利用低溫冷凍試驗箱改造混凝土快速凍融試驗機

楊永恒 曹萬智

（1西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州730030）2甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州730030）

1 前言

混凝土抗凍性能是混凝土長期性能和耐久性能的一個重要指標，國標GB/T82-85對普通混凝土抗凍性能的試驗規(guī)定了兩種方法：慢凍法和快凍法，并指出快凍法特別適用于抗凍性要求較高的混凝土。近年來，由于對混凝土長期性能和耐久性能的要求不斷提高，快凍法越來越多的被使用。

快凍法試驗需要混凝土快速凍融試驗機來完成，市售的混凝土快速凍融試驗機價格國產(chǎn)的一般都在十幾二十萬元，進口的在三四十萬，這對實驗室來說是一筆不小的投資。

一般的材料實驗室都會有低溫冷凍試驗箱，考慮用低溫冷凍試驗箱通過改造來實現(xiàn)混凝土快速凍融，滿足混凝土快速凍融試驗機的要求不失為一個好的思路，這樣可以達到一機多用，節(jié)省投資。

2 現(xiàn)有基礎(chǔ)

低溫冷凍試驗箱1臺，容積1m3，水冷，最低溫度可以到-30℃。

3 達到的目的

國標GB/T82-85對混凝土快速凍融的凍融循環(huán)過程的要求：

（1）每次凍融循環(huán)應(yīng)在2～4小時內(nèi)完成，其中用于融化的時間不得小于整個凍融時間的1/4。

（2）在凍結(jié)和融化終了時，試件中心溫度應(yīng)分別控制在-17±2℃和8±2℃。

（3）試件從6℃降至-15℃所用的時間不得少于凍結(jié)時間的1/2。試件從-15℃升至6℃所用的時間不得少于整個融化時間的1/2，試件內(nèi)外的溫差不宜超過28℃。

（4）凍和融之間的轉(zhuǎn)換時間不宜超過10分鐘。

（5）能在20～-20℃范圍內(nèi)測定試件中心溫度。溫度精度不低于±0.5℃。

（6）滿載運轉(zhuǎn)時凍融箱內(nèi)各點溫度的極差不得超過2℃。

工作的目的就是要使改造后的設(shè)備完全滿足上述要求，不但能用于快速凍融試驗，而且不影響用于常規(guī)冷凍。

4 實施方案

4.1 試驗箱的改造

原設(shè)備只有制冷功能，蒸發(fā)器的冷量靠自然對流傳遞，蒸發(fā)器設(shè)置在試驗箱的頂部。試驗箱空間分為兩層，中部有試樣托架。原設(shè)備是自然對流，換熱速度較慢，不能實現(xiàn)速凍速融的要求，為了加速凍融速度，我們在試驗箱內(nèi)同一側(cè)平行裝置兩臺Φ100mm軸流風機，使箱內(nèi)的空氣強制流動。軸流分機與水平面有一定的仰角，以使風能直接吹向蒸發(fā)器并形成循環(huán)風。在試驗箱的下部兩側(cè)裝置4個500W的電加熱管，用于融化時加熱。試驗箱內(nèi)的布置見圖1。

圖1 試驗箱內(nèi)布置圖

4.2 試件盒制作

標準要求

試件尺寸為100mm×100mm×400mm，

試件盒由1mm～2mm厚的鋼板制成。其凈截面尺寸應(yīng)為110mm×110mm，高度應(yīng)比試件高出50mm～100mm。試樣要求完全浸入水中，試件底部墊起后盒內(nèi)水面應(yīng)至少能高出試件頂面5mm。為保證經(jīng)久耐用，采用1mm不銹鋼板加工，下部和四側(cè)面有5mm厚橡膠定位塊?？紤]到制冷量的大小和試驗箱的容積，我們加工了10個試樣盒，9個用于試驗試樣，1個用于中心試樣，可以同時完成3組試樣的試驗。

4.3 控制器的設(shè)計

控制器要求達到能實現(xiàn)溫度顯示、溫度控制、凍融過程的轉(zhuǎn)化、凍融循環(huán)次數(shù)自動記錄等功能。為了達到這些功能，我們選用的主要元器件有：

（1）XSR30八通道無紙記錄儀1臺，銅電阻作為溫度傳感器。該記錄儀有可組態(tài)8點上下限報警功能，每個通道最多可用4個報警點，且有報警回差設(shè)置，報警繼電器原始狀態(tài)為常開，可直接或轉(zhuǎn)換為常閉狀態(tài)用于實現(xiàn)控制功能。零點修正和滿度修正功能，用于修正由于傳感器、引線、儀表本身或其它原因引起的測量誤差，以提高測量和顯示精度。各通道的溫度可以自動記錄、儲存并以曲線的形式顯示，方便即時查看凍融過程。

通道1為PID輸出控制，用來控制加熱時試驗箱內(nèi)的加熱溫度。PID變送輸出電壓0～5v可調(diào)，便于實現(xiàn)加熱溫度的精確控制和加熱功率的調(diào)節(jié)。通過最高溫度和加熱功率的控制，達到速融過程的控制。通道2測量中心試樣的中心溫度，用于判斷凍和融的結(jié)束和控制凍融轉(zhuǎn)換。其它通道用于測量試樣的表面溫度和布置在試驗箱的上中下等不同位置，用于測量和觀察試驗箱的溫度均勻度。

（2）ZSGJ單設(shè)定數(shù)顯計數(shù)控制器兩臺，該計數(shù)控制器可用開關(guān)量、電平脈沖作為輸入信號來計數(shù)，帶有控制繼電器，計數(shù)斷電有儲存。我們用于凍融循環(huán)次數(shù)的統(tǒng)計。其中一個用于統(tǒng)計每一個凍融單元（比如凍融25次測量一次動彈性模量）的凍融次數(shù)，達到設(shè)定值自動停機并報警，測量完動彈性模量后清零就可重新啟動設(shè)備，另一個用于總的凍融循環(huán)次數(shù)的統(tǒng)計。ZSGJ單設(shè)定數(shù)顯計數(shù)控制器線柱圖見圖2。

圖2 ZSGJ計數(shù)控制器引腳圖

（3）JGXH2調(diào)壓型調(diào)壓模塊一塊，用于驅(qū)動電加熱管工作。該模塊由控制端0～5v電壓的變化，實現(xiàn)對輸出電壓的無極調(diào)節(jié)，能保證溫度的精確控制?？刂贫?～5v電壓由無紙記錄儀通道1的PID輸出控制提供，因為無紙記錄儀的PID輸出電壓上下限可以設(shè)定，比如上限設(shè)定為4v時，輸出電壓是220 v的80%左右，因此可以實現(xiàn)加熱功率的無極調(diào)節(jié)，通過改變加熱功率，可以實現(xiàn)對速融時間的控制。

一次凍融循環(huán)時間的長短取決于速凍過程的長短，所以速凍的時間不需要控制，應(yīng)在比較快的時間內(nèi)完成，速凍過程受壓縮機的制冷量、熱交換過程的效果、試樣箱內(nèi)試樣的多少的影響，應(yīng)根據(jù)具體情況以使過程滿足試驗要求。電器控制原理圖見圖3。

圖3 電器控制原理圖

5 工作原理

XSR30記錄儀通道1是加熱時試驗箱內(nèi)溫度控制，設(shè)定通道1溫度控制點為35℃（以達到融化要求的條件為準，根據(jù)試驗確定）。報警繼電器RL1、RL2、RL3定義在通道2上，同時定義RL1為低限報警，設(shè)置報警溫度為-15℃，RL2、RL3為高限和高高限報警，設(shè)置報警溫度都為6℃。RL1是制冷控制點，RL2是加熱控制點，RL3提供凍融次數(shù)計數(shù)信號。

常規(guī)冷凍過程：

K1、K2斷開，開總電源開關(guān)，XSR30記錄儀上電準備，K1的12點接通，當溫度高于記錄儀設(shè)定的低限報警溫度時，RL1常開，J3導通，制冷壓縮機工作；當達到或低于設(shè)定的低限報警溫度時，RL1閉合，反向繼電器J1通電，J1常閉觸點斷開，制冷電路斷開，停止制冷；當溫度升高到記錄儀回差控制點外，RL1斷開，反向繼電器J1斷電，J1常閉觸點閉合，制冷電路導通，壓縮機工作，這樣就達到常規(guī)制冷控制要求。

凍融循環(huán)過程：K1、K2斷開，開總電源開關(guān)，XSR30記錄儀上電準備，K1的13、1/3/觸點接通；當溫度高于記錄儀設(shè)定的低限報警溫度時，RL1常開，J3導通，制冷壓縮機工作；在溫度降低到XSR30記錄儀高限報警溫度（6℃）以下后，閉合K2，計數(shù)器上電工作；當達到或低于設(shè)定的低限報警溫度時，RL1閉合，反向繼電器J1通電，J1常閉觸點斷開，制冷電路斷開，停止制冷，同時加熱電路中J1常開觸點閉合，加熱電路導通，開始加熱；當加熱到XSR30記錄儀高限報警溫度時，RL3閉合，計數(shù)器計數(shù)一次；RL2閉合，反向繼電器J2上電，J2常閉觸點斷開，停止加熱，同時制冷電路中J2常閉觸點斷開，反向繼電器J1斷電，制冷電路導通，開始制冷；過程會周而復始，當計數(shù)器計數(shù)達到設(shè)定的值時，計數(shù)器常閉觸點斷開，停機并觸發(fā)報警電路，提示工作人員進行后續(xù)工作，計數(shù)器清零后可繼續(xù)開始。

6 具體操作

為保證箱內(nèi)空氣的流動，試樣的放置應(yīng)沿軸流分機的風向放置，10個試樣盒在試驗箱內(nèi)分兩層放置，每層放置5個，保證一定的水平。試驗時應(yīng)定期觀察試樣盒的水量并及時加水（最好在融化環(huán)節(jié)），以使水面應(yīng)至少能高出試件頂面5mm。

通道2的溫度傳感器預(yù)埋入中心試樣的中心，用于測定試樣的中心溫度，要正確定義通道2的報警溫度值。常規(guī)制冷低限報警RL1設(shè)置為所需要的制冷溫度，凍融循環(huán)時RL1低限報警設(shè)置為-15℃，RL2、RL3高限報警和高高限報警設(shè)置為6℃。

常規(guī)制冷時不用開計數(shù)器電源開關(guān)K2。凍融循環(huán)時在每次開機前都需要斷開計數(shù)器電源開關(guān)K2，當中心試樣的中心溫度降低到通道2的高限報警溫度之下時再打開K2，因為當溫度越過高限報警溫度一次，計數(shù)器會計數(shù)一次，從高溫向低溫轉(zhuǎn)化越過高限報警是一次誤計數(shù)，只有從低溫向高溫轉(zhuǎn)化越過高限報警時才表示一個凍融過程的完成，才應(yīng)該計數(shù)一次。

7 結(jié)論

1）通過試驗，證明此次改造完全滿足標準和實驗要求，通過了計量部門的實驗設(shè)備校驗，投入運行。

2）實現(xiàn)了一機多用，節(jié)約了設(shè)備投入費用，在較小投入的情況下，滿足了實驗室對設(shè)備的需求。

3）整個改造投入不足1萬元，真正體現(xiàn)了經(jīng)濟實用。