[0001] 本发明涉及海底隧道混凝土结构试验技术领域，具体地，涉及一种海底隧道混凝土结构劣化试验装置及方法。

[0002] 在海洋环境中，海水中的氯离子侵蚀诱发的海底隧道混凝土结构劣化是造成工程结构耐久性退化的主因，随着我国部分海底隧道服役年限的增长，衬砌渗漏水、防水板破
损、钢筋锈蚀等隧道病害问题逐渐增多，海底隧道混凝土结构在海水压力、海水冲蚀、结构裂缝、碳化作用等多种因素影响下的劣化机理问题逐渐引起重视。

[0003] 开展混凝土结构劣化室内试验是揭示各类因素对混凝土结构劣化影响机理的有效手段，但现阶段常用的构件浸泡、氯离子电化学加速等试验与海底隧道混凝土所处的真
实环境不符，混凝土结构外侧防水板破损引起的海水冲蚀对结构劣化的影响未得到重视，
常见的试验装置不能真实反映海底隧道混凝土衬砌结构的腐蚀环境，可以考虑的影响因素
较为单一，尚缺乏可以考虑多种影响因素的海底隧道混凝土结构劣化试验装置及方法。

[0004] 经检索，申请公开号为CN116359110A的中国发明专利，公开一种混凝土耐久性环境模拟装置及模拟方法，其设置有分别模拟氯盐和硫酸盐溶液环境的养护箱，可分别模拟
海洋环境的潮汐涨落区或浪溅区或潮差区等氯盐侵蚀工况、大气环境中混凝土碳化、硫酸
盐侵蚀混凝土试件“烂根现象”等。但该专利无法模拟水压、海水冲蚀对混凝土试件的劣化影响。

[0033] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0034] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本申请中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0035] 在本申请中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本申请各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本申请中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

[0036] 本申请中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本申请中的具体含义，不能理解为对本申请的限制。

[0037] 参照图1所示，本发明一实施例提供的海底隧道混凝土结构劣化试验装置，包括至少一个试样夹持套筒2、承压水箱4、海水循环模拟系统5、梯度加压装置6、氯离子浓度监测补偿系统7和劣化监测系统8，其中，试样夹持套筒2上部具有开口，其内部具有空腔，混凝土试样1固定于该空腔中；试样夹持套筒2自承压水箱4底部穿过，试样夹持套筒2的顶面与承
压水箱4的底部平齐，试样夹持套筒2通过装配式反力台架3与承压水箱4的底部连接；海水
循环模拟系统5与承压水箱4连接，海水循环模拟系统5用于模拟不同的海水冲蚀场景；梯度加压装置6与承压水箱4连接，梯度加压装置6用于将承压水箱4内的溶液加压至试验所需水
压力；氯离子浓度监测补偿系统7实时监测承压水箱4中的氯离子浓度，并根据监测结果补
充腐蚀性溶液至试验设计的溶液浓度；劣化监测系统8用于监测混凝土试样1劣化发展过
程。

[0038] 本发明实施例中，通过承压水箱4、海水循环模拟系统5、梯度加压装置6、氯离子浓度监测补偿系统7等之间的相互配合，能够满足海水压力、海水冲蚀、结构裂缝、碳化作用等多种因素影响下的海底隧道混凝土结构劣化试验需求，提供多种常见的海底隧道衬砌结构腐蚀试验场景，能真实还原海底隧道混凝土的腐蚀环境，更准确地反映真实海底隧道混凝
土结构的劣化演变规律，提高了海底隧道混凝土结构劣化试验的便利性，保障了试验数据
的可靠性和真实性。

[0039] 试样夹持套筒2作为夹持混凝土试样1的工具，可以在试验过程中稳定地固定混凝土试样1，确保测试结果的准确性。为防止混凝土试样1在水压力作用发生位移，在一些实施方式中，试样夹持套筒2两侧设有用于夹持混凝土试样1的第一螺栓。

[0040] 示例性地，试样夹持套筒2为上部开口的圆台形套筒，内侧为放置混凝土试样1的倒圆台形空腔，试样夹持套筒2两侧均设置有第一螺栓，以协助夹持混凝土试样1，两个第一螺栓与倒圆台形空腔配合，确保混凝土试样1能够稳固地夹持在试样夹持套筒2中，防止混
凝土试样1在水压力作用下发生位移，从而确保测试结果的可靠性和准确性。同时，该试样夹持套筒2便于混凝土试样1的装夹固定，还能够提高测试效率，使操作更加便捷和安全。

[0041] 在一些实施方式中，试验装置包括多个试样夹持套筒2，一方面，利用多个试样夹持套筒2可以同时对多个混凝土试样1进行劣化试验，从而提高试验效率；另一方面，由于单个试样夹持套筒2较小，可能无法很好地形成海水流动，多个试样夹持套筒2连在一起，可以延长海水流动路径。示例性地，为方便水箱里的水流动，多个试样夹持套筒2一字排开。

[0042] 在一些实施方式中，混凝土试样1下方与试样夹持套筒2的底部之间设有预留空腔，根据试验设计，预留空腔用于容纳滤纸10和渗流产物收集装置11，如在预留空腔内放置无纺布滤纸，并在无纺布滤纸下方放置渗流产物收集烧杯，以收集渗流产物供后续成分分
析使用。

[0043] 在其他一些实施方式中，将预留空腔通过预留接口与碳化箱12连通，预留空腔用于容纳自碳化箱12输送的二氧化碳，从而可以研究海底隧道混凝土结构在海水侵蚀和碳化
耦合作用下的劣化行为。

[0044] 本发明实施例采用装配式反力台架3，能够提供稳定的反力，从而有利于提高试验和测量结果的准确性和可靠性。如果没有装配式反力台架3，海水加压后试样夹持套筒2很
可能会被水压冲开。在一些实施方式中，装配式反力台架3的两侧设有竖梁13，两侧的竖梁
13通过底部横梁14连接，竖梁13的顶端与承压水箱4连接，实现装配式反力台架3与承压水
箱4的连接。装配式反力台架3的部件可以根据需要进行组装和拆卸，具有安装简便、操作便捷、适用性强等优点。试样夹持套筒2的底部设有凹槽，底部横梁14上设有第二螺栓9，第二螺栓9的尾端顶进凹槽中，实现底部横梁14与试样夹持套筒2之间的连接，示例性地，第二螺栓9采用碳纤维螺栓，通过调节第二螺栓9顶进凹槽的深度，实现试样夹持套筒2的顶面与承压水箱4的底部平齐。

[0045] 为模拟真实海洋环境，在一些实施方式中，海水循环模拟系统5包括水力循环泵21、第一出水管19和多根第一进水管20，通过梯度加压装置6将承压水箱4内的溶液加压至
试验所需水压力后，通过水力循环泵21可以调节水箱内部水的流动循环速度，从而实现调
节进水速度，第一进水管20和第一出水管19上均设有独立的阀门，通过调节第一进水管20
和第一出水管19上的阀门以及水力循环泵21，实现模拟不同流速、不同流向和不同流体形
态的海水冲蚀场景，从而深入了解海水环境因素对混凝土结构的损害机理和程度，为实际
工程中的防护和维护提供科学依据。本发明实施例中的海水循环模拟系统5便于调节控制，具有较高的稳定性和可靠性，从而有利于提高试验结果的可靠性和真实性。

[0046] 承压水箱4作为能够承受一定压力并储存一定量水的容器，在试验过程中，需要对承压水箱4内溶液施加不同等级的压力，并按试验需求补充溶液，以模拟实际使用中可能遇到的各种环境条件。在一些实施方式中，承压水箱4底部预留开口供试样夹持套筒2穿过，开口内侧设有止水带15；示例性地，对于具有圆台形套筒结构的试样夹持套筒2，承压水箱4下部预留圆形开口供试样夹持套筒2穿过，圆形开口内侧设置橡胶止水带。依托装配式反力台架3可以将试样夹持套筒2顶进承压水箱4底部开口处，使试样夹持套筒2顶部与承压水箱4
开口处的止水带15紧密贴合，防止承压水箱4中高水压的水渗出。承压水箱4在顶部和一侧
设置进水口，进水口与第一出水管19连接；承压水箱4的另一侧设有出水口，承压水箱4在一侧还设有与梯度加压装置6连接的第二进水管。承压水箱4上还设有排气阀16、排水管17和
真空压力表18，排气阀16用于排除承压水箱4内的空气，真空压力表18用于检测承压水箱4
的水压力，排水管17用于按试验需求排出承压水箱4内的溶液。

[0047] 在一些实施方式中，混凝土试样1上端外侧与试样夹持套筒2之间设有防水带22，防水带22分别与混凝土试样1和试样夹持套筒2紧密贴合，以避免承压水箱4中的溶液沿试
样夹持套筒2与混凝土试样1之间的界面发生渗漏。混凝土试样1可以是完整试样、带贯通裂缝试样、不贯通裂缝试样等，为研究防水板破损对混凝土试样1的影响，在混凝土试样1上方覆盖不同破损形态如条形破损和圆洞形破损的防水板23，能够模拟实际工程中防水材料破
损后的隧道混凝土衬砌结构劣化行为。通过分析和比较不同破损形态防水板23对应于混凝
土试样1的劣化表现，可以得出关于防水板23破损形态对混凝土劣化影响的结论，这些结论可以为实际工程中防水板23的选择、使用和维护等提供参考。

[0048] 梯度加压装置6可以为劣化试验中的混凝土试样1提供呈梯度分布的压力，其可以采用现有技术实现。在加压过程中，可以通过调整装置中的参数如压力梯度来模拟不同的
环境条件，从而更好地模拟实际情况，提高试验结果的可靠性。

[0049] 在海洋环境中，氯离子是海水的主要成分之一，其浓度的变化可能对海洋生态系统产生重要影响。氯离子是导致混凝土劣化的重要因素之一。当混凝土中氯离子浓度过高
时，会引起钢筋锈蚀、碱骨料反应等问题，从而导致混凝土开裂、剥落，影响其使用寿命和安全性。因此，监测和控制混凝土中氯离子的浓度对于防止混凝土劣化具有重要意义。氯离子浓度监测补偿系统7通过实时监测承压水箱4中的离子浓度，补充腐蚀性溶液至试验设计的
溶液浓度，腐蚀性溶液根据试验需求设定，例如可以为氯离子溶液、硫酸根离子溶液等，从而可以真实反映海底隧道混凝土衬砌结构的腐蚀环境。

[0050] 在试验过程中，通过劣化监测系统8观察混凝土试样1的劣化情况，如裂缝的产生、扩展，以及混凝土强度的变化等，对混凝土的劣化情况进行深入分析。在一些实施方式中，劣化监测系统8采用声发射传感器，声发射传感器粘接于试样夹持套筒2外壁，声发射传感器监测混凝土试样1的声发射信号，声发射是固体变形或破坏时产生的声音作为弹性波放
出来的现象，这种弹性波可以被声发射传感器检知，从而作为无损检验的方法。在混凝土劣化的过程中，小的变形或微小裂纹的发生和发展都伴随声发射的发生，因此，通过声发射传感器，可以及时发现混凝土试样1的缺陷或破损，从而有效反映混凝土试样1劣化发展过程。

[0051] 基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供一种海底隧道混凝土结构劣化试验方法，该方法利用上述的海底隧道混凝土结构劣化试验装置实现，继续参照图1，该方法包括以下步骤：

[0052] S1、根据海底隧道混凝土结构试验对象的配合比，即混凝土组成成分如水泥、水、骨料等的比例，浇筑与试样夹持套筒尺寸适配的混凝土试样，根据试验目的预制不同裂缝形态与尺寸的混凝土试样，并进行标准养护；

[0053] 该步骤中，试验目的可以包括研究不同裂缝形态、不同高度、不同配合比、不同腐蚀性溶液浓度、有无防水板、有无防水板破损、不同海水流动方向、不同海水流动速度、海水是否流动、海水压力、是否考虑碳化等因素对混凝土劣化的影响。标准养护指将混凝土试件放在温度为20±3℃、湿度95％以上的环境中养护，或者直接浸泡在温度为20±2℃的不流动的Ca(OH)2饱和溶液中养护，标准养护的龄期为28天。

[0054] S2、将养护好的混凝土试样压入试样夹持套筒，按照试验设计选择在混凝土试样上表面覆盖不同破损形态的防水板；

[0055] 该步骤中，为避免承压水箱中的溶液沿试样夹持套筒与混凝土试样之间的界面发生渗漏，在混凝土试样上端外侧与试样夹持套筒之间设置防水带。为确保混凝土试样能够
稳固地夹持在试样夹持套筒中，可以调整混凝土试样两侧的第一螺栓协助夹持混凝土试
样，并保证混凝土试样、防水带和试样夹持套筒保持紧密贴合。

[0056] 在一些实施方式中，根据试验目的，可以在试样夹持套筒下侧预留空腔内放置滤纸和渗流产物收集装置，或通过预留空腔的预留接口连接碳化箱后，二氧化碳通入预留空
腔内，以研究海底隧道混凝土结构在海水侵蚀和碳化耦合作用下的劣化行为。

[0057] S3、运行梯度加压装置，设置水压为常压状态，通过排气阀完全排除承压水箱内的空气后，关闭排气阀，设置氯离子浓度监测补偿系统补充腐蚀性溶液至试验设计的溶液浓度，再通过梯度加压装置将承压水槽内的溶液加压至试验所需水压力；

[0058] S4、运行海水循环模拟系统，通过设置不同进水速度和第一进水管和第一出水管上阀门开关状态的组合，模拟不同流速、不同流向和不同流体形态的海水冲蚀场景，通过劣化监测系统监测混凝土试样劣化发展过程，如通过观测混凝土试样的声发射信号反应其劣
化过程。

[0059] 本发明上述实施例，通过承压水箱、海水循环模拟系统、梯度加压装置、氯离子浓度监测补偿系统等之间的相互配合，可以提供多种常见的海底隧道衬砌结构腐蚀试验场景，真实反映海底隧道混凝土衬砌结构的腐蚀环境，从而实现不同类型腐蚀环境的试验场
景构建，有效保证混凝土试样长期劣化试验的密封效果和稳定性；本发明上述实施例能够
满足海水压力、海水冲蚀、结构裂缝、碳化作用等多种因素影响下的海底隧道混凝土结构劣化试验需求，更准确地反映真实海底隧道混凝土结构的劣化演变规律，提高了海底隧道混
凝土结构劣化试验的便利性和效率，保障了试验数据的可靠性和真实性。

[0060] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影
响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。