CN101620217B - 混凝土耐久性试验侵蚀溶液浓度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的混凝土耐久性试验侵蚀溶液浓度控制装置，其由缓冲槽(1)、循环泵(2)、实验环境箱(3)、滴定泵(4)、测量槽(5)、控制器(6)、回收槽(9)和阀组成，其中：缓冲槽与离子补充阀(7)和补水阀(8)连通，还由循环泵连通实验环境箱；实验环境箱通过滴定泵与测量槽相连；控制器通过测量电极连接测量槽，还由数据线连接离子补充阀和补水阀；回收槽(9)由排液阀(10)连通实验环境箱。本发明用于自动调节混凝土耐久性实验，以模拟实验环境箱内的侵蚀溶液有害离子浓度，保证混凝土耐久性实验试件所处环境有害离子浓度稳定在设定的范围。本发明实现了侵蚀溶液的浓度在线控制，丰富了混凝土耐久性试验的功能。

Description

混凝土耐久性试验侵蚀溶液浓度控制装置

技术领域

本发明涉及混凝土耐久性研究领域，特别是涉及一种用来自动调节混凝土耐久性研究试验中侵蚀溶液浓度，对混凝土试件进行状态约束模拟、温度/湿度环境调节，有害介质侵蚀等协同模拟，为混凝土结构耐久性试验提供研究平台。

背景技术

混凝土结构是目前使用最为广泛的结构形式，我国在役以混凝土结构为主体的结构工程在数量上居于绝对支配地位，存在着“南锈北冻”的耐久性破坏特征，海洋气候等恶劣环境中重大混凝土结构的耐久性问题在理论上尚未完善解决。混凝土结构受使役环境的影响，一些缺陷将引发裂缝形成，裂缝扩展，材料开裂，直至混凝土结构失效。由于混凝土结构耐久性不良导致结构过早失效或破坏的工程实例很多，并由此造成了巨大的经济损失。因此，对混凝土结构耐久性的研究正在引起土木工程界的高度重视，并成为混凝土学科研究的一个重点。

申请者研制了约束可调式单轴温度-应力试验机(ZL200620099396.0)，是一种研究混凝土早期的水化特性、应力发展、变形模量以及徐变等特性的设备。环境箱是约束可调式单轴温度-应力试验机上的一个重要装置。分流式内加湿型环境箱(ZL200610018571.3)是一种能够模拟外界自然环境的装置提供一种分流式内加湿型环境箱。采用分流技术和内置加湿原理，提高了加湿的精度，实现了水循环利用。

氯离子侵蚀会造成氯盐环境中混凝土结构耐久性的恶化。氯离子通过扩散等途径渗透至混凝土内部与钢筋表面亚铁离子反应形成蚀点，消耗氢氧根离子，降低了蚀点孔隙液的PH值，破坏了该区域的钝化膜，导致钢筋，结构破坏。为提高氯盐坏境中混凝土结构的耐久性，需要模拟氯盐环境，建立混凝土结构耐久性评估体系。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有混凝土耐久性试验装置中有害离子侵蚀控制环境的空白，提供一种侵蚀溶液浓度控制装置，构建应力状态约束、环境温度/湿度、有害介质侵蚀的协同作用的混凝土结构使役环境智能模拟系统。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的混凝土耐久性试验侵蚀溶液浓度控制装置，其由缓冲槽、循环泵、实验环境箱、滴定泵、测量槽、控制器、回收槽和阀组成，其中：缓冲槽与离子补充阀和补水阀连通，还由循环泵连通实验环境箱；实验环境箱通过滴定泵与测量槽相连；控制器通过测量电极连接测量槽，还由数据线连接离子补充阀和补水阀；回收槽由排液阀连通实验环境箱。

本发明提供的混凝土耐久性试验侵蚀溶液浓度控制装置，其用于自动调节混凝土耐久性实验，该实验模拟实验环境箱内的侵蚀溶液有害离子浓度，保证混凝土耐久性实验试件所处环境有害离子浓度稳定在设定的范围。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.现有混凝土耐久性试验机在侵蚀溶液注入与浓度控制方面还存在着空白，而本控制装置着力解决了此问题，可与应力状态约束、环境温度/湿度协同作用，构建完善的混凝土结构使役环境智能模拟系统。

2.采用直读式的离子浓度控制器，避免了传统滴定测量中繁琐的工序，便于信号的采集。

3.采用溶液缓冲调节与循环注入方式，保证了实验环境箱中侵蚀溶液的浓度均匀，避免了环境箱内局部溶液浓度不均，造成试验效果失准。

4.整个控制装置结构简洁，工作可靠性高，采用单片机为控制单元，便于与上位机进行通讯和数据传送，可提高整个侵蚀溶液浓度控制系统的自动化程度，减轻了操作人员的工作强度，免除了不必要的人力浪费。

附图说明

图1是本发明的混凝土耐久性试验侵蚀溶液浓度控制系统结构图。

图2是本发明的氯离子浓度控制器结构图。

图中：1.缓冲槽；2.循环泵；3.实验环境箱；4.滴定泵；5.测量槽；6.控制器；7.离子补充阀；8.补水阀；9.回收槽；10排液阀；11电磁搅拌器；12.测量电极13.电解电极；14.取样电阻；15.V/F变换器；16.终点指示电极；17.极化电压；18.单片机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的混凝土耐久性试验侵蚀溶液浓度控制装置，其结构如图1所示：由缓冲槽1、循环泵2、实验环境箱3、滴定泵4、测量槽5、控制器6、回收槽9和阀组成。其中：缓冲槽1与离子补充阀7和补水阀8连通，还由循环泵2连通实验环境箱3；该缓冲槽通过定时循环保持两槽中溶液浓度均匀。实验环境箱3通过滴定泵4与测量槽5相连，根据工艺要求得到定量实验环境中的侵蚀溶液。控制器6通过测量电极连接测量槽5，还由数据线连接离子补充阀7和补水阀8。回收槽9由排液阀10连通实验环境箱3。

所述缓冲槽1内安装有电磁搅拌器11，以保证其内部溶液浓度均匀。

所述控制器6可采用直读氯离子浓度控制器，其结构如图2所示：由测量电极、取样电阻14、V/F变换器15和单片机18组成。测量电极由4个银电极组成，一对为与测量槽5相连的电解电极13，该电解电极经取样电阻14、V/F变换器15与单片机18相连；一对为经极化电压17与单片机18相连的终点指示电极16。测量槽5内的电解液为用去离子水稀释的硝酸溶液。控制器6采用嵌入式技术，通过单片机18接收和处理实时测量侵蚀离子浓度数据，在线测量溶液中有害离子浓度并与设定值进行比较，得出控制策略，根据比较结果驱动执行装置调节侵蚀溶液浓度，即控制离子补充阀7或补水阀8调节缓冲槽1内溶液离子的浓度，并且通过循环通道调节实验环境箱3内溶液浓度，达到控制目的。

本发明所述部分部件可以外购。例如：循环泵2可采用温州东海轻工机械厂提供的双密封循环泵来实现，滴定泵4可采用德国GroTech款滴定泵来实现，离子补充阀7、补水阀8、排液阀10可采用BSZW-40J零压启动电磁阀来实现，单片机18可采用INTEL公司的89C51型单片机来实现，V/F变换器15可采用LM331来实现。

本发明所述缓冲槽1、测量槽5和回收槽9可根据需要大小自制加工实现，注意防腐处理。实验环境箱3可采用约束可调式单轴温度-应力试验机(ZL200620099396.0)中的环境箱。

本发明提供的控制器6，其工作原理如下：

由于电解一克当量任何物质需要消耗96500库伦的电量，Q＝∫Idt，I为电解电流，溶液中氯离子含量为M＝CV，C为氯离子浓度(毫克/升)，V为体积(升)，I＝V/R，R为取样电阻14，V为取样电阻上的电压，所以：

96500×CV/35.5＝∫Idt。

这样，即可得到溶液中氯离子浓度：C＝35.5∫Vdt/9.65×10^-4VR＝3.679×10⁴∫Vdt/VR。

采用V/F变换器15，其频率数与电压值(毫伏)相等，计量泵每次进量1毫升，则：

∫fdt＝∫mVdt，取样电阻的阻值确定可取3.679×10⁴×10^-3/RV＝1。最终，可确定溶液氯离子浓度为：C＝∫fdt。

极化电压17由1N4735稳压管提供，经过电位器调节输出0至250mV的可调电压，由反应中极化电压的突变确定电解终点；取样电阻14上的电压经过V/F变换器15输出一定频率的脉冲信号，脉冲驱动单片机18内计数器计数，即可得到需要的浓度值。

本发明提供的混凝土耐久性试验侵蚀溶液浓度控制装置，能自动调节混凝土使役环境智能模拟实验环境箱3中的侵蚀溶液有害离子浓度浓度，保证在整个试验过程中，有害离子浓度在温/湿度模拟环境的协同作用下保持在规定的浓度范围之内。缓冲槽1与实验环境箱3中溶液浓度可通过定时启用循环达到均匀。控制器6由电解电极在反应中所消耗的电量得出实时侵蚀离子浓度，以采用准确的控制策略。

在实际试验过程中，侵蚀溶液浓度为给定的模拟环境中可能存在的特定值，由于温湿度调节等协同作用，会造成试验环境箱中溶液浓度发生变化，为了实验在设定的模拟环境中继续进行，需要对溶液浓度进行有效的调节。其过程如下：

控制器6定时采集实验环境箱3中的侵蚀溶液进入测量槽5，此时，单片机18收到中断信号，给电解电极13和终点指示电极16供电，同时单片机片内计数器接收由连接在取样电阻14上的V/F变换器15的输出脉冲开始计数，电解电极13与注入测量槽5的氯离子反应生成AgCl沉淀，当反应结束时，终点指示电极16的极化电压17发生突变，单片机计数器停止工作。设此时计数器的值为m，则C＝m即为环境试验箱中氯离子的实时浓度。单片机对测量结果进行存储与分析，得出理想的控制策略，计算出离子补充阀7或补水阀8的通断时间，并控制相应的阀门通断，使得实验环境箱3中的侵蚀溶液保持在给定值。在试验过程中，上述过程定时循环发生，以保证试验质量，得出混凝土耐久性的可靠数据。

Claims (9)

1.一种混凝土耐久性试验侵蚀溶液浓度控制装置，其特征是该控制装置由缓冲槽(1)、循环泵(2)、实验环境箱(3)、滴定泵(4)、测量槽(5)、控制器(6)、回收槽(9)和阀组成，其中：缓冲槽(1)与离子补充阀(7)和补水阀(8)连通，还由循环泵(2)连通实验环境箱(3)；实验环境箱(3)通过滴定泵(4)与测量槽(5)相连；控制器(6)通过测量电极连接测量槽(5)，还由数据线连接离子补充阀(7)和补水阀(8)；回收槽(9)由排液阀(10)连通实验环境箱(3)；控制器(6)采用嵌入式技术，通过单片机(18)接收和处理实时测量侵蚀离子浓度数据，在线测量溶液中有害离子浓度并与设定值进行比较，得出控制策略，根据比较结果驱动执行装置调节侵蚀溶液浓度，即控制离子补充阀(7)或补水阀(8)调节缓冲槽(1)内溶液离子的浓度，并且通过循环通道调节实验环境箱(3)内溶液浓度，达到控制目的。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于控制器(6)由测量电极在反应中所消耗的电量得出实时侵蚀离子浓度，以采用准确的控制策略。

3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于控制器(6)由取样电阻(14)、V/F变换器(15)、单片机(18)和测量电极(12)组成，其中：测量电极由4个电极组成，一对为与测量槽(5)相连的电解电极(13)，该电解电极经取样电阻(14)、V/F变换器(15)与单片机(18)相连；一对为经极化电压(17)与单片机(18)相连的终点指示电极(16)。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于电解电极(13)和终点指示电极(16)均采用银电极。

5.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于测量槽(5)内的电解液为用去离子水稀释的硝酸溶液。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于缓冲槽(1)内安装有电磁搅拌器(11)，保证其内部溶液浓度均匀，缓冲槽(1)与实验环境箱(3)中的溶液浓度通过循环通道保持相等。

7.权利要求1至6中任一权利要求所述控制装置的用途，其特征在于该控制装置用于自动调节混凝土耐久性实验，该实验模拟实验环境箱(3)内的侵蚀溶液有害离子浓度，保证混凝土耐久性实验试件所处环境有害离子浓度稳定在设定的范围。

8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于调节溶液离子浓度在缓冲槽(1)中进行，并通过循环通道采用定时循环方式，使该缓冲槽与实验环境箱(3)中的溶液浓度保持均匀；实验环境箱(3)由排液阀连通回收槽(9)，收集试验废液，实验环境箱(3)通过滴定泵(4)根据工艺要求得到定量实验环境中的侵蚀溶液；控制器(6)在线测量实验环境箱(3)的溶液中有害离子浓度并与设定值进行比较，根据比较结果控制离子补充阀(7)和补水阀(8)调节缓冲槽(1)内溶液的浓度，通过循环通道调节实验环境箱(3)内溶液浓度，达到控制目的。

9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于控制器(6)的极化电压(17)由1N4735稳压管提供，经过电位器调节输出0至250mV的可调电压，由反应中极化电压的突变确定电解终点；取样电阻(14)上的电压经过V/F变换器(15)输出一定频率的脉冲信号，脉冲驱动单片机(18)内计数器计数，得到需要的离子浓度值。

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