楊永恒 曹萬智

（1西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730030）2甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)重要指標(biāo)，國標(biāo)GB/T82-85對(duì)普通混凝土抗凍性能的試驗(yàn)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(duì)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(yàn)需要混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)來完成，市售的混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)價(jià)格國產(chǎn)的一般都在十幾二十萬元，進(jìn)口的在三四十萬，這對(duì)實(shí)驗(yàn)室來說是一筆不小的投資。

一般的材料實(shí)驗(yàn)室都會(huì)有低溫冷凍試驗(yàn)箱，考慮用低溫冷凍試驗(yàn)箱通過改造來實(shí)現(xiàn)混凝土快速凍融，滿足混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)的要求不失為一個(gè)好的思路，這樣可以達(dá)到一機(jī)多用，節(jié)省投資。

2 現(xiàn)有基礎(chǔ)

低溫冷凍試驗(yàn)箱1臺(tái)，容積1m3，水冷，最低溫度可以到-30℃。

3 達(dá)到的目的

國標(biāo)GB/T82-85對(duì)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(shí)內(nèi)完成，其中用于融化的時(shí)間不得小于整個(gè)凍融時(shí)間的1/4。

（2）在凍結(jié)和融化終了時(shí)，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(shí)間不得少于凍結(jié)時(shí)間的1/2。試件從-15℃升至6℃所用的時(shí)間不得少于整個(gè)融化時(shí)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(shí)間不宜超過10分鐘。

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

（6）滿載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)凍融箱內(nèi)各點(diǎn)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(yàn)，而且不影響用于常規(guī)冷凍。

4 實(shí)施方案

4.1 試驗(yàn)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(duì)流傳遞，蒸發(fā)器設(shè)置在試驗(yàn)箱的頂部。試驗(yàn)箱空間分為兩層，中部有試樣托架。原設(shè)備是自然對(duì)流，換熱速度較慢，不能實(shí)現(xiàn)速凍速融的要求，為了加速凍融速度，我們?cè)谠囼?yàn)箱內(nèi)同一側(cè)平行裝置兩臺(tái)Φ100mm軸流風(fēng)機(jī)，使箱內(nèi)的空氣強(qiáng)制流動(dòng)。軸流分機(jī)與水平面有一定的仰角，以使風(fēng)能直接吹向蒸發(fā)器并形成循環(huán)風(fēng)。在試驗(yàn)箱的下部兩側(cè)裝置4個(gè)500W的電加熱管，用于融化時(shí)加熱。試驗(yàn)箱內(nèi)的布置見圖1。

圖1 試驗(yàn)箱內(nèi)布置圖

4.2 試件盒制作

標(biāo)準(zhǔn)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。考慮到制冷量的大小和試驗(yàn)箱的容積，我們加工了10個(gè)試樣盒，9個(gè)用于試驗(yàn)試樣，1個(gè)用于中心試樣，可以同時(shí)完成3組試樣的試驗(yàn)。

4.3 控制器的設(shè)計(jì)

控制器要求達(dá)到能實(shí)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(dòng)記錄等功能。為了達(dá)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(tái)，銅電阻作為溫度傳感器。該記錄儀有可組態(tài)8點(diǎn)上下限報(bào)警功能，每個(gè)通道最多可用4個(gè)報(bào)警點(diǎn)，且有報(bào)警回差設(shè)置，報(bào)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(shí)現(xiàn)控制功能。零點(diǎn)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(cè)量誤差，以提高測(cè)量和顯示精度。各通道的溫度可以自動(dòng)記錄、儲(chǔ)存并以曲線的形式顯示，方便即時(shí)查看凍融過程。

通道1為PID輸出控制，用來控制加熱時(shí)試驗(yàn)箱內(nèi)的加熱溫度。PID變送輸出電壓0～5v可調(diào)，便于實(shí)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(dá)到速融過程的控制。通道2測(cè)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(cè)量試樣的表面溫度和布置在試驗(yàn)箱的上中下等不同位置，用于測(cè)量和觀察試驗(yàn)箱的溫度均勻度。

（2）ZSGJ單設(shè)定數(shù)顯計(jì)數(shù)控制器兩臺(tái)，該計(jì)數(shù)控制器可用開關(guān)量、電平脈沖作為輸入信號(hào)來計(jì)數(shù)，帶有控制繼電器，計(jì)數(shù)斷電有儲(chǔ)存。我們用于凍融循環(huán)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)。其中一個(gè)用于統(tǒng)計(jì)每一個(gè)凍融單元（比如凍融25次測(cè)量一次動(dòng)彈性模量）的凍融次數(shù)，達(dá)到設(shè)定值自動(dòng)停機(jī)并報(bào)警，測(cè)量完動(dòng)彈性模量后清零就可重新啟動(dòng)設(shè)備，另一個(gè)用于總的凍融循環(huán)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)。ZSGJ單設(shè)定數(shù)顯計(jì)數(shù)控制器線柱圖見圖2。

圖2 ZSGJ計(jì)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(dòng)電加熱管工作。該模塊由控制端0～5v電壓的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的無極調(diào)節(jié)，能保證溫度的精確控制。控制端0～5v電壓由無紙記錄儀通道1的PID輸出控制提供，因?yàn)闊o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(shí)，輸出電壓是220 v的80%左右，因此可以實(shí)現(xiàn)加熱功率的無極調(diào)節(jié)，通過改變加熱功率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)速融時(shí)間的控制。

一次凍融循環(huán)時(shí)間的長短取決于速凍過程的長短，所以速凍的時(shí)間不需要控制，應(yīng)在比較快的時(shí)間內(nèi)完成，速凍過程受壓縮機(jī)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(yàn)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(shí)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度控制，設(shè)定通道1溫度控制點(diǎn)為35℃（以達(dá)到融化要求的條件為準(zhǔn)，根據(jù)試驗(yàn)確定）。報(bào)警繼電器RL1、RL2、RL3定義在通道2上，同時(shí)定義RL1為低限報(bào)警，設(shè)置報(bào)警溫度為-15℃，RL2、RL3為高限和高高限報(bào)警，設(shè)置報(bào)警溫度都為6℃。RL1是制冷控制點(diǎn)，RL2是加熱控制點(diǎn)，RL3提供凍融次數(shù)計(jì)數(shù)信號(hào)。

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(zhǔn)備，K1的12點(diǎn)接通，當(dāng)溫度高于記錄儀設(shè)定的低限報(bào)警溫度時(shí)，RL1常開，J3導(dǎo)通，制冷壓縮機(jī)工作；當(dāng)達(dá)到或低于設(shè)定的低限報(bào)警溫度時(shí)，RL1閉合，反向繼電器J1通電，J1常閉觸點(diǎn)斷開，制冷電路斷開，停止制冷；當(dāng)溫度升高到記錄儀回差控制點(diǎn)外，RL1斷開，反向繼電器J1斷電，J1常閉觸點(diǎn)閉合，制冷電路導(dǎo)通，壓縮機(jī)工作，這樣就達(dá)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(zhǔn)備，K1的13、1/3/觸點(diǎn)接通；當(dāng)溫度高于記錄儀設(shè)定的低限報(bào)警溫度時(shí)，RL1常開，J3導(dǎo)通，制冷壓縮機(jī)工作；在溫度降低到XSR30記錄儀高限報(bào)警溫度（6℃）以下后，閉合K2，計(jì)數(shù)器上電工作；當(dāng)達(dá)到或低于設(shè)定的低限報(bào)警溫度時(shí)，RL1閉合，反向繼電器J1通電，J1常閉觸點(diǎn)斷開，制冷電路斷開，停止制冷，同時(shí)加熱電路中J1常開觸點(diǎn)閉合，加熱電路導(dǎo)通，開始加熱；當(dāng)加熱到XSR30記錄儀高限報(bào)警溫度時(shí)，RL3閉合，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次；RL2閉合，反向繼電器J2上電，J2常閉觸點(diǎn)斷開，停止加熱，同時(shí)制冷電路中J2常閉觸點(diǎn)斷開，反向繼電器J1斷電，制冷電路導(dǎo)通，開始制冷；過程會(huì)周而復(fù)始，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，計(jì)數(shù)器常閉觸點(diǎn)斷開，停機(jī)并觸發(fā)報(bào)警電路，提示工作人員進(jìn)行后續(xù)工作，計(jì)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(dòng)，試樣的放置應(yīng)沿軸流分機(jī)的風(fēng)向放置，10個(gè)試樣盒在試驗(yàn)箱內(nèi)分兩層放置，每層放置5個(gè)，保證一定的水平。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)定期觀察試樣盒的水量并及時(shí)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(cè)定試樣的中心溫度，要正確定義通道2的報(bào)警溫度值。常規(guī)制冷低限報(bào)警RL1設(shè)置為所需要的制冷溫度，凍融循環(huán)時(shí)RL1低限報(bào)警設(shè)置為-15℃，RL2、RL3高限報(bào)警和高高限報(bào)警設(shè)置為6℃。

常規(guī)制冷時(shí)不用開計(jì)數(shù)器電源開關(guān)K2。凍融循環(huán)時(shí)在每次開機(jī)前都需要斷開計(jì)數(shù)器電源開關(guān)K2，當(dāng)中心試樣的中心溫度降低到通道2的高限報(bào)警溫度之下時(shí)再打開K2，因?yàn)楫?dāng)溫度越過高限報(bào)警溫度一次，計(jì)數(shù)器會(huì)計(jì)數(shù)一次，從高溫向低溫轉(zhuǎn)化越過高限報(bào)警是一次誤計(jì)數(shù)，只有從低溫向高溫轉(zhuǎn)化越過高限報(bào)警時(shí)才表示一個(gè)凍融過程的完成，才應(yīng)該計(jì)數(shù)一次。

7 結(jié)論

1）通過試驗(yàn)，證明此次改造完全滿足標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)要求，通過了計(jì)量部門的實(shí)驗(yàn)設(shè)備校驗(yàn)，投入運(yùn)行。

2）實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，節(jié)約了設(shè)備投入費(fèi)用，在較小投入的情況下，滿足了實(shí)驗(yàn)室對(duì)設(shè)備的需求。

3）整個(gè)改造投入不足1萬元，真正體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)實(shí)用。