（机械电子工程专业论文）混凝土氯离子渗透性自动检测系统的研制.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 本文介绍了一套混凝土氯离子自动检测系统的研究和设计，该系统可以对混 凝土氯离子的渗透性做出准确的判定。该系统是基于氯离子渗透性检测的 a s l m c1 2 0 2 ( 电量法) 标准研制，由真空饱水机、氯离子电测仪和上位机分析 软件组成。论文的主要内容有： ( 1 ) 本文分析了电量法检测混凝土氯离子渗透性的原理，介绍了本系统对电 量法的应用和改进。 ( 2 ) 分析了真空饱水机的工作流程和设计依据，并完成了真空饱水机的电路 设计。 ( 3 ) 设计并实现了氯离子电测仪的硬件电路，包括单片机模块、电流测量模 块、温度测量模块、数据显示打印模块、人机交互模块、串口通讯模块等。 ( 4 ) 介绍了基于v c 的上位机分析软件的编写，包括串口采集模块、数据处 理模块、a c c e s s 数据库模块、图像绘制模块和数据保存模块。 ( 5 ) 提出了多种抗干扰措施和提高电流测量精度的措施，并对效果进行了分 析。 ( 6 1 对系统的电流测量精度进行了分析，得出系统电流测量精度高的结论。 本文介绍的系统具有测量准确、自动化程度高、操作方便、软件人机界面友 好、可靠性高等特点。该系统已经研制成功，并应用于实际的工程检测中，使用 效果良好，很好的满足了混凝土时久性检测的需要。 图5 7 幅，表4 个，参考文献3 7 篇。 关键词：混凝土氯离子渗透性；a s t mc1 2 0 2 ；氯离子电测仪；真空饱水机 北京交通大学硕士学位论文 t h e p a p e ri n t r 甜u o 鼹t i em e t h o do fr e s e a r c h 勰dd e s i g no fa u t o e s t i n gs y s 把m f o r c h l o r i n ei 咖p c n e t r a b i l i t yi n 庐n c r c t e ，柚dt h i ss y s t e mc a ne x a c t l ye s t i m a t ec o n c r c t e c h l 硼n ei o np e n e t f a b i l i t y t h es y s t e mi sc o m p o s c do fv h c u u mw a t c rs a t u m t i 伽 i i l s t m e n t ，( ) 0 u l o m e t e rt e s t i n gi n s t m m e n to fc h l o r i n ei o na n dc o m p u t e ra i l a l y s e s f 时a r e ，b a s e d0 na s t mc1 2 0 2 p r i m a r yc o n t c n to ft h ep a p e ri n v o l v c ss e v e r a lp a r t s ( 1 ) t 1 l ep r i n c i p l eo fa s l mc1 2 0 2i s r c s e a r c h e d 1 1 l ep a p e f 如a l y z e sf h e a p p l i c a t i o na i i d 锄e n d m e mt 0a s t mc 1 2 0 2 ( 2 ) n ep a p e r 柚a l y z e st h e 、阳r k i n g 丑o wa n dd e s j g i i n c i p l eo fv a c t l u mw a t c r s a t u r a t j o ni n s t 埘m e n t ，a n da c c o m p l i s h e sc j r c u i td e s i g no fv h c u u mw a t e rs a t i l r a t i o n i n s t n u n e n t ( 3 ) t 1 i eh a r d w a r cc i r c u “o fc o u l o m e t c rt e s t i n gi n s t m m e n t i s d c s i g n e da n d i m p i e m e n t e d i ti n c l u d e ss i n 西e - c h i pm o d u l e ，c u r r e n tm e a s u r cm o d u l e ，t e m p e r a t u r e m e a s u r em o d e l ，d i s p i a y i n ga n dp r i n t i n gm o d e io fd a t a ，a l t e r a t i o nm o d u l eo fp e o p i ea n d m a c h i n e s e r i a l m m u n i c a t i 伽m o d u l ea n ds oo n ( 4 ) 1 n h ep c 锄a i y s i ss o f t w a r ci si n t r o d u c c dj nt h ep a p c r a n di sw r i t t e nb yv i s u a i c + + t 1 l es o 仃w a r ci n c l u d e sm o d u l eo fd a t ap r o c e s s i n g ，m o d u l eo fa o c e s sd a t ab a s e ， m o d u l eo fg r a p hp l o t “n g 锄dm o d u l eo fd a t as t o r a g c ( 5 ) t 1 l ep a p e ri n t r o d u c e ss o m em e t h o d so f a n t j i n t e r l e r e n c ca n de n h a n c c s p r e c i s i o no fc i l t r e n tm e a s u r e ，t h e na n a l y s e st h ee f ! i e c t i v e n e s s ( 6 ) t 1 l ea c c l l r a c yo fc u 力- c n tm e a s u r cj sa r i a l y z e di nt h ep a p e f a n df r o mt h e a n a l y s i so ft h em e a s u f e ，i tm a k e sac o n c l u s i o nt h a tt h es y s t e mh a sah i g ha c c u f a c yo f c u n 它n tm e a s u f e t l l es y s t e mh a sm a n yv i n u e s ，s u c h 嚣g o o dm e a s u r ep r e c i s i o n ，g o o da u t o m a t i 叻， c o n v e n i e n c eo fm a i l i p u l a t i o n ，t n e n d l ys o f t w a f ei n t e r f a c e ，孤t i - j a m m i n ga i l ds oo n i t h a sb e e nd e v e l 叩e di n t op r a c t j c ea n do b t a i n s9 0 0 de 脏c t s oi th 舔s a t i s f i e dt h e d e m a n do fc o n c r e t cw e a ri n s p e c t k e y w o r d s ：c h l o f i d ei 佣p e 姗e a b i l j t yi nc o n c r e t e ；a s t mc1 2 0 2 ；c o u i o m e t e r 1 c s t i n gi n s t m m e n to fc h l o r j n e ；、，a c u u mw h t e rs a t u r a t i o nl n s t m m e n t 致谢 本论文的工作是在我的导师陈广华教授的悉心指导下完成的，陈广华教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 陈广华、余祖俊老师对我的关心和指导。 陈广华老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我i 良大的关心和帮助，在此向他们表示衷心的谢意。 王爽心、陈科山教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在 此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期问，周丽慧、王静茹、李彦荣等同学对我论文中 的电流测量的研究工作和资料搜集给予了热情帮助，在此向他们表达感谢。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 在人类社会向现代化、城市化发展的历史进程中，混凝土是一种应用历史久 远，应用范围广泛，用量大的建筑材料。钢筋混凝土材料以其唪固耐久、取材容 易、可塑性强等优点而成为现代工程建设中应用最广泛的建筑材料之一。随着建 筑技术的发展；大量新型建筑材料出现，但目i j 混凝土仍然是世界上使用量最大、 应用最广泛的建筑材料。从现代混凝土开始应用于建筑工程至今的1 5 0 年的时间 内，大量的混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到设计寿命，如图 1 1 ，图1 2 。其原因有结构设计的抗力不足、使用载荷的不利变化、结构耐久性 不足等，其中最重要的原因是结构耐久性不足。事实上，混凝土结构的耐久性失 效闯题已经成为当1 j f 困扰土建工程的一个世界性问题i l j 。 幽1 1 混凝十火效| 鳘| 1 f i g1 1c h a nlo fc o n c r c t el 丑p s e i 鳘i1 2 混凝十火效l 璺i2 f i gl 2 锄a n 2o f c o n c f e l el a p s e 北京交通大学硕士学位论文 目前我国正大力发展经济，加强基础项目建设，混凝土结构广泛应用于建筑、 交通、水利等工程的建设中，特别是高速铁路的铁路大桥建设，是工程结构的重 要组成部分，其耐久性直接影响到整个工程的质量。一般认为，影响混凝土耐久 性的因素主要有钢筋腐蚀、化学腐蚀( 包括中性化和溶解析出) 、冻融循环和碱 骨科反应，相对地，钢筋腐蚀造成的破坏和损失是最严重的。氯离子是引发钢筋 锈蚀从而造成混凝土结构耐久性下降的主要原因之一。引起结构中钢筋锈蚀的氯 化物通常来自结构外部，如海水、除冰盐等，当渗入的氯化物含量达到混凝土重 量的o 1 o 2 时就能引起钢筋的锈蚀。钢筋混凝土和预应力混凝土构筑物常因 氯化物污染而导致钢筋锈蚀，从而耐久性下降。在含氯化物环境中，氯离子的渗 透性是反映混凝土抵抗氯离子侵蚀能力的个重要参数，因而混凝土的氯离子渗 透性是评价混凝土耐久性的一项重要的指标l 。 为了防止混凝土工程成为“短命工程”，一方面不但要严把原料关加强混凝土 的耐久性设计，另一方面需要通过一定的试验检测混凝土的耐久性指标，防止一 些“豆腐渣”工程蒙混过关，而氯离子渗透性是判断混凝土耐久性的一项重要指 标。检测氯离子渗透性是当今保证混凝土工程质量的重要手段，国家要求每一个 重大的工程必须要进行混凝土的氯离子渗透性试验，从而检测混凝土的质量。高 精度的检测系统足保证混凝土质量的一个重要手段。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 氯离子渗透性检测方法现状 国内外氯离子渗透性试验方法可分为四类：自然扩散法、外加电场加速扩散 法、电导率法、压力渗透法。自然扩散法需要的时问较长，相比之下，氯离子加速 扩散法快速、简单，是目前应用最广泛的方法。国内外对混凝土氯离子渗透性的 研究主要采用了自然扩散法、外加电场扩散的方法和压力扩散法【3 1 。 自然扩散法：1 9 8 1 年以胁美国测试混凝土氯离子渗透性的方法主要是盐溶液 长期浸泡法，即美国最早的氯离子扩散试验标准方法a a s h t o t 2 5 9f 赫溶液浸泡 法) 。该方法的缺点是试验周期长，试验过程繁琐，可重复性差，无法测定早期混 凝土氯离子扩散系数，影响试验结果因素较多。 外加电场加速氯离子扩散实验方法：最初由w h i t i n g 于1 9 8 1 年发明，所加电为 直流电。这一方法最早被称为快速氯离子渗透试验方法( r a p i dc h l o r i d e p e r i i l e a b i l i t v t e s t ，简称r c p l r l 。这一方法的原理是溶液中的离子在电场作用下渗透速度加快， 使试验时间缩短。由于此法试验时日j 短，在实验室内具有重复使用性，它于1 9 8 7 年 2 1 绪论 被美国公路运输局定为标准试验方法，即a a s 踟吣t 2 7 7 ，随后又被美国试验与材 料协会定为标准试验方法a s l mc1 2 0 2 。a s l mc1 2 0 2 法出电流一时间函数曲线 计算通过的总电量，来评价混凝土的氯离子渗性。 压力扩散法：除了用电场加速离子在混凝土中扩散的方法外，另外一种加速氯 离子渗入混凝土的方法是施力于含氯离子的溶液( 混凝土的一面) 。 另外还有电导率法，电导率法分为直流电和交流电法，后者又分为交流电桥 法和交流阻抗谱法。电导率法是一种十分有效的、简便的、可靠的、快速的混凝 土渗透性相对评价方法，过去的研究结果之所以效果不良是因为大部分研究者未 能建立不同混凝土之间的比较基准。克服电导率法致命缺陷的有效方法是将混凝 土进行真空饱水，使之变成线性电学元件，消除容抗等其他非线性成分的影响。 对各种饱水混凝士的直流电导率进行了研究，结果表明，无论是用自来水、去离 子水、蒸馏水，还是饱和石灰水对混凝土进行真空饱水，电导率结果均能有效反 映混凝土渗透性的变化。需要说明的是电导率法与后面的极限( 或击穿) 电压法 样，只能用于比较混凝土渗透性的相对好坏，或可用于比较同一混凝土在不同条 件下的渗透性变化。虽然混凝土饱水电导率与混凝士中的氯离予扩散系数存在较 好的相关性，但是决不能用饱水电导率来计算混凝土中的氯离子扩散系数，因为 这两种方法的原理根本不同1 4 j 。 1 2 2 国内研究现状 国内混凝土渗透性检测主要采用了常规的扩散池方法和电量法，常规的扩散 池方法的优点是与实际情况比较相符，但实用性差，因为速度慢，非常耗时闻。 般情况下，需要1 个月或几个月彳能得到一个测试结果。这就限制了这种方法 在实际工程中的应用。基于电量法的检测方法在国内已经得到应用，但应用范围 不是很广，电量法检测使实验时间大大缩短，实验的可应用性增强。但目前国内 混凝土渗透性仪器检测过程是给混凝土试件施加电压，记录电流初始读数i o ，开 始时每隔5 m i n 记录一次电流值，当电流值变化不大时，每隔1 0 m i n 记录一次电 流值，当电流变化很小时，每隔3 0 l i l i n 记录一次电流值，直至通电6 h ，绘制电流 于时日j 的关系图，将各点数掘以光滑曲线连接起柬，对曲线作面积积分，得到试 验6 h 混凝土试件通过得电量。仪器测量电流的精度差，计算出的电通量误差较大， 试验结果受人为影响较大。目i i 国内基于电量法的混凝土自动检测系统并没有成 熟的产品。 1 2 3 国外研究现状 北京交通大学硕士学位论文 国外混凝土耐久性检测的方法主要有电量法和电导法。通常采用的是电量法， 即对混凝土试件施加直流电压，通过测试混凝土的电通量来判断氯离子的渗透性， 通常叫a s l mc1 2 0 2 ( a a s h r 01 r 2 7 试验方法。国外的测试技术和方法都比较成 熟，基于电量法的检测系统有成型的产品，测试精度高、自动化程度高。例如美 国n e l ，l 公司的混凝土氯离子渗透性自动测试系统，测试原理基于电通量法。这 套测试系统的操作方便，测试精度高，系统运行可靠。但国外进口仪器价格比较 昂贵、使用成本较高。 1 3 选题意义及本文研究内容 1 3 1 选题意义 处于氯盐侵蚀环境下的混凝土结构，如海港工程结构、离岸工程结构、跨海 大桥、需撒化冰盐的路桥工程、盐碱地区混凝土结构等，由于氯离子渗入到混凝 土中导致钢筋腐蚀，引起混凝士开裂使混凝士结构过早破坏、降低了结构的使用 寿命。因此，氯离子渗透到混凝土引起结构破坏已成为全世界普遍关注并r 益突 出的一大公害，而如何准确快捷的测量混凝土氯离子渗透系数是当今保证混凝土 工程质量的重要课题。 在国内，混凝土渗透性检测是现代混凝土工程中必须进行的环节。近两年国 家加强了这方面的要求各地方的铁路公路桥梁部门的施工建设都要求进行混凝土 渗透性试验，试验合格后才可以施工，这样就面l 临如何准确快捷的测量混凝土氯 离子渗透系数的问题。 氯离子在混凝土渗透程度是影响混凝土耐久性的重要因素，传统的测量混凝 土氯离子扩散系数的方法为氯盐溶液长期浸泡法，该方法的缺点是试验周期长， 无法测定早龄期混凝士氯离子扩散系数，而且试验过程繁琐，影响测量结果的因 素较多。采用电量法原理研制的混凝土氯离子渗透性检测系统，能够准确快速的 检测出混凝土的氯离子渗透性，从而判定混凝土的耐久性指标，可用于各种混凝 士工程的耐久性设计、质量控制、验收与盟护吼 混凝土渗透性检测系统对提高混凝土工程的质量有重要的作用，可以在一定 程度上避免因混凝土工程的质量问题绘国家和人民造成的损失。 1 3 2 本文主要研究内容 1 本文研究了当前混凝土氯离子渗透性检测的方法和原理，重点对电量法 4 1 绪论 ( a s t mc1 2 0 2 ) 进行了研究，并针对传统电量法检测的缺点提出了改进措施。 2 本文设计了一套依据电量法原理的混凝土氯离子自动检测系统，系统对传 统的电量法试验进行了改进。系统可以自动完成对混凝土氯离子渗透性的检测， 检测精度高、自动化程度高。 5 北京交通火学硕士学位论文 2 混凝土氯离子渗透性检测方法研究 氯离子是引发钢筋锈蚀从而造成混凝土结构耐久性下降的最主要原因之一。 钢筋混凝土和预应力混凝土构筑物常因氯化物污染而导致钢筋锈蚀，从而耐久性 下降，给国民经济和入民的生命安全带来了巨大损失。要进行混凝土氯离子渗透 性检测必须有检测方法。长期以来国内外学者做了大量工作，建立了多种试验方 法。 2 1 混凝土氯离子渗透性检测方法 氯离子在混凝土中的渗透性可以采取很多方法进行研究测试。最原始的办法 是采用常规的扩散池方法，这种方法的优点是与实际情况比较相符，由于一般情 况下，需要1 个月或几个月以上才能得到一个测试结果。速度非常慢，实用性差。 为了能够在比较短的时i b j 内测量出混凝土的渗透性，研究人员设计了各种加速测 试方法，加速方法一般有以下几种： ( 1 ) 提高待测粒予的浓度，如提高扩散池上游端的氯离子浓度，使氯离子的 传输速度加快； ( 2 ) 由于氯离子是带电粒子，所以自然想到采用电加速的方法束测试氯离子 的渗透性； ( 3 ) 由于氯离子可以与水一起渗透，所以采用增加水头或者增加水压力的办 法来加速氯离子的渗透。 为了反映氯离子在混凝士中的传输速度，在常规和浓度加速试验中，通常是 经过一段时问后，通过测试混凝土中的氯离子含量、氯离子渗透深度和氯离子扩 散通量来计算扩散系数，用来评价混凝土对氯离子渗透的抵抗力i 引。 在电加速试验中，除了可以测试混凝土中氯离子含量、渗透深度、扩散或渗 透通量以外，还可以通过测量一些电学指标来反映氯离子的渗透性。比如，测试 混凝土电阻率、直流导电量和交流阻抗普等参数来计算或评价氯离子渗透性。 由上介绍可知，氯离子渗透性试验方法可分为三大类：自然扩散法、外加电 场加速扩散法、压力渗透法。自然扩散法需要的时日j 较长，相比之下，氯离子加速 扩散法快速、简单，是目前应用最广泛的方法。下面详细介绍一下工程中常用三 种检测方法： 6 2 混凝七氯离子渗透性检测方法研究 2 1 1 自然扩散法 8 0 年代以前，美国测试混凝土氯离子渗透性的方法主要是盐溶液长期浸泡法， 即美国最早的氯离子扩散试验标准方法盐溶液浸泡法。后来欧洲又在此基础上做 了一些变动，并制定了n tb u i l d4 4 3 9 4 氯离子渗透试验标准，这两种方法都是 自然扩散法。美国和欧洲盐溶液浸泡法的不同：首先是试件厚度的不同；其次是 对试件处理的不同。美国a a s h l o t 2 5 9 标准中试件留有两个暴露面，而n t b u i i d 4 4 3 9 4 中试件只有一个暴露面；最后是暴露环境的不同。虽然如此，两种浸泡 法中混凝土的浸泡时间几乎一致，即普通混凝在氯化钠溶液中浸泡3 5d ，高强、 高性能混凝土则浸泡9 0 d 甚至更长。待混凝土浸泡完毕后，通过切片或钻取的方 法，借助于化学分析，得到氯离子浓度与扩散距离的关系，然后利用f i c k 第二定 律计算氯离子扩散系数。该方法的缺点是试验周期长，试验过程繁琐，可重复性 差，无法测定早期混凝土氯离子扩散系数，影响试验结果因素较多，因此人们一 直努力寻找别的方法来快速测定氯离子渗透性1 4 1 。 2 1 2 电量法 外加电场加速氯离子扩散实验方法最初由w h i t i n g 8 】于1 9 8 1 年发明，所加电 为直流电。这一方法最早被称为快速氯离子渗透试验方法( r a p i d c h l o r i d e p e 咖e a b j l i t yt c s t ，简称r c p d 。这一方法的原理是溶液中的离子在电场 作用下渗透速度加快，使试验时问缩短。由于此法试验时i 日j 短，在实验室内具有 重复使用性，它于1 9 8 7 年被美国公路运输局定为标准试验方法，即a a s h t o t 2 7 7 ，随后又被美国试验与材料协会定为标准试验方法即a s l mc1 2 0 2 。a s l m c1 2 0 2 ( a a s h l d 他7 刀试验的具体方法：混凝土试件养护2 8 d 后，切成5 0 m m 厚、l o om m 直径的试件，在真空条件下进行水饱和。然后固定在水槽上，两端 水槽所用溶液分别为3 1 0 n a c l 溶液和0 1 3 m o l ，l n a o h 溶液，在6 0 v 的外加电 场下，每隔3 0 m i n 记录一次电流，持续6 h ，由电流时问函数曲线计算通过的 总电量，来评价混凝土的氯离子渗透性。 2 1 3 压力渗透法 除了用电场加速离子在混凝土中扩散的方法外，另外种加速氯离子渗入混 凝土的方法是施力于含氯离子的溶液( 混凝土的一面) 。这种方法的原理是使含有 氯离子的溶液靠对流和扩散的作用渗入混凝土。水压法测定氯离子在混凝土中的 7 北京交通大学硕士学位论文 扩散类似于压力水的渗透性。方法为混凝土试件预先用水预饱和，然后放在试验 装置上，试验必须保证装置四周完全密封，以免泄漏。将含有氯离子的溶液注入 装置，然后加压。加压至规定时间后，取出混凝土试件测定氯离子渗透深度及含 量【”。 2 2 电量法检测的研究和改进 本文设计的检测系统是基于电量法原理的，又对传统电量法试验作了一定的 改进。 2 2 1 电量法检测 电量法通常叫a s l mc1 2 0 2 ( a a s h l ot 2 7 7 ) 试验方法。电量法的原理为：氯 离子在直流电压作用下，通过混凝土试件向正极方向移动，测量流过混凝土的电 荷量，间接反映出混凝土的抗氯离子渗透能力。 试验的具体步骤；混凝土试件养护2 8 天后，切成5 0 m m 厚、9 0 | l l l m 直径的试 件，放入水中，进行饱水。然后固定在水槽上，两端水槽所用溶液分别为3 o n a c l 溶液0 3 m o i l n a o h 溶液，加6 0 v 的外加电场，试验测试装置如图2 1 。 6 0 v 件 极阴极 0 3 m n a o h3 n a a 图2 - 1 实验测试装置图 f i g2 1c h a r to fe x p e r i m e n t e s t i n ge q u j p m e n t 通过一定手段，打印或记录电流值。记录电流初始读数1 0 ，丌始时每隔5 m i n 已录一次电流值，当电流值变化不大时，每隔1 0 m i n 记录一次电流值，当电流变 b 2 混凝十氯离子渗透性检测方法研究 化很小时，每隔3 0 i i i i l i 记录一次电流值，直至通电6 h ，绘制电流于时间的关系图， 将各点数据以光滑曲线连接起来，对曲线作面积积分，得到试验6 h 混凝试件通 过得电量。通过电通量的多少来评价混凝土的氯离子渗透性1 6 1 。 2 2 2 电量法的改进 电量法( a s l mc1 2 0 2 ) 试验时要求将混凝土试件放入水中对混凝土试件进行 饱水，在6 0 v 的外加电场下，每隔5 m i n 3 0 m i n 记录一次电流，持续6 h ，由电流 时问函数曲线计算通过的总电量。传统电量法的缺点有： 自然条件下混凝土试件饱水困难，通常需要很长时l b j ，有的甚至达不到完 全饱水。这不利于当前工程检测。 通过3 d m i n 记录一次的电流值，通过电流值绘制电流曲线图，再通过对曲 线面积进行积分计算通过的电量，这样方法误差较大，只能得出大概的混凝土渗 透性指标，不能得出例如渗透性系数等指标，检测结果的准确性不高。 改进的措施有： 使混凝土试件比较快的达到完全饱水，节约检测时问并保证实验的顺利进 行。 尽可能实时采集记录电流值，并对电流进行积分累加计算电通量，这样计 算出的电通量准确可靠。电量和电流值的计算公式为： q 。p s ) d l 0 ，( f ) 电流为时间的函数 电量法混凝土试件的截面积是固定的圆形： s 。舯2 q 。，胛2 j o 渺 0 2 3 电通量和氯离子渗透性关系研究 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 电通量方法原理为测量流过混凝土的电荷量，丑j 接反映出混凝土的抗氯离子 渗透能力。因此必须了解电通量与渗透性系数的关系，才能通过电通量反映混凝 土的抗氯离子渗透性。 通过混凝土的电通量和氯离子渗透性系数均反映混凝土内部孑l 结构的数量和 9 北京交通大学硕士学位论文 特征的指标，因此它们之问存在一定的相关关系。理论上，当孔隙液中的传质阴 离子仅有氯离子时，电通量与渗透系数之间呈线性关系。实质上，氯离子的扩散 取决于混凝土内部的孔结构，几乎不受孔隙液化学成分的影响；而电导率不仅与 混凝土的内部孔结构有关，而且受孔隙液中的离子种类与数量的影响，即当不同 种类混凝土孔溶液中的传质离子发生变化时，扩散系数与电通量之问并不是一种 简单的线性关系。渗透系数随着电通量的增大而增大，但不一定成线性关系。 以电通量法要求的不同配料比的直径9 0 m m 厚5 0 m m 的混凝士试件为例，经 过实验测的电通量和对应的氯离子渗透系数如表2 1 ； 表2 1电鼙和氯离子渗透系数 t a b 】e 2 - 1c h a f 萨a n ds a t u r a t i o nm 0 d u l u so fc h l o r i i li o n 编号 电通量( 库仑)氯离子渗透系数( 1 0 。2 m s ) 116 1 6 24 2 21 1 5 53 o 38 6 5 2 8 5 43 6 0 1 8 5 3 8 81 6 5 6 7 5 9 2 o 7 6 5 01 8 5 84 0 91 5 5 93 9 81 2 1 04 4 61 ” 1 l4 1 5 2 1 0 通过回归分析法得出其中掺煤粉的混凝土试件电通量与氯离子扩散系数的关 系为： d 一2 1 0 4 q 2 一o 0 0 4 2 q + 4 7 2 可以得出，氯离子渗透系数随着电通量的增大而增大，它们之问的相关性非 常好，电通量和氯离子扩散系数之问呈非线性关系m 。 另外电量法评定混凝土的氯离子渗透性有定性的关系，可以大概的得出混凝 土的氯离子渗透性和楣应的混凝土类型。电量法评定混凝土氯离子渗透性的指标 如表2 2 ： 1 0 2 混凝土氯离子渗透性检测方法研究 表2 - 2a s l mc1 2 0 2 法评定指标以及典型混凝土类型 t a b i c 2 - 2h d e xo f a s l mc1 2 0 2 柚dm 0 d e lc 咖c r e t eb p c 通过的电量( 库仑) 氯离子渗透性混凝土类型 4 0 0 0 高高永灰比常规 p o c ，( ，矿c o 6 ) 2 0 0 0 4 0 0 0中等 中等水灰比常规 p o c ，( c ；0 4 口0 5 ) 1 0 0 0 2 0 0 0低低水灰比常规 p c c ，( c s 0 4 ) 1 0 0 l o o o 非常低 孑l 胶改性的混凝土、内部密封的 混凝十 1 0 0 可忽略聚合物浸渍混凝七 1 1 北京交通大学硕士学位论文 3 检测系统总体设计方案 3 1 检测系统设计依据及目标 3 1 1 设计依据 检测系统对混凝土氯离子渗透性的检测是基于电量法( a s l mc1 2 0 2 ) 检测原 理，并实现了对传统电量法检测方法的改良。 3 1 2 设计目标 系统要实现的功能就是系统的设计目标，由上节介绍的混凝土氯离子渗透性 电量检测的原理，自动检测系统的设计目标有： ( 1 ) 自动实现混凝土试件的饱水； ( 2 ) 提供标准的6 0 v 直流测试电压； ( 3 ) 八个测试通道，精确测量通过混凝土试件的电流( 1 ) ； ( 4 ) 自动检测测试溶液的温度； ( 5 ) 显示和输出测量结果： ( 6 ) 实时的计算电通量，保存实验数据； ( 7 ) 自动得出混凝土氯离子渗透性指标。 3 2 系统总体设计方案 混凝土氯离子渗透性测试系统是通过测试通过混凝土试件的电通量来评价混 凝土质量的试验仪器，根据系统要实现的功能将系统分为真空饱水机、氯离子电 测仪和上位机分析软件三个部分。其构成如图3 1 所示。 1 2 3 检涓系统总体设计方案 口 试件 饱水试验 电 口漉 温 j 皇 豳3 1 系统构成示意幽 f 蟾3 - 1s k e 劬m a po f s y s t c 0 m p o s i n g 系统分为真空饱水机、氯离子电测仪和上位机分析软件部分。 3 2 1 真空饱水机的设计方案 e 位机 真空饱水机的设计目标就是使混凝土试件在较短的时问内实现完全饱水，以 加速氯离子的穿透能力。混凝土试件在真空负压模式下，饱水容易。饱水机的构 成示意图如图3 2 。 负压仪表 图3 2 饱水机的构成示意幽 f 蟾3 2s k e t c hm a p o fw h t e rs a l u r a t i o ni n s t m m e n t c o m 】p o s i n g 饱水机由密封容器、控制模块、 控制模块是真空饱水机的关键部分， 负压仪表和执行元件( 泵阀等) 组成。其中 控制模块功能由继电器实现。 3 2 2 氯离子电测仪的设计方案 氯离子电测仪实现对电流和温度信号的测量，并实时的显示输出，同时将测 量数据传送到上位机。氯离子电测仪的构成示意框图如图3 3 。 北京交通大学硕士学位论文 璺亨采集模块! 爿! c 叫模块 c 爿 通讯模块 萎 号一 l jl ： i 人机交互模块 可靠性模块 l 一一一一l 一一 幽3 3 氯离子电测仪构成示意图 f i g3 3s k e o c hm a p o fc 0 山m e 时t e s ti n s t m m e n t ( 0 m p o s i i l g 氯离子电测仪可分为数据采集模块、c p u 模块、显示模块、打印模块、人机 交互模块、可靠性模块和通讯模块。氯离子电测仪软件构成示意图为： 电测仪软件 数据采集数据处理 液紫显打肾打 ：人机交互数据通讯 图3 4 测试仪软，i ：构成示意幽 f i g3 - 4 s k e t c hm a p 0 ft 毫s t i n s t m m e n ts o f “a r ec o m p o s i n g 3 2 - 3 上位机分析软件设计方案 上位机分析软件通过串口从氯离子电测仪采集试验数据，对数据进行处理后 将数据实时的显示到界面上，并实时的对电通量进行积分，绘制电流曲线图，根 据用户操作保存试验数据和电流趋势图，试验结束后自动得出对混凝土氯离子渗 透性的评价。上位机分析软件可以提高试验的精度、简化试验操作，按功能分包 括用户界面模块、通讯采集模块、数据处理模块、数据保存模块、绘图模块、渗 透性判断模块。上位机分析软件的功能框图如图3 5 。 1 4 习 匿 叵竹 3 检测系统总体设计方案 幽3 - 5 上位机分析软件功能框图 f i g3 - 5f u n c t i o nf r a i n eo fc o m p u t e ra n a l y s es o 脚a r e 北京交通大学硕士学位论文 4 真空饱水机设计 由电量法原理可知，混凝土试件进行通电实验前必须使其完全饱水，以有利 于混凝土氯离子的扩散性，如果饱水不完全将会影响测量结果。真空饱水机的作 用是使混凝土试件在短时问内完全饱水，以有利于氯离予的穿透性，以便进行下 一步的试验。 在自然条件下，混凝士的渗水性是很低的，要使它完全的渗水往往要很长时 间，甚至达不到完全饱水，这不利于实际工程中的检测。饱水机的设计思路是混 凝土试件在一个密封的负压条件下进行渗水。 4 1 真空饱水机设计依据 在自然条件下，混凝土的渗水性是很低的，要使它完全的渗水往往要很长时 间，有的甚至达不到完成饱水，这不利于作试验。专家指出如果给混凝土施加一 定的负压，混凝土的渗水性将大大提高。饱水机的设计思路是让混凝土试件在一 个密封的负压条件下进行渗水，这样水在气压的作用下能较快的渗入混凝土试件。 实验证明，将5 0 m m 厚、1 0 0 l r l l m 直径的混凝土试件置于一1 0 0 k p a 的负压下 3 h ，然后加水浸水加压1 0 0 k p al h ，而后使其暴露在大气压下大约8 h ，混凝土试 件就可以饱水。真空饱水机设计目标就是自动实现上述过程。 4 2 控制模块设计 4 2 1 控制逻辑制定 由混凝土试件的饱水条件，饱水机工作过程是将混凝土试件置于密封锅内， 用真空泵抽气使其保持一1 0 0 k p a ，3 h 后打开进水阀门向锅内注入水，再加压1 h ， 然后打丌出气阀门，让锅内恢复大气压力，打丌锅盖。让混凝土试件暴露在空气 中8 h 后j 饱水机自动断电完成试验取出试件。 饱水机自动功能控制逻辑如下图4 。1 ： 1 6 ! 墨至塑坐垫堡生 f开始) 一卫 i 按键饱水机上l 皇 下 j 定时t 1 ，t 2 ，b ； l 启动t 1 t 2 t 3 ； 二二一一 j 负j e 仪表l ：电j j 控4 4 宾窄泵保 ；持恒定负挑4 t 定时时间t 到? 一一? 5 j 打开进水脚 水达到水 位? 一、! i 关闭进水阉 ， t 2 时甸剑? t ：打开进气阀 t 3 时阃到? 一丫? ：饱水机断电 ， f结柬 幽4 1 饱水机i ：作流拌图 f i g4 - lr o wc h a r io fw a t c rs a t u f a t i o nl n s t n l m e n t 1 7 北京交通大学硕士学位论文 4 2 2 控制电路设计 饱水机设计的关键就是实现三个时间的控制，控制电路采用时间继电器实现。 时问继电器计量时问准确且可靠，且控制电路实现简单。饱水机自动功能的实现 主要是对三个时间的控制，即3 h 、1 h 和8 h 。根据真空饱水机的工作流程，采用 三个时间继电器l 。r i 、k t 2 、k 仍，定时的时自j 分别3 h 、4 h 、1 2 h 。考虑到在实际应 用中用户可以按灵活的掌握的饱水时间，为饱水机增加了手动档，用户可以自己 操作各个泵、阀掌握试验的时间。 饱水机分为手动档和自动档运行模式。设计其控制电路原理图如图4 2 。 s a 4 忆 进气 图4 2 饱水机控制电路 f i g4 - 2c o n t r o lc j f c u “o f 、v a t c rs a t u r a t i o ni n s t n i m e n l 如图4 2 ，k t l 、k t 2 、k 是三个的时l ，日j 继电器，k l 、k 2 、k 3 、k - 4 是中间继 电器。为继电器线圈，总丌关s a 为可复位丌关，s a 。为两个档位的旋钮。由电路 原理图，真空饱水机有自动档和手动档两个模式。 1 s 4 真空饱水机设计 1 自动档模式 当旋钮s a l 打倒自动档时，只需固定好试件，按动自动复位弹簧按钮s a 饱 水机上电自动完成试验，当试验完成时饱水机自动断电。k l 的自锁功能自动通断 电控制，当s a 按下时k 1 线圈带电，常开触点k 1 闭合，这样当s a 弹回时，回路 仍热带电，饱水机完成上电。当试验时自j 到时日j 继电器k r 3 常闭触点断开，这时 k ，线圈掉电触点k 1 断开，这时虽然k 1 3 常闭触点又闭合，但触点k l 已断开所以 饱水机掉电。 k n 常闭触电控制负压仪表的上电，和进气阀的上电开启。在t t 时间内通电 后负压仪表带电，当密封罐内的负压大于1 0 0 k p a 时k 2 带电。k 2 的常丌触电控 制真空泵的启停。t l 小时后负压仪表掉电。k 2 控制真空泵的接线如图4 3 。 肥气矿攀 眨 真宰泵 图禾3 真空泵接线示意幽 f i g4 3s k e 诎m a p o fv a c i i u mp u m pc o n n e c t i 蛐 k t ，常开触电控制线圈的通电，通电t lh 后上电。的常丌触电控制进 气阀的开启，当线圈时，进气阀通电打丌，让空气进入密封锅内。进气阀接线 如图似： a c 2 2 0 vr 7 一r 一零 k 莎图 进气阀 幽4 4 进气阀接线示意幽 f i g4 - 4 s k e t c hm a p o fg 弱、，a i v cc o n n e c t i o n k 1 2 控制和液位开关共同控制k 3 的通电。k 3 的常丌触电控制进水阀的开启。 饱水机上电t 2h 后，k 3 常丌触点闭合，进水阀通电打开水注入密封锅，水位达到 液位要求时液位开关断开，k 2 掉电触点断丌进水阀笑钿。进水阀接线如图4 5 。 一 i ! 夏至望盔堂堡兰垡堕塞 a 咝l _ 母零 磨囱 图4 _ 5 进水蒯接线示意图1 f i g4 - 5s k e t c hm a p1o fw a t e r 、，a l v ec o 如e c t j o n 2 手动档模式 当旋钮s a 2 打倒手动模式时，真空泵、进水阀、进气阀的启动是靠旋钮s a 2 、 s a 3 、s a 4 来完控制，这样用户就可以根据自己的需要灵活的掌握各个时间。 4 3 真空饱水机的构成 饱水机主要有箱体、密封锅、时问继电器、真空泵、电磁阀、压力控制单元 和液位丌关等组成。饱水机样机如图4 6 。 4 3 1 时间继电器 幽4 6 饱水机幽 f i g4 6c h a no fw a t e rs a t u r a t j o ni n s t n i m e n t 2 0 4 真空饱水机设计 时间继电器用在继电保护和自动控制的直流回路中，作为时间元件。特别是 用于要求时问精度高，配合时间级差小的场合。时间继电器是一种感受外界信号 后，经过一段时问才执行动作的继电器，种类多，应用广。综观各类时问继电器， 其型式不外乎两种：断电延时型和通电延时型，本仪器采用了3 个通电延时型时 间继电器。 4 3 2 压力控制单元 压力控制单元包括压力传感器、变送器和差压开关控制仪表，作用是控制真 空泵的启停使密封锅内保持相同的负压。实际为一个可以调节的压力值的压力开 关，可以检测密封锅内的气压并数字化显示出来，并带有r 丌关量输出，当压力满 足设定范围时输出为开点信号，反之输出为闭合点信号。 差压丌关控制仪表为d j n 系列智能仪表，可广泛的应用在机械制造、热力、 电力、石化、冶会等领域的自动测量与控制系统中，能精确的对温度、压力、液 位等进行测量和控制。设定其压力的控制为范围控制，即我们必须设定气压的上 限和下限，此系统要求的气压为一1 0 0 k p a ，则我们设定上限为1 0 1 k p a 下限为 9 9 i a ，当气压下降时，当下降到1 0 1 k p a 时，常闭点才断丌。当气压升高时， 当升高到9 9 k p a 时，常闭点才闭合。则气压在1 0 1 9 9 k p a 范围内时，仪器是不 动作的。这个气压的误差是满足要求的。这样做的好处是，防止常闭点不停的开 关导致真空泵不停的启停。其接线图如图4 7 。 ll2346 7 t? tf 圈4 - 7 负压仪表接线示意图 f i g4 - 7s k e t c hm a p0 fp f e s s u r ei n s t n i m e n t ( = o n n e c t i o n 其中6 、7 点为常闭点，继电器l 控制真空泵。 4 3 3 液位开关 液位开关是用于液位高度的电气控制装置。当液位达到设定的高低位置时， 液位丌关的电触点断丌或闭合。将其接入电气线路中，即可实现信号报警或对加 北京交通人学硕士学位论文 ( 排) 液电磁阀电动泵的控制，从而达到控制液位的目的。 本系统选择l s 0 2 型液位开关，l s 0 2 型液位开关主要由杆体1 、浮体4 、磁 钢2 、干簧管3 、导线5 等组成( 见图4 8 ) 。 图鸺液位开关构成图 f i g4 - 8s k e t c hm a p o fs w i t c hc o m p o s i n g 工作原理：浮体在液体浮力的作用下沿杆体上下滑