一种环境模拟碳中和能力测试方法及试验装置与流程

1.本发明涉及土木工程材料测试领域，特别涉及一种环境模拟碳中和能力测试方法及试验装置。


背景技术：

2.土木工程材料作为人类历史中使用的最大宗的材料，在生产过程中会产生一定量的二氧化碳。例如水泥的生产过程中，一方面消耗电力、煤、石油等能源产生二氧化碳，另一方面，石灰石等原材料的加热分解也会产生一部分二氧化碳。二氧化碳排放量增加，会导致温室效应、全球气候变化、冰川融化、海平面上升等严重问题。虽然土木工程材料在生产过程中会排放二氧化碳，但是在使用过程中，也会自然吸收一定量的二氧化碳并将二氧化碳固化在土木工程材料中。这种固化二氧化碳的能力定义为碳中和能力。碳中和能力作为土木工程材料的一种固有性能需要定量评价，从而对土木工程材料或构件在全寿命周期内进行综合评价。土木工程结构在使用过程中，由于地理位置不同，受到外界环境温度、湿度、压力等作用也各不相同。研究和评价土木工程材料在实际环境中的碳中和能力对促进土木工程材料测试领域发展，减少土木工程行业碳排放，尽快实现我国的碳中和目标具有重要意义。
3.目前的土木工程材料碳中和能力缺乏明确的定义和研究。土木工程材料在使用环境中和全寿命周期内对二氧化碳固化的能力没有评价。土木工程行业关注的重点是土木工程材料在生产制造过程中的二氧化碳排放。总的来说，目前没有对土木工程实体结构在使用环境中的碳中和能力的评价方法与装置。
4.有鉴于此，针对土木工程材料与结构，本发明提供了一种环境模拟碳中和能力测试方法及试验装置。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种环境模拟碳中和能力测试方法及试验装置，首先对碳中和能力进行定义，设置模拟使用环境系统，根据封闭系统二氧化碳总量守恒原理，通过测定土木工程材料在模拟环境中的二氧化碳吸纳量，从而评价土木工程材料在全寿命周期内的二氧化碳固化能力，对土木工程材料的碳中和能力进行测定。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种环境模拟碳中和能力测试方法，所述测试方法具体步骤如下：
8.s1.设计全封闭环境试验箱、全封闭气体箱、全封闭液体箱以及控制系统，所述全封闭环境试验箱、全封闭气体箱、全封闭液体箱均通过控制系统进行控制；
9.其中，全封闭环境试验箱内置力学加载装置、模拟降雨的喷淋系统、模拟风速的吹风系统和模拟日照的紫外线系统以及传感装置；
10.全封闭气体箱体，与全封闭试验箱连接，实现气体循环；
11.全封闭液体箱体，与全封闭试验箱连接，实现液体循环；
12.s2.将待测试土木工程材料放置于全封闭环境试验箱内的力学加载装置上，利用模拟降雨的喷淋系统、模拟风速的吹风系统和模拟日照的紫外线系统模拟外界环境中雨量、风速、紫外线强度，同时利用传感装置采集全封闭环境试验箱内的气体二氧化碳浓度和液体二氧化碳浓度；
13.s3.根据s2中采集的数据由公式计算土木工程材料的碳中和能力
[0014][0015]
其中，c
n
是土木工程材料的碳中和能力(kg/m3)，m
c
是全封闭系统初始注入的二氧化碳量(kg)，c
a
是全封闭系统中气体中的二氧化碳浓度(kg/m3)，v
a
是全封闭系统中气体的体积(m3)，c
l
是全封闭系统中液体中的二氧化碳浓度(kg/m3)，v
l
是全封闭系统中液体的体积(m3)，v
n
是土木工程材料试件的体积(m3)。
[0016]
优选的，所述s1中的传感装置包括温度传感器、二氧化碳浓度传感器、湿度传感器和紫外线强度传感器，所述温度传感器、二氧化碳浓度传感器均设置有两个并分别位于全封闭环境试验箱内的液面以上和液面以下，用于分别检测全封闭环境试验箱内的气体二氧化碳浓度和液体二氧化碳浓度、气体温度以及液体温度。
[0017]
优选的，所述s2还包括：在进行外界环境模拟之前，向全封闭环境试验箱内注入一定质量的二氧化碳。
[0018]
优选的，所述s3中，全封闭系统中气体的体积为全封闭环境试验箱内的气体体积以及全封闭气体箱内的气体体积之和，全封闭系统中液体的为全封闭环境试验箱内的液体体积以及全封闭液体箱内的液体体积之和。
[0019]
优选的，还包括控制系统根据实时测定的土木工程材料的碳中和能力c
n
来调整环境荷载和力学荷载，预测土木工程材料全寿命周期内的碳中和能力，所述力学加载装置用于进行弯、剪、扭静力荷载加载和震动荷载加载。
[0020]
本发明还公开了应用于上述环境模拟碳中和能力测试方法的试验装置，其包括：全封闭环境试验箱、全封闭气体箱、全封闭液体箱和控制系统，所述全封闭环境试验箱内设置有力学加载装置、喷淋组件、吹风组件、紫外线光照组件、第一传感装置和第二传感装置，所述力学加载装置固定安装于全封闭试验箱内腔底壁，且力学加载装置上设置有待测试的土木工程材料，所述全封闭试验箱内腔顶壁固定安装有高清数字图像采集器，所述全封闭环境试验箱、全封闭气体箱、全封闭液体箱依次密封固定连接。
[0021]
优选的，所述全封闭气体箱与全封闭环境试验箱之间共同固定连接有进风管道和回风管道，所述进风管道与回风管道上方，且回风管道与全封闭式环境试验箱的连接处位于液面以上，所述吹风组件包括一可调风量大小的循环风机，且吹风组件与进风管到相互连通。
[0022]
优选的，所述全封闭液体箱与全封闭环境试验箱之间共同固定连接有进水管道和出水管道，且进水管道位于出水管道下方，所述全封闭液体箱内设置有循环泵，所述全封闭环境试验箱内的液面高度通过循环泵和出水管道进行调整，所述喷淋组件与进水管道固定连接并位于力学加载装置正上方，通过喷淋组件来控制全封闭试验箱内的液体喷淋量实现雨量模拟。
[0023]
优选的，所述高清数字图像采集器设置有两个并分别固定安装于全封闭环境试验
箱内腔顶壁。
[0024]
优选的，所述第一传感装置固定安装于全封闭环境试验箱内腔顶壁，其包括温度传感器、二氧化碳浓度传感器、湿度传感器和紫外线强度传感器，所述第二传感装置固定安装于全封闭环境试验箱侧壁并位于液面以下，其包括温度传感器和二氧化碳浓度传感器。
[0025]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0026]
本发明根据封闭系统二氧化碳总量守恒原理，对土木工程材料在模拟环境中的碳中和能力进行了定义并发明了一种评价方法，提供的一种环境模拟碳中和能力测试方法及试验装置，可以根据模拟环境的要求进行力学荷载、雨量、风速、紫外线强度的调整；通过采集的气体二氧化碳浓度、液体二氧化碳浓度来分析计算测试试件的碳中和能力。控制系统可根据实时测定的土木工程材料的碳中和能力来调整环境荷载和力学荷载，预测土木工程材料全寿命周期内的碳中和能力；此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
[0027]
图1为本发明的结构示意图；
[0028]
图2为本发明的工作模块示意图；
[0029]
图中：1、全封闭气体箱；2、全封闭环境试验箱；3、全封闭液体箱；4、力学加载装置；5、土木工程材料；6a、第一传感装置；6b、第二传感装置；7、进水管道；8、出水管道；9、紫外线光照组件；10、高清数字图像采集器；11、进风管道；12、回风管道；13、喷淋组件；14、吹风组件。
具体实施方式
[0030]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式，这里使用的“第一”、“第二”仅用于区别同一技术特征，并不对该技术特征的顺序和数量等加以限定。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0032]
一种环境模拟碳中和能力测试方法及试验装置，所述测试方法具体步骤如下：
[0033]
s1.设计全封闭环境试验箱、全封闭气体箱、全封闭液体箱以及控制系统，所述全封闭环境试验箱、全封闭气体箱、全封闭液体箱均通过控制系统进行控制；
[0034]
其中，全封闭环境试验箱内置力学加载装置、模拟降雨的喷淋系统、模拟风速的吹风系统和模拟日照的紫外线系统以及传感装置；
[0035]
全封闭气体箱体，与全封闭试验箱连接，实现气体循环；
[0036]
全封闭液体箱体，与全封闭试验箱连接，实现液体循环；
[0037]
s2.将待测试土木工程材料放置于全封闭环境试验箱内的力学加载装置上，利用模拟降雨的喷淋系统、模拟风速的吹风系统和模拟日照的紫外线系统模拟外界环境中雨量、风速、紫外线强度，同时利用传感装置采集全封闭环境试验箱内的气体二氧化碳浓度和液体二氧化碳浓度；
[0038]
s3.根据s2中采集的数据由公式计算土木工程材料的碳中和能力
[0039][0040]
其中，c
n
是土木工程材料的碳中和能力(kg/m3)，m
c
是全封闭系统初始注入的二氧化碳量(kg)，c
a
是全封闭系统中气体中的二氧化碳浓度(kg/m3)，v
a
是全封闭系统中气体的体积(m3)，c
l
是全封闭系统中液体中的二氧化碳浓度(kg/m3)，v
l
是全封闭系统中液体的体积(m3)，v
n
是土木工程材料试件的体积(m3)。
[0041]
需要说明的是，s1中的传感装置包括温度传感器(品牌：siemens/西门子型号：qfm2160)、二氧化碳浓度传感器(品牌：燃太型号：zg09)、湿度传感器(品牌：siemens/西门子型号：qfm2160)和紫外线强度传感器(品牌：jars型号：crs
‑
v70n)，其中温度传感器、二氧化碳浓度传感器均设置有两个并分别位于全封闭环境试验箱内的液面以上和液面以下，用于分别检测全封闭环境试验箱内的气体二氧化碳浓度和液体二氧化碳浓度、气体温度以及液体温度。
[0042]
s2还包括：在进行外界环境模拟之前，向全封闭环境试验箱内注入一定质量的二氧化碳，此处注入的一定质量的二氧化碳，其质量是已知的，即为上述m
c
的具体数值。
[0043]
s3中，全封闭系统中气体的体积为全封闭环境试验箱内的气体体积以及全封闭气体箱内的气体体积之和，全封闭系统中液体的为全封闭环境试验箱内的液体体积以及全封闭液体箱内的液体体积之和。
[0044]
本发明中中，控制系统的主控制器为一事先经过编程的plc控制器，控制系统根据实时测定的土木工程材料的碳中和能力c
n
来调整环境荷载和力学荷载，预测土木工程材料全寿命周期内的碳中和能力，力学加载装置用于进行弯、剪、扭静力荷载加载和震动荷载加载。
[0045]
本发明还公开了一种应用于上述环境模拟碳中和能力测试方法的试验装置，其包括：全封闭环境试验箱2、全封闭气体箱1、全封闭液体箱3和控制系统，全封闭环境试验箱2内设置有力学加载装置4、喷淋组件13、吹风组件14、紫外线光照组件9、第一传感装置6a和第二传感装置6b，力学加载装置4固定安装于全封闭试验箱2内腔底壁，且力学加载装置4上设置有待测试的土木工程材料5，全封闭试验箱2内腔顶壁固定安装有高清数字图像采集器10，全封闭环境试验箱2、全封闭气体箱1、全封闭液体箱3依次密封固定连接。
[0046]
全封闭气体箱1与全封闭环境试验箱2之间共同固定连接有进风管道11和回风管道12，进风管道11与回风管道12上方，且回风管道12与全封闭式环境试验箱2的连接处位于液面以上，吹风组件14包括一可调风量大小的循环风机，且吹风组件与进风管到11相互连通。
[0047]
全封闭液体箱3与全封闭环境试验箱2之间共同固定连接有进水管道7和出水管道
8，且进水管道7位于出水管道8下方，全封闭液体箱3内设置有循环泵，全封闭环境试验箱2内的液面高度通过循环泵和出水管道8进行调整，喷淋组件13与进水管道7固定连接并位于力学加载装置4正上方，通过喷淋组件13来控制全封闭试验箱内的液体喷淋量实现雨量模拟。
[0048]
高清数字图像采集器10设置有两个并分别固定安装于全封闭环境试验箱2内腔顶壁。
[0049]
第一传感装置6a固定安装于全封闭环境试验箱2内腔顶壁，其包括温度传感器、二氧化碳浓度传感器、湿度传感器和紫外线强度传感器，用于检测全封闭环境试验箱2内的气体的温度、湿度、二氧化碳浓度和紫外线强度，第二传感装置6b固定安装于全封闭环境试验箱2侧壁并位于液面以下，其包括温度传感器和二氧化碳浓度传感器，用于检测全封闭环境试验箱2内的液体的温度和二氧化碳浓度。
[0050]
需要说明的是，本发明中的力学加载装置采用济南恒乐兴科仪器有限公司的结构力学加载装置，其产品规格为hlflj
‑
200，主要由自平衡反力架、300kn加载油缸、手动加压泵站、自反力锚固装置、关节支座、可上下移动滑板、加强斜支撑、传感器、显示仪表、加强锚杆等其它必要的附件等组成，主要用于进行弯、剪、扭静力荷载加载和震动荷载加载。
[0051]
综上所述，本发明设置模拟使用环境系统，根据封闭系统二氧化碳总量守恒原理，通过测定土木工程材料在模拟环境中的二氧化碳吸纳量，从而评价土木工程材料在全寿命周期内的二氧化碳固化能力，对土木工程材料的碳中和能力进行测定。本发明有助于研究和评价土木工程材料在实际环境中的碳中和能力，促进土木工程材料测试领域发展。对减少土木工程行业碳排放，实现人类碳中和目标具有重要意义。
[0052]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。