用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法及试验装置制造方法及图纸

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；2)试验装置的连接；3)水泥基材料氧气扩散系数Df的测定。以及提供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。本发明专利技术的整个过程中氧气扩散的驱动力仅为浓度梯度，因此可测出氧气在水泥基材料试件中的扩散系数，且测量方法简单，数据准确可靠。通过测定氧气在水泥基材料中的传输规律可为进一步研究氧气对水泥基材料中钢筋的锈蚀过程提供数据基础。

Method and apparatus for measuring diffusion coefficient of oxygen in cement-based materials

A method for the determination of diffusion coefficient of oxygen in cementitious materials, which comprises the following steps: 1) cement-based materials to test the preparation; 2) connection test device; 3) determination of base material oxygen diffusion coefficient of Df cement. A test device for measuring the diffusion coefficient of oxygen in cement-based materials is provided, including gas supply system, test piece, left and right gas chambers and sensing test system. In the whole process, the driving force of oxygen diffusion is only the concentration gradient, so the diffusion coefficient of oxygen in cement based material specimen can be measured, and the measuring method is simple, and the data is accurate and reliable. The determination of oxygen transport in cement based materials can provide a data base for further research on the corrosion process of oxygen in cement based materials.

【技术实现步骤摘要】
用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法及试验装置
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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专利技术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Df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：Df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。进一步，所述试验装置还包括数据采集系统，所述的数据采集系统包括数据记录仪和计算机，用于水泥基材料左右两腔室中的氧气浓度数据的记录以及后续处理，所述氧气数据解调仪与所述数据记录仪连接。再进一步，所述供气系统、试件、左右气体腔室和传感测试系统均位于恒温室内。更进一步，所述移动活塞中部预留小孔，所述小孔内安装所述氧气传感器。所述腔室腔壁均刻有刻度，用以计算两腔室的体积。所述两腔室的移动活塞主体采用透明有机玻璃制作，活塞密封圈采用丁晴橡胶，且各开有一20mm的小孔，用以和传感测试系统相连。一种上述用于水泥基材料中氧气扩散系数的测定装置的工作方法，包括详细步骤如下：1)将成型好的水泥基材料试件切成直径50-100mm，厚10-20mm的圆柱形试件，使用环氧树脂将非扩散面(圆柱体侧面)涂覆以隔绝外界空气的影响；2)将处理好的水泥基材料试件与左右两腔室用橡胶密封垫圈垫上后，再使用双头螺栓将左右两腔室与水泥基材料试件进行连接，连接好以后在垫圈周围等连接处涂覆适量凡士林以保证试件与腔室连接处的气密性；3)打开两腔室上部的进气阀门，在活塞密封圈外部涂上适量润滑油后，将移动活塞推至制作好的腔壁中，以排除腔室内原有的气体，活塞处应满足保证气密性的同时保持活塞的移动性；4)将氧气传感器放入左右两腔室移动活塞预留的小孔处，固定好以后涂抹凡士林以保证气密性；5)将氧气传感器另一端与氧气数据解调仪相连用于测试两腔室内的氧气浓度，并将氧气数据解调仪与数据记录仪相连用以数据记录，将数据记录仪与计算机相连用以记录输出与后续处理；6)腔壁上方的进气阀门通过输气导管与供气瓶相连，氧气腔室接氧气瓶，氮气腔室接氮气瓶，整个装置连接完成；7)检查装置的气密性；8)开始试验，打开供气瓶出气阀门与腔壁上部进气阀门，分别往两腔室内充气，使移动活塞匀速缓慢的向外移动直至腔室尾部，并用腔壁上刻度读出此时活塞距离试件端面的距离以计算腔室体积；。9)打开与两腔室相连的已校准好的氧气数据解调仪，此时时刻记为t＝0，并用数据记录仪将此时两腔室中的氧气浓度记录并传输到计算机中；10)由于左右腔室内的氧浓度差，氧气逐渐从高氧浓度腔室经过水泥基材料试件扩散至低氧腔室，在这个过程中，记录仪记录下不同时刻下的两腔室中的氧气浓度；11)待两腔室氧气浓度接近时，此时两腔室浓度梯度很小，氧气继续通过水泥基材料试件的扩散量很小，停止试验，记录此时时刻t；12)根据以上数据，由于两腔室的氧浓度差，氧气在氧浓度梯度的动力下在水泥基材料试件中扩散，水泥基材料试件的氧气扩散系数可根据以下公式求得：式中：Df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。上式的推导过程如下：假设氧气的稳态扩散符合Fick第一定律，且在该测试方法下，假定氧气扩散方式为一维扩散，则有：其中，dN为dt时间内通过水泥基材料试件的氧气量，Df为氧气扩散系数；为氧气在x方向上的浓度梯度；S为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法，其特征在于：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Df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：

【技术特征摘要】
1.一种用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法，其特征在于：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Df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：Df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。2.一种如权利要求1所述的用于测定水泥基材料中氧气扩散系数的方法的试验装置，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：付传清，金南国，郭健，周露泉，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33