CN100567984C - 基于应变温度在线测量的混凝土凝固时间测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应变温度在线测量的混凝土凝固时间测量方法，包括预先在被测量的混凝土模板中固定好传感器，在混凝土开始浇注前设置好测量参数并启动自动测量，在混凝土的凝固过程对应变和温度进行在线测量，得到被测混凝土的总应变量随时间变化曲线dε_vt/dt～t和被测混凝土的温度变化随时间变化曲线α_cd(ΔT)/dt～t，两曲线重合的第一个时间点为混凝土的凝固时间。因为混凝土热膨胀应变率和振弦测量应变率开始重合，所以振弦测量出来的结果是服从混凝土的应变率，意味着混凝土的刚度大大于钢套管的刚度，因此本发明能直接反映混凝土的刚度，同时本发明能对大型混凝土工程进行在线监测，可用于定量地测量水泥混凝土浇注后的凝固时间和监测混凝土是否凝固。

Description

基于应变温度在线测量的混凝土凝固时间测量方法

技术领域

本发明涉及土木工程，具体是涉及一种基于应变温度在线测量水泥混凝土在浇注后的凝固情况或判断混凝土是否凝固的测量方法。

背景技术

水泥混凝土在土木工程中已经被大量使用，混凝土监测混凝土的凝固过程或者确定混凝土的凝固时间，对了解混凝土的各种性能如抗拉压和剪切强度、抗渗漏、弹性特性等，准确测量混凝土的收缩、徐变，确定混凝土是否已可承载非常重要。尤其对于大型混凝土结构(桥梁等)的工程施工控制等具有重大的意义，然而在混凝土的固化过程中，由于受温度的变化以及混凝土材料从溶融状态向高强度的固化转变，伴随着明显的材料收缩变形，所以要判断混凝土是否凝固或者确定混凝土的凝固时间，对混凝土结构的受载情况做出准确的分析非常困难。目前对混凝土的凝固采用两类判别方法，一类是试针、电测法，另一类是参数法。

试针法是将混凝土的初凝时间定义为初凝试针沉至距离试件模板底面(4±1)mm；而混凝土的终凝时间定义为终凝试针沉入试件0.5mm。显然这种定义的凝固主要反映混凝土的流动性能，不能保障混凝土的强度，主要用于实验室内的测定。

电测法主要监测混凝土在水化过程的电特性如电阻、电容或者电阻率等。根据这些电测量随时间的变化规律确定混凝土的凝固时间。由于电测法依赖水泥浆中的电离子运动，所以适用于早龄的混凝土。以上两种方法适合于反映早龄混凝土的特定，测得的混凝土终凝时间大约是4～6小时。

参数测量法是通过测量混凝土的弹模、强度或者刚度等混凝土的材料参数来推测混凝土的凝固时间。使混凝土材料在最短的养护时间内，材料参数若和长期(标准28天)养护条件下的一样(98％以上)，则可以认为该时间就是混凝土的凝固时间。具体的测量方法可以用材料性能的机械测量、超声波、光纤传感器等。

上述方法由于存在不同的混凝土凝固的定义，所以测定的混凝土凝固时间也差异较大。此外，现有的方法一般难以对施工的混凝土进行现场的凝固过程的在线测量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于应变温度在线测量的混凝土凝固时间测量方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种基于应变温度在线测量的混凝土凝固时间测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)埋设传感器：预先在被测量在混凝土构件的内部埋入振弦式应变传感器和温度传感器，用水工导线将振弦式应变传感器和温度传感器连接数据采集箱；

(2)自动测量：在混凝土开始浇注前设置好测量仪器的采样时间参数，并启动自动测量，在混凝土的凝固过程对应变和温度进行在线测量，测量时间间隔小于30分钟；

(3)确定混凝土凝固时间：对采集的应变和温度数据进行处理，得到被测混凝土的总应变量随时间变化的曲线dε_vt/dt～t(振弦传感器测量的应变率)和被测混凝土的温度变化随时间变化曲线α_cd(ΔT)/dt～t(混凝土的热膨胀应变率)，两曲线重合的第一个时间点为混凝土的凝固时间；其中，α_c表示混凝土的热膨胀系数，ε_vt表示振弦的总应变，t表示时间，T表示温度。

所述振弦式应变传感器和温度传感器的埋设位置距离混凝土表面深度超过15cm。

所述步骤(2)在混凝土的凝固过程对应变和温度进行在线测量，测量时间间隔小于30分钟是根据被测混凝土的总应变量随时间变化曲线dε_vt/dt～t和被测混凝土的温度变化随时间变化曲线α_cd(ΔT)/dt～t绘制要求而定，理论上，时间越短越好，考虑工程实际需要，取30分钟也是完全满足要求，本发明的测量时间间隔优选10分钟/次。

凝固时间的具体推导如下：

1.振弦式传感器应变测量原理

振弦式传感器即振弦式应变传感器，其测量原理是利用正弦的激振频率和振弦张力的关系：对于给定长度的振弦，当振弦受到张力变化时，振弦的激振频率也会发生变化。通过给振弦激振，测量振弦的激振频率就可以反推出振弦当前所受的张拉。当传感器加工完毕，并给定一个参考状态后，对于任何状态，都可以通过振弦频率的测量求出与参考状态的振弦的张力差，从而由胡克定律求该状态相对参考状态下的应变。一般地，可以将振弦测量的应变测量写为：

$\left\{\begin{array}{c}f=f\left(p\right)\\ {\mathrm{\ϵ}}_v={\mathrm{\ϵ}}_v\left(p\right)\end{array}\⇒{\mathrm{\ϵ}}_v={\mathrm{\ϵ}}_v\left(f\right)---\left(1\right)\right.$

其中：ε_v：振弦的测量应变；f：振弦的频率；p：振弦的张力

2.温度变化产生的修正

假设在测量过程同时存在温度变化，若振弦能自由热膨胀(收缩)，显然温度变化对正弦的测量应变ε_v没影响或者说影响可以忽略。但是，振弦式传感器在传感过程显然不能自由膨胀的，它必须随着被测量机体的变形而变化，若机体的热膨胀系数和振弦的不同时，振弦就会测量到因此而产生的额外应变。则实际机体因受到力拉伸(或压缩)的应变ε_h为：

ε_h＝ε_v-ΔT(α_h-α_v)                 (2)

其中：α_h、α_v分别是被测量机体和振弦的热膨胀系数；ΔT是温度的改变量。

此时振弦的总应变ε_vt等于机体的总应变ε_ht(包括热膨胀应变)且为：

ε_vt＝ε_v+ΔTα_v＝ε_ht＝ε_h+ΔTα_h    (3)

通常振弦传感器通过一个钢套管来固定两端及保护。如果带钢套管的振弦传感器不和任何测量机体相连或者其变形不受机体的约束，则在温度变化时，振弦测量出来的应变ε_v就是振弦和钢套管热膨胀引起的。则钢套管受到拉伸(或压缩)的应变ε_s，由式(2)写为：

ε_s＝ε_v-ΔT(α_s-α_v)                 (4)

其中：α_s是钢套管的热膨胀系数。这时，振弦总应变等于钢套管的总应变ε_st，由式(3)得：

ε_vt＝ε_v+ΔTα_v＝ε_st＝ε_s+ΔTα_s    (5)

3.混凝土凝固过程的测量机理分析

若正弦传感器埋入混凝土构件中，并假设混凝土处于完全凝固状态，则混凝土的刚度大大于振弦钢套管的刚度，在测量过程中混凝土因受到力拉伸(或压缩)的应变ε_c，由式(2)可以写为：

ε_c＝ε_v-ΔT(α_c-α_v)                 (6)

其中：α_c是混凝土的热膨胀系数。振弦总应变等于混凝土的总应变ε_ct，并由(3)得：

ε_vt＝ε_v+ΔTα_v＝ε_ct＝ε_c+ΔTα_c        (7)

但是对于混凝土从溶融状态到完全凝固，由于有相的改变以及温度的变化，振弦传感器测量应变所代表的含义比较复杂。在混凝土刚浇注初期，混凝土处于溶融状态，即混凝土的刚度可以假设为零，但混凝土的温度开始逐步升高，这时振弦总应变(相对混凝土浇注前)等于钢套管的应变，而钢套管的应变又是仅由热膨胀引起的，即有：

ε_vt＝ε_v+ΔTα_v＝ε_st＝ΔTα_s            (8)

但随着时间推移，混凝土逐步凝固，钢套管不再自由热膨胀，式(8)渐渐不成立，到混凝土完全固化，则式(8)完全不成立，而式(7)开始起主导作用，但是式(7)中的应变是相对混凝土浇注前的，这时钢套管已经因热膨胀导致振弦相对混凝土有了初应变ε₀，同时混凝土的应变也仅仅是由于温度变化产生的，即有：

ε_vt＝ε_v+ΔTα_v＝ε_ct+ε₀＝ε₀+ΔTα_c    (9)

由于对于每个凝固过程，ε₀是不随时间变化的。因此对式(8)、(9)分别对时间求导可得：

$\frac{{\mathrm{d\ϵ}}_{\mathrm{vt}}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\α}}_s\frac{d\left(\mathrm{\ΔT}\right)}{\mathrm{dt}}---\left(10\right)$

$\frac{d{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{vt}}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\α}}_c\frac{d\left(\mathrm{\ΔT}\right)}{\mathrm{dt}}---\left(11\right)$

在混凝土刚浇注期间，式(10)成立的，而混凝土凝固后，式(11)成立。因此，若在振弦传感器测量应变的同时，能测得混凝土凝固过程的温度，就可以求得三条曲线dε_vt/dt～t、α_sd(ΔT)/dt～t和α_cd(ΔT)/dt～t，则由曲线dε_vt/dt～t和α_cd(ΔT)/dt～t开始连续重合的第一个点可以测定或者定义混凝土的凝固时间t_cr。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

(1)直接反映混凝土的刚度，因为混凝土热膨胀应变率和振弦测量应变率开始重合，所以振弦测量出来的结果是服从混凝土的应变率，就意味着混凝土的刚度大大于钢套管的刚度；

(2)能对大型混凝土工程进行在线监测。

附图说明

图1是实施例1中2G截面混凝土浇注过程的温度随时间变化情况；

图2是实施例1中光滑处理后的总应变量随时间变化情况；

图3是实施例1中2G截面传感器应变率曲线；

图4是本发明实施例2中3G截面传感器应变率曲线；

图5是发明实施例3中4G截面传感器应变率曲线；

图6是发明实施例4中5G截面传感器应变率曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

一种基于应变温度在线测量的混凝土凝固时间测量方法包括以下步骤：

(1)埋设传感器：预先在被测量在混凝土构件的内部埋入振弦式应变传感器和温度传感器，用水工导线将振弦式应变传感器和温度传感器连接数据采集箱；振弦式应变传感器和温度传感器的埋设位置距离混凝土表面深度超过15cm。

(2)自动测量：在混凝土开始浇注前设置好测量仪器的采样时间10min、监测传感器等参数，并启动自动测量，在混凝土的凝固过程对应变和温度进行在线测量，测量时间间隔小于30分钟；

(3)确定混凝土凝固时间：对采集的应变和温度数据进行处理，得到被测混凝土的总应变量随时间变化的关系曲线dε_vt/dt～t和被测混凝土的温度变化随时间变化的曲线α_cd(ΔT)/dt～t，两曲线重合的第一个时间点为混凝土的凝固时间；其中，α_c为混凝土的热膨胀系数，ε_vt表示振弦的总应变，t表示时间，T表示温度。

实施例1：

在西江大桥编号为2G节段上埋入长沙金码高科技公司的JMZX-215AT型埋入式温度应变计，振弦式应变传感器和温度传感器的埋设位置距离混凝土表面深度为20cm。自动数据采集系统也采用该公司的JMZX-32振弦采集模块，该模块能同时测量应变和温度，在混凝土的凝固过程对应变和温度进行在线测量，测量时间间隔为10分钟/次。图1是混凝土浇注过程的温度变化情况图，如图所示，从该图可以看出温度测量是合理的，在混凝土浇注后温度有个跳跃，这是因为混凝土初始温度基本是水温，它高于环境温度(冬天晚上)，随着混凝土的水化产生热量，温度逐步升高，在水化结束混凝土逐步固化，温度再逐步降低；图2是光滑处理后的总应变量随时间变化情况，图中三条曲线分别是：振弦——传感器测量的总应变、钢套管——钢套管的热膨胀应变、混凝土——固体混凝土的热膨胀应变。这三条曲线的变化趋势和温度的变化趋势类似，但细节不同，不同时刻幅值均不同，但可以看出在后期振弦的变化趋势和混凝土的基本一样，只是差个恒值。通过光滑处理可以使得温度曲线因测量扰动产生的不连续，避免求应变率时出现振荡现象；图3是实施例1中2G截面传感器应变率曲线，如图3所示，经过一定时间后正弦测得的应变率和混凝土的热膨胀应变确实开始重合了，因此从重合起始点(图中的圆点)可以求得，混凝土的凝固时间是27小时。

实施例2：

在西江大桥编号为3G节段上的测量，测量方法同实施例1。测量结果如图4所示，从该图可以看出实例1显示的特征——一定时间后正弦测得的应变率和混凝土的热膨胀应变确实开始重合，同样由它们的重合起始点可得到混凝土的凝固时间是31.8小时。测量设备和工艺条件同实施例1。

实施例3：

在西江大桥编号为4G节段上的测量，测量时间间隔为30分钟/次；其他测量方法同实施例1。测量结果如图5所示，测量结果有实施例1同样的特点；测得混凝土的凝固时间是29.2小时。测量设备和工艺条件同实施例1。

实施例4：

在西江大桥编号为5G节段上的测量，测量方法同实施例1，测量结果如图6所示，测量结果有实施例1同样的特点；测得的凝固时间是28.7小时。测量设备和工艺条件同实施例1。

实施例1～4的测量结果可见，运用本方法测量的混凝土时间大约是27～31小时之间，这样的现场测量结果说明本发明能有效地测量混凝土凝固时间，测量结果是可靠的。本发明的测量混凝土凝固时间的方法，既考虑了混凝土流动性的指标，也合理地包含了混凝土的刚度指标，是一种合理的确定混凝土凝固的方法。

Claims (3)

1、一种基于应变温度在线测量的混凝土凝固时间测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)埋设传感器：预先在被测量在混凝土构件的内部埋入振弦式应变传感器和温度传感器，用水工导线将振弦式应变传感器和温度传感器连接数据采集箱；

(2)自动测量：在混凝土开始浇注前设置好测量仪器的采样时间参数，并启动自动测量，在混凝土的凝固过程对应变和温度进行在线测量，测量时间间隔小于30分钟；

(3)确定混凝土凝固时间：对采集的应变和温度数据进行处理，得到被测混凝土的总应变量随时间变化曲线dε_vt/dt～t和被测混凝土的温度变化随时间变化曲线α_cd(ΔT)/dt～t，两曲线重合的第一个时间点为混凝土的凝固时间；其中，α_c表示混凝土的热膨胀系数，ε_vt表示振弦的总应变，t表示时间，T表示温度。

2、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述振弦式应变传感器和温度传感器的埋设位置距离混凝土表面深度超过15cm。

3、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)的测量时间间隔为10分钟/次。

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