CN102033080B - 混凝土比热容的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的混凝土比热容的测定方法，通过制作试件并经重复三次测定加热前后试件与试验桶中水的温度达到平衡时的平衡温度和加热器耗电量，最后按所得数据求得公式

Description

混凝土比热容的测定方法

技术领域

本发明涉及的是一种混凝土比热容的测定方法，属物理中通过应用热方法测试材料的技术领域。

背景技术

比热容或称比热容量、比热是混凝土的一项比较重要的热物理性质，通常采用绝热法测定。这一混凝土比热容的测定方法的原则是：把混凝土试件在绝热环境下进行加热，测量试件所吸收的能量与试件所升的温度后通过计算获得结果。所说加热是通过将试件浸没在测定装置内的水中，通过对水加热而由水将热量传递给试件。所说绝热环境是由以下手段实现的：测定装置由绝热箱和试验桶构成，试验时把混凝土试件放在试验桶内，试验桶放置于绝热箱之中，绝热箱提供与试验桶内的水相同温度（温度差小于0.2℃）的环境温度，由于绝热箱提供与试验桶的温度相同，试验桶与外界的热交换趋近于零，相当于实现了绝热的环境。如SL352-2006）》规定的混凝土比热容的测定方法如下：

1、试件采用外径200mm、内径40mm、高400mm的圆环柱体试件。

2、测定装置有试验桶、绝热箱，还有隔离桶在试验桶之外并有空气隔离层。试验桶内有电加热器和水循环搅拌器，绝热箱内有空气温度调节装置，还安装有风机使试验桶四周包裹在风机驱动的循环空气中。温度传感器分别放置于试验桶的内部与外部，用于测量绝热箱的空气温度与试验桶内循环水的温度。试验时试件放置在试验桶内的试件架上，加热器和循环水搅拌器伸入环形试件的中心孔中，试验桶内注入水覆盖整个试件表面。试验桶位于绝热箱的中心。另有控制箱，控制箱是内装有测定装置的机电控制系统以实现试验桶的绝热环境和试验装置的运行功能。

3、测定步骤如下：

 试验以两个试件为一组作平行试验。试验前，从养护室取出试件，擦干表面水份，称量。

 将试件放置在试验桶内，并往试件桶内装水，使水面高出试件顶面2~3cm。记录装入的水量。

 将试验桶放入绝热箱内约4h后，当试验桶内的温度与绝热箱内温度稳定一致时，表示试验桶内的试件温度、水温、气温和绝热箱内的温度已达平衡。

⑷测定当前温度即为试件的初始温度（θ ₁），与此同时也测读电能计量装置的初始读数。开启加热器及搅拌器并开始记时，同时开启风机马达及空气温度调节装置，使绝热箱内空气与试件桶内的水温相等。

⑸待水温上升10~15℃时，关闭加热器，只让搅拌器运转，经1.5~2.0h，使试件温度均匀，读取试件桶内温度计的读数（θ ₂），并记录时间及电能计量装置读数。至此，一次加热操作完毕。

重复步骤⑷、⑸对试件再加热两次。

4、比热（c）的计算

a. 加热器供热能量：每次加热所消耗的电能即为每次加热器的供热能量q ₁。

b. 搅拌器产生热能：搅拌器等效热功率P _c乘以搅拌时间，即为每次升温过程搅拌器所产生的热能q ₂。

c. 试件桶吸热：试件桶的总热容量乘以每次加热的温升值（θ ₂-θ ₁）即为试件桶所吸收的热能q ₃。

d. 水吸热：水的比热容乘以用水量再乘以每次加热的温升值（θ ₂-θ ₁），即为水所吸收的热能q ₄。

e. 试件吸热Q：

得三元一次方程：

式中：M ?? 试件的质量。

连续加热三次就可得到三个三元一次方程，联立求解即可求出C ₀、C ₁、C ₂三个系数值。

f. 试件的比热容c，按以下公式计算

此式在试验温度范围内有效。

取两个试件测值的平均值作为试验结果代入计算式中使用。

但上述混凝土比热容的测定方法存在如下不足：

1、由于每次试验时混凝土试件、水温和环境温度不一致，使达到试验桶内的试件温度、水温、气温和绝热箱内的温度平衡的时间的长短也不相同。为了保证达到温度平衡的目的，该方法提出了达到温度平衡的判别条件：

 对于初试平衡温度，限定了“约4小时后”和“当绝热箱内的温度与保温桶内温度稳定一致时”两个判定条件，但

a. “约4小时”是涵盖大多数条件下的保守估计，通常情况下达到温度平衡的时间会短于这个时间。也就是说，这一条件在大多数情况下延长了试验的时间，或者说延长了占用试验装置的时间，从而造成浪费。

b. “当试验桶内的温度与绝热箱内温度稳定一致时”并不能确定试验桶内的水与试件内部达到了温度平衡。在水与试件的初试温度相差较大的情况下， 4小时的时间可能还不足以达到试件内部的温度平衡。如冬天自来水的温度低于5℃，而标准养护室试件的温度为20℃；或者对于非标准养护的试件；或者对于低导温性的特殊混凝土需要更长的时间来使试验桶内的水温与试件内部温度达到平衡。这时如仅用试验桶内的温度与绝热箱内的温度作比较进行判别，将导致测量误差。

 对于终止平衡温度，限定了“经1.5~2.0h，使试件温度均匀”的判定条件，同样存在与前述判定初试平衡温度相同的a点不足和b点对于测定低导温性的特殊混凝土时的不足。

发明内容

针对上述不足，本发明所要解决的技术问题是如何确认测定试验中试件和试验桶中水的温度达到了平衡，从而提供一种消除了因该平衡确认错误而导致的测量误差的混凝土比热容的测定方法。

本发明提供的混凝土比热容的测定方法，有如下步骤：

制作试件并称重后放入试验桶中，试验桶中有加热器和搅拌器；

向试验桶中加水盖过试件并计量；

将试验桶放在绝热箱中，绝热箱中有空气温度调节装置和风机；

开启搅拌器和风机，启动绝热箱内空气温度对试验箱内水温的跟踪，即通过测定试验桶内外的温度并控制绝热箱的空气温度调节装置，使两者温差在整个试验过程中保持在±0.2℃以内；

当试件与试验桶中水的温度达到平衡时，记录该平衡温度、加热器电功表读数为初始读数，

开启加热器，使试验桶中水升温；待水温上升或时间延续或电量消耗达到一个定值后停止加热，加热器电能计量装置读数为终止读数；

持续测量试件内与试验桶中水的温度，直到达到平衡时，记录该温度为终止温度；⑻以上

~⑺步骤重复进行三次；试验结束后按所得数据求得公式

；其中，在

步中制作试件时于试件内的热扩散温度梯度场的极点位置设置温度传感器，在

步和

步中所说的试件与试验桶中水的温度达到平衡是试验桶中温度传感器所反馈的水温值和试件内温度传感器所反馈的温度值之差在0.1~0.5℃以内。

本发明提供的混凝土比热容的测定方法，在试件内设置温度传感器，并将用时间和/或试验桶中的水温和绝热箱中的空气温度之间的平衡来推断试件与试验桶中水的温度达到平衡替换成实际测定并比较试件内部的温度和试验桶中的水温来确定是否达到温度平衡。这样最大限度地缩短了试验时间；最大限度地节约了能源（因为试验延续时间中试验装置是处于绝热跟踪状态的，同时循环水驱动装置也一直处于开启状态）。尤其是通过实际测定值作为温度平衡的判定条件，消除了根据时间推断达到温度平衡而实际上并未达到温度平衡的可能性，从而杜绝了由此造成的测量误差。再者缩短试验时间有利于减小绝热状态的误差，这是因为绝热状态是动态温度跟踪制造的，绝热温度的跟踪存在的误差使试验桶与外界发生热交换，将导致试验桶内的总能量产生变化，从而对建立在能量守恒定律基础上的计算结论产生误差。缩短试验时间还有利于减小结论计算中试验桶循环水搅动机械装置等效热功率P _c项误差引起的修正误差：该修正项的能量为等效热功率与时间的乘积，时间越长积累误差越大。可见与现有技术相比，本发明缩短了试验时间、节约了能源、提高了测定结果的的准确性。

所说试件为任何形状，温度传感器放在试件内部热扩散温度梯度场的极点位置。

所说试件是圆环柱体试件或对称规则柱体试件，试件内温度传感器的设置位置对于圆环柱体试件，是位于试件轴线中部截面的内外径的中部；对于实心对称规则柱体试件，在试件中心。所说圆环柱体是其横截面为圆环的柱体，所说对称规则柱体是其横截面为正多边形或圆形的柱体。试件的热扩散温度梯度场的极点位置对于圆环柱体试件来说就是在圆环柱体上下端面距离相等处的与内外壁距离相等略偏内的圆，对于实心对称规则柱体试件来说就是柱体轴线中点。

所说试件内温度传感器放置有多个，分别放置在所说中部或中心所在区域内的不同点上，在判断温度平衡时选择温度差值最大的温度传感器的反馈信号与试验桶内的温度传感器的反馈信号进行比较。

所说在试件设置温度传感器时，试件上设置温度传感器的通道内与试验桶内的水之间有绝热材料封闭。

本发明提供的混凝土比热容的测定方法，用两个或两个以上试件用相同的试验方法进行平行试验，并且在求得的公式

中所代入的C ₀、C ₁、C ₂三个系数值是用各试件测定结果通过计算获得的该三个系数值的平均值。

具体实施方式

一混凝土比热容的测定方法，具体过程如下：

制作试件：试件成型模为圆柱形金属模，模的内径200mm，内高400mm。另有贯穿整个试件高度的埋杆，埋杆直径40mm；和一根辅助埋杆，位置在距轴线59mm，向下贯入深200mm，埋杆直径略大于要埋入的温度传感器及其引线的直径。试件制作成型后约4h后轻轻转动中心埋杆和辅助埋杆，1~2d后拨出埋杆拆模，将试件编号并放到标准养护室养护7d。

所得试件为外径是200mm、内径是40mm、高是400mm的圆环柱体试件，在试件离轴线59mm有一个深200mm的温度传感器设置孔。同时制作两个试件。

试验前一天，将两个试件从养护室取出试件，擦干表面水份，分别称得质量并记录为M。

再在试件顶端面将温度传感器设置孔的周围凿毛，用湿布抹净，向孔内注入变压器油并放入温度传感器，使测头处于孔底（即1/2试件高度处）。然后引出温度传感器引线，用石棉线将孔口塞紧，并用水泥净浆严密封口。完成后放入养护室中。

试验时将一个试件从养护室取出试件放入试验桶中的试件支架上，试验桶外复合有隔离桶。向试验桶中加水盖过试件上端面3cm并记录加水量W（精确到10g）。在试件中心孔中插入加热器和搅拌器，在试验桶内设置好温度传感器。再将试验桶放在绝热箱中，并使试验桶位于绝热箱中心位置，在绝热箱内设置好温度传感器。

开启试验装置，使绝热箱进入绝热跟踪状态（空气温度跟踪试验桶的水温保持温度差为±0.2℃以内），同时开启搅拌器，使试验桶内水温均匀。

监测试件内与试验桶内传感器的反馈信号，当两者温度差小于判定值（0.3℃）时，确认为试验桶内的温度达到平衡，记录试验桶内水温为θ ₁，加热器有功电功计清零或记录为初始读数q ₁₀，记录搅拌器开启时间为t ₀。

开启加热器、搅拌器，绝热箱继续保持绝热跟踪状态，这时试验桶中水温升高，同时绝热箱中空气也同步升温。待水温上升10~15℃（或时间延续1h，耗电量500W·h）后关闭加热器停止加热。

绝热箱继续保持绝热跟踪状态，监测试件内和试验桶内水温，当两者温度差小于判定值（0.3℃）时，确认为试验桶内的温度达到平衡，记录试验桶内水温为θ ₂，加热器有功电功计读数记录为终止读数q ₁₁。关闭搅拌器记录搅拌器关闭时间为t ₁。

以上

、

、

三步骤重复进行三次，获得三组θ ₁、θ ₂、q ₁₀、q ₁₁、t ₀、t ₁。

对另一个试件进行相同试验，每个试件可获得所说的三组数据。

两个试件试验结束后，将两个试件所得的数据分别进行计算。

计算方法：

a. 加热器供热：

q ₁=q ₁₁- q ₁₀

b. 搅拌器供热：

q ₂=（t ₁- t ₀）×P _c，P _c为搅拌器等效热功率，即为搅拌器单位时间内使水搅动的机械能转换成热能部分的能量。

c. 试件桶吸热：

q ₃=（θ ₂-θ ₁）×C _x，C _x为试件桶的总热容量。

d. 水吸热：

q ₄=（θ ₂-θ ₁）×C _w×W，C _w为水的热比容，W为水的质量。

e. 用三组数据分别求取上述4个数据后用公式

，（ M为试件质量）

列出三个三元一次方程，联立求解求出C ₀、C ₁、C ₂三个系数值。

两个试件的数据通过计算可获得两组所说三个系数值。

f. 试件温度为θ时的比热c，按以下公式计算

,θ _1min≤θ≤θ _2max

其中：θ _1min为试验中最低一个平衡温度，θ _2max为试验中最高一个平衡温度；

C ₀、C ₁、C ₂三个系数值分别是两个试件计算所得该三个系数值的平均值。

Claims (7)

1.一种混凝土比热容的测定方法，有如下步骤：⑴制作试件并称重后放入试验桶中，试验桶中有加热器和搅拌器；⑵向试验桶中加水盖过试件并计录加入的水量；⑶将试验桶放在绝热箱中，绝热箱中有空气温度调节装置和风机；⑷开启搅拌器和风机，启动绝热箱内空气温度对试验箱内水温的跟踪，即通过测定试验桶内外的温度并控制绝热箱的空气温度调节装置，使两者温差在整个试验过程中保持在±0.2℃以内；⑸当试件与试验桶中水的温度达到平衡时，记录该平衡温度、加热器电能计量装置读数为初始读数，⑹开启加热器，使试验桶中水升温；待水温上升或时间延续或电量消耗达到一个定值后停止加热，加热器电能计量装置读数为终止读数；⑺持续测量试件内与试验桶中水的温度，直到达到平衡时，记录该温度为终止温度；⑻以上⑸~⑺步骤重复进行三次；试验结束后按所得数据求得公式c=C₀+C₁θ+C₂θ²；其特征是在⑴步中制作试件时于试件内的热扩散温度梯度场的极点位置设置温度传感器，在⑸步和⑺步中所说的试件与试验桶中水的温度达到平衡是试验桶中温度传感器所反馈的水温值和试件内温度传感器所反馈的温度值之差在0.1~0.5℃以内。

2.如权利要求1所述的混凝土比热容的测定方法，其特征是所说试件是实心对称规则柱体试件，试件内温度传感器的设置位置在试件中心。

3.如权利要求1所述的混凝土比热容的测定方法，其特征是所说试件是圆环柱体试件，试件内温度传感器的设置位置是位于试件轴线中部截面的内外径的中部。

4.如权利要求2或3所述的混凝土比热容的测定方法，其特征是所说试件内温度传感器放置有多个，分别放置在所说中部或中心所在区域内的不同点上，在判断温度平衡时选择温度差值最大的温度传感器的反馈信号与试验桶内的温度传感器的反馈信号进行比较。

5.如权利要求1或2或3所述的混凝土比热容的测定方法，其特征是所说在试件设置温度传感器时，试件上设置温度传感器的通道内与试验桶内的水之间有绝热材料封闭。

6.如权利要求4所述的混凝土比热容的测定方法，其特征是所说在试件设置温度传感器时，试件上设置温度传感器的通道内与试验桶内的水之间有绝热材料封闭。

7.如权利要求1所述的混凝土比热容的测定方法，其特征是用两个或两个以上试件用相同的试验方法进行平行试验，并且在求得的公式c=C₀+C₁θ+C₂θ²中所代入的C₀、C₁、C₂三个系数值是用各试件测定结果通过计算获得的该三个系数值的平均值。