利用低温冷冻试验箱改造混凝土快速冻融试验机

杨永恒 曹万智

（1西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州730030）2甘肃省新型建材与建筑节能重点实验室培育基地，甘肃 兰州730030）

1 前言

混凝土抗冻性能是混凝土长期性能和耐久性能的一个重要指标，国标GB/T82-85对普通混凝土抗冻性能的试验规定了两种方法：慢冻法和快冻法，并指出快冻法特别适用于抗冻性要求较高的混凝土。近年来，由于对混凝土长期性能和耐久性能的要求不断提高，快冻法越来越多的被使用。

快冻法试验需要混凝土快速冻融试验机来完成，市售的混凝土快速冻融试验机价格国产的一般都在十几二十万元，进口的在三四十万，这对实验室来说是一笔不小的投资。

一般的材料实验室都会有低温冷冻试验箱，考虑用低温冷冻试验箱通过改造来实现混凝土快速冻融，满足混凝土快速冻融试验机的要求不失为一个好的思路，这样可以达到一机多用，节省投资。

2 现有基础

低温冷冻试验箱1台，容积1m3，水冷，最低温度可以到-30℃。

3 达到的目的

国标GB/T82-85对混凝土快速冻融的冻融循环过程的要求：

（1）每次冻融循环应在2～4小时内完成，其中用于融化的时间不得小于整个冻融时间的1/4。

（2）在冻结和融化终了时，试件中心温度应分别控制在-17±2℃和8±2℃。

（3）试件从6℃降至-15℃所用的时间不得少于冻结时间的1/2。试件从-15℃升至6℃所用的时间不得少于整个融化时间的1/2，试件内外的温差不宜超过28℃。

（4）冻和融之间的转换时间不宜超过10分钟。

（5）能在20～-20℃范围内测定试件中心温度。温度精度不低于±0.5℃。

（6）满载运转时冻融箱内各点温度的极差不得超过2℃。

工作的目的就是要使改造后的设备完全满足上述要求，不但能用于快速冻融试验，而且不影响用于常规冷冻。

4 实施方案

4.1 试验箱的改造

原设备只有制冷功能，蒸发器的冷量靠自然对流传递，蒸发器设置在试验箱的顶部。试验箱空间分为两层，中部有试样托架。原设备是自然对流，换热速度较慢，不能实现速冻速融的要求，为了加速冻融速度，我们在试验箱内同一侧平行装置两台Φ100mm轴流风机，使箱内的空气强制流动。轴流分机与水平面有一定的仰角，以使风能直接吹向蒸发器并形成循环风。在试验箱的下部两侧装置4个500W的电加热管，用于融化时加热。试验箱内的布置见图1。

图1 试验箱内布置图

4.2 试件盒制作

标准要求

试件尺寸为100mm×100mm×400mm，

试件盒由1mm～2mm厚的钢板制成。其净截面尺寸应为110mm×110mm，高度应比试件高出50mm～100mm。试样要求完全浸入水中，试件底部垫起后盒内水面应至少能高出试件顶面5mm。为保证经久耐用，采用1mm不锈钢板加工，下部和四侧面有5mm厚橡胶定位块。考虑到制冷量的大小和试验箱的容积，我们加工了10个试样盒，9个用于试验试样，1个用于中心试样，可以同时完成3组试样的试验。

4.3 控制器的设计

控制器要求达到能实现温度显示、温度控制、冻融过程的转化、冻融循环次数自动记录等功能。为了达到这些功能，我们选用的主要元器件有：

（1）XSR30八通道无纸记录仪1台，铜电阻作为温度传感器。该记录仪有可组态8点上下限报警功能，每个通道最多可用4个报警点，且有报警回差设置，报警继电器原始状态为常开，可直接或转换为常闭状态用于实现控制功能。零点修正和满度修正功能，用于修正由于传感器、引线、仪表本身或其它原因引起的测量误差，以提高测量和显示精度。各通道的温度可以自动记录、储存并以曲线的形式显示，方便即时查看冻融过程。

通道1为PID输出控制，用来控制加热时试验箱内的加热温度。PID变送输出电压0～5v可调，便于实现加热温度的精确控制和加热功率的调节。通过最高温度和加热功率的控制，达到速融过程的控制。通道2测量中心试样的中心温度，用于判断冻和融的结束和控制冻融转换。其它通道用于测量试样的表面温度和布置在试验箱的上中下等不同位置，用于测量和观察试验箱的温度均匀度。

（2）ZSGJ单设定数显计数控制器两台，该计数控制器可用开关量、电平脉冲作为输入信号来计数，带有控制继电器，计数断电有储存。我们用于冻融循环次数的统计。其中一个用于统计每一个冻融单元（比如冻融25次测量一次动弹性模量）的冻融次数，达到设定值自动停机并报警，测量完动弹性模量后清零就可重新启动设备，另一个用于总的冻融循环次数的统计。ZSGJ单设定数显计数控制器线柱图见图2。

图2 ZSGJ计数控制器引脚图

（3）JGXH2调压型调压模块一块，用于驱动电加热管工作。该模块由控制端0～5v电压的变化，实现对输出电压的无极调节，能保证温度的精确控制。控制端0～5v电压由无纸记录仪通道1的PID输出控制提供，因为无纸记录仪的PID输出电压上下限可以设定，比如上限设定为4v时，输出电压是220 v的80%左右，因此可以实现加热功率的无极调节，通过改变加热功率，可以实现对速融时间的控制。

一次冻融循环时间的长短取决于速冻过程的长短，所以速冻的时间不需要控制，应在比较快的时间内完成，速冻过程受压缩机的制冷量、热交换过程的效果、试样箱内试样的多少的影响，应根据具体情况以使过程满足试验要求。电器控制原理图见图3。

图3 电器控制原理图

5 工作原理

XSR30记录仪通道1是加热时试验箱内温度控制，设定通道1温度控制点为35℃（以达到融化要求的条件为准，根据试验确定）。报警继电器RL1、RL2、RL3定义在通道2上，同时定义RL1为低限报警，设置报警温度为-15℃，RL2、RL3为高限和高高限报警，设置报警温度都为6℃。RL1是制冷控制点，RL2是加热控制点，RL3提供冻融次数计数信号。

常规冷冻过程：

K1、K2断开，开总电源开关，XSR30记录仪上电准备，K1的12点接通，当温度高于记录仪设定的低限报警温度时，RL1常开，J3导通，制冷压缩机工作；当达到或低于设定的低限报警温度时，RL1闭合，反向继电器J1通电，J1常闭触点断开，制冷电路断开，停止制冷；当温度升高到记录仪回差控制点外，RL1断开，反向继电器J1断电，J1常闭触点闭合，制冷电路导通，压缩机工作，这样就达到常规制冷控制要求。

冻融循环过程：K1、K2断开，开总电源开关，XSR30记录仪上电准备，K1的13、1/3/触点接通；当温度高于记录仪设定的低限报警温度时，RL1常开，J3导通，制冷压缩机工作；在温度降低到XSR30记录仪高限报警温度（6℃）以下后，闭合K2，计数器上电工作；当达到或低于设定的低限报警温度时，RL1闭合，反向继电器J1通电，J1常闭触点断开，制冷电路断开，停止制冷，同时加热电路中J1常开触点闭合，加热电路导通，开始加热；当加热到XSR30记录仪高限报警温度时，RL3闭合，计数器计数一次；RL2闭合，反向继电器J2上电，J2常闭触点断开，停止加热，同时制冷电路中J2常闭触点断开，反向继电器J1断电，制冷电路导通，开始制冷；过程会周而复始，当计数器计数达到设定的值时，计数器常闭触点断开，停机并触发报警电路，提示工作人员进行后续工作，计数器清零后可继续开始。

6 具体操作

为保证箱内空气的流动，试样的放置应沿轴流分机的风向放置，10个试样盒在试验箱内分两层放置，每层放置5个，保证一定的水平。试验时应定期观察试样盒的水量并及时加水（最好在融化环节），以使水面应至少能高出试件顶面5mm。

通道2的温度传感器预埋入中心试样的中心，用于测定试样的中心温度，要正确定义通道2的报警温度值。常规制冷低限报警RL1设置为所需要的制冷温度，冻融循环时RL1低限报警设置为-15℃，RL2、RL3高限报警和高高限报警设置为6℃。

常规制冷时不用开计数器电源开关K2。冻融循环时在每次开机前都需要断开计数器电源开关K2，当中心试样的中心温度降低到通道2的高限报警温度之下时再打开K2，因为当温度越过高限报警温度一次，计数器会计数一次，从高温向低温转化越过高限报警是一次误计数，只有从低温向高温转化越过高限报警时才表示一个冻融过程的完成，才应该计数一次。

7 结论

1）通过试验，证明此次改造完全满足标准和实验要求，通过了计量部门的实验设备校验，投入运行。

2）实现了一机多用，节约了设备投入费用，在较小投入的情况下，满足了实验室对设备的需求。

3）整个改造投入不足1万元，真正体现了经济实用。