[发明专利]用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法及试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法及试验 装置，属于土木工程材料性能测定技术领域。

背景技术

混凝土结构中钢筋的锈蚀是引起结构服役性能下降的最主要因 素。在钢筋表面脱钝后，空气中的氧气通过混凝土向钢筋表面扩 散，混凝土中的氧气扩散系数直接决定了钢筋的锈蚀速率。因此， 作为混凝土中钢筋锈蚀的必要条件之一，氧气在混凝土中的扩散系 数测定有着较为明确的科学和工程应用价值。然而，由于混凝土的 孔隙率低，气体扩散系数小，国内外至今尚无有效测定混凝土中氧 气扩散系数的试验装置。

目前，已有试验方法主要是针对混凝土水、气的渗透性的测 定，亦即试验是在压力水或气体作用下进行的。如中国专利授权公 告号CN1111737C，授权公告日是2003年6月18日，名称为“混凝 土渗透性快速评价方法”，公开了一种利用氯离子扩散系数和混凝土 电导率的值对混凝土的渗透性进行评价的方法；中国专利授权公告 号CN102735592B，授权公告日是2014年4月2日，名称为“一种测 量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置”，通过测定二氧化碳压力的变 化来测量二氧化碳在岩石中的扩散系数；中国专利授权公告号 CN204924869U，授权公告日是2015年12月30日，名称为“水泥基 材料渗透系数测定装置”，提供了一种在恒定水压力作用下对不同孔 隙率的水泥基材料进行渗透性测试的装置介绍。但该试验方法所测 定的结果是混凝土的水、气渗透系数，而非扩散系数。自然条件下 氧气由钢筋混凝土表面向钢筋表面的传输，其机理为氧气的扩散作 用。因此，研发一种针对水泥基多孔材料氧气扩散系数测定方法和 试验装置对科学研究和工程应用都具有很重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术无法测定水泥基结构中氧气扩散系数的不 足，本发明以水泥基材料为试验对象，设计了一套可测量氧气在其 中的扩散系数的方法及试验装置。

为了解决上述技术问题本发明提供如下的技术方案：

一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法，包括以下步 骤：

1)水泥基材料待测试件的准备

浇筑成型待测水泥基材料试件，将所测水泥基材料切割成设定 厚度的圆柱体，并在试件侧面用环氧树脂涂覆以隔绝外界大气的影 响；

2)试验装置的连接

将步骤1)所获水泥基材料试件的端面分别与两气体腔室连接 成一个密封整体；将气体腔室的进气阀门分别与两供气瓶相连；移 动活塞分别与两氧气传感器相连；两氧气传感器与氧气数据解调仪 相连；两氧气数据解调仪与数据记录仪相连；数据记录仪与计算机 相连；整个装置连接好后保证连接的气密性良好并将整体装置放在 恒温室内；

3)水泥基材料氧气扩散系数D_f的测定

打开供气瓶，分别往两气体腔室中充入设定量的氧气与氮气， 利用氧气传感器与数据记录仪监测到的不同时刻下两气体腔室中的 氧气浓度变化，结合理想气体状态方程、Fick第一定律得到氧气扩 散系数的计算公式：

式中：D_f为氧气扩散系数，单位m²/s；为左右两腔室的氧气浓度 梯度，单位mol/m⁴，根据所记录的不同时刻下两腔室的氧气浓度值 得到其与时间之间的函数关系；t为试验时间，单位s；N为低氧腔 室从t＝0至结束试验时增加的总氧气的物质的量，单位mol；S为氧 气的有效扩散面积的，单位m²。

一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的试验装置，包括供 气系统、试件、左右气体腔室和传感测试系统，所述试件为水泥基 材料试件，将左右气体腔室连接至水泥基材料试件的两个端面，所 述左右气体腔室分别包括进气阀门、腔室管壁、移动活塞和活塞密 封圈，所述进气阀门设置在腔室管壁上，所述移动活塞可移动地套 装在腔室管壁内，所述移动活塞与腔室管壁的内壁之间设置活塞密 封圈；

所述进气阀门与供气系统相连，所述供气系统由供气瓶、出气 阀门与输气导管组成，所述供气瓶有氧气瓶和氮气瓶，所述输气导 管有两根，分别与供气瓶的出气阀门相连，所述两根输气导管另一 端与进气阀门相连；

所述传感测试系统包括氧气传感器和氧气数据解调仪，用于测 量水泥基材料左右两腔室中的氧气浓度，所述氧气传感器安装在所 述移动活塞靠近所述试件侧；所述氧气传感器与所述氧气数据解调 仪连接。