CN102226824B - 高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置与方法，装置包括由加热器、油容器和温度传感器组成的供热模块，由抽油管、输油管、高温油泵组成的动力模块，设有控制器、电压感应环、微电流传感器、电压感应器、油浴槽、样品仓的电阻率测量模块以及人机接口模块，样品仓置于油浴槽内，油浴槽与油容器之间通过动力模块形成油循环；在应用时，向油容器中注入适量导热油，并将温度传感器置入油浴槽中，然后启动高温油泵开始油循环；预设加热温度并启动加热器，当导热油达到预设温度时，向样品仓中注入新拌混凝土浆体，后将样品仓密封；启动电阻率测量模块并通过人机接口模块采样记录并分析相关检测值，以得到电阻率随时间的变化曲线。

Description

高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置与方法

技术领域

本发明涉及电阻率测量技术领域，特别是一种主要用于建筑、交通、桥梁、水利、地下工程等土木工程领域的水泥混凝土原材料优化、配合比参数合理选择以及混凝土质量控制的高温环境混凝土形成过程中的电阻率变化的测量装置与方法。

背景技术

水泥混凝土是当今最重要的建筑材料，广泛应用于建筑、交通、桥梁、水利、地下工程等领域。随着全球经济迅速发展，建设规模空前，水泥混凝土使用量逐年上升，对于经济高速发展的中国尤为突出。2010年我国水泥产量高达18.6亿吨，占到世界水泥产量的54%，用其制备的砼的年产量超过100亿吨。然而，由于现代混凝土组分复杂，胶凝材料用量大，并且掺加了大量的工业废渣和外加剂，早期易开裂，导致长期力学强度和耐久性下降。我国近年来混凝土结构的过早失效时有发生，这不仅导致了国家财富大量流失，而且造成了资源与能源的极大浪费，更严重的是造成了大量的人员伤亡。

目前在我国基本建设如火如荼，投资额达到几十亿、几百亿甚至于上千亿人民币的重点或重大砼工程建设项目与日俱增，其中涉及到大量的大体积砼工程。水泥水化放出大量的水化热，而砼是热的不良导体，大体积砼工程内部积聚大量热量，导致内部温度较高。在高温环境下水泥砼结构形成过程进行速度的快慢及程度的大小直接决定着水化产物的数量以及微结构的密实程度，最终将影响水泥混凝土结构的物理力学性能、变形行为和长期耐久性能，监测高温环境下水泥混凝土结构形成过程，可以用来监控水泥混凝土的质量，保障水泥混凝土的长期服役性能，同时也可用来优选原材料、优化配合比参数和科学指导施工。采用测试电阻率的方法来监测混凝土的水化程度是一个有效可行的方法。目前的电阻率法为通过对不同水灰比、不同掺合料混凝土电参数和相应曲线变化规律的研究，推出早龄期混凝土电阻率和强度分别随时间变化的关系，及其相关性，然而此方法仅能研究室温环境下水泥混凝土结构形成过程，无法实现高温条件下的结构形成过程研究，因此，研发高温环境下水泥混凝土结构形成过程的监测装置具有十分重要的工程价值，为水泥混凝土质量监控提供了科学的实验仪器，应用前景十分广阔。

发明内容

 本发明的目的是提供一种高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置与方法，实现高温环境下水泥混凝土早期结构形成过程的快速与准确测试，以保证混凝土成型后的质量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置，包括：供热模块，其包括可预设温度的加热器、油容器和温度传感器，加热器接收温度传感器反馈的检测温度，并根据预设温度对油容器中的油进行加热； 

动力模块，其包括输油管、抽油管和高温油泵；输油管一端连通油容器，另一端连通油浴槽；抽油管依次连接油浴槽、高温油泵、油容器，通过高温油泵将油浴槽中的油输至油容器中；

电阻率测量模块，其包括控制器、电压感应环、微电流传感器、电压感应器、环形油浴槽和位于油浴槽中的环形样品仓，样品仓上设有注入口；电压感应环与样品仓的环孔相扣；微电流传感器以及电压感应器分别检测样品仓中的感应电流与感应电压并送至控制器中，控制器控制电压感应环中的电压； 

人机接口模块，其包括数据采样分析部分和显示部分，数据采样分析部分按一定频率对控制器的检测值进行采样并分析，显示部分显示数据采样分析部分的分析结果。

作为一种改进，本发明中所述电阻率测量模块的控制器，其相关控制电路可利用现有成熟电路技术实现，主要包括在工作时控制电压感应环的电压、测量接收微电流传感器的电流值和电压感应器的电压值以及分析计算获取电阻率，并通过现有技术中的成熟接口电路技术将数据传递至人机接口模块部分如计算机等储存并经过相关分析软件实现电阻率与时间变化关系曲线的绘制，相关分析软件可通过现有成熟软件技术实现。其中优选人机接口模块对控制器的检测值为主动采样，采样频率可通过软件按需要设定。此外对电阻率的计算也可由人机接口模块部分完成，即采样对象为控制器检测到的电压和电流值。

作为一种改进，本发明中所述供热模块为电磁搅拌加热器，其还包括工作时置于油容器中的搅拌子，电磁搅拌加热器可采用现有技术中的成熟产品，其包括温度设定功能，可根据设定温度进行加热，并根据温度传感器的实时检测值决定是否继续加热。此外，加热器也可利用现有成熟电路技术实现温度设定、温度采集、对比。

作为一种改进，本发明中所述的动力模块还包括变频器，使高温油泵的转速可调，在检测过程中根据需要进行调节转速，以保证油浴槽中的油温。

作为一种改进，本发明所述样品仓为硅胶材料制成，其绝缘性能好，耐高温，保障了测量数据的准确性。

作为一种改进，所述微电流传感器为环形，其与样品仓的环孔相扣，具体的，样品仓为圆环管，微电流传感器环绕样品仓的管外周，电压感应器为1根不闭合导线，其穿过电压感应环和微电流传感器的环孔，平行于样品仓的环形平面设置。因为本发明中的电阻率测量模块为避免直流法测量混凝土电阻率的极化问题，采用了无电极接触的感应方式进行测量，因为没有电极，就需要利用变压器的形式以电磁感应来产生一个感应电压，本发明中模拟了一个变压器，其中电压感应环等效于变压器的原边初级，样品仓等效于变压器的副边次级，当变压器原边加上一个交流电压(本发明中采用的频率为1KHZ正弦信号)时，次边将感应出一个环电压（V），这个电压使样品仓产生了一个环形电流（I）。本发明用一个和样品通过一样路径、但不闭合的导线，即和样品仓环形平面相互平行，且与样品仓一样绕过电压感应环的电压感应器，来测出样品上感应出的电压(V)，用一个微电流传感器来测试通过样品的环电流(I)。无机胶凝材料(如水泥混凝土、地聚合物等)在交流的电压作用，一般表现出电感的特征，即感应出电压与电流之间存在一个相位差                                                

，因此可以等效成一个电阻与一个电感并联。根据欧姆定律可以算出样品的电阻。

                                                            (1)

式中，R—样品的电阻，V—感应的环电压，I—感应的环电流，—环电压环与电流相位差。

由于使用的交流频率比较低，仅1KHz，完全可以忽略样品电感的影响。同时，当样品上加上电场时，样品中的极化分子和原子首尾上接，互相抵消，因此极化场是极其微弱的。从理论上讲，极化电场是由于电荷积累而产生的，对于这种无电极的环样品，便不再存在电荷积累。尽管不能说极化场绝对不存在，但是在测量中完全可以忽略。而且实验也证明了这一点，即电压V与电流I的相位完全一样。如果有极化场存在，将反应为有关电容效应，电压与电流之间必然存在相位差。

    基于上述分析可知，环电压环与电流相位差

可以近似为0，那么(1)式可以化为

即得到相应环境下相应时间混凝土的电阻率，后期可很容易的通过软件分析得到电阻率与时间变化的关系曲线。

 本发明的装置在测量时其测量方法包括以下步骤：

1）向油容器中注入导热油，导热油位于油容器中的高度高于油容器与输油管的连接处高度；将温度传感器插入油浴槽中，启动高温油泵，使油容器与油浴槽之间通过输油管和抽油管形成油循环；

2）预设加热器温度值，启动加热器对油容器中的导热油进行加热，温度传感器实时监测油浴槽中的导热油温度并将检测值反馈至加热器；

3）当导热油温度加热到预设温度时；从注入口向样品仓注入新拌混凝土，注入完毕后将注入口密封；

4）启动电阻率测量模块，控制电压感应环的电压，并对微电流传感器和电压感应器的检测值；同时启动人机接口模块按一定频率对控制器的检测值进行采样与分析，显示部分显示分析结果。

作为一种改进，步骤1）中高温油泵的转子转速在0-1500转/分范围内调节，保证油容器与油浴槽中温度的传递速度的同时使油的循环较平稳，减少热量损失。

作为一种优选的实施方式，步骤3）中所述加热器的预设温度在20-350℃范围内调节。既满足检测温度要求也不会因温度过高造成样品仓对电阻率的影响。

本发明的有益效果为：综合运用电磁感应技术、采用高温油泵通过对导热油外部加热后进行循环的方式实现实对待测样品相对稳定的油浴加热，在整个监测过程中，检测仪器和试样无需移动即可连续采集并自动记录水泥混凝土浆体结构形成过程中的电阻率参数，后期极易通过相关软件分析获得变化曲线，实现了高温环境下水泥混凝土自加水开始到结构形成全过程中的连续、自动、原位监测；此外，本发明模拟的包括油浴槽及样品仓的高温环境结构使其可适用于大范围各种温度下的电阻率变化规律检测。

附图说明

图1所示为本发明的装置示意图，其中：1-加热器，11-油容器，12-温度传感器，2-电阻率检测模块，21-电压感应环，22-油浴槽，23-样品仓，231-注入口，24-电压感应器，25-微电流传感器，3-高温油泵，31-变频器，32-抽油管，33-输油管，4-计算机；

图2所示为本发明中电阻率测量模块结构示意图；

图3所示为采用本发明装置的应用例1的检测结果曲线；

图4所示为采用本发明装置的应用例2的检测结果曲线；

图5所示为采用本发明装置的应用例3的检测结果曲线。

具体实施方式

 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

结合图1至图2所示为本发明的高温环境水泥混凝土形成过程电阻率变化测量装置，其中，供热模块采用现有技术的电磁搅拌加热器，其包括油容器、工作时置于油容器中的搅拌子、温度传感器及温度设定模块，温度传感器将检测到的温度反馈至加热器，加热器根据设定温度对油容器中的油进行加热；输油管一端连通油容器，另一端连通油浴槽；抽油管依次连接油浴槽、高温油泵、油容器，通过高温油泵将油浴槽中的油输至油容器中，高温油泵还包括变频器使其转速可调；电阻率测量模块包括控制器、电压感应环、微电流传感器、电压感应器、环形油浴槽和环形样品仓，样品仓位于油浴槽中，其上设有注入口；电压感应环为方形环，其与油浴槽和样品仓的环孔相扣；电压感应器为一不闭合导线，其平行于样品仓环形平面设置，且穿过电压感应环和微电流感应器的环孔；样品仓为环形管状，微电流传感器为方形环状围绕样品仓的管外周，控制器控制电压感应环中的电压，微电流传感器与电压感应器将检测值送入控制器中；人机接口模块，其包括数据采样分析部分和显示部分，数据采样分析部分按一定频率对控制器的检测值进行采样、记录并分析，显示部分显示数据采样分析部分的分析结果。

电阻率测量模块的控制器，其相关控制电路可利用现有成熟电路技术实现，其与人机接口模块的连接可通过现有技术中的成熟接口电路技术实现，由人机接口模块部分按照一定频率主动对控制器进行采样并记录存储，采样频率可通过软件设置，相关软件可利用现有技术的成熟软件技术实现。

结合图3至图5分别为利用本发明的装置和方法进行的三个不同配比的具体应用例的电阻率检测结果，其中：

应用例1中采用P.II52.5硅酸盐水泥，固含量30%的聚羧酸高效减水剂，自来水。配比为：1300g水泥, 215g水，32.5g外加剂。

应用例2中采用P.II52.5硅酸盐水泥，固含量30%的聚羧酸高效减水剂，自来水。配比为：1300g水泥, 208g水，32.5g外加剂。

应用例3中采用P.II52.5硅酸盐水泥，固含量30%的聚羧酸高效减水剂，自来水。配比为：1300g水泥, 208g水，36g外加剂。

分别按照如下步骤进行：

1）向油容器中注入导热油，导热油位于油容器中的高度高于油容器与输油管的连接处高度；将温度传感器插入油浴槽中，启动高温油泵，使油容器与油浴槽之间通过输油管和抽油管形成油循环；

2）预设加热器温度值，启动加热器对油容器中的导热油进行加热，温度传感器实时监测油浴槽中的导热油温度并将检测值反馈至加热器；

3）当导热油温度加热到预设温度时；从注入口向样品仓注入新拌混凝土，注入完毕后将注入口密封；

4）启动电阻率测量模块，控制电压感应环的电压，并对微电流传感器和电压感应器的检测值；同时启动人机接口模块按一定频率对控制器的检测值进行采样与分析，显示部分显示分析结果。

通过现有技术中的成熟接口技术将控制器实时检测到的电阻率传输至计算机，并通过相关软件分析电阻率随时间变化的曲线，应用例1至3分别得到图3至图5的相应检测结果。

以上应用例通过设置单一因素小差别化得到了明显差别的检测结果，对比现有技术中的方法所得到的结果，事实证明其在具有高精确度的同时，还具有很高的灵敏度，适合在相关领域内大力推广。 

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。 

Claims (8)

1.一种高温环境混凝土形成过程中电阻率变化测量方法，其特征是，采用一种高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置，所述测量装置包括：

供热模块，其包括可预设温度的加热器、以及油容器和温度传感器，加热器可接收温度传感器反馈的检测温度，并根据预设温度对油容器中的油进行加热；

电阻率测量模块，其包括控制器、电压感应环、微电流传感器、电压感应器、环形油浴槽和位于油浴槽中的环形样品仓，样品仓上设有注入口；电压感应环与样品仓的环孔相扣；微电流传感器以及电压感应器分别可检测样品仓中的感应电流与感应电压并送至控制器中，控制器可控制电压感应环中的电压；

动力模块，其包括输油管、抽油管和高温油泵；输油管一端连通油容器，另一端连通油浴槽；抽油管依次连接油浴槽、高温油泵、油容器，通过高温油泵将油浴槽中的油输至油容器中；

以及人机接口模块，其包括数据采样分析部分和显示部分，数据采样分析部分可按一定频率对控制器的检测值进行采样并分析，显示部分可显示数据采样分析部分的分析结果；

方法包括以下步骤：

1）向油容器中注入导热油，导热油位于油容器中的高度高于油容器与输油管的连接处高度；将温度传感器插入油浴槽中，启动高温油泵，使油容器与油浴槽之间通过输油管和抽油管形成油循环；

2）预设加热器温度值，启动加热器对油容器中的导热油进行加热，温度传感器实时监测油浴槽中的导热油温度并将检测值反馈至加热器；

3）当导热油温度加热到预设温度时；从注入口向样品仓注入新拌混凝土，注入完毕后将注入口密封；

4）启动电阻率测量模块，控制电压感应环的电压，并对微电流传感器和电压感应器的检测值；同时启动人机接口模块按一定频率对控制器的检测值进行采样与分析，显示部分显示分析结果。

2.根据权利要求1所述的高温环境混凝土形成过程中电阻率变化测量方法，其特征是，所述供热模块为电磁搅拌加热器，其还包括工作时置于油容器中的搅拌子。

3.根据权利要求1所述的高温环境混凝土形成过程中电阻率变化测量方法，其特征是，所述动力模块还包括变频器，调节变频器可改变高温油泵的转速。

4.根据权利要求1所述的高温环境混凝土形成过程中电阻率变化测量方法，其特征是，所述样品仓为硅胶材料制成。

5.根据权利要求1所述的高温环境混凝土形成过程中电阻率变化测量方法，其特征是，所述微电流传感器为环形，其环孔与样品仓的环孔相扣。

6.根据权利要求5所述的高温环境混凝土形成过程中电阻率变化测量方法，其特征是，所述电压感应器为1根不闭合导线，其穿过电压感应环与微电流感应器的环孔。

7.根据权利要求1至6任一项所述的高温环境混凝土形成过程中电阻率变化测量方法，其特征是，步骤1）中高温油泵的转子转速在0-1500转/分范围内调节。

8.根据权利要求1至6任一项所述的高温环境混凝土形成过程中电阻率变化测量方法，其特征是，步骤3）中所述加热器的预设温度在20-350℃范围内调节。

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