本發(fā)明涉及一種測(cè)定不同濕度下水泥基材料中氧氣擴(kuò)散系數(shù)的方法和試驗(yàn)裝置，屬于土木工程材料性能測(cè)定技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕是引起結(jié)構(gòu)服役性能下降的最主要因素。在鋼筋表面脫鈍后，空氣中的氧氣通過(guò)混凝土向鋼筋表面擴(kuò)散，在不同濕度下混凝土中的氧氣擴(kuò)散系數(shù)直接決定了鋼筋的銹蝕速率。因此，作為混凝土中鋼筋銹蝕的必要條件之一，氧氣在不同濕度下的混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定有著較為明確的科學(xué)和工程應(yīng)用價(jià)值。然而，由于混凝土的孔隙率低，氣體擴(kuò)散系數(shù)小，國(guó)內(nèi)外至今尚無(wú)有效測(cè)定混凝土中氧氣擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)裝置。

目前，已有試驗(yàn)方法主要是針對(duì)混凝土水、氣的滲透性的測(cè)定，亦即試驗(yàn)是在壓力水或氣體作用下進(jìn)行的。如中國(guó)專利授權(quán)公告號(hào)cn1111737c，授權(quán)公告日是2003年6月18日，名稱為“混凝土滲透性快速評(píng)價(jià)方法”，公開了一種利用氯離子擴(kuò)散系數(shù)和混凝土電導(dǎo)率的值對(duì)混凝土的滲透性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法；中國(guó)專利授權(quán)公告號(hào)cn102735592b，授權(quán)公告日是2014年4月2日，名稱為“一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置”，通過(guò)測(cè)定二氧化碳?jí)毫Φ淖兓瘉?lái)測(cè)量二氧化碳在巖石中的擴(kuò)散系數(shù)；中國(guó)專利授權(quán)公告號(hào)cn204924869u，授權(quán)公告日是2015年12月30日，名稱為“水泥基材料滲透系數(shù)測(cè)定裝置”，提供了一種在恒定水壓力作用下對(duì)不同孔隙率的水泥基材料進(jìn)行滲透性測(cè)試的裝置介紹。但該試驗(yàn)方法所測(cè)定的結(jié)果是混凝土的水、氣滲透系數(shù)，而非擴(kuò)散系數(shù)。自然條件下在不同濕度下氧氣由鋼筋混凝土表面向鋼筋表面的傳輸，其機(jī)理為氧氣的擴(kuò)散作用。因此，研發(fā)一種針對(duì)不同濕度下水泥基多孔材料的氧氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法和試驗(yàn)裝置對(duì)科學(xué)研究和工程應(yīng)用都具有很重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有水泥基結(jié)構(gòu)中氧氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定裝置的不足，本發(fā)明以水泥基材料為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套可測(cè)量不同濕度下氧氣在其中的擴(kuò)散系數(shù)的方法及試驗(yàn)裝置。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明提供如下的技術(shù)方案：

一種用于測(cè)定不同濕度下水泥基材料中氧氣擴(kuò)散系數(shù)的方法，包括以下步驟：

1)水泥基材料待測(cè)試件的準(zhǔn)備

澆筑成型待測(cè)水泥基材料試件，將所測(cè)水泥基材料切割成設(shè)定厚度的圓柱體后，置于一系列不同的飽和鹽溶液密閉容器中，待其達(dá)到內(nèi)部濕度平衡；并在試件側(cè)面用環(huán)氧樹脂涂覆以隔絕外界大氣的影響；

2)整體裝置的連接

將步驟1)所獲水泥基材料試件的端面分別與兩氣體腔室連接成一個(gè)密封整體；在兩腔室底部溶液池中注入與步驟1)相同的飽和鹽溶液，保證腔室內(nèi)部濕度與試件濕度保持平衡；將氣體腔室的進(jìn)氣閥門分別與兩供氣瓶相連；移動(dòng)活塞分別與兩氧氣傳感器相連；兩氧氣傳感器與氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀相連；兩氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀與數(shù)據(jù)記錄儀相連；數(shù)據(jù)記錄儀與計(jì)算機(jī)相連；整個(gè)裝置連接好后保證連接的氣密性良好并將整體裝置放在恒溫室內(nèi)；

3)不同濕度下水泥基材料氧氣擴(kuò)散系數(shù)df的測(cè)定

打開供氣瓶，分別往兩氣體腔室中充入一定量的氧氣與氮?dú)猓醚鯕鈹?shù)據(jù)解調(diào)儀與數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測(cè)到的不同時(shí)刻下兩氣體腔室中的氧氣濃度變化，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程、fick第一定律可得到該濕度下氧氣擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式：

式中：df為氧氣擴(kuò)散系數(shù)，單位m²/s；為左右兩腔室的氧氣濃度梯度，單位mol/m⁴，根據(jù)所記錄的不同時(shí)刻下兩腔室的氧氣濃度值得到其與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系；t為試驗(yàn)時(shí)間，單位s；n為低氧腔室從t＝0至結(jié)束試驗(yàn)時(shí)增加的總氧氣的物質(zhì)的量，單位mol；s為氧氣的有效擴(kuò)散面積的，單位m²。

進(jìn)一步，所述水泥基材料試件，按照預(yù)定配合比澆筑成型并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，將其切割成設(shè)定厚度的圓柱體，并置于一系列不同的飽和鹽溶液密閉容器，待其達(dá)到內(nèi)部濕度平衡。

一種用于測(cè)定不同濕度下水泥基材料中氧氣擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)裝置，包括供氣系統(tǒng)、試件、左右氣體腔室和傳感測(cè)試系統(tǒng)，所述試件為水泥基材料試件，將左右氣體腔室連接至水泥基材料試件的兩個(gè)端面，所述左右氣體腔室分別包括進(jìn)氣閥門、腔室管壁、移動(dòng)活塞、活塞密封圈和溶液池，所述進(jìn)氣閥門設(shè)置在腔室管壁上，所述移動(dòng)活塞可移動(dòng)地套裝在腔室管壁內(nèi)，所述移動(dòng)活塞與腔室管壁的內(nèi)壁之間設(shè)置活塞密封圈，在腔室底部設(shè)有用于保證腔室內(nèi)部濕度與試件濕度保持平衡的溶液池；

所述進(jìn)氣閥門與供氣系統(tǒng)相連，所述供氣系統(tǒng)由供氣瓶、出氣閥門與輸氣導(dǎo)管組成，所述供氣瓶有氧氣瓶和氮?dú)馄?，所述輸氣?dǎo)管有兩根，分別與供氣瓶的出氣閥門相連，所述兩根輸氣導(dǎo)管另一端與進(jìn)氣閥門相連；

所述傳感測(cè)試系統(tǒng)包括氧氣傳感器和氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀，用于測(cè)量水泥基材料左右兩腔室中的氧氣濃度，所述氧氣傳感器安裝在所述移動(dòng)活塞靠近所述試件側(cè)；所述氧氣傳感器與所述氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀連接。

進(jìn)一步，所述試驗(yàn)裝置還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)記錄儀和計(jì)算機(jī)，用于水泥基材料左右兩腔室中的氧氣濃度數(shù)據(jù)的記錄以及后續(xù)處理，所述氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀與所述數(shù)據(jù)記錄儀連接。

再進(jìn)一步，所述供氣系統(tǒng)、試件、左右氣體腔室和傳感測(cè)試系統(tǒng)均位于恒溫室內(nèi)。

更進(jìn)一步，所述移動(dòng)活塞中部預(yù)留小孔，所述小孔內(nèi)安裝所述氧氣傳感器。

所述腔室腔壁均刻有刻度，用以計(jì)算兩腔室的體積。

所述兩腔室的移動(dòng)活塞主體采用透明有機(jī)玻璃制作，活塞密封圈采用丁晴橡膠，且各開有一20mm的小孔，用以和傳感測(cè)試系統(tǒng)相連。

一種用于不同濕度下水泥基材料中氧氣擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置的工作方法，包括如下步驟：

1)將成型并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的水泥基材料試件切成直徑50-100mm，厚10-20mm的圓柱形試件，置于飽和鹽溶液密閉容器中，待時(shí)間達(dá)到內(nèi)部濕度平衡后，使用環(huán)氧樹脂將非擴(kuò)散面(圓柱體側(cè)面)涂覆以隔絕外界空氣的影響；

2)將處理好的水泥基材料試件與左右兩腔室用橡膠密封墊圈墊上后，再使用雙頭螺栓將左右兩腔室與水泥基材料試件進(jìn)行連接，連接好以后在墊圈周圍等連接處涂覆適量凡士林以保證試件與腔室連接處的氣密性；

3)在左右兩腔室溶液池中注入足量的與步驟1)相同的飽和鹽溶液；

4)打開兩腔室上部的進(jìn)氣閥門，在活塞密封圈外部涂上適量潤(rùn)滑油后，將移動(dòng)活塞推至制作好的腔壁中，以排除腔室內(nèi)原有的氣體，活塞處應(yīng)滿足保證氣密性的同時(shí)保持活塞的移動(dòng)性；

5)將氧氣傳感器放入左右兩腔室移動(dòng)活塞預(yù)留的小孔處，固定好以后涂抹凡士林以保證氣密性；

6)將氧氣傳感器另一端與氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀相連用于測(cè)試兩腔室內(nèi)的氧氣濃度，并將氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀與數(shù)據(jù)記錄儀相連用以數(shù)據(jù)記錄，將記錄儀與計(jì)算機(jī)相連用以記錄輸出與后續(xù)處理；

7)腔壁上方的進(jìn)氣閥門通過(guò)輸氣導(dǎo)管與供氣瓶相連，氧氣腔室接氧氣瓶，氮?dú)馇皇医拥獨(dú)馄?，整個(gè)裝置連接完成；

8)檢查裝置的氣密性；

9)開始試驗(yàn)，打開供氣瓶出氣閥門與腔壁上部進(jìn)氣閥門，分別往兩腔室內(nèi)充氣，使移動(dòng)活塞勻速緩慢的向外移動(dòng)直至腔室尾部，并用腔壁上刻度讀出此時(shí)活塞距離試件端面的距離以計(jì)算腔室體積；

10)打開與兩腔室相連的已校準(zhǔn)好的氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀，此時(shí)時(shí)刻記為t＝0，并用數(shù)據(jù)記錄儀將此時(shí)兩腔室中的氧氣濃度記錄并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中；

11)由于左右腔室內(nèi)的氧濃度差，氧氣逐漸從高氧濃度腔室經(jīng)過(guò)水泥基材料試件擴(kuò)散至低氧腔室，在這個(gè)過(guò)程中，由于左右兩腔室溶液池中飽和鹽溶液的作用，整個(gè)裝置內(nèi)部濕度保持恒定。用記錄儀記錄下不同時(shí)刻下的兩腔室中的氧氣濃度；

12)待兩腔室氧氣濃度接近時(shí)，此時(shí)兩腔室濃度梯度很小，氧氣繼續(xù)通過(guò)水泥基材料試件的擴(kuò)散量很小，停止試驗(yàn)，記錄此時(shí)時(shí)刻t；

13)根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在該飽和鹽溶液控制的濕度條件下，由于兩腔室的氧濃度差，氧氣在氧濃度梯度的動(dòng)力下在水泥基材料試件中擴(kuò)散，水泥基材料試件的氧氣擴(kuò)散系數(shù)可根據(jù)以下公式求得：

式中：df為氧氣擴(kuò)散系數(shù)(m²/s)；為左右兩腔室的氧氣濃度梯度(mol/m⁴)，可根據(jù)所記錄的不同時(shí)刻下兩腔室的氧氣濃度值得到其與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系；t為試驗(yàn)時(shí)間(s)；n為低氧腔室從t＝0至結(jié)束試驗(yàn)時(shí)增加的總氧氣的物質(zhì)的量(mol)；s為氧氣的有效擴(kuò)散面積(m²)。

14)改變?nèi)芤撼刂械娘柡望}溶液，重復(fù)步驟1)～13)，從而得到不同濕度下氧氣在水泥基材料中的擴(kuò)散系數(shù)。

式(1)的推導(dǎo)過(guò)程如下：

假設(shè)氧氣的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散符合fick第一定律，且在該測(cè)試方法下，假定氧氣擴(kuò)散方式為一維擴(kuò)散，則有：

其中，dn為dt時(shí)間內(nèi)通過(guò)水泥基材料試件的氧氣量，df為氧氣擴(kuò)散系數(shù)；為氧氣在x方向上的濃度梯度；s為氧氣的有效擴(kuò)散面積。

事實(shí)上，水泥基材料作為一種多孔介質(zhì)材料，氧氣在其中擴(kuò)散時(shí)只能通過(guò)孔隙進(jìn)行。因此，氧氣擴(kuò)散時(shí)的實(shí)際路徑迂回曲折，遠(yuǎn)大于兩表面的垂直距離，且不可能確切的知道擴(kuò)散截面的大小，因此前述公式中的氧氣擴(kuò)散系數(shù)其實(shí)是“等效擴(kuò)散系數(shù)”，即以垂直于擴(kuò)散方向的總面積和水泥基材料試件厚度為基礎(chǔ)計(jì)算得到。

根據(jù)氣體擴(kuò)散定律：在相同的溫度和壓力下，氣體的擴(kuò)散速度與其密度或分子量的平方根成反比。因此，對(duì)于氧氣和氮?dú)鈦?lái)說(shuō)，兩者的分子量的平方根非常接近(5.65與5.29)，因此可近似認(rèn)為氧氣的擴(kuò)散速度與氮?dú)鈹U(kuò)散速度近似相等。因此，左右兩腔室的壓強(qiáng)時(shí)刻相等且腔室體積在擴(kuò)散過(guò)程中基本不變。

由(i)可知，停止實(shí)驗(yàn)時(shí)總的氧擴(kuò)散量為：

所以，水泥基材料試件的有效擴(kuò)散系數(shù)為：

根據(jù)左右兩腔室所記錄的不同時(shí)刻下氧氣百分比含量以及腔室體積，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得到兩腔室不同時(shí)刻下的氧氣濃度值，假定氧氣濃度在水泥基材料中線性分布，且氧氣擴(kuò)散為一維擴(kuò)散，可得

式中：c2為一定時(shí)刻下高氧腔室中的氧氣濃度(mol/m3)，c1為相同時(shí)刻下低氧腔室中的氧濃度值(mol/m3)，x為水泥基材料試件厚度(m)。

由式(5)可知，是與時(shí)間相關(guān)的函數(shù)，不同時(shí)刻下水泥基材料試件的左右兩腔室的氧濃度梯度不同。而與時(shí)間的函數(shù)可根據(jù)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)利用originpro軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到，由此可由公式(4)通過(guò)計(jì)算得到所測(cè)水泥基材料試件的氧氣擴(kuò)散系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：由于氧氣在傳輸過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力僅為濃度梯度，且裝置采用了精度較高的氧氣傳感器與數(shù)據(jù)記錄儀，并將其進(jìn)行有效結(jié)合，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可較為方便的計(jì)算出氧氣在水泥基材料中的擴(kuò)散系數(shù)。另一方面，本發(fā)明使用飽和鹽溶液來(lái)控制環(huán)境濕度，且裝置設(shè)計(jì)了溶液池以放置不同的飽和鹽溶液，控制了整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的濕度穩(wěn)定，且可通過(guò)改變不同的飽和鹽溶液來(lái)達(dá)到測(cè)量不同濕度下水泥基材料中氧氣擴(kuò)散系數(shù)的目的。整個(gè)過(guò)程測(cè)量簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述裝置的整體示意圖；

圖2是本發(fā)明氣體腔室的結(jié)構(gòu)圖，其中，(a)是主視圖，(b)是俯視圖；

圖3是本發(fā)明移動(dòng)活塞三視圖；

圖4是根據(jù)水泥基材料試件左右兩腔室不同時(shí)刻下的氧氣濃度值所得到的氧氣濃度梯度與時(shí)間的關(guān)系圖。

在圖1中，1、水泥基材料試件；2、環(huán)氧樹脂；3、橡膠密封墊圈；4、腔室管壁；5、進(jìn)氣閥門；6、移動(dòng)活塞；7、活塞密封圈；8、溶液池；9、雙頭螺栓；10、氧氣傳感器；11、氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀；12、數(shù)據(jù)記錄儀；13、計(jì)算機(jī)；14、輸氣導(dǎo)管；15、供氣瓶；16、出氣閥門。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明

參照?qǐng)D1～圖4，一種用于測(cè)定不同濕度下水泥基材料中氧氣擴(kuò)散系數(shù)的方法，包括以下步驟：

1)水泥基材料待測(cè)試件的準(zhǔn)備

澆筑成型待測(cè)水泥基材料試件，將所測(cè)水泥基材料切割成一定厚度的圓柱體后，置于一系列不同的飽和鹽溶液密閉容器中，待其達(dá)到內(nèi)部濕度平衡；并在試件側(cè)面(非氧氣擴(kuò)散面)用環(huán)氧樹脂涂覆以隔絕外界大氣的影響；

2)整體裝置的連接

將1)所獲試件墊上橡膠密封墊圈后用雙頭螺栓與兩氣體腔室連接成一個(gè)密封整體，并在接觸位置涂少許凡士林以增加密封性；在兩腔室底部溶液池中注入與1)相同的飽和鹽溶液，保證腔室內(nèi)部濕度與試件濕度保持平衡；將腔室上部進(jìn)氣閥門分別與兩供氣瓶相連；移動(dòng)活塞分別與兩氧氣傳感器相連；兩氧氣傳感器與氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀相連；兩氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀與數(shù)據(jù)記錄儀相連；數(shù)據(jù)記錄儀與計(jì)算機(jī)相連。整個(gè)裝置連接好后保證連接的氣密性良好并將整體裝置放在恒溫室內(nèi)以排除溫度對(duì)氧氣擴(kuò)散的影響。

3)不同濕度下水泥基材料氧氣擴(kuò)散系數(shù)df的測(cè)定

打開供氣瓶，分別往兩氣體腔室中充入一定量的氧氣與氮?dú)?，利用在線式測(cè)氧儀與無(wú)紙記錄儀監(jiān)測(cè)到的不同時(shí)刻下兩氣體腔室中的氧氣濃度變化，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程、fick第一定律可得到該濕度下氧氣擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式：

式中：df為氧氣擴(kuò)散系數(shù)(m²/s)；為左右兩腔室的氧氣濃度梯度(mol/m⁴)，可根據(jù)所記錄的不同時(shí)刻下兩腔室的氧氣濃度值得到其與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系；t為試驗(yàn)時(shí)間(s)；n為低氧腔室從t＝0至結(jié)束試驗(yàn)時(shí)增加的總氧氣的物質(zhì)的量(mol)；s為氧氣的有效擴(kuò)散面積(m²)。

一種用于測(cè)定不同濕度下水泥基材料中氧氣擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)裝置，包括水泥基材料試件1，在所述水泥基材料試件左右兩邊各連接一氣體腔室；所述氣體腔室左右兩腔每腔分別由進(jìn)氣閥門5、腔室管壁4、移動(dòng)活塞6、溶液池8組成；所述的兩進(jìn)氣閥門5分別在在所述左右兩腔壁4的上部，并與兩輸氣導(dǎo)管14相連；所述的移動(dòng)活塞6中部預(yù)留一直徑20mm的小孔，用以氧氣傳感器探頭10的放入；所述的溶液池8位于各自腔室的底部，用以飽和鹽溶液的放置。

所述的兩輸氣導(dǎo)管14另一端分別與氧氣瓶和氮?dú)馄康某鰵忾y門16相連，所述的出氣閥門連接至兩供氣瓶上15用以控制氧氣和氮?dú)獾臍饬魉俣?。所述的氧氣傳感?0另一端與氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀11相連，所述的氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀11采用ky-2f1型氧分析儀，用以左右兩腔室中的氧濃度測(cè)試。所述的氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀11與數(shù)據(jù)記錄儀12相連，所述數(shù)據(jù)記錄儀12將測(cè)試數(shù)據(jù)采集并輸入與其相連的計(jì)算機(jī)13中，完成測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集。

一種用于測(cè)定不同濕度下水泥基材料中氧氣擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)裝置，工作過(guò)程包括以下步驟：

1)將成型并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的水泥基材料試件1切成直徑50-100mm，厚10-20mm的圓柱形試件，置于飽和鹽溶液密閉容器中，待時(shí)間達(dá)到內(nèi)部濕度平衡后，使用環(huán)氧樹脂2將非擴(kuò)散面(圓柱體側(cè)面)涂覆以隔絕外界空氣的影響；

2)將處理好的水泥基材料試件1與左右兩腔室用橡膠密封墊圈3墊上后，再使用雙頭螺栓9將左右兩腔室與水泥基材料試件1進(jìn)行連接，連接好以后在墊圈3周圍等連接處涂覆適量凡士林以保證試件與腔室連接處的氣密性；

3)在左右兩腔室溶液池8中注入足量的與步驟1)相同的飽和鹽溶液；

4)打開兩腔室上部的進(jìn)氣閥門5，在活塞密封圈7外部涂上適量潤(rùn)滑油后，將移動(dòng)活塞6推至制作好的腔壁4中，以排除腔室內(nèi)原有的氣體，活塞處應(yīng)滿足保證氣密性的同時(shí)保持活塞的移動(dòng)性；

5)將氧氣傳感器10放入左右兩腔室移動(dòng)活塞6預(yù)留的小孔處，固定好以后涂抹凡士林以保證氣密性；

6)將氧氣傳感器10另一端與氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀11相連用于測(cè)試兩腔室內(nèi)的氧氣濃度，并將氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀11與數(shù)據(jù)記錄儀12相連用以數(shù)據(jù)記錄，將記錄儀12與計(jì)算機(jī)13相連用以記錄輸出與后續(xù)處理；

7)腔壁4上方的進(jìn)氣閥門5通過(guò)輸氣導(dǎo)管14與供氣瓶15相連，氧氣腔室接氧氣瓶，氮?dú)馇皇医拥獨(dú)馄?，整個(gè)裝置連接完成；

8)檢查裝置的氣密性；

9)開始試驗(yàn)，打開供氣瓶出氣閥門16與腔壁上部進(jìn)氣閥門5，分別往兩腔室內(nèi)充氣，使移動(dòng)活塞勻速緩慢的向外移動(dòng)直至腔室尾部，并用腔壁上刻度讀出此時(shí)活塞距離試件端面的距離以計(jì)算腔室體積；。

10)打開與兩腔室相連的已校準(zhǔn)好的氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀11，此時(shí)時(shí)刻記為t＝0，并用數(shù)據(jù)記錄儀12將此時(shí)兩腔室中的氧氣濃度記錄并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中13；

11)由于左右腔室內(nèi)的氧濃度差，氧氣逐漸從高氧濃度腔室經(jīng)過(guò)水泥基材料試件擴(kuò)散至低氧腔室，在這個(gè)過(guò)程中，由于左右兩腔室溶液池8中飽和鹽溶液的作用，整個(gè)裝置內(nèi)部濕度保持恒定。用記錄儀記錄下不同時(shí)刻下的兩腔室中的氧氣濃度；

12)待兩腔室氧氣濃度接近時(shí)，此時(shí)兩腔室濃度梯度很小，氧氣繼續(xù)通過(guò)水泥基材料試件的擴(kuò)散量很小，停止試驗(yàn)，記錄此時(shí)時(shí)刻t；

13)根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在該飽和鹽溶液控制的濕度條件下，由于兩腔室的氧濃度差，氧氣在氧濃度梯度的動(dòng)力下在水泥基材料試件中擴(kuò)散，水泥基材料試件的氧氣擴(kuò)散系數(shù)可根據(jù)以下公式求得：

式中：df為氧氣擴(kuò)散系數(shù)(m²/s)；為左右兩腔室的氧氣濃度梯度(mol/m⁴)，可根據(jù)所記錄的不同時(shí)刻下兩腔室的氧氣濃度值得到其與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系；t為試驗(yàn)時(shí)間(s)；n為低氧腔室從t＝0至結(jié)束試驗(yàn)時(shí)增加的總氧氣的物質(zhì)的量(mol)；s為氧氣的有效擴(kuò)散面積(m²)。

14)改變?nèi)芤撼刂械娘柡望}溶液，重復(fù)步驟1)～13)，從而得到不同濕度下氧氣在水泥基材料中的擴(kuò)散系數(shù)。

以采用飽和乙酸鉀溶液(在288k的溫度下，可控制環(huán)境相對(duì)濕度rh＝23.40±0.32％)，測(cè)量水灰比0.53、配合比為水泥:水:砂子＝1:0.53:2.0的砂漿試件的氧氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定為例，對(duì)本發(fā)明的工作做具體說(shuō)明。

該實(shí)施例拌制砂漿的原材料為：水泥為p.i525級(jí)波特蘭水泥，砂采用細(xì)度模數(shù)2.6的河砂，水采用自來(lái)水。在養(yǎng)護(hù)室中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，將砂漿試件切成直徑75mm，厚10mm的圓柱形試件，本次實(shí)施例將上述試件置于飽和乙酸鉀溶液密閉容器中養(yǎng)護(hù)至內(nèi)部平衡后，在試件側(cè)面(非氧氣擴(kuò)散面)用環(huán)氧樹脂涂覆以隔絕外界大氣的影響，進(jìn)行氧氣擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試。

將砂漿試件墊上橡膠密封墊圈后用雙頭螺栓與兩氣體腔室連接成一個(gè)密封整體，并在接觸位置涂少許凡士林以增加密封性；在兩腔室底部溶液池中注入足量的飽和乙酸鉀溶液，保證腔室內(nèi)部濕度與試件濕度保持平衡；將腔室上部進(jìn)氣閥門分別與兩供氣瓶相連；移動(dòng)活塞分別與兩氧氣傳感器相連；兩氧氣傳感器與氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀相連；兩氧氣數(shù)據(jù)解調(diào)儀與數(shù)據(jù)記錄儀相連；數(shù)據(jù)記錄儀與計(jì)算機(jī)相連。整個(gè)裝置連接好后保證連接的氣密性良好并將整體裝置放在恒溫室內(nèi)以排除溫度對(duì)氧氣擴(kuò)散的影響。

打開供氣瓶，分別往兩氣體腔室中充入一定量的氧氣與氮?dú)夂笞屟鯕庠跐舛忍荻茸饔孟峦ㄟ^(guò)水泥基試件進(jìn)行傳輸。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中由于溶液池中飽和乙酸鉀溶液的作用，整個(gè)裝置內(nèi)部濕度保持恒定。利用氧氣傳感器與數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測(cè)到該實(shí)施例下不同時(shí)刻砂漿試件左右兩氣體腔室中的氧氣濃度如表1所示.

表1

(數(shù)據(jù)說(shuō)明：由于該裝置方法只需要左右兩腔室氧氣濃度梯度的存在，因此由于該實(shí)施例中兩腔室排除腔室內(nèi)原有氣體的程度不同，故氮?dú)馇皇液脱鯕馇皇抑械难鯕鉂舛炔⒉皇?和100％。)

該實(shí)施例的試驗(yàn)條件如下：

t＝288k，p＝101000pa，v＝0.075*0.075*250＝1.40*10^-3m³，

s＝0.075*0.075＝5.6*10^-3m²；

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：pv＝nrt；結(jié)合

所述上式中：為左右腔室各自的氧氣的物質(zhì)的量(mol)；c為氧氣物質(zhì)的量濃度(mol/m³)；v為腔室體積(m³)；為氧氣在x方向上的濃度梯度(mol/m⁴)，假定氧氣濃度在水泥基材料試件內(nèi)線性分布可知氧氣濃度梯度等于水泥基材料試件左右氧氣濃度差δc除以試件厚度x。

代入表1數(shù)據(jù)，可得圖如圖4。

根據(jù)圖4經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用originpro軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到與時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系，由圖4可知，所述實(shí)施例3水泥基材料試件左右兩腔室的氧氣濃度梯度隨時(shí)間的關(guān)系函數(shù)如下：

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，所述實(shí)施例在試驗(yàn)開始至結(jié)束時(shí)氮?dú)馇皇业醚鯕饪傇隽縩＝0.008775mol。

因此，結(jié)合式t＝97380s，可求得在該實(shí)施例下，氧氣在氧濃度梯度的動(dòng)力下在砂漿試件中擴(kuò)散擴(kuò)散系數(shù)為：

所述實(shí)施例結(jié)束，該所述實(shí)施例下，所述砂漿試件在環(huán)境相對(duì)濕度為23.40±0.32％(飽和乙酸鉀溶液控制)時(shí)，所述砂漿試件的氧氣有效擴(kuò)散系數(shù)為df＝6.03*10^-8(m²/s)。