CN114878793A - 高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置，包括模拟箱体，内部形成有密闭空间；试件架，水平设置在密闭空间内部，用于放置混凝土试件；紫外线辐照老化灯组，设置在密闭空间内部，用于提供高原强紫外线辐照环境；过饱和盐溶液，盛装在密闭空间内部，用于提供预设的相对湿度环境；低气压模拟系统，用于提供低气压环境；收缩变形测试系统，用于对混凝土试件收缩变形进行测量。本发明环境模拟装置可以模拟出高原环境下不同气压条件、不同紫外线辐照强度、不同的相对湿度环境，为有关在高原低气压、低湿度和强紫外线辐射严酷环境条件下的实验，探究其性能变化规律、演变机理和抑制措施提供一种最接近实际条件的实验环境。

Description

高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置

技术领域

本发明属于混凝土性能测试技术领域，尤其涉及一种高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置。

背景技术

目前，随着我国西部大开发的不断建设和发展，但是由于我国西部恶劣的自然环境，尤其是以西藏高原地区为代表，对西部地区的工程建设和开展提出了严峻的考验。例如，正在进行建设的川藏铁路正处于我国高海拔地区，恶劣的施工服役环境对川藏铁路沿线的混凝土构筑物的性能产生了多方面的负面影响。如强紫外线辐射、低气压、极端干燥、大温差和冻融、干湿循环均对混凝土长期服役性能提出了严苛的挑战，在高原多重复杂的环境下，混凝土的耐久性和长期体积稳定性能演变规律都亟待人们的探索，然而在高原恶劣环境条件下开展实验研究是非常困难的，一方面实验成本较高，另一方面对科研人员的身体也会造成损伤。因此，如果能够模拟出贴近高原的实际环境并在实验条件完备的地方进行探索就显得意义重大。尤其是将这些条件进行综合模拟，不仅可以考虑单一因素和多种因素混合影响作用，从而模拟出的环境条件对整个高原特殊环境下的材料研究具有重大意义和科学指导。但是，目前相关方面的研究和专利很少，仅有的相关专利，如一种模拟高原低压低湿环境下测混凝土干缩的设备，基本都只考虑单一或两类环境作用因素，使用干燥剂控制湿度这种手段无法实现湿度的稳定且不能满足不同湿度梯度环境要求。因此，无法真实反映高原实际环境，甚至很多设备的价格也非常昂贵。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置。

为此，本申请提供的高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置，包括：

模拟箱体，内部形成有密闭空间；

试件架，水平设置在所述密闭空间内部，用于放置混凝土试件，所述试件架在所述密闭空间内的高度可以调节；

紫外线辐照老化灯组，设置在所述密闭空间内部，并位于所述试件架的正上方，用于提供高原强紫外线辐照环境；

过饱和盐溶液，盛装在所述密闭空间内部，用于提供预设的目标相对湿度环境；不同种类的过饱和盐溶液可实现不同梯度的预设相对湿度，如：饱和氯化钾溶液(相对湿度：85±5％)、饱和氯化钠溶液(相对湿度：75±5％)、饱和溴化钠溶液(相对湿度：60±5％)、饱和碳酸钾溶液(相对湿度：40± 5％)、饱和氯化镁溶液(相对湿度：30±5％)、饱和乙酸钾溶液(相对湿度： 20±5％)、饱和氯化锂溶液(相对湿度：10±5％)、饱和氟化铯溶液(相对湿度：5±5％)、基本可以覆盖0-100％相对湿度的环境区间；

低气压模拟系统，用于对所述密闭空间进行抽放气，以提供低气压环境；

收缩变形测试系统，设置在所述模拟箱体上，用于对混凝土试件收缩变形情况进行测量；

数显气压表，设置于所述模拟箱体上，用于测量所述密闭空间内部气压大小及稳定状态。

具体的，所述密闭空间的底部内设有托盘，所述过饱和盐溶液盛装在所述托盘内。

具体的，所述收缩变形测试系统包括用于对混凝土试件进行三维扫描的激光三维扫描仪以及用于对三维扫描数据进行处理以测出混凝土试件收缩变形的便携式工作站，所述激光三维扫描仪设置在所述密闭空间内部且对准所述混凝土试件。

具体的，所述低气压模拟系统包括真空泵和排气管，所述真空泵通过所述排气管与所述密闭空间连通，所述排气管上还设有气阀。

具体的，所述试件架在所述密闭空间内自上至下设置多个，在每个所述试件架的正上方均设有所述紫外线辐照老化灯组。

具体的，所述模拟箱体由透明顶板、底板和导热侧板组成。

具体的，所述紫外线辐照老化灯组波长调节范围控制在340±50nm，紫外线辐射强度调节范围控制在0.5-1.2W/m²。

具体的，所述模拟箱体上还设有把手。

与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：本发明的环境模拟装置能够模拟出高原环境下不同海拔气压条件、不同紫外线辐射波长和辐射强度条件以及不同湿度的单一因素与多因素耦合的模拟环境条件，为高原多重复杂环境条件下的混凝土长期体积稳定性及耐久性的性能演变规律的发现、演变机理的探究、防治措施的提升提供一种最接近实际严酷附议条件的实验方法和实验思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的环境模拟装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的环境模拟装置剖视示意图；

其中：1、模拟箱体；101、顶板；102、底板；103、侧板；2、试件架；3、紫外线辐照老化灯组；4、托盘；5、低气压模拟系统；501、真空泵；502、排气管；6、收缩变形测试系统；601、激光三维扫描仪；602、便携式工作站；7、密闭空间；8、混凝土试件；9、气压表；10、把手。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参见图1和图2，一种高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置，包括模拟箱体1、试件架2、紫外线辐照老化灯组3、过饱和盐溶液、低气压模拟系统5和收缩变形测试系统6，模拟箱体1内部形成有密闭空间7，试件架2水平设置在密闭空间7内部，用于放置混凝土试件8，紫外线辐照老化灯组3设置在密闭空间7内部，并位于试件架2的正上方，用于提供高原强紫外线辐照环境，过饱和盐溶液盛装在密闭空间7内部，用于提供预设的相对湿度环境，低气压模拟系统5用于对密闭空间7进行抽放气，以提供低气压环境，收缩变形测试系统6，设置在模拟箱体1上，用于对混凝土试件8收缩变形情况进行测量，在模拟箱体1上还设有用于测量密闭空间7内部气压大小的数显气压表9。

具体的，试件架2在密闭空间7内的高度可以调节，通过对试件架2的高度进行调节，可以带动混凝土试件8靠近或远离对应的紫外线辐照老化灯组3，从而满足不同辐照强度的实验要求，利用不同种类的过饱和盐溶液，通过吸附和释放水分的效应来实现不同湿度梯度的模拟实验环境，且该方法环境湿度模拟手段具备精度高、稳定性好和操作简便等优点。

本实施例提供的环境模拟装置，通过低气压模拟系统5对密闭实验腔体内部的气压进行调节，实现高原不同低气压等级的模拟，通过饱和盐溶液稳定湿度系统对实验湿度进行调节和稳定，从而实现高源地区不同湿度梯度环境的模拟，紫外线辐照老化灯组3释放的紫外线实现太阳光(紫外线)照射模拟要求。

综上，本实施例能够模拟出高原环境下不同海拔气压条件、不同紫外线辐射波长和辐射强度条件以及不同湿度的单一因素与多因素耦合的模拟环境条件，为高原多重复杂环境条件下的混凝土长期体积稳定性及耐久性的性能演变规律的发现、演变机理的探究、防治措施的提升提供一种最接近实际严酷附议条件的实验方法和实验思路。

参见图1和图2，具体的，密闭空间7的底部内设有托盘4，过饱和盐溶液盛装在托盘4内，过饱和盐溶液置于托盘4内，从而可以方便过饱和盐溶液的更换。

参见图1和图2，在一些实施例中，收缩变形测试系统6包括用于对混凝土试件8进行三维扫描的激光三维扫描仪601以及用于对三维扫描数据进行处理以测出混凝土试件8收缩变形的便携式工作站602，激光三维扫描仪601设置在密闭空间7内部且对准混凝土试件8。至于收缩变形测试系统6的具体结构，可参考发明专利CN113433301A，均为现有技术，在此不再赘述。

参见图1和图2，在一些实施例中，低气压模拟系统5包括真空泵501和排气管502，真空泵501通过排气管502与密闭空间7连通，排气管502上还设有气阀。利用真空泵501可以将密闭空间7内的空气排出，并通过对排气强度的控制，可以对密闭空间7内气压大小进行灵活调整，实现高原不同低气压等级的模拟。

参见图1和图2，具体的，模拟箱体1由顶板101、底板102和侧板103 组成，为方便对实验进行观察，顶板101采用高透明型亚克力板材制作，在模拟箱体1侧面上还可以设置方便搬运的把手10，为便于传热，侧板103可以采用导热性能良好的不锈钢制作，真空泵501通过排气管502与顶板101上预制的排气螺纹孔相接，数显气压表9与顶板101上的螺纹连接孔连接，顶板 101与侧板103可拆卸密封连接，这样的设计，使得混凝土试件8、托架和托盘4均可以从模拟箱体1的顶部置于密闭空间7内。

参见图1和图2，具体的，为降低试验成本，试件架2在密闭空间7内自上至下设置多个，在每个试件架2的正上方均设有紫外线辐照老化灯组3，每层托架最少可放置三块混凝土试块(400*100*100mm)，这样的设计使得一次试验即可实现多个混凝土试件8的变形测试模拟。

在一些实施例中，紫外线辐照老化灯组3波长调节范围控制在340±50 nm，紫外线辐射强度调节范围控制在0.5-1.2W/m²，其辐照强度范围可根据以下公式计算出试件与紫外线灯组的距离，然后通过调整上述混凝土试件8架2 的层高来实现。

T＝T’/L²

式中：T为试验辐照度，(W/m²)；T’为理论辐照度，(W/m²)；L为试件表面到灯管的距离，(m)

本实施例中，紫外线辐照老化灯组3采用紫外波长为340nm为主要波段的灯管，这是与太阳光最接近的波段范围，分布在每个试件架2的上方，以模拟太阳光对混凝土构件的单面辐射环境条件。每层紫外线辐照老化灯组3各配备3支紫外线老化灯管，根据紫外线辐照强度公式调节层架的层高来实现试件与紫外线光源的不同辐照距离以模拟不同海拔高度下的不同辐照强度的紫外线环境条件。

应用例

模拟高原多重复杂耦合环境下混凝土构件长期收缩变形行为，将激光扫描仪与紫外线老化灯组安装完毕并检测器工作状态，并将准备好的待测混凝土试件8(400*100*100mm)放置在试件架2中并调整固定好每层层架的层高，将顶板101密封盖在模拟箱体1的上方，并将排气管502与真空泵501连接开始抽气，到指定实验气压后，数显气压表9具有控制真空泵501启停功能，其气压控制精度范围在0.6±0.02个大气压范围内，打开便携式工作站602每个小时对混凝土体积测试值进行采集并存储，通过饱和盐溶液将密闭空间7内部相对湿度控制在60±5％范围内，此环境湿度由过饱和溴化钠盐溶液实现。其中对于温度的控制为了降低环境模拟装置的成本，可将装置体搬运至任意环境温度实验场地进行长期实验(模拟箱体1侧壁采用304不锈钢制作，导热效果非常优异，可在极短时间内与所处环境室温保持一致)。将紫外线辐照老化灯组3的紫外线光波长为340nm，光谱辐射强度为0.5-1.2W/m2。

根据实验要求对混凝土试件8长期体积变形行为进行观察、采集数据并绘制其体积变形曲线，以观测器体积变形规律。模拟箱完全密闭无泄漏现象表现为数显真空表数值无明显降低。

操作过程：

(1)将配置好的过饱和盐溶液(实验设计的目标湿度)倒入托盘内；

(2)将相关实验设备放入模拟箱体的密闭空间中；

(3)放置好试件架，并固定好每层层架的高度；

(4)将待测混凝土试件放置在试件架上，并调整好位置并固定；

(5)将混凝土收缩测试的激光扫描装置打开，并进行校准；

(6)将顶板盖在模拟箱体上，打气阀，接通电源，打开紫外线辐照老化灯组及其他记录设备，设置所用参数并校准；

(6)打开真空泵，检查整个装置的气密性情况，抽气并至模拟实验所需的环境气压值，关闭阀门并检查是否有漏气现象；

(7)开始实验，并记录数据；

(8)实验结束后，关闭相关仪器；

(9)打开进气阀，使内外气压恢复一致；

(10)最后打开顶板，取出实验物品，结束模拟过程。

操作条件：

长期体积稳定性能实验中每天应对各项装置进行检查以确定装置体内部的各项环境参数是否稳定，并检查各项仪器是否处于正常工作状态，校核数据采集设备、老化设备运行情况，以确保实验过程中模拟环境稳定。然后，每天导出混凝土收缩变形数据进行实验结果的整理。现场测试，测试结果为对比值，因此无需特殊条件。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置，其特征在于，包括：

模拟箱体(1)，内部形成有密闭空间(7)；

试件架(2)，水平设置在所述密闭空间(7)内部，用于放置混凝土试件(8)，所述试件架(2)在所述密闭空间(7)内的高度可以调节；

紫外线辐照老化灯组(3)，设置在所述密闭空间(7)内部，并位于所述试件架(2)的正上方，用于提供高原强紫外线辐照环境；

过饱和盐溶液，盛装在所述密闭空间(7)内部，用于提供预设的相对湿度环境；

低气压模拟系统(5)，用于对所述密闭空间(7)进行抽放气，以提供低气压环境；

收缩变形测试系统(6)，设置在所述模拟箱体(1)上，用于对混凝土试件(8)收缩变形情况进行测量；

数显气压表(9)，设置于所述模拟箱体(1)上，用于测量所述密闭空间(7)内部气压大小。

2.根据权利要求1所述的高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置，其特征在于：所述密闭空间(7)的底部内设有托盘(4)，所述过饱和盐溶液盛装在所述托盘(4)内。

3.根据权利要求1所述的高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置，其特征在于：所述收缩变形测试系统(6)包括用于对混凝土试件(8)进行三维扫描的激光三维扫描仪(601)以及用于对三维扫描数据进行处理以测出混凝土试件(8)收缩变形的便携式工作站(602)，所述激光三维扫描仪(601)设置在所述密闭空间(7)内部且对准所述混凝土试件(8)。

4.根据权利要求1所述的高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置，其特征在于：所述低气压模拟系统(5)包括真空泵(501)和排气管(502)，所述真空泵(501)通过所述排气管(502)与所述密闭空间(7)连通，所述排气管(502)上设有气阀。

5.根据权利要求1所述的高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置，其特征在于：所述试件架(2)在所述密闭空间(7)内自上至下设置多个，在每个所述试件架(2)的正上方均设有所述紫外线辐照老化灯组(3)。

6.根据权利要求1所述的高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置，其特征在于：所述模拟箱体(1)由透明顶板(101)、底板(102)和导热侧板(103)组成。

7.根据权利要求1所述的高原复杂耦合环境下混凝土收缩变形测试用环境模拟装置，其特征在于：所述紫外线辐照老化灯组(3)波长调节控制范围在340±50nm，紫外线辐射强度调节控制范围在0.5-1.2W/m²。

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