CN103033564A - 一种水泥基材料力学性能测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥基材料力学性能测量方法。本发明方法通过连续测量各龄期时刻超声波横波、超声波纵波在待测水泥基材料试件中的传播速度，并根据超声横波、纵波的传播速度同步计算得到待测水泥基材料的在各龄期时刻的动弹性模量、泊松比。本发明还公开了一种水泥基材料力学性能测量装置，包括：一上方开口的长方体试模，用于浇注待测水泥基材料试件；超声波纵波发射器、接收器，对称设置于所述长方体试模的两侧壁中；超声波横波发射器、接收器，对称设置于所述长方体试模的两侧壁中；超声波信号处理单元，分别与超声波纵波发射器、接收器，以及超声波横波发射器、接收器连接。本发明可对水泥基材料早龄期的动弹性模量、泊松比进行无损测量。

Description

一种水泥基材料力学性能测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种水泥基材料力学性能测量方法，尤其涉及一种能够对水泥基材料早龄期的动弹性模量、泊松比进行无损、同步测量的方法及装置。

背景技术

混凝土结构的早期开裂所涉及的问题综合而复杂，涵盖了水泥基材料早期热学、力学及变形性能的方方面面，矿物掺合料和外加剂应用也大大增加了其早期性能的复杂性。国内外研究者对混凝土早期宏观性能进行了大量的试验研究，试图阐明混凝土早期开裂机理、早期性能变化规律和技术参数取值问题。其中水泥基材料早期弹性模量和泊松比随龄期的发展变化过程是研究人员关心的热点问题之一，也是进行温控防裂措施制定必须的重要参数，但是传统的通过荷载变形关系求得弹性模量的方法，至少要在试件浇筑一天拆模后进行，因此通过传统的方法难以测得水泥基材料更早期的弹性模量。目前已有的一些无损测量水泥基材料早期弹性模量的方法，需要在1天后脱模进行测量，无法监测其更早龄期特别是初凝前后弹性参数的发展变化规律。此外，水泥基材料早龄期泊松比波动范围很大，在现有研究中一般将其选为定值的方法显然是不精确的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种水泥基材料力学性能测量方法及装置，可以实现在从入模到硬化的阶段无损地对水泥基材料的动弹性模量和泊松比随龄期发展进行连续监测，从而为水泥基材料早期力学、变形性能研究及温控防裂数值仿真分析等提供准确的弹性参数。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种水泥基材料力学性能测量方法，包括以下步骤：

步骤A、将拌合好的待测水泥基材料浇注在上方开口的长方体试模内形成待测试件；

步骤B、连续测量各龄期时刻超声波横波、超声波纵波在所述试件中的传播速度；

步骤C、根据以下公式计算得到待测水泥基材料各龄期时刻的动弹性模量、泊松比：

$E\left(t\right)=4\mathrm{\ρ}\left(t\right){V_T}^2\left(t\right)\frac{1-0.75{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2}{1-{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2},$

$\mathrm{\υ}\left(t\right)=\frac{1-0.5{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2}{1-{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2},$

式中，E(t)、υ(t)分别为待测水泥基材料龄期为t时刻的动弹性模量、泊松比，V_L(t)、V_T(t)分别为龄期为t时刻超声波纵波、超声波横波在试件中的传播速度，ρ(t)为待测水泥基材料龄期为t时刻的密度。

作为进一步改进方案，步骤A中还包括在所形成的试件上表面涂覆防水层，从而可防止试件中的水分蒸发。

作为另一个改进方案，本发明的测量方法还包括：

步骤D、在不同的养护温度下重复步骤A-步骤C，得到待测水泥基材料在不同养护温度下各龄期时刻的动弹性模量、泊松比。

一种水泥基材料力学性能测量装置，包括：

一上方开口的长方体试模，用于浇注待测水泥基材料试件；

超声波纵波发射器、接收器，对称设置于所述长方体试模的两侧壁中；

超声波横波发射器、接收器，对称设置于所述长方体试模的两侧壁中；

超声波信号处理单元，分别与所述超声波纵波发射器、接收器，以及超声波横波发射器、接收器连接，用于连续测量各龄期时刻超声波横波、超声波纵波在所述试件中的传播速度，并根据测量结果计算待测水泥基材料各龄期时刻的动弹性模量、泊松比。

作为其中一个优选方案，所述长方体试模包括一固定夹持于两片平行的矩形板之间的U型金属框，U型金属框与两片矩形板之间形成一上端开口的长方体空间；每片矩形板上被所述U型金属框所包围的区域内均设置有两个内表面未贯穿的定位孔，两片矩形板上的定位孔位置相同；所述超声波纵波发射器、接收器分别设置于两片矩形板上位置相同的一对定位孔中，所述超声波横波发射器、接收器分别设置于两片矩形板上位置相同的另一对定位孔中。

优选地，所述定位孔底部与其所在矩形板内表面间的厚度为5mm。

进一步地，在两片矩形板和U型金属框的外侧还包裹有隔音层。隔音层材料优选泡沫橡胶，它可以很好起到隔音效果，从而提高测量精度；并且有助于提高系统的保温性能。

进一步地，至少一片所述矩形板内壁上设置有沿所述长方体空间的底部至开口端方向的尺寸刻度。通过尺寸刻度可以很方便地读取水泥基材料试件的高度，从而进一步计算出试件的体积、密度。

进一步地，本发明的水泥基材料力学性能测量装置还包括温度控制系统，用于控制所述长方体试模的温度。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

一、本发明为无损试验方法，测试龄期可以提前到初凝前。由于水泥基材料凝结前还未完全硬化，难以通过拆模进行加载试验获得弹性模量及泊松比，本发明方法不需要拆模，因此可以从装置安装就位后即可以测试，而拌合物浇灌及装置安装整个过程可以在20分钟内完成。

二、整个监测过程是连续的，同时可以设定养护温度，可以从装置安装完成后即可以同步、连续监测不同养护温度水泥基材料早龄期动弹性模量和泊松比随龄期演化过程。

三、测试结果不但可以为水泥基材料提供力学参数，同时也可以来评估水泥基材料初凝、终凝时间，以及深刻理解早期微观结构形成与发展变化规律。

四、本发明装置结构简单，成本低廉，测量方法易于实施。

附图说明

图1a、图1b、图1c分别为具体实施方式中所述试模的俯视图、主视图和侧视图；

图2为具体实施方式中本发明测量装置的结构示意图；

图3为采用本发明方法得到的水灰比为0.4、养护温度为25.0℃的水泥净浆的动弹性模量和泊松比随龄期演变的曲线；

图中标号含义如下：

1为矩形板，2为U型金属框，3为耐热材料层，4为隔音层，5为螺栓，6为定位孔，7为隔音层，8为超声波纵波发射器，9为超声波纵波接收器，10为超声波横波发射器，11为超声波横波接收器，12为动态信号测试与分析系统，13为计算机，14为测温元件，15为温度控制仪，16为加热元件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是将拌好的水泥基材料浇注入一上方开口的长方体试模，形成长方体待测试件，其中试模宽度即两片平行材料板之间最小距离根据水泥基材料类型，若为水泥净浆、砂浆，优选为最小距离为100mm；若为混凝土，最小距离为120mm；然后在整个研究龄期内对试件中超声波纵波、横波的传播速度进行持续监测；并根据水泥基材料的动弹性模量、泊松比与超声波纵波、横波的传播速度之间所存在的关系同步计算得到水泥基材料的动弹性模量、泊松比在整个龄期内的变化情况。

待测水泥基材料各龄期时刻的动弹性模量、泊松比可按照以下公式计算：

$E\left(t\right)=4\mathrm{\ρ}\left(t\right){V_T}^2\left(t\right)\frac{1-0.75{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2}{1-{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2},$

$\mathrm{\υ}\left(t\right)=\frac{1-0.5{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2}{1-{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2},$

式中，E(t)、υ(t)分别为待测水泥基材料龄期为t时刻的动弹性模量、泊松比，V_L(t)、V_T(t)分别为龄期为t时刻超声波纵波、超声波横波在试件中的传播速度，ρ(t)为待测水泥基材料龄期为t时刻的密度。

上述公式的推导过程如下：

水泥基材料龄期为t时刻时弹性波传播动量守恒方程为：

$\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)}{\∂x_j}=\mathrm{\ρ}\left(t\right)\frac{{\∂}^2{u}_i\left(t\right)}{\∂t^2}---\left(1\right)$

式中，ρ(t)为t时刻水泥基材料密度，σ_ij(t)为应力分量，u_i(t)为位移分量，x_j(t)为坐标分量，其中i,j=1,2,3，式中某一下标在同一项中出现两次时为进行求和。

对各向同性材料，由胡克定律可知：

σ_ij(t)=λ(t)ε_kk(t)δ_ij+2μ(t)ε_ij(t)        （2）

式中，λ(t)，μ(t)为水泥基材料t时刻拉密常数，即 $\mathrm{\λ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\υ}\left(t\right)E\left(t\right)}{[1+\mathrm{\υ}\left(t\right)][1-2\mathrm{\υ}\left(t\right)]},$ $\mathrm{\μ}=\frac{E\left(t\right)}{2[1+\mathrm{\υ}\left(t\right)]},$ E(t)、υ(t)分别为t时刻水泥基材料弹性模量和泊松比，ε_ij(t)为应变分量，δ_ij为克罗狄克符号。

将（2）式代入（1）式化简得：

$[\mathrm{\λ}\left(t\right)+\mathrm{\μ}\left(t\right)]\frac{\∂\mathrm{\θ}\left(t\right)}{\∂x_i}+\mathrm{\μ}\frac{{\∂}^2{u}_i\left(t\right)}{\∂x_j\∂x_j}=\mathrm{\ρ}\left(t\right)\frac{{\∂}^2{u}_i\left(t\right)}{\∂t^2}---\left(3\right)$

式中， $\mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{\∂u_i\left(t\right)}{\∂x_i}={\mathrm{\ϵ}}_{11}+{\mathrm{\ϵ}}_{22}+{\mathrm{\ϵ}}_{33}.$

定义算子

对（3）式中x_i求微分并且颠倒微分次序可得：

$[\mathrm{\λ}\left(t\right)+2\mathrm{\μ}\left(t\right)]{\▿}^2\mathrm{\θ}\left(t\right)=\mathrm{\ρ}\left(t\right)\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}\left(t\right)}{\∂t^2}---\left(4\right)$

即：

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}\left(t\right)}{\∂t^2}=\frac{\mathrm{\λ}\left(t\right)+2\mathrm{\μ}\left(t\right)}{\mathrm{\ρ}\left(t\right)}{\▿}^2\mathrm{\θ}\left(t\right)---\left(4\right)$

可得：

$V_L\left(t\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\λ}\left(t\right)+2\mathrm{\μ}\left(t\right)}{\mathrm{\ρ}\left(t\right)}}---\left(5\right)$

式中，V_L(t)为水泥基材料龄期为t时刻体积声速，即无限大或无限介质中的纵波波速。

若设θ=0，代入式（3）得：

$\frac{{\∂}^2{u}_i\left(t\right)}{\∂t^2}=\frac{\mathrm{\μ}\left(t\right)}{\mathrm{\ρ}\left(t\right)}\frac{{\∂}^2{u}_i\left(t\right)}{\∂x_j\∂x_j}---\left(6\right)$

可得：

$V_T\left(t\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}\left(t\right)}{\mathrm{\ρ}\left(t\right)}}---\left(7\right)$

式中，V_T（t）为泥基材料龄期为t时刻剪切波速。

将 $\mathrm{\λ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\υ}\left(t\right)E\left(t\right)}{[1+\mathrm{\υ}\left(t\right)][1-2\mathrm{\υ}\left(t\right)]},$ $\mathrm{\μ}\left(t\right)=\frac{E\left(t\right)}{2[1+\mathrm{\υ}\left(t\right)]}$ 代入式（5）、（7）得：

$V_L\left(t\right)=\sqrt{\frac{E\left(t\right)[1-\mathrm{\υ}\left(t\right)]}{\mathrm{\ρ}\left(t\right)[1+\mathrm{\υ}\left(t\right)][1-2\mathrm{\υ}\left(t\right)]}}---\left(8\right)$

$V_T\left(t\right)=\sqrt{\frac{E\left(t\right)}{2\mathrm{\ρ}\left(t\right)[1+\mathrm{\υ}\left(t\right)]}}---\left(9\right)$

相应地，通过测量水泥基材料不同龄期t时刻的纵波声速和横波声速，由式（8）、（9）可得泥基材料龄期为t时刻弹性模量和泊松比：

$E\left(t\right)=4\mathrm{\ρ}\left(t\right){V_T}^2\left(t\right)\frac{1-0.75{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2}{1-{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2}---\left(10\right)$

$\mathrm{\υ}\left(t\right)=\frac{1-0.5{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2}{1-{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2}---\left(11\right)$

本发明测量装置的一个实施例如图1a、图1b、图1c、图2所示，其中图1a、图1b、图1c分别为该实施例中试模的俯视图、主视图和侧视图，图2为整个测量装置的结构示意图。如图所示，本发明测量装置包括用于浇注待测水泥基材料试件的试模，超声波纵波发射器、接收器，超声波横波发射器、接收器，以及超声波信号处理单元。本实施例中的试模如图1a～图1c所示，包括两片矩形板1、U型金属框2、四个螺栓5。如图所示，U型金属框2放置于相互平行的两块矩形板1中间，通过布置于矩形板1的角点上的四个螺栓5固定连接为整体（当然，也可采用粘接、预先开槽等其它方式固定连接），两片矩形板1与U型金属框2所围成的长方体空间即形成试模。其中矩形板1的材料优选有机玻璃，U型金属框2优选采用铜。每片矩形板1上被U型金属框2所包围的区域内均设置有两个定位孔6，两片材料板1上的定位孔6位置相同，形成两对沿U型金属框2对称的定位孔对，分别用于安装超声波纵波发射器/接收器和超声波横波发射器/接收器。定位孔6为非贯穿孔，其底部与所在矩形板内表面间厚度为5mm。为了提高测量精度，在两片矩形板1外侧以及U型金属框2的外侧分别包裹有隔音层7和隔音层4，隔音层4的材料优选泡沫橡胶，不但具有良好的隔音效果，还可以起到一定的保温作用。如图2所示，超声波纵波发射器8和超声波纵波接收器9，超声波横波发射器10和超声波横波接收器11两两对称地分别安装于4个定位孔6中。超声波纵波发射器8、超声波纵波接收器9、超声波横波发射器10、超声波横波接收器11分别与动态信号测试与分析系统12的输入端连接，动态信号测试与分析系统12的输出端与计算机13连接。为了获得不同养护温度下待测水泥基材料的动弹性模量和泊松比随龄期演化过程，本发明测量装置还包括温度控制系统，用于控制所述立方体试模的温度。温度控制系统可采用现有的恒温室、大型空调等方式实现，但为了降低成本，本具体实施方式中采用了一套简易温度控制系统，如图1a～图1c、图2所示，该简易温度控制系统包括设置于U型金属框2与隔音层4之间的加热元件16（例如电热丝、加热电阻等），测温元件14（例如热电偶、红外温度传感器等），以及分别与测温元件14、加热元件16连接的温度控制仪15，温度控制仪15根据测温元件14测得的数据通过加热元件16控制试件始终保持在预设的养护温度下。为了防止加热元件16温度较高时对隔音层4产生影响，在隔音层4与加热元件16之间设置了耐热材料层3，例如采用陶瓷、石棉等耐热材料。

本具体实施方式中，试模宽度即两片平行矩形板1之间距离根据待测水泥基材料的不同分别采用不同的尺寸：若为水泥净浆、砂浆时最小距离为100mm，若为混凝土时最小距离为120mm。超声波在早龄期水泥基材料中的传播速度在500m/s到5000m/s范围，超声波发射器频率优选500KHZ，则超声波波长范围为1mm~10mm,所选尺寸满足当超声波的波长小于待测试件横向最小尺寸的一半时，超声波在试件中传播的速度将与无限大均匀介质中的相当。同时满足一般混凝土最大骨料粒径的要求。

利用上述测量装置进行水泥基材料早龄期弹性模量和泊松比测量时，具体按照以下方法：

步骤1、根据试验目的按照配合比拌合水泥拌合物；

步骤2、将搅拌均匀的拌合物浇注到试模中，浇注同时适当振捣，排出试件内气泡；

步骤3、在水泥拌合物浇注在试模内后立即在其与空气接触的上表面涂上一层防水层（例如矿物油），以防止试件内水分蒸发；

步骤4、根据试验需要调节温度控制系统，将待测试件加热到预定的养护温度；

步骤5、将超声波纵波发射器8和超声纵波接收器9、超声波横波发射器10和超声波横波接收器11成对安放于矩形板1上的4个定位孔6中并压紧，并分别与动态信号测试与分析系统12连接；

步骤6、将动态信号测试与分析系统12与计算机13连接；

步骤7、利用动态信号测试与分析系统12持续采集超声波纵波发射器8、超声波纵波接收器9、超声波横波发射器10、超声波横波接收器11的信号；

步骤8、计算机13对所采集信号进行处理，分别得到不同龄期时刻超声波纵波与横波在试件中的传播时间，并通过下式计算水泥基材料各龄期的动弹性模量和泊松比：

$E\left(t\right)=4\mathrm{\ρ}\left(t\right){V_T}^2\left(t\right)\frac{1-0.75{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2}{1-{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2},$

$\mathrm{\υ}\left(t\right)=\frac{1-0.5{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2}{1-{[V_L\left(t\right)/V_T\left(t\right)]}^2},$

式中，E(t)、υ(t)分别为待测水泥基材料龄期为t时刻的动弹性模量、泊松比，V_L(t)、V_T(t)分别为龄期为t时刻超声波纵波、超声波横波在试件中的传播速度，ρ(t)为待测水泥基材料龄期为t时刻的密度。V_L(t)V_T(t)ρ(t)可分别通过以下公式得到：

$V_L\left(t\right)=\frac{L}{t_L\left(t\right)},$ $V_T\left(t\right)=\frac{L}{t_T\left(t\right)},$ $\mathrm{\ρ}\left(t\right)=\frac{m}{V\left(t\right)}$

式中，L为超声波传播距离即试模宽度（亦即两片矩形板1之间的距离）；t_L(t)、t_T(t)分别为龄期t时刻超声波纵波和横波在试件中的传播时间；m为待测水泥基材料的质量，可通过预先称量得到；V(t)为待测水泥基材料的体积，即试件体积，由于水泥基材料在龄期内体积变化很小，因此可以将V(t)作为定值处理；也可以实际测量各龄期时刻试件的体积，以得到更精确的测量结果，为此，可以预先在至少一片矩形板1的内表面上设置沿试模底部至开口端方向的尺寸刻度，通过尺寸刻度可以很方便地读取水泥基材料试件的高度，结合试模的底面积（为定值），从而准确计算出试件在各龄期时刻的体积、密度；

步骤9、由计算结果绘制水泥基材料的动弹性模量和泊松比随龄期演变曲线；

步骤10、采用不同的配合比、掺加不同种类及掺量的外加剂及矿物掺合料的水泥拌合物，重复步骤2~步骤9，得到该养护温度下不同配合比及掺合料的水泥基材料动弹性模量和泊松比随龄期演变曲线；通过设置不同的养护温度，即可得到不同养护温度下不同配合比及掺合料水泥基材料弹性模量发展曲线。图3显示了利用本发明方法得到的水灰比为0.4、养护温度为25.0℃的水泥净浆动弹性模量和泊松比随龄期演变曲线。

本发明可以对不同养护温度下各类水泥基材料的动弹性模量和泊松比进行非破坏性地同步精确测量，尤其是可以对从初凝前开始的早龄期的动弹性模量和泊松比进行准确测量，这是现有技术难以实现的。本发明装置结构简单，成本低廉，测量方法易于实施，具有很好的实用性。

Claims (10)

1.一种水泥基材料力学性能测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、将拌合好的待测水泥基材料浇注在上方开口的长方体试模内形成待测试件；

步骤B、连续测量各龄期时刻超声波横波、超声波纵波在所述试件中的传播速度；

步骤C、根据以下公式计算得到待测水泥基材料各龄期时刻的动弹性模量、泊松比：

 ，

，

式中，

、

分别为待测水泥基材料龄期为

时刻的动弹性模量、泊松比，

、

分别为龄期为

时刻超声波纵波、超声波横波在试件中的传播速度，

为待测水泥基材料龄期为时刻的密度。

2.如权利要求1所述水泥基材料力学性能测量方法，其特征在于，步骤A中还包括在所形成的试件上表面涂覆防水层。

3.如权利要求1所述水泥基材料力学性能测量方法，其特征在于，还包括：

步骤D、在不同的养护温度下重复步骤A-步骤C，得到待测水泥基材料在不同养护温度下各龄期时刻的动弹性模量、泊松比。

4.一种水泥基材料力学性能测量装置，其特征在于，包括：

一上方开口的长方体试模，用于浇注待测水泥基材料试件；

超声波纵波发射器、接收器，对称设置于所述长方体试模的两侧壁中；

超声波横波发射器、接收器，对称设置于所述长方体试模的两侧壁中；

超声波信号处理单元，分别与所述超声波纵波发射器、接收器，以及超声波横波发射器、接收器连接，用于连续测量各龄期时刻超声波横波、超声波纵波在所述试件中的传播速度，并根据测量结果计算待测水泥基材料各龄期时刻的动弹性模量、泊松比。

5.如权利要求4所述水泥基材料力学性能测量装置，其特征在于，所述长方体试模包括一固定夹持于两片平行的矩形板之间的U型金属框，U型金属框与两片矩形板之间形成一上端开口的长方体空间；每片矩形板上被所述U型金属框所包围的区域内均设置有两个内表面未贯穿的定位孔，两片矩形板上的定位孔位置相同；所述超声波纵波发射器、接收器分别设置于两片矩形板上位置相同的一对定位孔中，所述超声波横波发射器、接收器分别设置于两片矩形板上位置相同的另一对定位孔中。

6.如权利要求5所述水泥基材料力学性能测量装置，其特征在于，在两片矩形板和U型金属框的外侧还包裹有隔音层。

7.如权利要求5所述水泥基材料力学性能测量装置，其特征在于，至少一片所述矩形板内壁上设置有沿所述长方体空间的底部至开口端方向的尺寸刻度。

8.如权利要求5所述水泥基材料力学性能测量装置，其特征在于，所述矩形板为有机玻璃板，所述U型金属框的材料为铜。

9.如权利要求5所述水泥基材料力学性能测量装置，其特征在于，所述定位孔底部与其所在矩形板内表面间的厚度为5mm。

10.如权利要求4-9任一项所述水泥基材料力学性能测量装置，其特征在于，还包括温度控制系统，用于控制所述长方体试模的温度。

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