軸向壓應力加載：在步驟4中安裝有頂部透水石的每個混凝土標準試件頂部各固定一個凹型加載殼，然后將密封箱側墻和頂板拼裝密封，并通過軸向加載桿與對應的凹型加載殼相配合，實現(xiàn)對每個混凝土標準試件施加軸向壓應力，位于軸向加載桿內(nèi)部的軸壓力傳感器將實時監(jiān)測軸向壓應力的大小。
上述三個混凝土標準試件，在三向荷載加載過程中，每個混凝土標準試件均可加載不同三向荷載，具體根據(jù)需要進行設置。
步驟7，注入侵蝕液：打開密封箱上部進水口，注入試驗用侵蝕液，并逐步增大侵蝕液壓力；同時，水壓傳感器將實時監(jiān)測密封儲液室內(nèi)侵蝕液的壓力，直至達到需要的高水力梯度。
本步驟中，還包括補充溶液壓力和預緊力步驟，具體為：當密封儲液室內(nèi)侵蝕液的壓力達到需要的高水力梯度后，溶蝕實驗過程中，若水壓傳感器檢測到侵蝕液的壓力損失超過設定值，則通過密封箱上的進水閥門注入侵蝕液，補充溶液壓力；若壓力傳感器檢測到高強螺栓的預緊力損失超過設定值時，則打開密封儲液室排水管閥門，放出侵蝕液，使用扭矩扳手旋緊高強螺栓以補充預緊力到指定值，然后重新注入侵蝕液繼續(xù)溶蝕試驗。
步驟8，溶蝕劣化過程分析：通過分析試驗過程中水壓力傳感器、三向加載裝置中的軸壓力傳感器和各個壓力傳感器的測值變化，分析混凝土標準試件溶蝕劣化演化過程和溶蝕劣化機理。溶蝕劣化機理分析方法為：對比分析多組試驗成果，定量分析不同因素對混凝土試件溶蝕劣化的影響程度等。
以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術構思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護范圍。