具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的采用气冻气融法检测材料抗冻性的装置及方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种采用气冻气融法检测材料抗冻性的装置，其包括：箱体1、循环总管道10、高温防冻液缓冲池11、低温防冻液缓冲池12、加热设备14、冷却设备15、第一泵机18、第二泵机17、第三泵机16、第四泵机19和防冻液；

所述的高温防冻液缓冲池11与循环总管道10、加热设备14和第一泵机18形成第一循环系统(升温过程)；

所述的循环总管道10与加热设备14和第二泵机17形成第二循环系统(高温保温过程)；

所述的低温防冻液缓冲池12与循环总管道10、冷却设备15和第三泵机16形成第三循环系统(降温过程)；

所述的循环总管道10与冷却设备15和第四泵机19形成第四循环系统(低温保温过程)。

在本实施例中，加热设备优选大功率加热器，保证在短时间箱体达到的最大设定温度上限温度；冷却设备优选大功率压缩机，保证在短时间箱体达到的最大设定温度下限温度。

高温防冻液缓冲池11，其内部防冻液的温度高于循环总管道10中防冻液的温度，可通过触屏式参数控制模块2控制高温防冻液缓冲池11中防冻液的温度值高出循环总管道10中防冻液的温度值，调节范围在0～20℃。

低温防冻液缓冲池12，其内部防冻液的温度低于循环总管道10中防冻液的温度，可通过触屏式参数控制模块2控制低温防冻液缓冲池12中防冻液的温度值低于循环总管道10中防冻液的温度值，调节范围在-20～0℃。

如图2、图3和图7所示，所述的循环总管道10内设有防冻液，所述的循环总管道10上设置有一级分配器101，所述的一级分配器101上连接有第一循环管道102和第二循环管道103；

所述的箱体1是由顶面、底面和四个侧面构成的封闭空间，其中一个侧面上设有可开合的箱门3，所述的箱门3内测装有橡胶环，在箱门3关闭时，橡胶环处于挤压状态，起到密封的作用，能有效避免箱体1与外界的热量交换；所述的箱体1的顶面、底面和四个侧面上分别设置有箱体管路系统1023，与所述的第一循环管道102连接；

所述的箱体1内设有多层置物架20，多层置物架20间隔设置，用于放置待测样品；每层置物架上分别设置有置物架管路系统1033，与所述的第二循环管道103连接。

高温防冻液缓冲池中的高温是指在检测材料的抗冻性时采用的融化温度，因材料的不同而不同，一般在约0℃～30℃，还可在5℃～25℃，15℃～20℃等。

低温防冻液缓冲池中的低温是指在检测材料的抗冻性时采用的冻结温度，因材料的不同而不同，一般在约-30℃～-5℃，还可在-25℃～-15℃，-20℃～-18℃等。

在一些实施例中，如在检测超轻质混凝土的抗冻性时，设定其冻结温度为-15℃，融化温度为15℃。

本实施例中所说的超轻质混凝土是指干密度小于等于400kg·m^-3的超轻低强水泥基材料。低强一般是指强度小于等于1MPa。一级分配器的设置能够使防冻液能够同时进入第一循环管道内和第二循环管道内，且通过调节一级分配器控制进入第一循环管道内和第二循环管道内的冷冻液的流速和流量，使得置物架的温度和箱体的温度能够达到同步升降，且实现升降温速率的精确控制。第一泵机18、第二泵机17、第三泵机16和第四泵机19用于推动相应的循环系统内防冻液的循环。

本实施例的装置采用双缓冲池四循环系统和全骨架管路系统，增大了防冻液循环的表面积，能使箱体的温度迅速地升高和降低，实现箱体整体完成升温和降温过程，确保箱体温度均匀，并实现箱体温度精准控制。

现有的气冻气融环境下因没有加热和冷却介质导致升温和降温都难控制的问题，本发明实施例提出双缓冲池四循环系统和全骨架防冻液循环，实现了试验装置快速可控升温和降温过程，具体如下：

本实施例的装置采用双缓冲池四循环系统，在低温转高温的过程中，高温防冻液缓冲池与循环总管道相连，通过箱体内的温度传感器采集反馈的数据，调节防冻液流速和流量，实现快速且高精度地控制箱体的升温过程，达到预设温度后，关闭高温防冻液缓冲池阀门，循环总管道直接与加热设备相连，完成高温保温过程；高温转低温的过程中，低温防冻液缓冲池与循环总管道相连，通过箱体内的温度传感器采集反馈的数据，调节防冻液流速和流量，实现快速且高精度地控制箱体的降温过程，达到预设温度后，关闭低温防冻液缓冲池阀门，循环总管道直接与冷却设备(压缩机)相连，完成低温保温过程。

进一步的，在一些实施例中，如图8所示，所述的第一循环管道102上还设置有二级分配器1021，所述的二级分配器1021上连接有第一子循环管道1022，所述的第一子循环管道1022分别与所述的箱体管路系统1023连接，用于使第一子循环管道1022内的防冻液进入到各面的箱体管路系统1023内；

所述的第二循环管道103上还设置有二级分配器1031，所述的二级分配器1031上连接有第二子循环管道1032，所述的第二子循环管道1032分别与各层的置物架管路系统1033连接，用于使第二子循环管道1032内的防冻液进入到各层的置物架管路系统1033内。

更进一步的，各面的箱体管路系统1023分别由若干并联的横向管路构成；

各层的置物架管路系统1033分别由若干并联的横向管路构成；

在各管路系统1023、1033中，横向管路的数量为4根、6根、8根或10根；

横向管路的防冻液入口和防冻液出口分别设在两端，相邻两个横向管道的防冻液入口和防冻液出口设置在不同端；

所述第一子循环管道1022有两路，其中一路与各面中防冻液入口在左端的横向管路连接，另一路与各面中防冻液入口在右端的横向管路连接；

同样的，所述第二子循环管道1032有两路，其中一路与各层中防冻液入口在左端的横向管路连接，另一路与各层中防冻液入口在右端的横向管路连接。

循环总管道中的防冻液先通过一级分配器将防冻液分为两路，第一路进入箱体上的管道，第二路进入置物架上的管道内，然后再各自进行二级分配，通过一个二级分配器将第一路中的防冻液按照比例分配到箱体的各面管路中，按照比例分配是指箱体各面的单位面积通过的防冻液相同，通过另一个二级分配器将第二路中的防冻液均匀分布到置物架的各层管路中，为了保证每层升降温速率相同，将置物架的各层设置成完全相同的尺寸。

通过这种设置方式，能够保证流体能够尽可能均匀的分布在箱体的各面和置物架的各层，使得箱体和或各层的升温速率和降温速率均匀，以精确控制升温速率和降温速率，利于试验时冻结温度和融化温度的精确控制，以便能准确测试出材料在服役环境或设定环境下的冻融破坏过程，进而得到材料的抗冻性。

进一步的，在一些实施例中，如图4和图5所示，所述的采用气冻气融法检测材料抗冻性的装置，还包括：

上出风管4，设在所述箱体1的上端，所述的上出风管4的端部设有可开合机构；该可开合机构优选由两叶片组成；

下出风管5，设在所述箱体1的下端，所述的下出风管5的端部设有可开合机构；该可开合机构优选由两叶片组成；

外置风机15，设在所述箱体1的外部；当装置在加热或正温保温时，所述的外置风机15与所述的上出风管4连通，上出风管上的两叶片处于开启状态，下出风管上的两叶片处于闭合状态；当装置在降温或负温保温时，所述的外置风机15与所述的下出风管5连通，下出风管上的两叶片处于开启状态，上出风管上的两叶片处于闭合状态。当停止工作时，上出风管上的两叶片和下出风管上的两叶片都处于闭合状态。

本实施例中上出风管和下出风管共用一个外置风机，可以节约能耗，减少风机损坏概率。通过控制风机功率调节出风量，用于促进箱体内空气流动，使箱体内温度统一。

针对现有在抗冻试验时冻结过程中冰箱存在较大上下温差的问题，本发明实施例提出外置风机促进箱体空气流动并以全骨架防冻液循环为辅助的思路，实现了冻融试验全过程中箱体内温度均匀，具体如下：

装置设有外置风机，风机与箱体上下两端的出风管道相连，冻结时冷空气下沉，此时风机与箱体底端出风管连通，促使冷空气上涌。融化时热空气上聚，此时风机与箱体顶端出风管自动连通，促使热空气下移。箱体内空气在冻融的全过程中处于流动循环状态，保证试验装置能为试件冻融过程提供稳定且均匀的温度环境，为准确模拟出材料在实际服役环境下的冻融破坏过程提供了设备基础。

进一步的，在一些实施例中，如图4和图6所示，所述置物架20为镂空结构，包括骨架部分和镂空部分，各层的置物架管路系统分别放置在各层的骨架部分上。镂空部分有利于试件与箱体的温度传递，又利于箱体内空气的流动；如果要放置大质量、大体积试件，注意要选择高承压材料，或者外加加固件以加固置物架。

进一步的，在一些实施例中，如图4所示，所述的采用气冻气融法检测材料抗冻性的装置，还包括：

保温隔热层，其由聚氨酯超轻质塑料制成，设在所述箱体1的外侧；

保温隔热层分布于整个箱体的外侧，这里的外侧包括箱体的顶面、底面和四个侧面，箱门上也设置保温隔热层，保温隔热层优选以聚氨酯超轻质塑料制成，有效避免箱体与外界的热量交换。

箱体温度传感器6，设在所述的箱体1内，用于实时监测箱体1内的温度变化，箱体温度传感器6采用pt100温度传感器，温度的采集范围可达到-200℃～+850℃，用于实时监测箱体内的温度变化；在一些优选实施例中，在所述的箱体1内还设置有辅助箱体温度传感器9，采用pt100温度传感器，温度的采集范围可达到-200℃～+850℃，用于校验箱体温度传感器6测得温度的准确性，确保箱体内温湿度统一；

低温防冻液温度传感器29，设在所述的低温防冻液缓冲池12内，用于实时监测低温防冻液缓冲池12内防冻液的温度；采用pt100温度传感器，温度的采集范围可达到-200℃～+850℃，用于监测低温缓冲池防冻液的温度，当测定温度低于设定温度，27打开，16工作，保证防冻液在设定温度值范围内；

高温防冻液温度传感器30，设在所述的高温防冻液缓冲池11内，用于实时监测高温防冻液缓冲池11内防冻液的温度；采用pt100温度传感器，温度的采集范围可达到-200℃～+850℃，用于监测高温缓冲池防冻液的温度，当测定温度低于设定温度，25打开，18工作，保证防冻液在设定温度值范围内；

防冻液温度测试传感器(图中未示出)，设在所述的循环总管道10内，用于实时监测循环总管道10内防冻液的温度。采用pt100温度传感器，温度的采集范围可达到-200℃～+850℃，用于监测循环总管道内防冻液的温度。

在一些实施例中，还包括试件内部温度测试传感器7，如图10所示，采用pt100温度传感器，温度的采集范围可达到-200℃～+850℃，根据测试要求可添加多个传感器。实时监测试件中心温度的温度变化。

进一步的，在一些实施例中，所述的采用气冻气融法检测材料抗冻性的装置，还包括：

防冻液为60％质量浓度的乙二醇水液体，其冰点：-48.3℃，沸点：110.0℃，装于循环总管道中，通过泵机推动循环，完成与箱体的温度交换。

进一步的，在一些实施例中，所述的采用气冻气融法检测材料抗冻性的装置，还包括：控制设备，包括参数控制模块，用于调节各冻融参数，自动完成试件冻结及融化过程；

所述的冻融参数包括：升温速率、降温速率、温度上下限、单次冻融循环时间和冻融循环次数。

具体的，所述的控制设备包括触屏式参数控制模块2，用于调节各冻融参数；并根据温度传感器的实时测量值，控制冻结和融化相关装置的开关及各分配器的分配比例，以保证各参数达到预设值。

试验装置设有参数控制模块，通过调节可用于不同参数条件下的冻融试验研究：

升温速率和降温速率调节：升温速率和降温速率都可在10℃/h～30℃/h范围内调节，控制精度在±0.5℃；

温度上下限调节：根据研究和工作实际需求在-30℃～30℃范围内进行调节；

单次冻融循环时间调节：可调节冻结和融化的时长(达到设置温度后自动保温)的抗冻性，根据研究和工作实际需求单次冻融循环时间可在4h～24h范围内调节。

混凝土的抗冻性：是指混凝土含水时抵抗冻融循环作用而不破坏的能力。混凝土的冻融破坏原因是混凝土中水结冰后发生体积膨胀，当膨胀力超过其抗拉强度时，便使混凝土产生微细裂缝，反复冻融裂缝不断扩展，导致混凝土强度降低直至破坏。以抗冻标号来表示，抗冻标号是以龄期28天的石块在吸水饱和后于-15～200C反复冻融循环，用抗压强度下降不超过25％，且重量损失不超过5％时，所能承受的最大冻融循环次数来表示。混凝土分以下九个抗冻等级：D10、D15、D25、D50、D100、D150、D200、D250、D300，分别表示混凝土能够承受反复动融循环次数不小于10、15、25、50、100、150、200、250和300次。

进一步的，在一些实施例中，所述的采用气冻气融法检测材料抗冻性的装置，还包括各种控制阀门，包括但不限于以下阀门：

如图1所示，阀门23，控制粗细两个管道的开关，实现防冻液大中小三种流量的调节，在高温转低温的过程中，23、27打开，16工作，使12、15与10相连，通过6和9的温度传感器采集反馈的数据，调节防冻液流速和流量，实现快速且高精度的控制箱体的升温过程，达到预设温度后，关闭23，19工作，10直接与15相连，完成保温过程；

阀门24，连接14和10，控制该段管道的开关；

阀门25，连接11和14，控制该段管道的开关；

阀门26，控制粗细两个管道的开关，实现防冻液大中小三种流量的调节，在低温转高温的过程中，24、26打开，18工作，使11、14与10相连，通过6和9的温度传感器采集反馈的数据，调节防冻液流速和流量，实现快速且高精度的控制箱体的升温过程，达到预设温度后，关闭26，17工作，10直接与14相连，完成保温过程；

阀门27，连接15和10，控制该段管道的开关；

阀门28，连接12和15，控制该段管道的开关。

根据温度传感器的实时测量值，通过参数控制装置，控制冻结和融化相关装置的开关，完成冻结和融化过程的转换，实现在一个装置中自动完成试件冻结及融化过程，减少了试验过程中的劳动力。

本装置可设定冻融循环次数及冻融结束后的箱体温度；可设置为某一确定的正温或负温。

本发明的另一个实施例提出的一种采用气冻气融法检测材料抗冻性的方法，本实施例是通过冻融试验来检测材料的抗冻性，其具体包括以下步骤：

(1)将材料制成试件；

具体包括如下步骤：所述的将材料制成试件，以制备低强水泥基材料的试件为例来说明，包括以下步骤：控制室温为(25±2)℃，准确称取配方量的原料，将这些原料倒入搅拌锅中，在(200±50)rpm的转速下充分混合，并在(300±50)rpm的转速下搅拌5s～8s后入模，静置；3h～5h后用塑料薄膜覆盖试块表面，养护至48h后拆模。拆模后的试件用塑料薄膜包覆，移至标养室养护至28d，再切割成给定尺寸的立方体试件；

采用以上方法制备干密度等级分别为150kg/m³和350kg/m³两种干密度超轻质混凝土试件，分别记作LH-150试件和LH-350试件。

(2)将试件浸水使其达到饱水状态，通过调节试件的沥水时间来控制试件的含水率；

具体包括如下步骤：将切割好的试件在水中浸没48h，试件间距不小于20mm，保持水面没过试件上表面30mm左右，且浸水24h后将试件翻转一次，以保证其吸水更加均匀；48h后，在(20±5)℃，相对湿度≥90％环境下，将试件取出置于沥水架上沥水，试件在沥水时的放置方式，如图9所示，8为试件，在沥水过程中，每隔30min上下翻转一次试件，使试件沥水更加均匀，以保证每一个试件含水率均匀。沥水时间分别为1h、6h、12h，按JC/T 2357规定测试基准组试件的抗压强度f₁。

试件含水率测量：将LH-150试件和LH-350试件浸水48h后取出，按图9要求放置在沥水架上，间隔一定的时间后对两组试件称重并记录为n_i，沥水72h称重后将两组试件放在电热鼓风干燥箱内，在(65±5)℃下烘至恒重(烘干过程间隔4h以上，前后两次称量相差不超过试件质量的0.5％)，测定试件的质量为n₀。

试件含水率按公式(3)计算，精确至0.1％。

式(3)中，W为质量损失率，％；

n_i为试件沥水一段时间后的质量，g；

n₀为试件烘干后质量，g。

含水率的大小直接影响超轻质混凝土的饱水度，通过控制沥水时间能有效地调节试件的含水率。试件吸收的水分在沥水时会重新流出，由于本实施例方法在预处理时对试件进行了密封处理，试件的含水率在冻融过程中能基本保持稳定，因此沥水时间的长短直接决定后续冻融试验中试件的含水率。如图13所示为不同沥水时间下超轻质混凝土的含水率变化，从图13可以看出，两种干密度的超轻质混凝土试件在沥水前1h内的含水率变化最大，这是由于试件刚从水中取出时，其表面的开口孔及内部的连通孔内水会以水滴甚至水柱的形式迅速流出，随着沥水时间的延长，特别在沥水6h以后，两种干密度的混凝土不再有水珠滴落，因此试件含水率的降低速度也明显放缓，沥水12h后两种干密度混凝土试件的含水率已基本不发生变化，选择沥水时间分别为1h、6h、12h，采用100mm×100mm×100mm的试件，融化温度为25℃，按照上述方法进行试验。如图14所示，为沥水6h的两种干密度超轻质混凝土冻融过程温度变化曲线，从图14可以看出，在冻融循环过程中，350kg/m³干密度混凝土对外界温度变化的敏感度低于150kg/m³干密度混凝土的，因此相较高干密度超轻质混凝土，低干密度混凝土的冻融破坏程度更加严重。此外，试件在冻结和融化两个阶段都存在平台段，且平台段的温度范围都在-2～0℃之间，原因是在这一温度范围内超轻质混凝土宏观孔内的水分出现结冰和结冰水融化的过程，这两个过程分别出现放热和吸热现象，导致温度变化放缓。如图15a、图15b、图15c和图15d所示分别为5次冻融、10次冻融、20次冻融和30次冻融后150kg/m³干密度超轻质混凝土的表观形貌，由图可见，随着冻融循环次数的增加，超轻质混凝土的表面剥蚀破坏严重，这是由于受重力作用，少部分水分集中在试件的上下两底面，因此在冻融过程中试件的两个底面遭受的破坏更加严重。如图16a和图16b所示分别为干密度为150kg/m³和350kg/m³的超轻质混凝土在不同沥水时间下的抗冻性试验结果，从图中可见，两种干密度超轻质混凝土的抗压强度损失率和质量损失率均随着冻融循环次数的增加而增大。且相同冻融循环次数下，150kg/m³干密度的超轻质混凝土的冻融破坏程度明显高于350kg/m³干密度的超轻质混凝土，前者在冻融循环30次后，其质量损失率超过5％。随着沥水时间的延长，试件的含水率降低，超轻质混凝土孔内的水分减少，在冻融过程中，试件遭到的冻胀压相对较小。同时有研究表明：饱和面和不饱和内部之间在冻融过程中产生的应力差也是超轻质混凝土冻融破坏的原因之一，虽进行了沥水处理，但试件内外的含水率仍存在差值，外部含水率越小的试件，其内外的应力差越小，冻融破坏程度也会越轻。沥水6h和12h的试件在冻融过程中质量损失的变化趋势基本相同且差值不大，并且由图13可知沥水6h后低、高干密度的超轻质混凝土的含水率分别为44.5％和23.0％，在此沥水时间下两种干密度混凝土的含水量最为接近。结合时间成本，两种干密度的超轻质混凝土在后续抗冻试验中优选的沥水时间为6h。

(3)在温度为(20±5)℃，相对湿度≥90％环境下，将步骤(2)得到的试件包裹并密封，放置在密闭的箱体内，并控制箱体内的相对湿度在90％以上；

具体的，将试验组试件用塑料薄膜逐个包裹密封，并对已包裹的LW150试件和LW350试件打孔(图10为试件打孔位置及传感器放置方式)，放入温度传感器(测试精度为±0.2℃)并在打孔处贴上保温棉，用于后续冻融循环试件中心温度曲线测试。剩余试件按同一组六个试件放置到同一个密封袋中避免水分散失，用于后续冻融试验的质量损失率和强度损失率测试。

所述的密封包括：在试件表面包覆保鲜膜，或将试件密封在密封袋内，或采用微型真空泵低抽气速率(≤3L/min)下真空密封试件，防止冻融过程中的水分散失；

优选的，将试件用保鲜膜包裹，然后在(20±5)℃，相对湿度≥90％环境下将包裹保鲜膜的试块密封到密封袋中。

为保证试件含水率稳定，当箱体温度为正温时，通过加湿器加湿以确保箱体相对湿度在90％以上。

对已包裹的试件8打孔，试件打孔位置及传感器放置方式，如图10所示，在试件8的孔内放入温度传感器7(测试精度为±0.2℃)，通过数据线71与外界连接，并在打孔处贴上保温棉72，用于后续冻融循环试件中心温度曲线测试。打孔位置大约位于试件的中间位置，在一些实施例中，如图10所示，打孔位置距离两边的位置分别为47mm和45mm。更进一步的，孔的宽度约为6mm，温度传感器7放置在该孔内，其中温度传感器7距离孔壁的距离约0.5mm，温度传感器7连接有数据线，数据线距离孔壁的距离约2mm。

剩余试件按同一组六个试件放置到同一个密封袋中避免水分散失，用于后续冻融试验的质量损失率和强度损失率测试。

(4)在气冻气融的环境下进行冻融试验；

本步骤具体包括：

按照试验需求设定融冻试验的升温速率、降温速率、温度上下限、单次冻融循环时间和冻融循环次数；

冻结和融化温度控制点可选择箱体内空气温度(干密度≤1600kg/m³)或者基准试件中心温度(干密度＞1600kg/m³)，由相应的温度传感器测得。

待温度控制点的温度达到设定上限时，将试件放入，同时放入多个试件时，试件间的间距≥20mm；试件放在装置内的间距，试件的放置的数量是根据试验需要来定；

将试验温度从温度上限降升至温度下限，再从温度下限降升至温度上限作为一次冻融循环；在实际冻融试验中可根据需要，选择以箱体温度或试件中心温度为调温基准进行试验，后续也可做统一修改。

经设定的冻融循环次数后，取出试件，测试试件的相关融冻破坏表征参数，直至试件开裂，停止冻融试验，取出试件，并记录冻融循环次数，表征材料的抗冻性能；

所述的试件的相关融冻破坏表征参数包括：测试材料冻融前后的强度变化、微观形貌变化、表面和内部破坏情况，并与冻融循环前试件的相应参数进行对比，表征材料的抗冻性能。

强度测试：通过测试试验前、后试件的抗压和抗折强度，用试验后的测试值减去试验前的测试值后，再除以试验前的测试值，计算其强度损失率，用以表征材料的抗冻性。

微观形貌变化：通过扫描电镜在高真空模式下对材料(采用平整薄片，在真空镀膜机内对样品进行喷金镀膜)的形貌和组织进行观测，研究材料在冻融破坏前后的微观形貌变化。

表面剥蚀及破坏情况：通过拍照进行观察分析其状态。

内部破坏及微结构损伤：可采用应变测试，在试件侧面水平和竖直方向均粘贴应变片，记录试件试验前、后应变值的变化，表征材料的抗冻性能。

更一步的，所述升温速率、降温速率分别控制在10℃/h～30℃/h范围内，控制精度为±0.5℃；

所述温度上下限控制在-30℃～30℃范围内；

所述单次冻融循环时间控制在4h～24h范围内；

冻融循环次数可根据测试材料的抗冻性适当增大或减小，在一些实施例中个，所述冻融循环次数分别为5次，10次、15次、25次和50次。

在检测超轻低强混凝土时，考虑到其性能，冻融循环次数增加了5次的检测次数。

冻融试验及表征参数：

(1)预先将低温箱降温至-15℃；将恒温恒湿箱的相对湿度调为(90±5)％，温度分别调为5℃、15和25℃。保持两箱体内温度均匀。

(2)将密封袋中的试件放入低温箱中，在-(15±2)℃下冻(6±0.5)h，连密封袋取出后放入的恒温恒湿箱中融化(5±0.5)h，此作为一次冻融循环。干密度为150kg/m³的混凝土分别冻融5次、10次、20次、30次，干密度为350kg/m³的混凝土分别冻融5次、15次、25次、50次。每冻融循环2次后，试件上下翻转1次，防止试件底部水分积水过多。

(3)每隔5次循环，检查并记录试件在冻融过程中的外观破坏情况。一旦试件出现开裂、掉角等状况时，剔除被破坏试件，其余试件继续进行冻融试验。

(4)采用高精度温度记录仪，实时监测LW150和LW350前两次冻融循环过程中超轻质混凝土试件中心温度的变化。

冻融试验中，达到设定冻融循环次数，取两组试件，拆除包裹在试件上的塑料薄膜，其中一组按照JC/T 2357规定测定其抗压强度f₂。另一组试件拆除塑料薄膜后，放入水中轻微摆动去除附着在试件上的剥落物，过滤出剥落物；然后将试件和过滤出的剥落物放在电热鼓风干燥箱内，在(65±5)℃下烘至恒重(烘干过程间隔4h以上，前后两次称量相差不超过试件质量的0.5％)，分别测定试件和剥落物的质量m₁和m₂，精确至0.1g。

冻融强度损失率：强度损失率按公式(1)计算，精确至0.1％。

式(1)中，P为抗压强度损失率，％；

f₁为试件冻融前抗压强度，MPa；

f₂为试件冻融循环i次后的抗压强度，MPa。

冻融质量损失率：质量损失率按公式(2)计算，精确至0.1％。

式(2)中，M为质量损失率，％；

m₁为试件烘干后质量，g；

m₂为试件剥落物质量，g。

融化温度对超轻质混凝土抗冻试验结果的影响：

沥水1h和6h的试件冻融过程中都出现开裂的现象，如图17所示为150kg/m³干密度超轻质混凝土冻融循环10次后出现贯穿性裂缝，除试件的含水率的影响外，初步推断试件开裂还可能是冻融过程中温度上下限的温差过大的造成的。控制融化温度分别为5℃、15℃和25℃，采用100mm×100mm×100mm的试件试验。

融化温度的选择决定了冻融循环的温度跨度，也直接影响着超轻质混凝土冻融方式的严苛程度。在融化温度为5℃和15℃下试验时，整个冻融循环过程未出现试件开裂的现象，降低融化温度，有效解决了试件大规模开裂的问题。如图18a和图18b所示，分别给出了融化温度对150kg/m³和350kg/m³两种干密度超轻质混凝土抗冻性试验结果的影响，由图可见350kg/m³干密度试件的试验结果规律性较为明显，即随着融化温度的增加，强度损失率及质量损失率整体呈增加趋势，而150kg/m³干密度的试件在三种融化温度下的冻融试验结果并相差不大。试件在融化温度为5℃的低温箱融化5h后，试件表面仍有结冰未融化。因此，该试验方法选择融化温度为15℃进行后续的抗冻试验较为合适。

试件尺寸对超轻质混凝土抗冻试验结果的影响：超轻质混凝土的强度相对较低，适当增大试件尺寸有利于减小表征参数的测量误差，同时超轻质混凝土作为保温板等材料在实际应用中，使用厚度大多在70mm左右，而原有标准在测试超轻质混凝土的抗冻性时，都采用100mm×100mm×100mm的试件进行试验，为研究试件尺寸对超轻质混凝土抗冻性的影响，本试验分别采用70mm×70mm×70mm、100mm×100mm×100mm和150mm×150mm×150mm的试件，按照上述试验方法进行试验。

整个试验过程中，三种尺寸的试件在冻融过程中均未出现开裂的情况。如图19a、图19b和图19c所示分别为70mm×70mm×70mm、100mm×100mm×100mm和150mm×150mm×150mm三种尺寸的150kg/m³干密度试件冻融20次的表观形貌，从图中可以看出，随着试件尺寸的增大，超轻质混凝土表面的剥蚀破坏程度逐渐加重。试件尺寸越大，冻融循环过程中，试件内外温差越大，因此产生的应力差越大，试件破坏越严重。如图20a和图20b所示，分别给出了试件尺寸对150kg/m³和350kg/m³两种干密度超轻质混凝土抗冻性试验结果的影响，从图中可以看出，350kg/m³干密度小尺寸试件的质量损失率和大尺寸试件的相差较大，70mm×70mm×70mm和150mm×150mm×150mm的试件在冻融循环50次后的质量损失分别为0.27％和2.0％，而100mm×100mm×100mm和150mm×150mm×150mm试件的质量损失率变化趋势基本一致。如图21示出了150kg/m³干密度的三种尺寸试件冻融过程的温度变化曲线，从图21可以看出，这两种尺寸的试件的中心温度曲线变化趋势基本相同，并且同一时间下，两种尺寸试件的中心温度值相差不大，而70mm×70mm×70mm的试件在冻融过程中对外界温度变化的敏感程度明显更大。此外，150mm×150mm×150mm的试件在试验预处理及冻融试验过程中搬运等操作存在不便，易磕碰，出现掉角等缺陷，所以选择100mm×100mm×100mm的试件测试超轻质混凝土的抗冻性更加合理可行。

由上可见，随着沥水时间的延长，试件的质量损失率和强度损失率均呈下降趋势；降低冻融试验时的融化温度能有效地解决试件开裂问题；试件尺寸越大，冻融破坏越严重。据此确定了适宜的沥水时间、融化温度和试件尺寸分别为6h、15℃和100mm×100mm×100mm，实现了更加准确的测试超轻质混凝土的抗冻性。

本发明的方法采用前述实施例提出的装置来实现，可以更加准确地模拟出材料在服役环境下的冻融过程，尤其是超轻质混凝土在服役环境下的冻融过程。

所述试件此试验装置除了可用于准确地测试出超轻质混凝土的抗冻性外，按照相关试验要求调节冻融试验参数，还可用于测试其他材料的抗冻性，如：水泥板、石膏板、混凝土板、陶瓷砖等。此外，该试验装置还可用于研究植物的抗冻性，如冬小麦耐寒性研究。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

在本发明以下实施例中，若没有特殊说明，所涉及的组分均为本领域技术人员熟知的市售商品，所用试剂皆可在市场上购买得到，若没有特殊说明，所涉及的方法皆为常规方法。

实施例1

本发明的装置能实现箱体升温速率和降温速率可控、迅速且高精度，为验证这一作用，本实施例1分别选取了现有的冰箱和本发明装置作为研究对象，在冰箱和本发明装置内各放置一个温度传感器，测试改变试件放置数量时，冰箱和本发明装置在冻结过程中箱体的降温曲线。

具体实施步骤如下：

步骤1、将试件(试件为同一配合比且试件尺寸都为100mm×100mm×100mm)放置于恒温箱中，设定恒温箱温度为15℃，保温24h以保证试件初始温度相同；

步骤2、在冰箱和本发明装置的箱体中部分别放置一个温度传感器，分别设定冰箱和本发明装置的冻结温度为-15℃，待两装置达到预设温度后，分别在两装置中放入12块试件，待两装置重新达到预设温度后将试件取出；

步骤3、待两装置的达到预设温度后，分别在两装置中放入24块试件，待两装置重新达到预设温度后将试件取出；

试验结束后，导出步骤2、3测得的温度数据，并作图分析，得到如图11所示的曲线图。

由图11可以看出，在本发明装置内放置12块试件和24块试件的降温速率曲线重合，说明试件的数量并不影响箱体内的整体降温速率，而在现有的冰箱内放置12块试件和24块试件的降温速率曲线分离，说明试件的数量对箱体内的整体降温速率有影响，且从曲线可以看出本发明装置内的降温速率更快、更稳定。因此，相较于现有冰箱，本发明装置通过双缓冲池四循环系统以及箱体全骨架防冻液循环，即使改变放入试件的数量，箱体仍能迅速到达预设温度，并且两次降温过程中降温速率稳定、可控，说明本发明装置具有极高重复再现性、可靠性、稳定性和实用性，且能够更加准确地模拟出材料在服役环境下的冻融破坏过程。

实施例2

本发明装置能为测试样品提供稳定且均匀的正负温环境，为验证这一作用，本实施例2在装置箱体上中下三处各放置了一个温度传感器，测试装置在冻结过程和保温过程下，箱体三处的温差大小。

具体实施步骤如下：

步骤1、打开装置箱门，将三个传感器分别放置在箱体上中下三处，三个传感器垂直间隔为60cm，上下两传感器分别距箱体上下底面10cm，同时确保三个传感器的探头不与箱体内壁或试件放置架接触，以防止对试验结果产生影响；

步骤2、关闭装置箱门，通过参数控制装置，将温度的上下限分别调至15℃和-15℃，冻结和融化时间分别调至6h和4h，升温速率和降温速率调至12℃/h；

步骤3、打开温度采集装置，三个温度传感器开始采集温度，启动装置；

步骤4、试验结束后，导出温度数据，并作图分析，得到如图12所示的曲线图。

由图12可以看出，本发明装置通过箱体全骨架防冻液循环以及上下出风管促进箱体内空气的流动，能使箱体迅速达到预设温度，且箱体内上中下三点温度在单次冻融循环时的温差均小于1℃，运用此装置进行冻融试验，可为测试样品提供均匀稳定的温度环境，提高了冻融试验准确性和可靠性，试验条件不会因试件放置的位置不同而改变，因此，本装置可以实现同时在相同的条件下完成对多块试件的冻融试验。

实施例3

本发明主要目的是运用一种气冻气融制度的试验装置以及试验操作方法得到的冻融试验结果，能反映出材料实际的抗冻性。

本实施例3主要采用本发明的装置和方法测试超轻质混凝土试件在不同融冻次数后的冻融破坏情况。

其具体实施步骤如下：

步骤1、将切割好的超轻质混凝土试块在水中浸没48h，要求水至少没过试件30mm，且浸没24h后将所有试块翻转一次，以保证其吸水更加均匀；

步骤2、试件从水中拿出放到镂空架上沥水不同时间，在沥水过程中，试件每30min翻转一次，以保证其均匀沥水，并通过调节试件的沥水时间来控制试件的含水率，如表1所示为不同沥水时间下超轻质混凝土的含水率；

步骤3、将沥水6h的试件先用保鲜膜包裹，然后在(20±5)℃，相对湿度≥90％环境下将包裹保鲜膜的试块密封到密封袋中，通过中央控制屏幕按照试验需求调节融冻试验的温度上下限及单次融冻循环所需时间；

步骤4、将试件放入预先降至设定温度下限的试验装置中，间距≥20mm，记装置温度再一次降至设定温度下限作为一次循环。按照此冻融方式，分别冻融5次、15次、25次、50次(每隔5次循环检查并记录试件在冻融过程中的外观破坏情况，如试件开裂，应取出试件，停止冻融试验并记录冻融循环次数)；

步骤5、分别测试经规定冻融循环次数试件的强度损失率和质量损失率数据经处理后，如表2所示。

表1不同沥水时间下超轻质混凝土的含水率

从表1中可以看出，试件的沥水时间与试件的含水率有一定的关系，因此，可以通过调节试件的沥水时间来控制试件的含水率。

表2超轻质混凝土试件在不同融冻次数后的试验结果

从表2中可以看出，冻融循环前期，超轻质混凝土的抗压强度损失率增加了4.2％，原因是水泥基的超轻质混凝土强度的增长量大于冻融破坏时的强度损失量。在5次冻融循环后，随着冻融循环次数的增加，超轻质混凝土的抗压强度损失率和质量损失率均增大，这是由于在冻融过程中反复产生地结冰压使孔壁结构遭到破坏，连通孔增多，混凝土强度迅速降低，剥落量增大。

在发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“水平”、“垂直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方法或位置关系，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，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。