一种混凝土试块力学性能试验用高低温环境装置的操作方法

技术领域

本发明是涉及测量混凝土试块及构件的力学性能试验领域，尤其是一种在-170℃至+100℃环境下测量混凝土试块力学性能试验用的高低温环境装置的操作方法。

背景技术

超低温储罐是近年来我国开始建造的特种结构。储罐的外罐壁一般采用预应力混凝土结构，液化天然气存储的温度在-165℃左右，当内灌泄漏时，外罐会遭受到拉力荷载和-165℃的温度荷载，而且低温下钢筋的性能也会发生变化，进而影响钢筋混凝土的整体性能。此外，严寒地区的钢筋混凝土结构、极地探索的基地建设等均处在低温环境下，对钢筋混凝土结构的性能都提出了较高的要求。应用于液化天然气(LNG)低温储藏的混凝土在超低温环境下的性能与常温状态时的性能存在较大差异。

目前现有的低温或超低温的混凝土轴心抗压强度的试验装置大多没有保温设施，混凝土试块无法保持恒温，而且在进行大量试验时效率低下，不能在一次完全相同的试验条件下进行多个混凝土试块的试验，需要分多次对多个混凝土试块10进行重复试验，既不能保证试验条件的准确性，而且还会造成资源的浪费。

发明内容

为了克服在进行低温环境下的混凝土抗压强度试验试时块无法保持恒温、在更换混凝土试块10时产生的温度损失等问题，本发明提供了一种混凝土试块力学性能试验用高低温环境装置的操作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种混凝土试块力学性能试验用高低温环境装置的操作方法，包括以下步骤：

试验前，将高低温环境箱和漏斗收集箱6的连接件4打开，将混凝土试块10和隔块8依次放置于试块垫板9上，并由内至外依次放置，直至最后一块混凝土试块10位于上压块3和下压块7之间。然后将高低温环境箱和漏斗收集箱6通过连接件4连接呈一体式结构，检查加载试验机2、制冷系统、加热系统和测控系统，准备试验，试验包括高温试验或/和低温试验。

低温试验时，(1)打开所有设备的电源，温度预设值输入单元用于设定高低温环境箱温度X，例如X＝-170℃，温度传感器17实时监测混凝土试块10的温度，高低温环境箱温度未达到-170℃时，测控系统的外部液氮源控制开关用于控制外部液氮源的进量变大，使得高低温环境箱温度达到-170℃；然后测控系统的外部液氮源控制开关用于控制外部液氮源的进量变小，直至高低温环境箱温度达到-170℃并保持48h基本恒定；48h到达后，外部液氮源控制开关用于控制外部液氮源的进量继续减小以维持压力试验过程中温度保持不变。(2)加载试验机控制开关用于控制加载试验机2的工作状态，加载试验机2开始工作，用加载试验机2测出混凝土轴心抗压强度，上压块3下移，对第一个混凝土试块10压碎试验，当前一个混凝土试块10压碎失效以后，上压块3上移。测控系统的推杆移动液压缸控制开关用于推杆移动液压缸的前进，带动推杆11前推，将压碎失效混凝土试块10和试块挡板13向前推进于漏斗收集箱6中，并将后一个混凝土试块10推进至待试验区域；依次类推，直至所有混凝土试块10都完成试验；试验时记录每个混凝土试块10的失效压力数值，失效压力数值即为混凝土轴心抗压强度。

高温试验时，(1)打开所有设备的电源，温度预设值输入单元用于设定高低温环境箱温度Y，例如Y＝100℃，温度传感器17实时监测混凝土试块10的温度，高低温环境箱温度未达到100℃时，测控系统的铁铬铝电阻丝控制开关用于控制铁铬铝电阻丝发热温度升高，螺旋浆式离心鼓风机控制开关用于控制螺旋浆式离心鼓风机风力增大，使得高低温环境箱温度达到100℃；然后测控系统的铁铬铝电阻丝控制开关用于控制铁铬铝电阻丝发热温度降低，螺旋浆式离心鼓风机控制开关用于控制螺旋浆式离心鼓风机风力减小，直至高低温环境箱温度达到100℃并保持48h基本恒定；48h到达后，铁铬铝电阻丝控制开关用于控制铁铬铝电阻丝减少发热，螺旋浆式离心鼓风机控制开关用于控制螺旋浆式离心鼓风机风力继续减小以维持压力试验过程中温度保持不变。(2)加载试验机控制开关用于控制加载试验机2的工作状态，加载试验机2开始工作，用加载试验机2测出混凝土轴心抗压强度，上压块3下移，对第一个混凝土试块10压碎试验，当前一个混凝土试块10压碎失效以后，上压块3上移。测控系统的推杆移动液压缸控制开关用于推杆移动液压缸的前进，带动推杆11前推，将压碎失效混凝土试块10和试块挡板13向前推进于漏斗收集箱6中，并将后一个混凝土试块10推进至待试验区域；依次类推，直至所有混凝土试块10都完成试验；试验时记录每个混凝土试块10的失效压力数值，失效压力数值即为混凝土轴心抗压强度。

试验后，待所有混凝土试块10完成试验，测控系统的推杆移动液压缸控制开关用于推杆移动液压缸的回缩，带动推杆11后移至原始最右侧位置，将高低温环境箱和漏斗收集箱6的连接件4打开，取下漏斗收集箱6倒出失效废料，然后将高低温环境箱和漏斗收集箱6通过连接件4连接呈一体式结构，待下一次试验备用。

本发明还具有以下附加技术特征：

作为本发明技术方案进一步具体优化的：混凝土试块力学性能试验用高低温环境装置，包括有高低温环境箱和漏斗收集箱6，高低温环境箱和漏斗收集箱6通过连接件4连接呈一体式结构。

漏斗收集箱6呈竖直状设置，用于盛放已做完试验的混凝土试块10。

高低温环境箱呈水平状设置，高低温环境箱的前端上下两侧设置有贯穿高低温环境箱的上压块3和下压块7，其中，上压块3的顶部连接于加载试验机2上压头，下压块7的底部设置于加载试验机2下压头。

高低温环境装置还包括有可移动送料系统，可移动送料系统包括有试块垫板9和推杆11，其中，高低温环境箱的内部底侧设置有一横向的试块垫板9，试块垫板9的尾部设置有推杆11，推杆11贯穿于高低温环境箱右侧伸出、且推杆11可自由左右移动。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：高低温环境箱和漏斗收集箱6均包括有外壳、绝热保温材料和内壳，其中，外壳材料为喷涂处理的冷轧钢板，内壳材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢板，外壳和内壳之间设置的绝热保温材料为硅酸铝棉保温。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：连接件4为榫卯连接，包括有榫头402和榫槽401，榫头402和榫槽401相互卡合连接。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：漏斗收集箱6还包括观察窗5，观察窗5设置于漏斗收集箱6的前端，便于观察试验过程；观察窗5的规格100mm×100mm。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：试块垫板9的前后方向间隔固定设置有隔块8，隔块8之间放置有混凝土试块10，隔块8用于对混凝土试块10进行前后限位；试块垫板9的左右方向间隔放置(非固定设置)有试块挡板13，相邻的试块挡板13之间放置有混凝土试块10，混凝土试块10可以依次放置多个混凝土试块。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：推杆11的外侧设置有刻度线；推杆11的尾部连接于推杆移动液压缸。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：高低温环境装置还包括有制冷系统，制冷系统包括有低温风道15、液氮喷射口14、前进氮管1402和后进氮管1401、以及外部液氮源；其中，高低温环境箱的内部前后两侧设置有低温风道15，低温风道15的内侧设置有液氮喷射口14，低温风道15的外侧分别连接于前进氮管1402和后进氮管1401；前进氮管1402和后进氮管1401连接于外部液氮源；外部液氮源包括两个100升液氮喷射系统，轮流提供液氮，完成低温试验过程。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：高低温环境装置还包括有加热系统，加热系统包括有高温风道12、高温风喷射口19、左进风管1901和右进风管1902、以及风机室1；其中，高低温环境箱的内部前后两侧还设置有高温风道12，高温风道12的内侧设置有高温风喷射口19，高温风道12的外侧分别连接于左进风管1901和右进风管1902；左进风管1901和右进风管1902连接于风机室1；风机室1位于高低温环境箱的上方，持续送风，以保证箱内温度均匀性满足要求。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：风机室1内部设置有加热组件，加热组件包括有呈螺旋状的铁铬铝电阻丝和螺旋浆式离心鼓风机，铁铬铝电阻丝通电后发热，通过螺旋浆式离心鼓风机，经过高温风道12向高低温环境箱内鼓风加热。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：漏斗收集箱6还包括出风口16，出风口16设置于漏斗收集箱6的后部一侧。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：高低温环境箱和漏斗收集箱6的连接处、观察窗5和漏斗收集箱6的连接处、上压块3和高低温环境箱的连接处、下压块7和高低温环境箱的连接处、推杆11和高低温环境箱的连接处、前进氮管1402和高低温环境箱的连接处、后进氮管1401和高低温环境箱的连接处、左进风管1901和高低温环境箱的连接处、右进风管1902和高低温环境箱的连接处，均采用常规密封环或密封胶进行密封，减少高低温环境箱和外界的热交换。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：高低温环境装置还包括有测温元件，测温元件包括有温度传感器17和温度传感器导线18，温度传感器17设置于试块垫板9的表面且紧贴于混凝土试块10，温度传感器17采用PT100热电阻；温度传感器导线18从高低温环境箱贯穿伸出，并连接于测控系统。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：高低温环境装置还包括有测控系统，测控系统包括有温度显示屏和PLC控制器，其中，温度显示屏通过温度传感器导线18连接于温度传感器17；PLC控制器包括有温度预设值输入单元、外部液氮源控制开关、铁铬铝电阻丝控制开关、螺旋浆式离心鼓风机控制开关、推杆移动液压缸控制开关和加载试验机控制开关。

作为本发明技术方案进一步具体优化的：温度预设值输入单元用于设定高低温环境箱温度；外部液氮源控制开关用于控制外部液氮源的进量大小；铁铬铝电阻丝控制开关用于控制铁铬铝电阻丝发热温度和时间；螺旋浆式离心鼓风机控制开关用于控制螺旋浆式离心鼓风机风力大小和时间；推杆移动液压缸控制开关用于推杆移动液压缸的前进和回缩；加载试验机控制开关用于控制加载试验机2的工作状态，同时带动上压块3上移或下移。

本发明和现有技术相比，其优点在于：

本发明的高低温环境试验箱中可一次性放置多个混凝土试块10，通过可移动推杆11来更换混凝土试块10，混凝土试块10在恒温的环境中，而且一次性可以完成多个混凝土试块10的试验，符合国内一次性检测多个混凝土试块10的标准，提高了试验精度，大大提高了试验的效率，节约资源。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高低温环境装置的正视结构示意图；

图2为图1的局部俯视结构示意图；

图3为图1的局部侧视结构示意图；

图4为本发明高低温环境装置的连接件4结构示意图；

图5-图6为本发明高低温环境装置的使用状态示意图；

图7为本发明高低温环境装置的电路逻辑结构示意图。

图中：风机室1，加载试验机2，上压块3，连接件4，观察窗5，漏斗收集箱6，下压块7，隔块8，试块垫板9，混凝土试块10，推杆11，高温风道12，试块挡板13，液氮喷射口14，低温风道15，出气口16，温度传感器17，温度传感器导线18，高温风喷射口19。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。

一种混凝土试块力学性能试验用高低温环境装置的操作方法，包括以下步骤：

试验前，将高低温环境箱和漏斗收集箱6的连接件4打开，将混凝土试块10和隔块8依次放置于试块垫板9上，并由内至外依次放置，直至最后一块混凝土试块10位于上压块3和下压块7之间。然后将高低温环境箱和漏斗收集箱6通过连接件4连接呈一体式结构，检查加载试验机2、制冷系统、加热系统和测控系统，准备试验，试验包括高温试验或/和低温试验。

低温试验时，(1)打开所有设备的电源，温度预设值输入单元用于设定高低温环境箱温度X，例如X＝-170℃，温度传感器17实时监测混凝土试块10的温度，高低温环境箱温度未达到-170℃时，测控系统的外部液氮源控制开关用于控制外部液氮源的进量变大，使得高低温环境箱温度达到-170℃；然后测控系统的外部液氮源控制开关用于控制外部液氮源的进量变小，直至高低温环境箱温度达到-170℃并保持48h基本恒定；48h到达后，外部液氮源控制开关用于控制外部液氮源的进量继续减小以维持压力试验过程中温度保持不变。(2)加载试验机控制开关用于控制加载试验机2的工作状态，加载试验机2开始工作，用加载试验机2测出混凝土轴心抗压强度，上压块3下移，对第一个混凝土试块10压碎试验，当前一个混凝土试块10压碎失效以后，上压块3上移。测控系统的推杆移动液压缸控制开关用于推杆移动液压缸的前进，带动推杆11前推，将压碎失效混凝土试块10和试块挡板13向前推进于漏斗收集箱6中，并将后一个混凝土试块10推进至待试验区域；依次类推，直至所有混凝土试块10都完成试验；试验时记录每个混凝土试块10的失效压力数值，失效压力数值即为混凝土轴心抗压强度。

高温试验时，(1)打开所有设备的电源，温度预设值输入单元用于设定高低温环境箱温度Y，例如Y＝100℃，温度传感器17实时监测混凝土试块10的温度，高低温环境箱温度未达到100℃时，测控系统的铁铬铝电阻丝控制开关用于控制铁铬铝电阻丝发热温度升高，螺旋浆式离心鼓风机控制开关用于控制螺旋浆式离心鼓风机风力增大，使得高低温环境箱温度达到100℃；然后测控系统的铁铬铝电阻丝控制开关用于控制铁铬铝电阻丝发热温度降低，螺旋浆式离心鼓风机控制开关用于控制螺旋浆式离心鼓风机风力减小，直至高低温环境箱温度达到100℃并保持48h基本恒定；48h到达后，铁铬铝电阻丝控制开关用于控制铁铬铝电阻丝减少发热，螺旋浆式离心鼓风机控制开关用于控制螺旋浆式离心鼓风机风力继续减小以维持压力试验过程中温度保持不变。(2)加载试验机控制开关用于控制加载试验机2的工作状态，加载试验机2开始工作，用加载试验机2测出混凝土轴心抗压强度，上压块3下移，对第一个混凝土试块10压碎试验，当前一个混凝土试块10压碎失效以后，上压块3上移。测控系统的推杆移动液压缸控制开关用于推杆移动液压缸的前进，带动推杆11前推，将压碎失效混凝土试块10和试块挡板13向前推进于漏斗收集箱6中，并将后一个混凝土试块10推进至待试验区域；依次类推，直至所有混凝土试块10都完成试验；试验时记录每个混凝土试块10的失效压力数值，失效压力数值即为混凝土轴心抗压强度。

试验后，待所有混凝土试块10完成试验，测控系统的推杆移动液压缸控制开关用于推杆移动液压缸的回缩，带动推杆11后移至原始最右侧位置，将高低温环境箱和漏斗收集箱6的连接件4打开，取下漏斗收集箱6倒出失效废料，然后将高低温环境箱和漏斗收集箱6通过连接件4连接呈一体式结构，待下一次试验备用。

混凝土试块力学性能试验用高低温环境装置，可以实现-170℃～+100℃的环境温度变化，包括有高低温环境箱和漏斗收集箱6。

高低温环境箱和漏斗收集箱6均包括有外壳、绝热保温材料和内壳，其中，外壳材料为喷涂处理的冷轧钢板，内壳材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢板，外壳和内壳之间设置的绝热保温材料为硅酸铝棉保温。

高低温环境箱呈水平状设置，漏斗收集箱6呈竖直状设置，用于盛放已做完试验的混凝土试块10，高低温环境箱和漏斗收集箱6通过连接件4连接呈一体式结构；其中，连接件4为榫卯连接，包括有榫头402和榫槽401，榫头402和榫槽401相互卡合连接。

漏斗收集箱6还包括观察窗5，观察窗5设置于漏斗收集箱6的前端，便于观察试验过程；观察窗5的规格100mm×100mm。

高低温环境装置还包括有可移动送料系统，可移动送料系统包括有试块垫板9和推杆11，其中，高低温环境箱的内部底侧设置有一横向的试块垫板9，试块垫板9的前后方向间隔固定设置有隔块8，隔块8之间放置有混凝土试块10，隔块8用于对混凝土试块10进行前后限位。

试块垫板9的左右方向间隔放置(非固定设置)有试块挡板13，相邻的试块挡板13之间放置有混凝土试块10，混凝土试块10可以依次放置多个混凝土试块。

试块垫板9的尾部设置有推杆11，推杆11贯穿于高低温环境箱右侧伸出、且推杆11可自由左右移动。推杆11的外侧设置有刻度线；推杆11的尾部连接于推杆移动液压缸。

高低温环境箱的前端上下两侧设置有贯穿高低温环境箱的上压块3和下压块7，其中，上压块3的顶部连接于加载试验机2上压头，下压块7的底部设置于加载试验机2下压头。

高低温环境装置还包括有制冷系统，制冷系统包括有低温风道15、液氮喷射口14、前进氮管1402和后进氮管1401、以及外部液氮源；其中，高低温环境箱的内部前后两侧设置有低温风道15，低温风道15的内侧设置有液氮喷射口14，低温风道15的外侧分别连接于前进氮管1402和后进氮管1401；前进氮管1402和后进氮管1401连接于外部液氮源；外部液氮源包括两个100升液氮喷射系统，轮流提供液氮，完成低温试验过程。

高低温环境装置还包括有加热系统，加热系统包括有高温风道12、高温风喷射口19、左进风管1901和右进风管1902、以及风机室1；其中，高低温环境箱的内部前后两侧还设置有高温风道12，高温风道12的内侧设置有高温风喷射口19，高温风道12的外侧分别连接于左进风管1901和右进风管1902；左进风管1901和右进风管1902连接于风机室1；风机室1位于高低温环境箱的上方，持续送风，以保证箱内温度均匀性满足要求。

风机室1内部设置有加热组件，加热组件包括有呈螺旋状的铁铬铝电阻丝和螺旋浆式离心鼓风机，铁铬铝电阻丝通电后发热，通过螺旋浆式离心鼓风机，经过高温风道12向高低温环境箱内鼓风加热。

漏斗收集箱6还包括出风口16，出风口16设置于漏斗收集箱6的后部一侧。

高低温环境箱和漏斗收集箱6的连接处、观察窗5和漏斗收集箱6的连接处、上压块3和高低温环境箱的连接处、下压块7和高低温环境箱的连接处、推杆11和高低温环境箱的连接处、前进氮管1402和高低温环境箱的连接处、后进氮管1401和高低温环境箱的连接处、左进风管1901和高低温环境箱的连接处、右进风管1902和高低温环境箱的连接处，均采用常规密封环或密封胶进行密封，减少高低温环境箱和外界的热交换。

高低温环境装置还包括有测温元件，测温元件包括有温度传感器17和温度传感器导线18，温度传感器17设置于试块垫板9的表面且紧贴于混凝土试块10，温度传感器17采用PT100热电阻；温度传感器导线18从高低温环境箱贯穿伸出，并连接于测控系统。

高低温环境装置还包括有测控系统，测控系统包括有温度显示屏和PLC控制器，其中，温度显示屏通过温度传感器导线18连接于温度传感器17；PLC控制器包括有温度预设值输入单元、外部液氮源控制开关、铁铬铝电阻丝控制开关、螺旋浆式离心鼓风机控制开关、推杆移动液压缸控制开关和加载试验机控制开关。

温度预设值输入单元用于设定高低温环境箱温度。外部液氮源控制开关用于控制外部液氮源的进量大小。铁铬铝电阻丝控制开关用于控制铁铬铝电阻丝发热温度和时间。螺旋浆式离心鼓风机控制开关用于控制螺旋浆式离心鼓风机风力大小和时间。推杆移动液压缸控制开关用于推杆移动液压缸的前进和回缩。加载试验机控制开关用于控制加载试验机2的工作状态，同时带动上压块3上移或下移。

PLC控制器采用厦门宇电PID调节仪表；PLC控制器还包括有常规设置的安全保护系统，安全保护系统包括有漏电保护、过电流保护和快速熔断器。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。