一种研究冻融-干湿耦合对氯离子渗透性影响的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种研究冻融-干湿耦合对氯离子渗透性影响的试验装置及试验方法，属于混凝土耐久性试验的研究领域。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，我国海洋产业迅速发展。然而，海洋的腐蚀无时不刻不在发生，严重破坏蓝色经济赖以发展的海洋设施。沿海寒冷地区的结构物长期受到冻融循环和干湿循环等多重因素共同影响，研究表明，在冻融循环以及干湿循环的作用下，结构物的结构致密性、裂缝形态及开展程度发生了改变，从而导致结构物中氯离子的渗透产生了不同程度的增加，严重影响海洋结构的使用寿命和安全使用。

目前，对于混凝土的冻融循环及干湿循环的试验是分别采用冻融机及干湿循环试验箱来进行的，但干湿循环试验箱设计的试验多为连续干湿，而工程实际中由于有效波高呈季节性变化，混凝土所处的环境存在不连续干湿作用的特征，即间断性暴露于干湿循环条件，通常表现干湿循环与冻融循环在时间上的交叉耦合，因而传统的试验箱不符合实际。若既需要进行混凝土试件的单边冻融试验，又需要进行混凝土试件的干湿循环试验，则需要准备两台试验机，因自动化程度低而无法保证试验能处于理想的耦合作用环境，且在试件转移的过程中容易出现试件损坏， 大大增加了试验的时间成本以及经济成本。

发明内容

本发明提供一种研究冻融-干湿耦合对氯离子渗透性影响的试验装置及试验方法，实现了自然环境下混凝土耐久性的试验研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种研究冻融-干湿耦合对氯离子渗透性影响的试验装置，包括试验箱，所述试验箱能够为试件提供冻融与干湿条件；

试验箱的内腔分成用于试验的试验腔室以及设置制冷结构的控制腔室，在试验腔室内安装承台，其为可升降式承台，承台平行于试验腔室的底面，在试验腔室的两内侧壁上对称设置挡板，挡板同样平行于试验腔室底面；在平行于试验腔室底面的方向上，两个挡板之间形成的间距小于承台的长度；

承台在垂直于试验腔室底面的方向上升降，当承台下降至预设高度时，承台底面与挡板表面接触，试验腔室内分成两个密闭空间，为试件提供单面冻融的环境；当承台上升至预设高度时，承台底面与挡板表面分离，试验腔室内两个空间连通，为试件提供干湿循环的环境；

在试验腔室的侧壁开设入水口，试验腔室的底面开设出水口；

试验腔室的其中一个侧壁还安装若干顺次排布的红外线传感器，在试验腔室的顶部安装烘干机，试验腔室底面安装加热装置；

所述的制冷结构包括由蒸发器、压缩机以及冷凝器构成的循环回路，即蒸发器的一个端口与压缩机的一个端口连通，压缩机的另一个端口与冷凝器的一个端口连通，冷凝器的另一个端口与蒸发器的另一个端口连通，在冷凝器与蒸发器连通的管路上顺次安装过滤器以及膨胀阀；蒸发器的输出端口通过管道与试验腔室的入水口连通；

在控制腔室内还设置水箱和控制柜，水箱与蒸发器的输入端口连通，控制柜与制冷结构、承台、红外线传感、烘干机以及加热装置均电联；

试验腔室的出水口与水箱连通，同时水箱还通过一条管路与水箱连通；

作为本发明的进一步优选，

试验腔室的出水口与水箱的入口相对设置，试验腔室与水箱之间还通过第二管路连通，在第二管路上安装水泵；

蒸发器与试验腔室入水口之间的管路上设置水泵；

水箱与蒸发器之间通过第一管路连通；

作为本发明的进一步优选，试验腔室内安装的承台通过伸缩杆实现升降；

伸缩杆包括两根，且每根伸缩杆均同时垂直承台、试验腔室底面设置；

作为本发明的进一步优选，在承台底面靠近端部的位置分别设置密封橡胶条，每个挡板靠近承台的位置均设置密封橡胶条；

在试验腔室的内壁上覆设保温层；

作为本发明的进一步优选，在承台表面的两个端部位置分别设置可移动的约束装置，且约束装置垂直于承台表面设置；

采用所述研究冻融-干湿耦合对氯离子渗透性影响的试验装置的试验方法，当采用试验装置进行单边冻融试验时，包括以下步骤：

步骤S11：将试件放置在承台上，移动约束装置将试件固定在承台表面；

步骤S12：操作控制柜，启动伸缩杆，将承台底面的密封橡胶条与挡板表面的密封橡胶条密合，试验腔室内分成两个密闭空间；

步骤S13：水箱内的制冷液体经过蒸发器、压缩机、冷凝器、过滤器以及膨胀阀后重新回到蒸发器，此时启动蒸发器与试验腔室入水口之间的水泵，将冷却后的制冷液体由试验腔室的入水口进入试验腔室；

步骤S14：试验腔室内位于承台下方的密闭空间内注入的制冷液体达到预设高度时，触发位于试验腔室侧壁的红外线传感器，试验腔室的出水口打开，制冷液体流入水箱，形成液体介质流动循环；

步骤S15：试件冷冻达到预设时间后，控制柜向制冷结构发送关闭指令，入水口关闭，直至试验腔室内的制冷液体全部流入水箱；

步骤S16：启动第二管道上的水泵，将制冷液体输入试验腔室，控制柜向加热装置发送开启指令，将试验腔室内的制冷液体加热至预设温度，进行试件的单边冻融试验；

采用所述研究冻融-干湿耦合对氯离子渗透性影响的试验装置的试验方法，当采用试验装置进行干湿循环试验时，包括以下步骤：

步骤S21：将试件放置在承台上，移动约束装置将试件固定在承台表面；

步骤S22：操作控制柜，启动伸缩杆，将承台底面的密封橡胶条与挡板表面的密封橡胶条分开，试验腔室内分成的两个密闭空间连通；

步骤S23：启动第二管路上的水泵，盐溶液输入试验腔室，盐溶液达到预设高度时，触发位于试验腔室侧壁的红外线传感器，此时试件浸没在盐溶液内，关闭第二管路上的水泵；

步骤S24：试件在盐溶液中浸泡至预设时间后，打开试验腔室的出水口，盐溶液向水箱输送；

步骤S25：当试验腔室内的盐溶液排净后，打开烘干机，对试件烘干，进行试件的干湿循环试验；

采用所述研究冻融-干湿耦合对氯离子渗透性影响的试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：根据结构图，采用混凝土浇筑试件；

步骤S2：选择达到预设龄期的试件放入试验腔室内，采用权利要求6以及权利要求7所述的试验方法进行冻融-干湿交叉耦合试验，其中设定冻融试验次数为n次，干湿循环试验为m次；

步骤S3：将经过冻融-干湿交叉耦合试验后的试件取出，利用交流阻抗仪测试相邻两个钛金属探针之间的交流阻抗，并解析处该层孔溶液电阻率，根据电阻率的差异程度判断氯离子的渗透深度。

9、采用权利要求8所述研究冻融-干湿耦合对氯离子渗透性影响的试验装置的试验方法，其特征在于：步骤S1中设计试件的步骤为，在模具内按照固定的距离插入钛金属探针，接着在模具内浇筑混凝土；

定义试件的表面为测试面，试件除去测试面的其余面涂抹环氧树脂；

作为本发明的进一步优选，步骤S2中，设定的冻融试验次数为n次，干湿循环试验为m次，其中，n次与m次根据气象数据统计的各沿海寒冷地区累年年均正负温交替次数来设定。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的试验装置，将创造出冻融循环与干湿循环交叉耦合的试验条件；

2、本发明提供的试验装置，在同一个试验装置内，通过调节承台的高度，即可实现冻融试验和干湿试验的自动化转换，能够有效避免人工操作的失误；

3、本发明提供的试验装置，基于同一个试验装置，调节冻融试验与干湿试验在一次耦合试验中的循环次数，以真实准确模拟不同地区的气候条件。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的优选实施例的立体图；

图2是本发明提供的制冷结构部分示意图；

图3是本发明提供的试验装置进行单边冻融试验的结构示意图；

图4是本发明提供的试验装置进行干湿循环试验的结构示意图；

图5是本发明提供的试件结构示意图。

图中：1为试验箱，2为试验腔室，3为水箱，4为第一管路，5为蒸发器，6为压缩机，7为膨胀阀，8为过滤器，9为冷凝器，10为水泵，11为约束装置，12为承台，13为伸缩杆，14为挡板，15为密封橡胶条，16为红外线传感器，17为控制柜，18为第二管路，19为加热装置，20为烘干机，21为保温层，22为试件，23为钛金属探针。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如背景技术中阐述的，目前关于混凝土试件的单边冻融试验以及干湿循环试验，是通过两台试验机进行的，之前这样的操作方式是基于针对海洋结构的研究并未普遍化，然而随着我国海洋产业的迅速发展，需要对其进行专业研究，因此本申请的研究初衷是希望提供一种实现冻融试验与干湿循环试验合二为一的结构，同时这样的结构保证一定的准确性。

如图1所示，是本申请提供的一种研究冻融-干湿耦合对氯离子渗透性影响的试验装置，包括试验箱1，所述试验箱能够为试件22提供冻融与干湿条件；

试验箱的内腔分成用于试验的试验腔室2以及设置制冷结构的控制腔室，在试验腔室内安装承台12，其为可升降式承台，承台平行于试验腔室的底面，在试验腔室的两内侧壁上对称设置挡板14，挡板同样平行于试验腔室底面；在平行于试验腔室底面的方向上，两个挡板之间形成的间距小于承台的长度；

承台在垂直于试验腔室底面的方向上升降，当承台下降至预设高度时，承台底面与挡板表面接触，试验腔室内分成两个密闭空间，为试件提供单面冻融的环境；当承台上升至预设高度时，承台底面与挡板表面分离，试验腔室内两个空间连通，为试件提供干湿循环的环境。

也就是说，本申请设计的试验装置中，一个重要的创新点在于，仅仅通过承台的升降，结合制冷结构，满足两种试验的装置需求。这里需要阐述一点，由于本申请设计的试验装置是要匹配沿海寒冷地区累年年均正负温交替，以进行两种试验循环方式的切换，由于按照年来计算的正负温温差的交替并不是非常频繁，那么本申请通过承台的升降来模拟相关试验环境，完全是满足实际使用情况以及使用寿命。

接下来就是针对试验装置中具体结构做一个详细的描述，这些结构的设置是为了满足不同试验需求的，在试验腔室的侧壁开设入水口，试验腔室的底面开设出水口；试验腔室的其中一个侧壁还安装若干顺次排布的红外线传感器16，在试验腔室的顶部安装烘干机20，试验腔室底面安装加热装置19。图2所示，所述的制冷结构包括由蒸发器5、压缩机6以及冷凝器9构成的循环回路，即蒸发器的一个端口与压缩机的一个端口连通，压缩机的另一个端口与冷凝器的一个端口连通，冷凝器的另一个端口与蒸发器的另一个端口连通，在冷凝器与蒸发器连通的管路上顺次安装过滤器8以及膨胀阀7；蒸发器的输出端口通过管道与试验腔室的入水口连通；

在控制腔室内还设置水箱3和控制柜17，水箱与蒸发器的输入端口连通，试验腔室的出水口与水箱连通，同时水箱还通过一条管路与试验腔室连通。这里控制柜（位于图1视角的右侧）的设计，是起到一个整体控制指令发送的作用，在控制柜上设计了显示屏、电源按钮、制冷装置按钮、制热装置按钮以及烘干机按钮，升降台及约束装置11也分别通过控制柜的旋钮控制。

试验腔室与水箱之间还通过一条管路连通，即通过第二管路18连通，在第二管路上设置水泵10；蒸发器与试验腔室入水口之间的管路上设置水泵；水箱与蒸发器之间通过第一管路4连通。

由于前述讲到，承台为了满足试验需求，需要实现升降功能，本申请给出的优选实施例是，试验腔室内安装的承台通过伸缩杆13实现升降；伸缩杆包括两根，且每根伸缩杆均同时垂直承台、试验腔室底面设置。所谓的伸缩杆可以是包括一根中空杆，在中空杆内通过滑块滑槽的方式匹配滑动连接一个滑动杆，通过滑动杆在中空杆内的上下滑移实现伸缩。

由于在试验时，是通过承台的升降完成试验腔室内两个密闭空间的分隔和连通，尤其是在分隔时，需要保证承台与挡板之间的紧密连接，因此在承台底面靠近端部的位置分别设置密封橡胶条15，每个挡板靠近承台的位置均设置密封橡胶条。

在试验腔室的内壁上覆设保温层21，这里的保温层可以是耐温岩棉，或者是发泡棉。

当试件放置在承台上进行试验时，为了保证试件的稳定性，在承台表面的两个端部位置分别设置可移动的约束装置，且约束装置垂直于承台表面设置，两个约束装置之间距离的调节可以实现试件的限位作用，这里约束装置可以是和承台同材料制作的板状结构。

由于本申请设计的试验装置要满足两种试验环境，这里对两种试验环境的模拟方法先做分别的分析，图3所示，当采用试验装置进行单边冻融试验时，包括以下步骤：

步骤S11：将试件放置在承台上，移动约束装置将试件固定在承台表面；

步骤S12：操作控制柜，启动伸缩杆，将承台底面的密封橡胶条与挡板表面的密封橡胶条密合，试验腔室内分成两个密闭空间；

步骤S13：水箱内的制冷液体经过蒸发器、压缩机、冷凝器、过滤器以及膨胀阀后重新回到蒸发器，此时启动蒸发器与试验腔室入水口之间的水泵，将冷却后的制冷液体由试验腔室的入水口进入试验腔室；

步骤S14：试验腔室内位于承台下方的密闭空间内注入的制冷液体达到预设高度时，触发位于试验腔室侧壁的红外线传感器，试验腔室的出水口打开，制冷液体流入水箱，形成液体介质流动循环；

步骤S15：试件冷冻达到预设时间后，控制柜向制冷结构发送关闭指令，入水口关闭，直至试验腔室内的制冷液体全部流入水箱；

步骤S16：启动第二管道上的水泵，将制冷液体输入试验腔室，控制柜向加热装置发送开启指令，将试验腔室内的制冷液体加热至预设温度，进行试件的单边冻融试验。

图4所示，当采用试验装置进行干湿循环试验时，包括以下步骤：

步骤S21：将试件放置在承台上，移动约束装置将试件固定在承台表面；

步骤S22：操作控制柜，启动伸缩杆，将承台底面的密封橡胶条与挡板表面的密封橡胶条分开，试验腔室内分成的两个密闭空间连通；

步骤S23：启动第二管路上的水泵，盐溶液输入试验腔室，盐溶液达到预设高度时，触发位于试验腔室侧壁的红外线传感器，此时试件浸没在盐溶液内，关闭第二管路上的水泵；

步骤S24：试件在盐溶液中浸泡至预设时间后，打开试验腔室的出水口，盐溶液向水箱输送；

步骤S25：当试验腔室内的盐溶液排净后，打开烘干机，对试件烘干，进行试件的干湿循环试验。

最后就是采用上述的试验方式进行冻融-干湿耦合对氯离子渗透性影响的试验，在试验前，先确定试件的制作方法，在模具内按照固定的距离插入钛金属探针23，接着在模具内浇筑混凝土，形成如图5所示的试件；定义试件的表面为测试面，试件除去测试面的其余面涂抹环氧树脂。试验具体包括以下步骤：

步骤S1：根据结构图，采用混凝土浇筑试件；

步骤S2：选择达到预设龄期的试件放入试验腔室内，采用权利要求6以及权利要求7所述的试验方法进行冻融-干湿交叉耦合试验，其中设定冻融试验次数为n次，干湿循环试验为m次， n和m根据气象数据统计的各沿海寒冷地区累年年均正负温交替次数来设定；

步骤S3：将经过冻融-干湿交叉耦合试验后的试件取出，利用交流阻抗仪测试相邻两个钛金属探针之间的交流阻抗，并解析处该层孔溶液电阻率，根据电阻率的差异程度判断氯离子的渗透深度。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。