CN103033465B - 强化加速氯离子单面传输或硫酸盐单面侵蚀的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种强化加速氯离子单面传输或硫酸盐单面侵蚀的试验装置，本发明由侵蚀性介质溶液储存箱及其循环控制子系统、强化干湿循环子系统、气流分布子系统、通风子系统、集中电控布置子系统组成，其中强化干湿循环子系统由绝热箱体内的预热空气混合室、强化型腐蚀工作室、热湿空气排出室组成（简称“1箱3室”）。本发明能使强化型腐蚀工作室内温度场温度分布均匀；采用三层气流分布板，能使强化型腐蚀工作室内风压分布均匀；采用强化干燥措施，能加速侵蚀性介质浸蚀试件的深度或劣化程度，进而显著缩短干湿循环的次数和试验周期，同比试验数据可靠。本发明为混凝土结构的耐久性研究与使用寿命评价，提供一种快速可供参考的检测设备。

Description

强化加速氯离子单面传输或硫酸盐单面侵蚀的试验装置

技术领域

本发明涉及一种基于干湿循环的强化加速氯离子单面传输或硫酸盐单面侵蚀的试验装置。

背景技术

随着海洋技术领域的快速发展，海工混凝土结构正越来越多地被广泛应用。同时新材料和新技术的应用，使得海工混凝土结构耐久性的研究与评价成为国内外的前沿课题。海水中含有硫酸盐、镁盐、氯盐等，是一种十分复杂的溶液。海水对海工混凝土结构的侵蚀是一个多因素的物理化学过程，并且受环境因素影响。混凝土结构受硫酸盐和镁盐侵蚀，产生膨胀性物质，引起膨胀开裂；氯离子传输渗透至钢筋表面并积聚到阈值时，在水分和氧气同时参与下，引起钢筋电化学腐蚀，导致结构失效破坏，进而影响其正常的使用功能。潮汐区的水位变动所引起的干湿循环交替作用，不仅会加速硫酸盐和镁盐的侵蚀，还会发生盐类(如NaSO₄)的结晶和再结晶的累积，由此产生的结晶压力可导致结构开裂，同时也会提高氯离子向混凝土内部的传输速率。此外，潮汐区混凝土还受到海浪的冲刷、冻融、紫外线照射、风蚀等环境因素交互作用的影响。因此，如实地模拟海洋环境潮汐区中有害介质对混凝土结构的侵蚀是不可实现的，并且装置内同比试件所处的试验工况条件难以均衡可控。目前所采用的试验装置中，人工模拟潮汐区干湿循环装置，试验时间长，费时费力，影响试验结果的因素较多，且操作过程复杂；现有的模拟潮汐区的自动化装置，试件多层放置，考虑了风速、温度、光照等多种影响因素，使得试验的变量因素过多，影响试验数据的准确性，可能会导致试验结果不符合预期要求。

国内外实践表明，混凝土结构由氯离子侵蚀引起的钢筋腐蚀，较冻害及物理化学作用引起的破坏更严重。国内现有试验研究结果表明，仅以(干湿循环作用下)氯离子溶液浸蚀混凝土的试验装置与其研究结果，足以表征模拟海洋环境潮汐区有害介质对混凝土结构的侵蚀作用，且试验条件精确。模拟海洋环境干湿循环作用下，氯离子溶液由混凝土单面经毛细管吸附向其内部传输的试验，试验过程中，试件在含有质量浓度为3％的氯化钠溶液中浸泡6h，随后试件在自然环境下干燥6h，共计75次循环，经时37.5d。同比试验中不同配比试件4组，每组试件6块，测试分析氯离子的渗透深度与之对应的氯离子相对混凝土的质量浓度。试验结果表明同比试验数据可靠。但是，根据物料干湿循环机制和物料干燥原理，通过开发与设计一种加速氯离子在混凝土中传输的试验装置，强化干湿循环试验过程，加速溶液中氯离子在混凝土中的传输渗透速度，进而缩短试验进程是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，即目前所采用的试验装置中，人工模拟潮汐区干湿循环装置，试验时间长，费时费力，影响试验结果的因素较多，且操作过程复杂；现有的模拟潮汐区的自动化装置，试件多层放置，同时考虑了风速、温度、光照等多种影响因素，且风为正压鼓风、装置没有设置绝热保温层并为敞开式、装置内多点光照模拟紫外线照射、或定期对试件淋水模拟干湿循环过程等，使得试验的变量因素过多，试验方法和试验参数精度上还只需推敲，影响同比试验数据的准确性，可能会导致试验结果不符合预期要求，干湿循环过程没有采取的强化措施。进而提供一种强化加速氯离子单面传输或硫酸盐单面侵蚀的试验装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种强化加速氯离子单面传输或硫酸盐单面侵蚀的试验装置，包括：一箱三室，即绝热箱体、预热空气混合室、强化型腐蚀工作室和热湿空气排出室，所述绝热箱体内的下层空间为预热空气混合室，所述绝热箱体内的上层空间为热湿空气排出室，所述绝热箱体内的下层空间和上层空间之间的中层空间即为强化型腐蚀工作室；所述一箱三室的内外设置有侵蚀性介质溶液储存箱及其循环控制系统、通风系统、气流分布系统和强化干湿循环系统。

所述一箱三室的内外设置有侵蚀性介质溶液储存箱及其循环控制系统、通风系统、气流分布系统和强化干湿循环系统；

所述侵蚀性介质溶液储存箱及其循环控制系统包括：含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱、循环泵、耐热PVC导管、氯离子浓度或硫酸盐浓度测定仪附件设备和液位控制器，含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱的上部设有氯离子浓度或硫酸盐浓度测定仪附件设备，循环泵的一端通过耐热PVC导管与含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱的内部相连通，循环泵的另一端通过耐热PVC导管与绝热箱体的内部相连通，液位控制器设置在绝热箱体内强化型腐蚀工作室的上部；

所述通风系统包括：进风金属管道、电加热元件、夹层绝热金属管、连接件、绝热垫片、绝热垫片的连接件、带盲孔的进风金属垫板支撑件、带盲孔的进风金属垫板、带有盲孔的排风金属垫板支撑件、带有盲孔的排风金属隔板、气流分布系统、耐腐蚀轴流排风机和排风风道，所述绝热箱体的两侧面相对错位布置有两个进风口，所述进风金属管道的下端与绝热箱体的进风口相连通，进风金属管道和绝热箱体的进风口之间固定有绝热垫片的连接件，进风金属管道的上部设有电加热元件，电加热元件的外部设有夹层绝热金属管，进风金属管道的中部设有连接件和绝热垫片，带盲孔的进风金属垫板支撑件的下端固定在绝热箱体内的底部，带盲孔的进风金属垫板支撑件的上端设置有带盲孔的进风金属垫板，带盲孔的进风金属垫板上开有金属垫板进风孔，带盲孔的进风金属垫板的上部用于放置试件，带盲孔的进风金属垫板下部的空间为预热空气混合室，带有盲孔的排风金属垫板支撑件的下端固定在绝热箱体内的底部，带有盲孔的排风金属垫板支撑件的上端设置有带有盲孔的排风金属隔板，带有盲孔的排风金属隔板上开有热湿空气排出孔，带盲孔的进风金属垫板和带有盲孔的排风金属隔板之间的空间为强化型腐蚀工作室，气流分布系统设置在绝热箱体内的上部，绝热箱体的顶部设置有耐腐蚀轴流排风机和排风风道。

本发明通过采用绝热箱体、多种金属换热原件，能使强化型腐蚀工作室内温度场温度分布均匀；采用三层气流分布板，能使强化型腐蚀工作室内风压分布均匀；采用强化干燥措施，能加速侵蚀性介质浸蚀试件的深度或劣化程度，进而显著缩短干湿循环的次数和试验周期，同比试验数据可靠。本发明为混凝土结构的耐久性研究与使用寿命评价，提供一种快速可供参考的检测设备。

附图说明

图1和图2是本发明强化加速氯离子单面传输或硫酸盐单面侵蚀的试验装置的结构示意图；

图3是强化加速氯离子单面传输或硫酸盐单面侵蚀的试验装置的侧视图；

图4是氯离子溶液或硫酸盐溶液循环控制系统结构示意图；

图5是带有盲孔的进风金属垫板及试件定位位置示意图；

图6是带有盲孔的排风金属隔板的结构示意图。

图中的附图标记13是液位位置，19是试件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本实施例提供的一种强化加速氯离子单面传输或硫酸盐单面侵蚀的试验装置，包括：一箱三室，即绝热箱体101、预热空气混合室102、强化型腐蚀工作室103和热湿空气排出室104，所述绝热箱体101内的下层空间为预热空气混合室102，所述绝热箱体101内的上层空间为热湿空气排出室104，所述绝热箱体101内的下层空间和上层空间之间的中层空间即为强化型腐蚀工作室103。

如图1～图6所示，所述一箱三室的内外设置有侵蚀性介质溶液储存箱及其循环控制系统、通风系统、气流分布系统和强化干湿循环系统。

所述侵蚀性介质溶液储存箱及其循环控制系统包括：含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱1、循环泵2、耐热PVC导管3、氯离子浓度或硫酸盐浓度测定仪附件设备4和液位控制器12，含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱1的上部设有氯离子浓度或硫酸盐浓度测定仪附件设备4，循环泵2的一端通过耐热PVC导管3与含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱1的内部相连通，循环泵2的另一端通过耐热PVC导管3与绝热箱体101的内部相连通，液位控制器12设置在绝热箱体101内强化型腐蚀工作室103的上部。

所述通风系统包括：进风金属管道5、电加热元件6、夹层绝热金属管7、连接件8、绝热垫片9、绝热垫片的连接件10、带盲孔的进风金属垫板支撑件15、带盲孔的进风金属垫板16、带有盲孔的排风金属垫板支撑件20、带有盲孔的排风金属隔板21、气流分布系统、耐腐蚀轴流排风机27和排风风道28，所述绝热箱体101的两侧面相对错位布置有两个进风口，所述进风金属管道5的下端与绝热箱体101的进风口相连通，进风金属管道5和绝热箱体101的进风口之间固定有绝热垫片的连接件10，进风金属管道5的上部设有电加热元件6，电加热元件6的外部设有夹层绝热金属管7，进风金属管道5的中部设有连接件8和绝热垫片9，带盲孔的进风金属垫板支撑件15的下端固定在绝热箱体101内的底部，带盲孔的进风金属垫板支撑件15的上端设置有带盲孔的进风金属垫板16，带盲孔的进风金属垫板16上开有金属垫板进风孔17，带盲孔的进风金属垫板16的上部用于放置试件19，带盲孔的进风金属垫板16下部的空间为预热空气混合室102，带有盲孔的排风金属垫板支撑件20的下端固定在绝热箱体101内的底部，带有盲孔的排风金属垫板支撑件20的上端设置有带有盲孔的排风金属隔板21，带有盲孔的排风金属隔板21上开有热湿空气排出孔22，带盲孔的进风金属垫板16和带有盲孔的排风金属隔板21之间的空间为强化型腐蚀工作室103，气流分布系统设置在绝热箱体101内的上部，绝热箱体101的顶部设置有耐腐蚀轴流排风机27和排风风道28。

所述气流分布系统包括气流分布板26，气流分布板26为三层，三层气流分布板26在高度方向上等距设置在绝热箱体101上部至热湿空气排出口的空间内，气流分布板26为耐热有机玻璃或金属板制成，开孔率≥43％，各层孔口错位布置，使风压处于均衡分布。

所述带盲孔的进风金属垫板16的厚度为3mm～5mm，金属垫板进风孔17的开孔直径为43mm，开孔数为154孔口，开孔率为39.2％；试件定位位置为宽度方向放置试件三排，每排间距50mm，长度方向放置试件八块，每块间距50mm。

带有盲孔的排风金属隔板21的材质为1Gr13Ni，厚度为3mm～5mm，开孔直径为45mm，开孔数为140孔口，开孔率为43％。

所述预热空气混合室102的长宽高尺寸为1250×500×100～150mm。

所述绝热箱体101的内部尺寸为1250mm×500mm×600～700mm，的材质为绝热真空双层耐热有机玻璃或绝热夹层1G13Ni不锈钢金属板。所述有机玻璃壁厚为5mm～10mm，绝热真空层厚度为5mm～10mm。

所述强化干湿循环系统包括：不锈钢内衬14、带盲孔的进风金属垫板支撑件15、带盲孔的进风金属垫板16、带有盲孔的排风金属垫板支撑件20、带有盲孔的排风金属隔板21，三支温湿度仪23、温湿度仪悬挂杆24和铂热电偶29，所述不锈钢内衬14贴附在绝热箱体101的内壁上，温湿度仪悬挂杆24固定在热湿空气排出室104内，温湿度仪悬挂杆24上固定有三支温湿度仪23，三支温湿度仪23的下端延伸到强化型腐蚀工作室103内，铂热电偶29固定在强化型腐蚀工作室103内且高于液位控制器12。

所述热湿空气排出室104的长宽高尺寸为1250×500×350～400mm。

所述强化型腐蚀工作室103的长宽高尺寸为1250mm×500mm×150mm。强化型腐蚀工作室集试件浸泡腐蚀室兼强化干燥室于一体。

所述绝热箱体101的两侧设有试件取放门25。

管道与管道之间的连接件、管道与绝热箱体之间的连接件，内设置绝热垫片，起到密封隔热连接作用，防止上部管道的热量传递下部管道或绝热箱。

所有金属板的材质均为1Gr13Ni。

试验方法

试验前打开试件取放门25，将相同数量的样品分别放入强化型腐蚀工作室103内相应的带盲孔的进风金属垫板16的放置点上，然后关上试件取放门25，在含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱1内倒入天然海水(氯离子溶液)。根据潮汐实际规律或研究的需要，通过集中电控系统设定涨潮(浸泡淹没)时间和落潮(晾干或风干)时间参数，氯离子溶液或硫酸盐溶液循环控制系统自动实现工作时间间隔为6小时。间参数设定后，再设定风干时的温度和吹风速度。

打开电源，启动集中电控按钮，循环泵2将含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱1中的溶液通过耐热PVC导管3将溶液抽至浸泡腐蚀室(强化型腐蚀工作室)中，直至含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱1中的水溶液全部被抽干，循环泵2停止工作，浸泡腐蚀室中的样品全部被浸泡。当浸泡腐蚀室的溶液上升至进风金属管道5内，并达到规定的浸泡高度时(完全浸泡)，液位控制器12发出命令(液位控制器12具有试验参数设定、断电记忆、全自动运行等功能)，循环泵2停止工作，进风金属管道5将进风管道内的溶液与电加热元件6分隔。当浸泡腐蚀室中的试件浸泡到设定的时间后，循环泵2又开始工作，从浸泡腐蚀室中往氯离子溶液或硫酸盐储存箱1中抽水，同样直至氯离子溶液或硫酸盐储存箱1内的含有侵蚀性介质溶液被抽干，循环泵2停止工作。溶液通过循环泵2在含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱1和浸泡腐蚀室之间循环利用。另外含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱1内的液位控制器保证试件全部被淹没，否则进行水位报警。

在每一次循环中，经一定的浸泡时间(6h)后，由循环泵2将浸泡腐蚀室内的溶液抽至含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱1内，同时进风金属管道5内的溶液也被排空；随后同时启动耐腐蚀轴流排风机27和电加热元件6，在负压作用下，冷空气由进风金属管道5吸入经电加热元件6加热至成为58℃±3℃的热空气，热空气由绝热箱体101两个端面设置直径为90mm的四个进风金属管道5进入热风混合室，同时气流流动过程中受到支撑件和带有盲孔的带盲孔的进风金属垫板16的阻扰；热空气在预热空气混合室102内充分混合，并在负压作用下透过带有盲孔的排风金属隔板21进入干燥室，各股热气流之间再次形成扰动；由于干燥室的四壁均为不锈钢材质和带有盲孔的排风金属垫板支撑件20之间的热传导，使得干燥室内温度均匀分布并能够维持在设计温范围55℃±3℃内、风速维持在5m/s～10m/s。强化干燥阶段持续规定的时间(如6h)后，首先电加热元件6断电，随即耐腐蚀轴流排风机27停止工作，开启循环泵2，由含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱1内向试件浸泡腐蚀室内输进溶液。抽至绝热箱体底部高度为250mm时则循环泵2自动停止工作，由此完成一个干湿循环过程。依次递进经历规定的试验循环后，试验结束。

在试验过程中，不间断的实行温度和湿度的监测和氯离子浓度的监测，所用到的设备有温湿度仪23和氯离子浓度或硫酸盐浓度测定仪附件设备4。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种强化加速氯离子单面传输或硫酸盐单面侵蚀的试验装置，其特征在于，包括：一箱三室，即绝热箱体、预热空气混合室、强化型腐蚀工作室和热湿空气排出室，所述绝热箱体内的下层空间为预热空气混合室，所述绝热箱体内的上层空间为热湿空气排出室，所述绝热箱体内的下层空间和上层空间之间的中层空间即为强化型腐蚀工作室；

所述一箱三室的内外设置有侵蚀性介质溶液储存箱及其循环控制系统、通风系统、气流分布系统和强化干湿循环系统；

所述侵蚀性介质溶液储存箱及其循环控制系统包括：含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱、循环泵、耐热PVC导管、氯离子浓度或硫酸盐浓度测定仪附件设备和液位控制器，含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱的上部设有氯离子浓度或硫酸盐浓度测定仪附件设备，循环泵的一端通过耐热PVC导管与含氯离子溶液或硫酸盐的介质溶液储存箱的内部相连通，循环泵的另一端通过耐热PVC导管与绝热箱体的内部相连通，液位控制器设置在绝热箱体内强化型腐蚀工作室的上部；

所述通风系统包括：进风金属管道、电加热元件、夹层绝热金属管、连接件、绝热垫片、绝热垫片的连接件、带盲孔的进风金属垫板支撑件、带盲孔的进风金属垫板、带有盲孔的排风金属垫板支撑件、带有盲孔的排风金属隔板、气流分布系统、耐腐蚀轴流排风机和排风风道，所述绝热箱体的两侧面相对错位布置有两个进风口，所述进风金属管道的下端与绝热箱体的进风口相连通，进风金属管道和绝热箱体的进风口之间固定有绝热垫片的连接件，进风金属管道的上部设有电加热元件，电加热元件的外部设有夹层绝热金属管，进风金属管道的中部设有连接件和绝热垫片，带盲孔的进风金属垫板支撑件的下端固定在绝热箱体内的底部，带盲孔的进风金属垫板支撑件的上端设置有带盲孔的进风金属垫板，带盲孔的进风金属垫板上开有金属垫板进风孔，带盲孔的进风金属垫板的上部用于放置试件，带盲孔的进风金属垫板下部的空间为预热空气混合室，带有盲孔的排风金属垫板支撑件的下端固定在绝热箱体内的底部，带有盲孔的排风金属垫板支撑件的上端设置有带有盲孔的排风金属隔板，带有盲孔的排风金属隔板上开有热湿空气排出孔，带盲孔的进风金属垫板和带有盲孔的排风金属隔板之间的空间为强化型腐蚀工作室，气流分布系统设置在绝热箱体内的上部，绝热箱体的顶部设置有耐腐蚀轴流排风机和排风风道。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述气流分布系统包括气流分布板，气流分布板为三层，三层气流分布板在高度方向上等距设置在绝热箱体上部至热湿空气排出口的空间内，气流分布板为耐热有机玻璃或金属板制成，开孔率≥43％，各层孔口错位布置。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述带盲孔的进风金属垫板的厚度为3mm～5mm，金属垫板进风孔的开孔直径为43mm，开孔数为154孔口，开孔率为39.2％。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述预热空气混合室的长宽高尺寸为1250×500×100～150mm。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述绝热箱体的材质为绝热真空双层耐热有机玻璃或绝热夹层1G13Ni不锈钢金属板。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述强化干湿循环系统包括：不锈钢内衬、带盲孔的进风金属垫板支撑件、带盲孔的进风金属垫板、带有盲孔的排风金属垫板支撑件、带有盲孔的排风金属隔板，三支温湿度仪、温湿度仪悬挂杆和铂热电偶，所述不锈钢内衬贴附在绝热箱体的内壁上，温湿度仪悬挂杆固定在热湿空气排出室内，温湿度仪悬挂杆上固定有三支温湿度仪，三支温湿度仪的下端延伸到强化型腐蚀工作室内，铂热电偶固定在强化型腐蚀工作室内且高于液位控制器。

7.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于，所述强化型腐蚀工作室的长宽高尺寸为1250×500×150mm。