CN115420605B - 一种氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于氯离子传输实验领域，具体地，涉及一种氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置。试验装置包括制冷系统、绝热箱、混凝土加压箱、储液装置系统；其中：制冷系统主要包括低温环境箱、循环风机、泄压阀，控制液氮的蒸发量进行降温，降温后的氮气从泄压阀中排出；绝热箱填充膨胀珍珠砂岩，具有良好的保温效果；混凝土加压箱包括锁紧螺栓、钢结构套箍，通过锁紧螺栓对钢结构套箍施压以此对试件产生围压；储液装置内储存氯化钠溶液模拟海边的多盐雾环境。本发明可以有效模拟海洋环境下大型LNG储罐外罐预应力混凝土的氯离子侵蚀情况，揭示氯离子在两侧有温差的混凝土(预应力混凝土)内的传输机理，得到温度梯度对氯离子传输的影响规律。
Description
技术领域
本发明属于氯离子传输实验领域，具体地，涉及一种氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置及方法。
背景技术
近年来，我国在沿海地区修建了大量的钢筋混凝土结构。沿海地区属于多盐雾环境，海洋大气中存在的氯离子对混凝土有着较强的腐蚀作用。氯离子会使混凝土内的钢筋过早锈蚀，锈蚀产物会造成混凝土锈胀开裂并加上氯离子侵蚀，对结构的耐久性造成影响。为了防止结构快速破坏，需要研究氯离子在混凝土内的传输机理及分布情况，目前主要的实验研究方法是将实验时的温度控制在室温或恒定低温及超低温环境下。研究不同温度下氯离子在混凝土内的传输机理。
随着天然气行业的快速发展，我国的天然气需求急剧增加，需要大量进口便于储存和运输的液化天然气（LNG），因此在沿海地区大力推动LNG基础建设，其中包括LNG接收站与大型LNG储罐。综合考虑安全性、经济性以及适用性等多方面因素，目前大型LNG储罐大多是全容式预应力混凝土地上储罐。
全容式预应力混凝土地上储罐分为内罐与外罐，外罐一般采用预应力混凝土结构，内罐采用9%镍钢储罐，储存的液化天然气温度可达-160℃左右。即使内外罐之间存在绝热层，但内罐超低温也会在外罐内侧形成低温环境。过大的温差会使外罐混凝土结构产生较大的温度应力，造成混凝土出现裂缝，加剧氯离子的侵蚀。目前已有的研究中大多将环境控制在单一恒定温度下，申请公布号为CN113310826A的发明专利公开了一种测试氯离子在混凝土中扩散程度实验装置及方法，该发明能够在多种因素的干扰下模拟混凝土内氯离子的扩散程度，并能使混凝土试件处于恒温环境下。即便能够控制实验时的温度，但无法有效的模拟混凝土储罐内外侧所处的不等温环境。为此有必要研发一种氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置及方法，进行氯离子在两侧有温差的混凝土中传输机理的研究。
发明内容
本发明的目的是解决上述技术存在的问题并克服现有设备的不足，提供一种氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置及实验方法，更加有效的揭示氯离子在两侧有温差的混凝土（预应力混凝土）内的传输机理，得到温度梯度对氯离子传输的影响规律。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种氯离子在两侧有温差的混凝土中的传输实验装置，包括制冷系统1、混凝土加压箱3、储液装置系统4、绝热箱2、控制器；制冷系统1包括低温环境箱10、液氮罐6、低温电磁阀8、风机9，低温电磁阀8位于进液管25与低温环境箱10相连的位置，控制液氮11的流量，液氮罐6通过进氮管7与液氮喷射口13相连，所述液氮喷射口13位于低温环境箱10顶部中心，温度传感器I14固定于低温环境箱10侧壁中心实时监测箱体内的温度环境，与其相连的侧壁上安装有泄压阀15；混凝土加压箱3包括箱盖28、钢结构套箍18，所述钢结构套箍18通过锁紧螺栓17紧固；储液装置系统4包括氯化钠溶液箱21、氯化钠溶液补充箱26、进液管25、电动开合门19，氯化钠溶液箱21通过进液管25与氯化钠溶液补充箱26相连，温度传感器II24固定于氯化钠溶液箱21侧壁中心，氯化钠溶液箱21与加压装置相接处设有覆盖截面的电动开合门19；绝热箱2采用膨胀珍珠砂岩16进行填充；控制系统5位于低温环境箱10的顶部，包括温度显示器与PLC控制器27，温度显示器可以接收低温环境箱10与氯化钠溶液箱21内温度传感器II24的温度信号；PLC控制器27分别连接于制冷系统1的低温电磁阀8、液氮罐6、进氮管7、风机9，加压装置的钢结构套箍18、紧固螺栓，储液装置系统4的电动开合门19、进液管25、氯化钠溶液补充箱26通过导线连接。
优选的，低温环境箱10、绝热箱2采用耐低温塑料板拼装焊接结构；混凝土加压箱3、氯化钠溶液箱21采用耐腐蚀塑料板拼装焊接结构；所述绝热箱2与所述混凝土加压箱3通过焊接连成一体。
优选的，低温环境箱10壳体夹层采用聚氨酯12作为保温隔热材料。
优选的，氯化钠溶液箱21与混凝土加压箱3间采用橡胶23密封圈保证连接处的气密性；所述氯化钠溶液箱21壳体夹层采用橡胶23保证箱体的密闭性。
优选的，氯化钠溶液箱21的电动开合门19附上薄层海绵20，所述电动开合门19材质采用耐腐蚀塑料。
优选的，混凝土加压箱3采用锁紧螺栓17对钢结构套箍18进行施压对混凝土试块增加四周的围压，以此模拟预应力混凝土的预压力。
优选的，所述进氮管7采用耐低温塑料管；所述进液管25采用耐腐蚀塑料管。
优选的，控制系统5包括温度显示器与PLC控制器27；所述温度显示器能够接收低温环境箱10与氯化钠溶液箱21中温度传感器II24的温度信号；所述PLC控制器27包括低温电磁阀8控制开关、液氮罐11控制开关、液氮喷射口13控制开关、电动开合门19控制开关、氯化钠溶液补充箱26控制开关。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以揭示氯离子在两侧有温差的混凝土（预应力混凝土）中的传输机理，得到氯离子在混凝土内的侵蚀及分布规律，更加真实的对沿海大型LNG储罐外罐混凝土所处的环境进行模拟；由控制器调整低温电磁阀8的通电间隔时间来控制降温速度；通过控制液氮11蒸发量控制低温环境箱10的温度，换热后的气体通过出气口排出；通过锁紧螺栓17对钢结构套箍18进行施压从而对混凝土试件四周施加围压，以此模拟预应力混凝土中的预压力；通过控制器关闭氯化钠溶液箱21中的电动开合门19来实现混凝土试件的取放及施压；试验设备多采用耐低温耐腐蚀塑料，使用寿命长；试验设备自动化程度高，能够自动控制低温环境箱10降温速度，定时喷射液氮11，自动补充试验损失的氯化钠溶液22，操作方便，精确控制实验流程。
附图说明
图1为一种氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置主观示意图；
图2为试验装置结构示意图。
图中：1-制冷系统；2-绝热箱；3-混凝土加压箱；4-储液装置系统；5-控制系统；6-液氮罐；7-进氮管；8-低温电磁阀；9-风机；10-低温环境箱；11-液氮；12-聚氨酯；13-液氮喷射口；14-温度传感器I；15-泄压阀；16-膨胀珍珠砂岩；17-锁紧螺栓；18-钢结构套箍；19-电动开合门；20-薄层海绵；21-氯化钠溶液箱；22氯化钠溶液；23-橡胶；24-温度传感器II；25-进液管；26-氯化钠溶液补充箱；27-PLC控制器；28-箱盖。
具体实施方式
为了清楚的说明本发明的目的、技术方案及其有益技术效果，以下结合附图与具体实施方式对本发明进行进一步的阐述：
请参阅图1、图2所示，一种氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置包括：制冷系统1、绝热箱2、混凝土加压箱3、储液装置系统4、控制系统5。
制冷系统1包括液氮罐6、风机9、低温环境箱10，液氮罐6通过进氮管7与低温环境箱10相连；进氮管7安装有低温电磁阀8固定于低温环境箱10外壁，可随时开启或关闭进氮管7；所述进氮管7延伸至所述低温环境箱10箱顶中心并由液氮喷射口13喷射出液氮11；循环风机9位于低温环境箱10侧壁中心促进液氮11流动并通过蒸发液氮11实现制冷降温；换热后的氮气由泄压阀15排出；温度传感器I14固定于低温环境箱10侧壁中心对温度进行实时监测与反馈。
绝热箱2由膨胀珍珠砂岩16进行填充；箱体采用耐低温塑料板拼装焊接结构。
混凝土加压箱3，包括锁紧螺栓17、钢结构套箍18，通过打开箱盖28进行混凝土试件的取放；锁紧螺栓17位于钢结构套箍18上下两侧施压从而对混凝土试件施加四周的围压以次模拟预应力混凝土的预压力。
储液装置系统4包括氯化钠溶液箱21、氯化钠溶液补充箱26，所述氯化钠溶液补充箱26通过进液管25与所述氯化钠溶液箱21进行连接；氯化钠溶液箱21与混凝土加压箱3连接处采用橡胶密封圈保证连接处的气密性；氯化钠溶液箱21靠近混凝土加压箱3处设置覆盖整个截面的电动开合门19，电动开合门19上附有的薄层海绵20具有吸水膨胀作用，可用于密封电动开合门19关闭后与氯化钠溶液箱21之间的缝隙；所述氯化钠溶液箱21壳体夹层采用橡胶23保证箱体的密闭性；温度传感器II24对氯化钠溶液22的温度进行监测；
控制系统5位于低温环境箱10箱体上方，包括温度显示器、PLC控制器27（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)，温度显示器分别与制冷系统1中的温度传感器I14、储液装置系统4中的温度传感器II24通过导线连接；PLC控制器27分别连接于制冷系统1中的低温电磁阀8、循环风机9、液氮喷射口13、泄压阀15、混凝土加压箱3中的锁紧螺栓17、钢结构套箍18、储液装置系统4中的电动开合门19连接。
本发明还公开一种基于上述氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置的实验方法，包括以下步骤：
步骤一：制作混凝土待测试件：混凝土试件的配料表如下：
试块中心预埋铜-康铜热电偶，用于检测混凝土试件的温度梯度变化，该类型热电偶在-200℃～350℃区间内应用较广，正常情况下测量精确。试件在标准养护箱内养护28天后进行实验，混凝土试件的外形为边长200mm的立方体。使用胶带密封在试件一端面以避免环氧树脂侵入，使用环氧树脂对试件的密封面与侧面进行加固，仅保留一个端面作为自然扩散实验的暴露面；
步骤二：调试低温环境箱达到实验设定的-25℃：通过PLC控制器27控制液氮进入低温环境箱10的进入量；控制液氮喷射口13调整液氮11的喷射速度；利用循环风机9促进液氮11在低温环境箱10内的流动速度并通过蒸发液氮11降低温度，换热后的氮气由泄压阀15排出；调整低温电磁阀8的通断间隔时间以此控制降温速度；由温度传感器I14实时监测低温环境箱10内的环境温度，待达到设定温度时，温度设定为恒定温度；
步骤三：通过PLC控制器27关闭电动开合门19，控制氯化钠溶液22从氯化钠溶液补充箱26由进液管25进入氯化钠溶液箱21直至充满整个箱体；氯化钠溶液箱21中的氯化钠溶液22为实验室内的常温环境，在25±3℃左右，通过温度传感器II24实时监测氯化钠溶液22的温度；
步骤四：将制作好的混凝土试件放入混凝土加压箱3，通过锁紧螺栓17对钢结构套箍18进行施压从而对混凝土试件产生四周的围压以此模拟预应力混凝土的预压力；设置试件加压与不加压两组对照试验，以便对比不同情况下的氯离子侵蚀程度；
步骤五：打开电动开合门19，待试件经过60天的氯离子自然扩散侵蚀后，通过PLC控制器27关闭电动开合门19并取出试件；将混凝土试件两侧的热电偶连接温度采集装置，该温度采集装置的型号可为吉时利2700数字采集器，并将其与电脑相连自动采集与记录测量数据，随时观测混凝土试件内的温度梯度变化；待测量完成后对试件进行切片处理，检测不同位置不同温度处的氯离子含量，反映出温度梯度对氯离子传输的影响，从而揭示氯离子在两侧有温差的混凝土（预应力混凝土）内的传输机理，得到温度梯度对氯离子传输的影响规律。
Claims (7)
1.一种氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置，其特征在于：包括制冷系统(1)、绝热箱(2)、混凝土加压箱(3)、加压装置、储液装置系统(4)、控制系统(5)；
所述制冷系统(1)包括低温环境箱(10)、液氮罐(6)、低温电磁阀(8)、风机(9)，低温电磁阀(8)位于进液管(25)与低温环境箱(10)相连的位置，控制液氮(11)的流量，液氮罐(6)通过进氮管(7)与液氮喷射口(13)相连，所述液氮喷射口(13)位于低温环境箱(10)顶部中心，温度传感器I(14)固定于低温环境箱(10)侧壁中心，实时监测箱体内的温度环境，与其相连的侧壁上安装有泄压阀(15)；
所述绝热箱(2)采用膨胀珍珠砂岩(16)进行填充；
所述混凝土加压箱(3)采用锁紧螺栓(17)对钢结构套箍(18)进行施压对混凝土试块增加四周的围压，以此模拟预应力混凝土的预压力；
加压装置包括箱盖(28)、钢结构套箍(18)，所述钢结构套箍(18)通过锁紧螺栓(17)紧固；
所述储液装置系统(4)包括氯化钠溶液箱(21)、氯化钠溶液补充箱(26)、进液管(25)、电动开合门(19)，氯化钠溶液箱(21)通过进液管(25)与氯化钠溶液补充箱(26)相连，温度传感器II(24)固定于氯化钠溶液箱(21)侧壁中心，氯化钠溶液箱(21)与加压装置相接处设有覆盖截面的电动开合门(19)；
所述控制系统(5)位于低温环境箱(10)的顶部，包括温度显示器与PLC控制器(27)，温度显示器可以接收低温环境箱(10)与氯化钠溶液箱(21)内温度传感器II(24)的温度信号；PLC控制器(27)分别连接于制冷系统(1)的低温电磁阀(8)、液氮罐(6)、进氮管(7)、风机(9)；
所述加压装置的钢结构套箍(18)、紧固螺栓，储液装置系统(4)的电动开合门(19)、进液管(25)、氯化钠溶液补充箱(26)通过导线连接。
2.根据权利要求1所述的氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置，其特征在于：所述低温环境箱(10)、绝热箱(2)均采用耐低温塑料板拼装焊接结构；所述混凝土加压箱(3)、氯化钠溶液箱(21)采用耐腐蚀塑料板拼装焊接结构；所述绝热箱(2)与所述混凝土加压箱(3)通过焊接连成一体。
3.根据权利要求1或2所述的氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置，其特征在于：所述低温环境箱(10)壳体夹层采用聚氨酯(12)作为保温隔热材料。
4.根据权利要求1或2所述的氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置，其特征在于：所述氯化钠溶液箱(21)与所述的混凝土加压箱(3)间采用橡胶(23)密封圈保证连接处的气密性；所述氯化钠溶液箱(21)壳体夹层采用橡胶(23)保证箱体的密闭性。
5.根据权利要求4所述的氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置，其特征在于：所述氯化钠溶液箱(21)的电动开合门(19)附上薄层海绵(20)，所述电动开合门(19)材质采用耐腐蚀塑料。
6.根据权利要求1所述的氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置，其特征在于：所述进氮管(7)采用耐低温塑料管；所述进液管(25)采用耐腐蚀塑料管。
7.根据权利要求1所述的氯离子在两侧有温差的混凝土中传输实验装置，其特征在于：所述温度显示器能够接收低温环境箱(10)与氯化钠溶液箱(21)中温度传感器II(24)的温度信号；所述PLC控制器(27)包括低温电磁阀(8)控制开关、液氮罐(11)控制开关、液氮喷射口(13)控制开关、电动开合门(19)控制开关、氯化钠溶液补充箱(26)控制开关。
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