CN109238872A - 混凝土试件高温蒸汽压测试炉 - Google Patents

Abstract

混凝土试件高温蒸汽压测试炉，属于混凝土性能实验装置领域，它由加热炉、与加热炉配套的真空泵、控制箱组成；加热炉内设置加热装置、加荷装置、温度测量装置、应变测量装置、气压测量装置。本发明能够快速定位故障位置，可以快速的恢复正常工作。

Description

混凝土试件高温蒸汽压测试炉

技术领域

本发明涉及一种高温下的高强混凝土蒸汽压测量装置，属于混凝土性能实验装置领域。

背景技术

混凝土是工程中最常用的材料，在工程建筑上占据着重要的地位。随着高强混凝土使用越来越广泛，混凝土在高温下的爆裂也时有发生，对工程结构及建筑造成了很大的影响，尤其是发生火灾时，混凝土的爆裂更会造成生命财产的重大损失，这引起了众多学者对混凝土爆裂的研究，并取得了成熟的结论。现如今最具有说服力的说法是：混凝土爆裂的原因是混凝土内部含有空气、水和水蒸气，而且高强混凝土结构密实，在高温的作用下，混凝土内部的空气、水蒸气无法逸散出去，混凝土内部便会产生蒸汽压，当蒸汽压增大到大于混凝土本身的抗拉强度后，混凝土发生爆裂。因此如何求出高温下混凝土内部蒸汽压对研究混凝土的爆裂具有重要意义。

关于混凝土蒸汽压测量的研究已经取得了一些进展，但目前存在的混凝土蒸汽压的测量装置存在一定的弊端，如在混凝土试块制备时需要预埋模块装置，事后还需要清理装置，操作较复杂，而且在清理过程容易造成装置的损坏，影响装置的多次利用。

发明内容

为了使测量结果更精确，同时测量混凝土在单面受火和完全受火两种情况下，混凝土表面应变的动态变化。本发明提供一种能够测量混凝土内部蒸汽压的高温下混凝土试件蒸汽压测试炉。

为解决以上技术问题,本发明采用的技术方案是：混凝土试件高温蒸汽压测试炉，由加热炉、与加热炉配套的真空泵、控制箱组成。加热炉内设置加热装置，加荷装置，温度测量装置，应变测量装置，气压测量装置。

控制箱设置数控面板操作系统；

加热装置包括全面加热装置、单面加热装置。

所述加热炉包括炉壳，炉壳由外壳、耐火砖组成，炉壳顶部设有进水口、出水口；

全面加热装置包括加热管，所述加热管设置在加热炉的三面墙；加热管可以在数控系统设置所需温度。

单面加热装置由加热板、加热管组成，加热板上安装加热管。单面加热装置设置在加热炉的一侧，且在试件的一侧，加热板四周有一圈突出的铁箍，铁箍的边长大于混凝土试件的边长并且在铁箍内侧贴附有石棉层和气凝胶毡，在加热板加热时的隔热，产热板除了贴近试件的一侧外，其余部位包裹有隔热的气凝胶毡并有耐火陶瓷砖来防止高温对试件以外的装置造成损害，加热板的内加热层与试件留有一定的距离及空间来等待试件的爆裂。加热板外侧与气缸相连来控制其移动，在铁箍的三个面上设置定位探头来确定加热板能够与试件吻合的对接到一起，定位探头外部包被有石棉层来预防高温的损坏，三个定位探头实时传输信号到控制面板的中央处理器，不断的调整位置来正好的与试件对接在一起。

所述加荷装置包括两个千斤顶；一个千斤顶设置在加热炉顶部，另一个千斤顶设置在加热炉顶底部；

千斤顶用来模拟施加实际环境中混凝土所受的力，使混凝土在受力状态下被加热，千斤顶一边与气压泵连接用来调节力的大小，另一边与数控系统连接用来计算，分析和施加力，数控系统实时收集压力信息并不断对气压泵给出信号做出调整，使得试件的受力能够保持一定的状态。位于炉壳下部的加荷装置的载物板的三个角在100mm×100 mm范围之外设置略微突起的三根角钢，用来限制试件的位置，方便在做单面受火模拟时的加热面板与试件对接。

在两个千斤顶正上方的炉壳设置有出水口和进水口，所述的出水口和进水口由耐高温水管从外部接入。能够在试件受热的状态下降低千斤顶的温度使其在工作的时候不会发生变形。

所述温度测量装置包括热电偶；

加热炉内密封接入多点热电偶，热电偶分别实时测量加热管附近温度和炉内温度。在预制混凝土试件中不同位置预埋入热电偶，方便加热时知晓试件内部温度，可以同时测出不同位置的温度，每一点的温度对于后期数据分析具有重要的意义。热电偶与数控系统传送信号。

在装有加热管的三个侧面通过凹槽插入5mm厚且导热系数良好的钢板用来防止混凝土试块爆裂对电加热管造成损坏。

加热管与外部面板之间使用耐高温石棉作缓冲层，石棉与外部面板之间和外壳填充气凝胶毡来达到隔热目的，不仅有效的阻止了热量的散失，同时保证了外部面板可以保持在常温状态。在气凝胶毡与外部面板接触处不同方位预埋热电偶连接至数控系统，实时检测其温度是否属于正常范围并及时的给出回馈意见。在加热管与试件之间设置单层导热性良好的保护板，防止试件后期炸裂破坏加热管。

所述应变测量装置包括摄像头，存储器，通信装置，处理器，图像转化器，图像分析仪；

摄像头记录过程数据并存储到存储器中，图像处理器从存储器中调取过程数据选取图像经过图像转化器将图像递送到图像分析仪，图像分析仪分析后的数据通过通信装置传送到显示屏上。

摄像头传输影像数据到数控中心系统。

摄像机实现图像输入，大容量存储盘来完成图像存储，通信装置将存储图像转化为信号传输到处理中心；在处理中心自动完成图像处理、图像输出和图像分析。处理中心内部能够根据传回的图像数据自动分析混凝土试件的应变状态，然后投影分析结果到显示屏上。

所述气压测量装置包括气压传感器，炉内密封接入多个高温气压传感器，可以得到炉内气压的变化，气压传感器外连数控系统，在加热炉内的气压传感器外加耐高温软质材料制成保护套管。使用真空泵将加热炉内部置换成低气压状态，高温气压传感器实时传送数据，数控系统根据数据来发出信号不断调整真空泵的工作状态，使内部气压维持在一个稳定的范围。

所述数控系统包括数据收集芯片、数据处理芯片、信号转化器和CPU处理器;通过数据收集芯片收集各项数据指标，将收集到的数据传送到数据处理芯片，数据处理芯片把数据经过信号转化器递交给CPU处理器，CPU处理器做出相应的解决应答，然后经过信号转化器把对应的信号（包括压力值、温度值）分别传送到加热棒、气压测量装置。

数控系统主要集中在仪器面板，各传感器都会实时传送信号到数控系统的CPU处理器，在面板能够显示数据，面板采用电容式平板触控模式，使之操作更灵便。数控系统能够传送信号，同时拥有对数据的处理能力，在数控系统内部输入公式，数控系统能够根据公式参数来采集对应的数据，从而完成计算。数控系统能使根据已知数据计算处各个温度下混凝土内部的气压状态。

本发明利用与实际结构相同的配合比制备出100mm×100mm×100mm混凝土试块，将混凝土试块进行同条件养护，养护时间与实际结构的养护时间相同，待养护好之后，将混凝土试块放在千斤顶上，施加实际结构所受的力，打开温度、应变和气压测量装置以及显示记录仪，关闭加热装置的门使其保持密闭，真空泵将内部变成低压状态，记录此时显示记录仪上显示的气压P₀，设置好防爆的电加热管，开启单面受火装置，待混凝土试块炸裂时的一瞬间，此时显示记录仪上瞬时增长的气压由混凝土试块炸裂后扩散的内部空气、水蒸气提供。

大范围炸裂后混凝土内部空气、水蒸气的扩散会造成其体积的改变。由PV=nRT 可知，（P是压强，V是体积，n是物质的质量，R是常数R = 8.31441±0.00026J/(mol•K）。T是温度）此刻变化的温度T能够通过数据板显示出来，体积V为工作室内部体积可计算，水的物质的量n通过查表可知，通过这些数据能够计算出工作室内部压强的变化值，然后通过ΔP=P₁-P₀（p₁是混凝土试件炸裂那一刻的压强值，p₀是真空泵工作后的常温下的炉内气压）可以计算出此刻混凝土内部的压强值ΔP_。将上述数据输入数控面板中，系统能够自动得出ΔP并将其显示在面板上。

本发明试验炉能够模拟多种受火状态，并且可以根据实际情况给待测试件施加力来更好的贴近实际，其试件在受火过程中的应变爆裂过程能够被一直记录，有助于更好的研究混凝土在火灾状态下的行为；本试验炉使用真空泵尽可能的减少外界空气压对实验结果的影响。

本发明能够快速定位故障位置，可以快速的恢复正常工作。

附图说明

图1是本发明中加热炉的结构图。

图2是本发明中炉门的结构图。

图3是本发明中中控箱的构造图。

图4是本发明的加热炉的控制流程图。

图5是本发明的工作流程图。

图6 是本发明中应变测量装置的控制流程图。

图中，1、外壳，2、活塞杆，3、出水口，4、进水口，5、底座，6、卡扣，7、隔热填充层，8、加热管，9、千斤顶，10、气缸，11、定位探头，12、产热板，13、环箍，14、支腿，15、预埋热电偶，16、混凝土试件，17、热电偶，18、保护板，19、电炉内层，20、卡口把手，21、炉门，22、锁紧螺母，23、支撑杆，24、轴套，25、摄像头，26、转轴，27、双层中空石英隔热玻璃，28、电线，29、数显面板，30、触控液晶显示操作板，31、中控箱，32、调节按钮，33、散热口，34、入线管，35、开关，36、冷光源，37、巡检仪，38、数控中心系统，39、电压放大器，40、第一气压传感器，41、真空泵，42、应变片，43、环面升温装置，44、单面升温装置，45、加荷装置，46、温度传感器，47、气压测量装置，48、应变测量装置，49、多面温度测量仪，50、温度测量仪，51、压力测量仪，52、参数编辑器，53、应变测量仪，54、环形加热器，55、加热器，56、温度显示表，57、气压表，58、数据收集芯片，59、数据处理芯片，60、过程记录仪、，61、存储器，62、通信装置，63、处理器，64图像转化器，65、图像分析仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1所示，混凝土试件蒸汽压测试炉为封闭的六面体，其中有一个面设置炉门21。

混凝土试块的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,炉壳的尺寸为400 mm×400 mm×400 mm；外壳由30 mm厚的型号ZC800高温高压隔热板密封焊接而成。

外壳1（上部焊接有卡扣6，方便移动）与电炉内层19之间有隔热填充层7，在电炉内层19内部附有耐高温陶瓷砖，加热管8通过支架固定在电炉内壁19上（电炉的3个侧壁均布若干加热管8），加热管8与内部的耐高温陶瓷砖有一定的距离，保护板18通过支架设置在加热管8的内侧，防止加热过程中混凝土试件16突然爆裂对加热管8造成损坏。

炉壳的顶板设有进水口4、出水口3，炉壳内腔的顶板上安装有一个千斤顶9，在电炉内层19顶板内部放置有骨架来承受千斤顶9的反作用力。

千斤顶9的活塞杆2上安装有热电偶17。

炉壳的底部设置另一个千斤顶，两个千斤顶位置正对。

混凝土试件16放置在下部的千斤顶9上。在混凝土试件16中预埋热电偶15，方便测量各点温度。

气缸10固定在加热炉的一侧，单面加热板12和微型气压装置10固定在一起，环箍13焊接在单面加热板12的四周，环箍13内置绝热层和隔热层，能够有效的阻止单面加热板12产生的热量的散失。

单面加热板12由一块平板和加热管组成，加热管安装在平板上。

气缸10固定的位置正好在电炉内层19内部放置的骨架上。在千斤顶9内部使用水冷降温，故而在电炉上部设置有进水口4和出水口3，来使水流循环。底部有支腿14来支撑整个电炉。

图2所示，炉门21安装有螺纹杆22，轴套24与电炉焊接。转轴26设置在轴套中，转轴26的两端各连接一个支撑杆23，支撑杆23与螺纹杆22间隙配合，螺纹杆22通过锁紧螺母22与炉门21锁紧。

炉门21大小是250mm×250 mm，中空石英隔热玻璃27的大小是150 mm×150 mm。

在炉门21中部开一口，安装双层中空石英隔热玻璃27（双层中空可以更好的阻止热量的流失）来观察内部情，内部用高温耐火叫密封；在双层中空石英隔热玻璃27的左上角固定安装有摄像头25，在双层中空石英隔热玻璃27的下部设置凹槽，冷光源36设置在该凹槽中。在炉门21中间的两侧设置卡口把手20来紧紧的连接炉门21与电炉（炉门21内部有突起，边缘设置有高温绝热密封胶圈）。

从电炉内部传出的各种仪器的电线通过入线管34进入中控箱31并将各种数据传送到数据收集芯片58。

图3所示，中控箱31由脚支座14来支撑。工作人员可以通过触控液晶显示操作板30来操控整个仪器，触控液晶显示操作板30下部有调节按钮32和开关35以及可以显示气压、温度、压力值的数显面板29，在中控箱31侧部设置有散热口33。

热电偶17开始工作，巡检仪37接受热电偶17的反馈数值；当巡检仪37接受的数值小于设定数值，传送特定信号到数控中心系统38；数控中心系统38给对应的电流信号通过电压放大器将电流信号传送到加热管18 ，使加热管开始加热；当巡检仪接受的数值大于设定值时，传送停止工作的指令到数控中心系统38，数控中心系统38给出电流信号，经过电压放大器39传到加热管18，令加热管停止工作。

气压传感器40开始工作，巡检仪37接受气压传感器12的反馈数值，当巡检仪37接受的数值小于设定数值 ，传送特定信号到数控中心系统38，数控中心系统38给对应的电流信号通过电压放大器将其传送到真空泵41 ，使之开始工作；当巡检仪接受的数值大于设定值的时候，传送停止工作的指令到数控中心系统38，数控中心系统38给出的电流信号 经过电压放大器39传到真空泵41，令其停止工作。

压力计42开始工作，巡检仪37接受应变片42的反馈数值，当巡检仪37接受的数值小于设定数值 ，传送特定信号到数控中心系统38，数控中心系统38给对应的电流信号通过电压放大器将其传送到千斤顶2，使之开始工作；当巡检仪接受的数值大于设定值的时候，传送停止工作的指令到数控中心系统38，数控中心系统38给的出电流信号经过电压放大器39传到千斤顶2，令其停止工作。

气压测量装置和温度传感器够传输数据信号到数据收集芯片58处，经过数据处理芯片59的分析后传输到数控中心系统38，数控中心系统38将数据显示在触控液晶显示操作板30和数显式面板29上，用户实时观测试验炉内部数据，同时摄像头的实时影像也能够传送到触控液晶显示操作板30上，触控液晶显示操作板30拥有分屏功能，能够同时实现多步操作；用户在确定参数编辑器52自定义数据，数控中心系统38根据预先设定的参数来传输信号到对应的功能模块使之达到预定目标；数据处理芯片59接收到数据收集芯片58的反馈，之后将反馈传到数控中心系统38，数控中心系统38根据反馈回的信号来给出指令不断调整各功能模块的功率输出，来使之达到预想设定。

本发明的混凝土内部蒸汽压测量装置工作原理如下：

将混凝土试块放入加热炉内，设定受火方式，千斤顶9施加混凝土实际所受的力，打开数显式面板29，记录此时的温度和气压并将其数据经过温度传感器46、气压测量装置47到数控中心系统38，关闭炉门21使炉内保持密闭，打开真空泵41，使内部气压处于低气压状态并且维持平衡，此时数显式面板29上的气压为P0。

设置加热管8并打开，通过冷光源36和摄像头25观察并记录所测混凝土的爆裂过程并将其数据经过收据收集芯片58和数据处理芯片到数控中心系统38，当混凝土大范围爆裂后，根据这个时间点数显式面板29上温度，气压的数值经过数控中心系统38的运算，得到混凝土内部蒸汽压并将之显示在触控液晶显示操作板上。此时数据收集芯片58收集到的数据59包括各点的气压值、温度值、应变值的变化曲线图以及数据表格，通过USB插口导出到移动数据盘上。

关闭加热管8，开启单面加热板12进行相同的操作就可以获得单面受火情况下混凝土的爆裂和表面的应变以及内部的变化状态。

对于试验过后内部的清理，由于试验炉内部的四周有加热管保护板18，故清理的复杂度降低了不少；仅需简单地清扫即可将其复原到实验前状态。

摄像机实现图像输入，大容量存储盘来完成图像存储，通信装置将存储图像转化为信号传输到处理中心；在处理中心自动完成图像处理、图像输出和图像分析。处理中心内部能够根据传回的图像数据自动分析混凝土试件的应变状态，然后投影分析结果到显示屏上。

Claims (5)

1.混凝土试件高温蒸汽压测试炉，由加热炉、与加热炉配套的真空泵、控制箱组成；加热炉内设置加热装置、加荷装置、温度测量装置、应变测量装置、气压测量装置；

所述加热炉包括炉壳，炉壳由外壳、耐火砖组成，炉壳顶部设有进水口、出水口；

所述加热装置包括全面加热装置、单面加热装置；所述全面加热装置包括加热管，所述加热管设置在加热炉的三面墙；加热管在数控系统设置所需温度；

所述单面加热装置由加热板、加热管组成，加热板上安装加热管；单面加热装置设置在加热炉的一侧，且在试件的一侧，加热板四周有一圈突出的铁箍，铁箍的边长大于混凝土试件的边长，加热板的外侧与气缸相连，在铁箍的三个面上设置定位探头；定位探头实时传输信号到控制面板的中央处理器；

所述加荷装置包括两个千斤顶；一个千斤顶设置在加热炉顶部，另一个千斤顶设置在加热炉顶底部；千斤顶一边与气压泵连接，另一边与数控系统连接；

所述温度测量装置包括热电偶；在预制混凝土试件中不同位置预埋入热电偶；热电偶分别实时测量加热管附近温度和炉内温度；热电偶与数控系统传送信号；所述应变测量装置包括摄像头，存储器，通信装置，处理器，图像转化器，图像分析仪；

摄像头记录过程数据并存储到存储器中，图像处理器从存储器中调取过程数据选取图像经过图像转化器将图像递送到图像分析仪，图像分析仪分析后的数据通过通信装置传送到显示屏上；

所述气压测量装置包括气压传感器，气压传感器连接数控系统，气压传感器实时传送数据，数控系统根据数据来发出信号不断调整真空泵的工作状态，使内部气压维持在一个稳定的范围；

所述数控系统包括数据收集芯片、数据处理芯片、信号转化器和CPU处理器;通过数据收集芯片收集各项数据指标，将收集到的数据传送到数据处理芯片，数据处理芯片把数据经过信号转化器递交给CPU处理器，CPU处理器做出相应的解决应答，然后经过信号转化器把包括压力值、温度值的对应的信号分别传送到加热棒、气压测量装置。

2.根据权利要求1所述混凝土试件高温蒸汽压测试炉，其特征是热电偶开始工作，巡检仪接受热电偶的反馈数值；当巡检仪接受的数值小于设定数值，传送特定信号到数控中心系统；数控中心系统给对应的电流信号通过电压放大器将电流信号传送到加热管，使加热管开始加热；当巡检仪接受的数值大于设定值时，传送停止工作的指令到数控中心系统，数控中心系统给出电流信号，经过电压放大器传到加热管，令加热管停止工作。

3.根据权利要求1所述混凝土试件高温蒸汽压测试炉，其特征是气压传感器开始工作，巡检仪接受气压传感器的反馈数值，当巡检仪接受的数值小于设定数值，传送信号到数控中心系统，数控中心系统给对应的电流信号通过电压放大器传送到真空泵，使真空泵开始工作；当巡检仪接受的数值大于设定值的时候，传送停止工作的指令到数控中心系统，数控中心系统给出的电流信号经过电压放大器传到真空泵，令真空泵停止工作。

4.根据权利要求1所述混凝土试件高温蒸汽压测试炉，其特征是压力计开始工作，巡检仪接受应变片的反馈数值，当巡检仪接受的数值小于设定数值，传送信号到数控中心系统，数控中心系统给对应的电流信号通过电压放大器传送到千斤顶，使千斤顶开始工作；当巡检仪接受的数值大于设定值的时候，传送停止工作的指令到数控中心系统，数控中心系统给的出电流信号经过电压放大器传到千斤顶，令千斤顶停止工作。

5.根据权利要求1所述混凝土试件高温蒸汽压测试炉，其特征是气压测量装置和温度传感器够传输数据信号到数据收集芯片，经过数据处理芯片的分析后传输到数控中心系统，数控中心系统将数据显示在触控液晶显示操作板和数显式面板，用户实时观测试验炉内部数据，同时摄像头的实时影像传送到触控液晶显示操作板。